两河口水电站二级配扩大粗骨料粒径(二级半)混凝土性能试验

王 媛,张东明,施召云

(1.成都大学 建筑与土木工程学院,四川 成都 610106;2.雅砻江流域水电开发有限公司,四川 成都 610056)

0 引 言

两河口水电站是雅砻江中下游的控制性龙头水库电站，坝址位于雅砻江干流与支流鲜水河的汇口下游约为3 km处，距雅江县城约为25 km，坝址控制流域面积为65 700 km2，多年平均流量为666 m3/s，水库正常蓄水位为2 865.0 m，正常蓄水位以下库容为10.167×109m3，调节库容为6.56×109m3，具多年调节性能，电站装机容量为3 000 MW.

两河口水电站施工用混凝土总量约为3.6×106m3，且多为结构混凝土，其中二级配混凝土总量约为2.5×106m3.同时，两河口水电站骨料料源为砂板岩加工，骨料针片状、类针片状颗粒含量高、波动大，其中针片状含量约为7%～30%；紧密堆积状态下的空隙率在40%～44%之间.骨料条件差这一状况致使骨料粒形及级配差、空隙率大，比表面积大，与水泥浆体接触面增加，表面吸水量增加，摩阻力增大，进而导致混凝土单位用水量和胶凝材料用量高，浇筑过程易产生问题.

两河口水电站砂板岩骨料在粒形选择受限的情况下，本试验通过扩展骨料级配，适当增加最大骨料粒径，进一步改善级配，将原来二级配混凝土最大粒径扩展至40～60 mm范围，从而降低骨料空隙率，减小用水量和胶凝材料用量，在施工性能相当的条件下，降低水化热温升、提高混凝土综合性能、降低了混凝土开裂风险、降低了工程造价.

水工混凝土用骨料，目前主要划分为5～20 mm、20～40 mm、40～80 mm及80～120 mm(150 mm)4种，其中40～80 mm及80～120 mm(150 mm)主要用于水工大坝混凝土.5～20 mm及20～40 mm两种骨料多组合使用，用于水工其它结构性混凝土.因为受施工时钢筋保护层厚度、钢筋间距等因素影响，骨料粒径不宜太大，一般不超过40 mm，部分混凝土甚至采用一级配骨料，最大粒径仅为20 mm.

水工混凝土中骨料所占体积较高，由于不参与水泥复杂的水化反应，一直被视为一种简单的惰性填充料.随着混凝土研究的不断深入，工程界越来越认识到骨料对于混凝土性能的重要性.在骨料品质中通常被看重的是骨料强度和含泥量等指标，而忽视骨料级配和粒形的重要性，认为后者无外乎增加用水量和水泥用量的问题，很少从耐久性角度去重视骨料级配等品质问题.

根据Fuller最大密实度曲线理论，固体颗粒按粒度大小有规则地组合排列，按照优化组合试验结果粗细搭配，可以得到密度最大、空隙最小的组合骨料，由此降低配合比用水量和胶凝材料用量，改善混凝土工作性能，提高其强度和体积稳定性.通过扩展骨料级配，由原来的5～20 mm及20～40 mm二级配扩展至40～60 mm(50 mm)范围，进而降低骨料空隙率，使得混凝土制备时用水量和胶凝材料用量降低，从而提高混凝土综合性能.

为解决两河口水电站混凝土采用砂板岩制骨料引起的问题，进一步降低混凝土单位用水量和胶凝材料用量，改善混凝土施工性能及硬化力学、耐久性能，通过扩展粗骨料级配范围，以期降低骨料空隙率及比表面积，进而降低混凝土单位用水量和胶凝材用量，由此改善混凝土性能.可为其它工程解决类似问题提供借鉴和参考意义.

1 研究思路

1.1 粗骨料优化组合比例研究

粗骨料各级比例不同可使组合骨料空隙率不同，良好的颗粒级配组合不仅可以增加骨料堆积密度、降低空隙率，提高混凝土的密实度，还能节约砂浆，降低干缩开裂风险，改善混凝土抗渗性能.基于上述原因，开展粗骨料不同级配下的组合试验，根据紧密堆积理论比选最优骨料组合是本试验关键工作.

1.2 粒级扩展前后的配合比参数对比试验研究

粗骨料粒径的变化，必然导致骨料粒形、级配等因素变化，进而导致不同粒径下同一混凝土配合比参数的变化.随着骨料粒径范围的增加，骨料粒径的增大，水胶比如何调整，混凝土性能如何变化，需要结合骨料粒径扩展前后，开展强度—胶水比关系试验，建立强度—胶水比关系曲线，以确定推荐水胶比.

2 骨料粒径优化组合试验

2.1 骨料制备及品质检测

试验用骨料粒径为5～20 mm、40～60 mm，均为人工筛分加工，20～40 mm颗粒为砂石骨料加工系统生产的成品骨料.各级骨料性能检测结果如表1所示.

表1 粗、细骨料性能检测结果

2.2 Fuller理论与工程实践经验条件下的掺配比例选择

根据Fuller最大密度理论曲线方程式(式1)设计的骨料级配，混凝土能获得最大密度的理论曲线.

(1)

式中，P为骨料通过筛孔孔径为d的质量百分数；d为筛孔的孔径,/mm；Dmax为骨料最大粒径,/mm.

本试验中根据Fuller最大密度理论曲线计算的粗细骨料掺配比例如表2所示.

表2 粗、细骨料掺配比例Fuller级配曲线计算结果

水电工程常用骨料比例与Fuller曲线级配不尽相同，本试验拟在Fuller级配曲线和工程经验级配中选择密实度高的级配组合，不同骨料掺配比例及物理性状如表3所示.

表3 基于Fuller级配曲线的粗、细骨料掺配及经验掺配比例与物理性状

可见，骨料比例在(5～20)mm∶(20～40)mm∶(40～60)mm约为2∶3∶5，(5～20)mm∶(20～40)mm∶(40～60)mm约为3∶3∶4情况下，紧密堆积密度分别为1 790 kg/m3和1 780 kg/m3，在各种比例组合中较密实，空隙率较小，因此，混凝土配合比试验中骨料组合选择(5～20)mm∶(20～40)mm∶(40～60)mm=3∶3∶4.

3 混凝土配合比试验

3.1 混凝土强度等级及配合比设计参数选取

本试验根据以往工程经验选取1种水电工程常用强度等级混凝土(C25)，拌制试验用2.5级配C25混凝土，该强度等级下配合比设计参数见表4.

表4 混凝土强度等级及其配合比设计参数

3.2 混凝土配制强度

混凝土C25配制强度计算如下.

fcu,o=fcu,k+1.645×σ

=25+1.645×4.5

=32.4 MPa

(2)

3.3 确定水胶比

根据混凝土抗压强度与水胶比关系，常态C25混凝土计算水胶比及推荐水胶比如表5所示.

表5 常态C25混凝土计算水胶比和初步推荐水胶比表

考虑到现场原材料波动，实际制备的水胶比在计算水胶比基础上提高0.04强度等级，即0.49.在该水胶比水平上，粗骨料形状对于混凝土抗压强度和劈拉强度影响较小[1-2].

3.4 初选配合比

选择P·MH42.5中热水泥，粉煤灰掺量依据能够有效抑制砂板岩骨料碱活性为原则，初步确定为20%；根据工程经验并经室内试拌、调整，粉煤灰具体掺量初步确定为125 kg/m3；制备过程中，添加高性能聚羧酸系减水剂及引气剂.

结合骨料优化组合试验成果，经室内试拌、调整，初步确定为0.45水胶比下的砂率为37%；根据生产厂家推荐掺量，混凝土的含气量控制在3.5%～5.5%，坍落度以满足控制指标要求为原则[3-7].本次常态C25混凝土初步推荐配合比如表6所示.

表6 常态C25二级半混凝土初步推荐配合比表

在该配合比下的制备的混凝土强度如表7所示.

表7 常态C25二级半混凝土强度

4 混凝土比较试验

为进一步研究不同骨料比例、不同骨料级配对于混凝土配合比参数及其强度的影响，本研究对于不同级配和不同骨料组合比例混凝土之间差异开展了系统常态C25混凝土比较试验.

4.1 不同骨料比例的比较试验

针对(5～20)mm∶(20～40)mm∶(40～60)mm约为2∶3∶5和(5～20)mm∶(20～40)mm∶(40～60)mm约为3∶3∶4的骨料组合比例，参与比较的混凝土配合比如表8所示.

表8 不同骨料比例混凝土比较试验配合比参数表

不同骨料比例混凝土实验结果如表9所示.

表9 不同骨料比例混凝土试验结果对比表

上述结果表明，(5～20)mm∶(20～40)mm∶(40～60)mm骨料比例为3∶3∶4时,混凝土强度指标较好.

4.2 不同级配的比较试验

针对二级配半混凝土与原二级配混凝土的试验配合比如表10所示.

表10 不同骨料级配混凝土比较试验配合比参数表

5 结 语

混凝土单位用水量试验结果表明：二级半混凝土相对于二级配混凝土，由于骨料粒径范围的增加，单位用水量降低约为15～20 kg.湿筛后，混凝土含气量检测结果略呈增加趋势，混凝土坍落度增加明显，但是倒坍落度桶扩展度试验结果不受影响，说明常态混凝土在保证相同和易性下，随着粒径范围的变宽，混凝土施工性能未受显著影响[8].随着骨料粒径范围的变化，混凝土强度略有提高.骨料水洗前后混凝土单位用水量差异较大，骨料水洗后外加剂塑化效能发挥更加明显，本研究对混凝土配合比综合优化措施中的砂石系统建设、选型等可起到一定参考作用.可考虑进一步深入开展骨料水洗前后的混凝土配合比室内相关试验工作.

本试验探索了砂板岩混凝土骨料条件下，通过扩大二级配混凝土最大骨料粒径、改善不同级配骨料比例以及完善相应配套施工措施，从而降低传统二级配混凝土单位用水量和胶凝材料用量，达到降低混凝土水化热温升、改善混凝土综合性能指标以及节约投资等.同时，也为其他水电工程混凝土设计、施工提供经验借鉴.