水利水电工程自密实混凝土配合比设计分析

苏 彧

(法库县水利事务服务中心，辽宁 法库 110400)

1 设计要求

水利水电工程厂房坝段引水压力钢管底部管道部位场地狭窄、配筋密集，若用普通混凝土浇筑则工作面难以展开，无法保证混凝土施工质量和振捣密实，为满足工程要求必须配制高性能混凝土[1-3]。因具有密实均匀、自行流平等特点，自密实混凝土既能加快施工进度，还可防止因振捣不足而出现麻面、蜂窝的问题，从而保证厂房坝段整体施工质量[4]。结合施工现场情况，自密实混凝土设计技术指标见表1。

表1 混凝土设计要求

2 原材料性能

2.1 胶凝材料

1)水泥。由于水泥用量多、水胶比大，自密实混凝土主要用于构件体积较小的房建项目，一般温控问题不明显。对于大体积、大尺寸水工建筑物，自密实混凝土的配置应尽量使用水化热低、质量好的水泥，从而防止早期水化热聚集引起的开裂问题[5-6]。工程选用铁岭水泥厂生产的P·O 42.5级中热硅酸盐水泥，经检测各项性能指标均符合标准要求，见表2。

表2 普通水泥与中热水泥的性能检测值

试验表明，与普通水泥相比中热硅酸盐水泥具有更低的水化热，其温控效果也更加明显，有利于控制水工结构有害裂缝的形成与发展。

2)粉煤灰。采用高质量粉煤灰等量替代水泥，既能减缓水化反应速度增强混凝土抗裂性能，还能保证后期强度。工程选用铁岭电厂生产的Ⅰ级粉煤灰作为矿物掺合料，经检测各性能指标符合Ⅰ级标准要求，见表3。

表3 粉煤灰性能检测值

工程实践经验，对于有抗冻要求的水工混凝土其粉煤灰掺量宜为20%～30%。根据试验结果和施工现场情况，工程粉煤灰掺量按25%等量替代水泥。

2.2 粗细骨料

1)细骨料。《自密实混凝土规范》推荐使用Ⅱ区中砂细骨料级配，本工程选用灰岩碎石经砂石生产系统破坏而成的人工砂，颗粒级配见表4。

表4 人工砂颗粒级配

结果显示，0.15mm筛分孔径时人工砂的累计筛余达到91.8%，孔径在0.15mm以下的筛底只有8.0%，属于细度模数偏大、石粉含量较低的中砂，能够满足自密实混凝土配合比设计要求，现场试验过程中混凝土拌和物的流动性良好。

2)粗骨料。《自密实混凝土规范》推荐使用的粗骨料最大公称粒径≤20mm，采用两个以上单粒径搭配或者连续级配的粗骨料。本工程选用5～20mm连续级配的普通碎石，其石粉含量忽略不计，泥块含量≤0.5%，含泥量<1.0%，针片状含量≤8%，经检测各项性能指标均符合标准要求，见表5。

表5 粗骨料基本性能

与间断级配骨料相比连续级配的水泥用量稍多，连续级配粗骨料可以保证混凝土的弹性模量、强度以及拌和物的抗堵塞、黏聚性。

2.3 外加剂

本工程选用海韵牌BT-7000型高效缓凝减水剂和苏博特GYQ-Ⅲ型高效引气剂，这两种外加剂的质量稳定、技术成型，并被广泛应用于水利工程等领域。在粉煤灰等量替代水泥的情况下，减水剂的使用能够进一步减少泌水离析以及胶凝材料用量，确保拌和物流动性及和易性。结合工程实践经验，水利工程泵送混凝土的减水剂掺量为5%。原则上，混凝土有抗冻要求时必须使用引气剂，应考虑现场试验情况合理确定引气剂掺量。试验表明[7]，新拌90min含气量达到6%的混凝土28d抗压强度减少将近30%，掺入引气剂会大大减小混凝土后期强度。鉴于混凝土强度受引气剂的不利影响，控制混凝土拌和物含气量≤6%，一般处于4.0%～6.0%区间内。

3 自密实混凝土配合比设计

3.1 混凝土配制强度fcu,p

文章利用绝对体积法设计配合比，依据设计规程完成相应的试验和计算，配制强度fcu,p的计算公式为：

fcu,p≥fcu,o+1.645σ

(1)

式中：fcu,o、σ为混凝土的设计强度，MPa和强度标准差，结合表1技术指标确定fcu,o设计强度为30MPa，fcu,o与标准差取值密切相关，结合设计规范确定σ为5.0。由于引气剂的掺入会带来一定的强度损失，故实际配制的混凝土强度要高于计算值，经计算和试配调整确定混凝土配制强度取值区间为52-55MPa。

3.2 水灰比与用水量

设fce代表水泥胶砂的28d强度，α、β代表与粗骨料表面特征有关的回归系数，混凝土配制强度与水灰比W/B的关系式如下：

W/B=1/(fcu,p/αfce+β)

(2)

对于高性能混凝土的回归系数规范推荐的数值并不适用[8]，通过试验检测、现场调查的方法收集抗压强度和水灰比数据，经一元二次回归分析确定配合比设计中的水灰比取值为0.43。

根据水利水电工程泵送混凝土施工经验，控制压力钢管管道部位的混凝土拌和物塌落度在220～250mm范围，扩散度≥600mm，设计单方混凝土用水量165kg。

3.3 确定砂率

在粗骨料最大粒径和水灰比数值已知的情况下，可以大致确定砂率的取值区间，为保证混凝土施工的可操作性同等条件下应尽可能选择较高的砂率[9-10]。在用水量和水灰比取值不变的条件下，混凝土塌落度试验结果见表6。

表6 自密实混凝土拌和物性能

试验表明，综合考虑流动性、黏聚性、扩展度和含砂情况等因素，砂率为46%时的混凝土性能最优。砂率为44%、45%时出现了砂浆裹不住石子、集料空隙率增大、骨料堆积的情况，砂率超过46%时的混凝土需水量增加但和易性、扩散度反而下降。

3.4 自密实混凝土配合比

试验选用3种配合比对照分析混凝土强度，其中基准配合比通过试配确定，保持砂率和用水量不变，相对于基准配合比减小或增加0.02作为另外两个配合比，相关参数见表7。

表7 自密实混凝土配合比参数

根据表7中的设计参数每种配合比制作一组标准试块，尺寸为150mm×150mm×150mm，标准养护至28d龄期时测试混凝土抗压强度，测试结果见表8。试验表明，水胶比0.43组的混凝土试样各项指标均符合规范要求，故最终的设计配合比确定为该组配合比。

表8 自密实混凝土性能检测成果

3.7 性能检测

测量出机口拌和物扩散度见表9，结果表明混凝土拌和物无泌水离析现象，流动性、和易性和黏聚性整体良好，并且满足抗渗、抗冻和抗压强度设计要求。冻融试验表明，F300混凝土试块的质量损失率≥1.0%，动弹性模量损失<10%，具有较好的抗冻性能[11-17]。

表9 自密实混凝土扩散度

4 结 论

针对引水压力钢管底部管道部位场地狭窄、配筋密集，用普通混凝土浇筑工作面难以展开，无法保证施工质量等问题，详细分析了自密实混凝土的配合比设计方法。经现场抽样，投入使用后按设计配比配制的自密实混凝土具有良好的性能，施工过程中未发现泌水离析现象，坍落度稳定。混凝土脱模后无蜂窝麻面，外观质量较好，现场回弹检测和试块强度试验结果等技术指标均符合设计要求。