非连续级配骨料水工混凝土配合比设计与应用

刘 付,刘 亮,韩先宇

(1.中国水电基础局有限公司,天津 301700;2.雅砻江流域水电开发有限公司,成都 610051)

0 前言

在建筑、市政、水利行业高速发展的当今,综合工程越来越多,虽然混凝土强度指标通用,但是建筑、市政、水利行业规范要求的骨料粒径不一样,如水利行业骨料粒径为5～20 mm、20～40 mm、40～80 mm等;建筑行业骨料粒径为5～10 mm、10～16 mm、16～31.5 mm等;市政行业骨料粒径尺寸为5～10 mm、10～16 mm等。随着建筑、市政工程在市场中占有率越来越大,并且石子开采环境保护限制,能够满足水利工程标准粒径的石子生产厂家越来越少。

桐子林水电站泄洪消能系统技术改造工程施工前对四川省攀枝花地区砂石筛分厂考察发现,盐边县周边大规模石子生产厂家仅3家,分别为攀枝花显达工贸有限责任公司,石子粒径为10～20 mm、10～30 mm、20～31.5 mm;龙兴源工贸有限责任公司,石子粒径为10～20 mm;阿署达工贸有限责任公司,石子粒径为5～31.5 mm,产能较低。通过盐边县周边石子生产厂家考察发现没有水利行业级配碎石,但桐子林水电站建设期有库存粒径40～80 mm石子。

桐子林水电站泄洪消能系统技术改造工程为技改修复工程,需要在2020年汛前完成技改施工任务,时间紧、任务重。辅助消能工混凝土技术要求中明确提出使用三级配混凝土。在现有市场调查的基础上,综合考虑选择粒径10～30 mm的石子和水电站库存40～80 mm石子拌制混凝土,在源头降低混凝土水化热,满足施工质量要求。

采用10～30 mm的石子和40～80 mm石子拌制非连续三级配混凝土对配合比的设计提出新的考验[1],桐子林技改项目试拌混凝土从调整石子的比例、砂率的大小、胶凝材料的用量来最大程度地优化配合比,并将得到的基准配合比和连续级配骨料的配合比在试验室内进行性能分析,得到满足施工要求的非连续级配混凝土配合比并在现场应用中进行跟踪。

1 原材料试验

对该工程的原材料进行试验,原材料性能指标检测结果:水泥见表1,小石见表2,中石见表3,砂子见表4。

表1 P.LH42.5水泥性能指标检测结果

表2 10～30 mm碎石性能指标检测结果

表3 40～80 mm碎石性能指标检测结果

表4 砂子性能指标检测结果

将上述石子的试验结果通过不同的比例合成后得到的曲线见图1:

图1 石子级配曲线

图1显示,按照比例大石∶中石=6∶4的曲线更接近标准曲线。因此粗骨料中大石和中石的比例为大石∶中石=6∶4。但是,试验曲线与标准曲线仍存在一定差距。为研究该差距对混凝土性能的影响,在试验室准备足够试样,同时,按照标准曲线制备同样质量的试样,进行试验对比。观察试样的坍落度、扩展度、1 h坍落度损失、抗压强度指标。

在进行对比试验前,先确定试验初步用的配合比数据。确定好初步数据后,进行现场骨料和标准骨料比对,进而分析调整。

2 配合比设计

2.1 混凝土性能

设计文件要求:混凝土强度等级为C25,常态混凝土,三级配,强度保证率不小于95 %,水胶比最大允许值0.55,坍落度70～90 mm。使用部位为辅助消能工连续坎和加固板。

2.2 配合比设计

拟定用水量为112 kg/m3,拟定三个不同水胶比即0.48、0.45、0.42进行对比。砂率为37 %、36 %、35 %进行对比;粉煤灰掺量按综合经验值为30 %;减水剂掺量为厂家推荐值0.7 %[2]。

2.2.1 砂率确定

砂率的选择采用固定用水量、固定水胶比0.45和粉煤灰掺量30 %,外加剂掺量0.7 %。试验成果见表5。

从表5可得,用水量为112 kg/m3时,根据混凝土和易性等综合因素,选择最优砂率为36 %。

2.2.2 水胶比确定

水胶比的确定采用固定用水量、固定砂率和粉煤灰掺量为30 %,外加剂掺量0.7 %。试验成果见表6。

表6 水胶比选择

按《水工混凝土配合比设计规程》(DL/T 5330-2015)的规定,根据混凝土设计强度等级、强度保证率及混凝土强度标准差确定混凝土的配制强度,混凝土的配制强度计算公式为:

fcu,o=fcu,k+tσ

式中,fcu,o为混凝土配制强度( MPa),见表9;fcu,k为混凝土设计强度( MPa);t为概率度系数,其值按表7选用;σ为混凝土强度标准差( MPa),其值按表8选用。

表7 保证率和概率度系数关系

表8 混凝土强度标准差参考值

表9 混凝土不同强度等级配制强度

强度等级混凝土的配制强度见表7、表8及表9。

据上述表中28 d抗压强度及其对应的水胶比,进行混凝土抗压强度与水胶比的线性回归分析,28 d抗压强度与水胶比关系为:y=-188.33x+120.35,相关系数r=0.9942,确定水胶比为0.45。

通过上述数据,确定对比骨料性能采用的配合比见表10。

表10 非连续级配骨料混凝土配合比数据

2.3 试验结果分析

按照表10中的原材料用量在试验室内进行试拌,在其他参数不变的情况下,只调整石子种类,试拌后进行坍落度、扩展度、泌水率比、抗压强度等各项性能指标对比。

通过对比分析显示(见表11):非连续级配骨料混凝土和与之对应的连续级配骨料混凝土抗压强度几乎没有变化,坍落度也没有很大变化,主要性能变化为扩展度、1 h坍落度损失、泌水率比,主要原因是因为缺少一部分5～10 mm、30～40 mm的石子,引起混凝土内部结构发生变化,造成混凝土流动性能下降、保水性能下降。

表11 混凝土性能统计分析

为了在试验室试拌过程中得到更好工作性能的混凝土,考虑适当加入一定比例的胶凝材料,保持水胶比不变,通过增加10 %、20 %的比例胶凝材料,试拌试验性能指标对比见表11。

通过表11数据显示:增加10 %的胶凝材料,可以提高混凝土工作性能;增加20 %的胶凝材料,混凝土工作性能提升不明显。

3 施工应用

根据上述4种室内混凝土配合比的试拌情况,现场主要采用S-1配合比施工,局部小仓位采用S-3配合比浇筑。对S-1和S-3配合比施工使用情况比对,观察拌制、运输、浇筑过程中工作性能及混凝土拆模、养护后的表观质量。22仓采用S-1配合比拌制的混凝土施工,2仓采用S-3配合比拌制的混凝土浇筑。养护完成后,混凝土表观质量无明显差异。

3.1 混凝土拌制

S-1为非连续级配混凝土,为了更好地使混凝土搅拌均匀,搅拌时间同比S-3混凝土配合比搅拌时间增加15 s(考虑S-3为连续级配,在原连续级配基础上增加15 s)。搅拌后,从出机口的混凝土工作性能看:采用S-1和S-3配合比的混凝土拌合物都有较好的工作性能,其中S-1混凝土出机口坍落度为77 mm,扩展度为264 mm;S-3混凝土出机口坍落度为80 mm,扩展度为277 mm,出机口混凝土物理性能均符合施工设计要求。

3.2 混凝土运输

考虑到S-1配合比拌制的混凝土1 h坍落度损失在试验室内测量结果为8 mm,为了保证混凝土稳定的物理性能,加快混凝土入仓,缩短混凝土运输及等待时间,运输采用“快车少装”的办法。S-1比S-3配合比拌制的混凝土每车少装2.0 m3(原连续级配基础上),并且增加1辆运输车来保证入仓强度要求。经过运输、性能检测、入仓等系列流程,发现S-1配合比拌制的混凝土从拌制到入仓振捣的时间控制在40 min左右,有效地控制了坍落度损失,现场操作效果良好。

3.3 混凝土入仓

桐子林水电站连续坎、加固板混凝土浇筑采用“挖机+布料机”入仓,以布料机为主(传输带传输),挖机为辅。考虑到S-1配合比拌制的混凝土级配不连续,在对S-1配合比拌制的混凝土浇筑时,同比S-3配合比拌制的混凝土传送速度放缓8 %(原连续级配基础上)。传输速度放缓后,S-1配合比拌制的混凝土入仓状态良好,没有产生骨料分散、泌水的情况,和易性较好。S-3配合比拌制的混凝土在正常的传输速度下表现良好的黏聚性、和易性。

3.4 混凝土振捣

规范的振捣作业对混凝土实体质量起到关键性作用,现场进一步加强了对S-1配合比拌制的混凝土振捣作业:挑选经验丰富的熟练工负责振捣,安排专业扎实的质检员负责监督,严格执行先平仓后振捣、直线行列1.2倍作业半径内直上直下、快插慢拔、徐徐提出的要领。同比S-3配合比拌制的混凝土,对S-1配合比拌制的混凝土振捣时间在避免过振的原则下,振捣时间适当延长5 s(原连续级配基础上)。振捣后,混凝土粗骨料不再显著下沉,不再出现气泡、表面开始泛浆。S-3配合比拌制的混凝土同样具有良好的“出浆”效果。

3.5 混凝土实体质量情况

在拌制、运输、入仓、振捣等环节采取一系列措施和成熟的施工工艺,最大限度地弥补了非连续级配混凝土自身物理性能的局限,保证了实体混凝土的质量。

S-1配合比和S-3配合比拌制的混凝土拆模、养护后,混凝土表面均无蜂窝、麻面,表面光滑,观感质量良好。实际回弹强度S-1配合比拌制的混凝土平均值为30.4 MPa,S-3配合比拌制的混凝土平均值为30.8 MPa,均满足设计要求。

4 结论

(1)非连续级配骨料混凝土配合比的设计中要着重考虑骨料级配不连续对混凝土工作性能的影响[3],在本次试验中可以看到,非连续级配骨料混凝土和同等参数下的连续级配混凝土相比,强度差别不大、坍落度差别不大、坍落度损失变大、扩展度变小、泌水率变大。

(2)非连续级配骨料混凝土的工作性能下降,对现场的施工水平提出了新要求。为了更好地保证施工质量,现场施工会放缓浇筑速度,而从施工技术层面考虑弥补,最终混凝土的实体质量依然可以达到优良水平。

(3)对于特殊浇筑部位,可以调整配合比,通过采用增加10 %的胶凝材料技术措施保持水胶比不变来满足施工进度要求,但是增加胶凝材料会增加混凝土生产成本。

(4)“变废为宝”“因地制宜”是本次非连续级配骨料混凝土配合比设计的初衷,经过一系列试验,最后的非连续级配骨料混凝土配合比在本次桐子林水电站泄洪消能系统技术改造工程施工中的应用效果良好,现场连续坎及加固板实体观感质量良好,无蜂窝麻面、表面光滑。最终应用效果和试验室试拌研究、拌合站控楼拌制、现场入仓浇筑施工工艺分不开。

(5)本次非连续级配骨料混凝土配合比的成功应用,也是对未来国内水电市场萎缩,砂石供应商因市场需求大量生产房建类、市政类级配骨料,以致水利级配骨料缺失的情况下,为更好的拌制应用水利三级配混凝土提供了一种全新的思路和方法。