中国水利水电第八工程局有限公司 湖南长沙 410004
【摘要】本文根据自己参建水电站建设的实践，对水电站抗冲耐磨混凝土配合比设计与现场质量控制的应用进行阐述。该电站建设工程的混凝土骨料我们就地取材，在现场建设人工砂石加工系统生产而成。骨料性能因采料点不同差异较大，这对配合比的设计与调整提出了更高的要求。文章主要介绍了高性能抗冲耐磨混凝土配合比的设计与现场质量控制要求，为保证工程施工质量及现场施工提供科学可靠的技术依据。
【关键词】试验目的与试验方法；混凝土配合比设计依据；原材料检测数据分析；
混凝土配合比设计；抗冲耐磨混凝土生产质量控制。
1. 概述
水电站工程是一座以发电为主的水电枢纽，电站正常蓄水位455.00m，相应库容为17.55亿m3，最大坝高87.35m，水电站装机容量为168MW。
枢纽建筑物由混凝土面板堆石坝、溢洪道、右岸引水系统、发电厂房及下游护岸工程组成。根据设计图纸，抗冲耐磨混凝土主要分布在左岸溢洪道高速水流区（泄槽段及挑坎段底板面层1m厚范围内），混凝土标号为C35。其混凝土配合比的设计及现场质控对保证现场施工质量及后期电站安全持久的运行起着至关重要的作用。
2. 试验目的与试验方法
2.1 试验目的
根据设计图纸要求，结合现场骨料性能，且为满足施工需要，进行C35抗冲耐磨混凝土配合比设计与试验。
2.2 试验方法
（1）原材料主要依据南塔河项目招标文件《技术条款》的相关要求及当地市场供应情况进行选择。混凝土配合比设计试验计算采用绝对体积法，骨料采用饱和面干计算；
（2）通过混凝土配合比参数的选择试验，在满足各等级混凝土对于混凝土强度等硬化混凝土性能及混凝土工作性等指标的设计要求下，使混凝土中胶凝材料用量最合理，以达到混凝土科学合理经济适用的目的；
（3）混凝土的水胶比为骨料饱和面干状态下的混凝土单位用水量与单位胶凝材用量的比值；
（4）粗骨料级配及砂率的选择，考虑到充分满足混凝土施工和易性及最小单位用水量等要求，通过试验综合分析确定；
（5）混凝土坍落度根据建筑物特性、钢筋含量、混凝土运输浇筑、气候等，尽可能采用较小的坍落度，并满足施工要求；
（6）配合比设计试验中的所有检测项目，依据国家、行业现行有效的标准、规程规范规定的方法进行。
3. 混凝土技术要求
根据设计及相关图纸要求，混凝土设计技术要求见表1。
表1 混凝土设计技术要求
序号 | 设计强度等级 | 级配 | 极限拉伸值 ×10-4 | 抗渗 | 备注 |
1 | C35 | 二 | ≥0.8 | W4 | 抗冲磨 |
2 | 三 |
4. 混凝土配合比设计依据
混凝土施工配合比设计和试验遵循《水工混凝土施工规范》（DL/T5144-2015）、《水工混凝土配合比设计规程》(DL/T5330-2005)、《水工混凝土试验规程》(DL/T5150-2001)、《水工混凝土砂石骨料试验规程》（DL/T5151-2001）、《水工混凝土掺用粉煤灰技术规范》（DL/T5055-2007）、《通用硅酸盐水泥》（GB175-2007）、《水泥胶砂强度检验方法（ISO）》（GB/T17671—1999）、《水工混凝土外加剂技术规程》（DL/T 5100-1999）、合同文件（NT-2014-ZB-0102-001）中的有关规定及相应的设计要求。
5. 原材料检测
5.1 水泥品质性能检验
水泥品质性能检测结果均满足《通用硅酸盐水泥》GB175-2007中52.5水泥的技术要求，见表2。
表2 水泥物理力学性能检验结果
生产厂家 | 密度(g/cm3) | 稠度 (%) | 比表 面积 (cm2/g) | 凝结时间 （h：min） | 安定性 | 抗折强度（MPa） | 抗压强度（MPa） | |||
初凝 | 终凝 | 3d | 28d | 3d | 28d | |||||
大象水泥 | 3.15 | 26.6 | 334 | 1：48 | 2：45 | 合格 | 6.2 | 8.3 | 34.1 | 56.2 |
GB175-2007 | — | — | ≥ 300 | ≥45min | ≤ 10h | 合格 | ≥4.0 | ≥7.0 | ≥ 23.0 | ≥ 52.5 |
5.2 粉煤灰性能检验
采用泰国清迈眉莫电厂生产的粉煤灰，其品质检测结果满足《水工混凝土掺用粉煤灰技术规范》DL/T5055-2007中Ⅱ级粉煤灰的技术要求，检测结果见表3。
表3 粉煤灰品质检测结果
检测项目 煤灰名称 | 细度（%） | 需水量比 （%） | 烧失量 （%） | 含水率 （%） | 密 度 （kg/m3） | |
清迈眉莫粉煤灰 | 23.7 | 90.8 | 0.1 | 0.10 | 2360 | |
DL/T5055-2007 | Ⅱ级 | ≤25 | ≤105 | ≤8.0 | ≤1.0 | — |
5.3 细骨料性能检验
细骨料采用南塔河1#水电站项目部砂石生产系统生产的人工砂（灰岩），检测试验结果见表4，其品质检测结果满足《水工混凝土施工规范》DL/T 5144-2001中相关技术要求。
表4 细骨料品质检测结果
检测项目 | 表观密度(kg/m3) | 坚固性(%) | 有机质含量 | 细度模数 | 石粉含量(%) | 泥块含量(%) |
检测结果 | 2720 | 1.5 | 合格 | 2.79 | 14.7 | 0.0 |
DL/T5144-2001 | ≥2500 | ≤10 | 不允许 | 2.4～2.8 | 6～18 | 不允许 |
5.4 粗骨料性能检验
粗骨料采用南塔河1#水电站项目部砂石生产系统生产的人工碎石（灰岩），检测试验结果见表5，其品质检测结果满足《水工混凝土施工规范》DL/T 5144-2001中相关技术要求。
表5 粗骨料品质检测结果
骨料粒径（mm） | 含泥量（%） | 泥块含量(%) | 坚固性(%) | 表观密度（kg/m3） | 吸水率（%） | 针片状含量（%） | 压碎值（%） |
5-20 | 0.6 | 0 | 0.6 | 2710 | 0.4 | 4.7 | 10.0 |
20-40 | 0.4 | 0 | 0.6 | 2710 | 0.3 | 3.7 | |
40-80 | 0.3 | 0 | 0.6 | 2720 | 0.2 | 6.1 | |
DL/T5144-2015 | D20、D40≤1.0 D80≤0.5 | 不允许 | ≤12 | ≥2550 | ≤2.5 | ≤15.0 | ≤10.0 |
5.5 减水剂性能检验
减水剂采用石家庄长安育才建材有限公司生产的GK-4A缓凝型高效减水剂，检测试验结果见表6，其品质检测结果满足《水工混凝土外加剂技术规程》DL/T 5100-2014中相关技术要求。
表6 减水剂品质性能检测结果
检测项目 外加剂 及掺量 | 减水率(%) | 含气量(%) | 泌水率比（%） | 凝结时间差（min） | 抗压强度比(%) | ||||
初凝 | 终凝 | 3d | 7d | 28d | |||||
缓凝型高效减水剂 | 0.8% | 20.0 | 2.3 | 28 | +205 | +185 | 142 | 140 | 135 |
DL/T5100- 2014 | ≥15 | ＜3.0 | ≤100 | ≥+120 | ≥125 | ≥125 | ≥120 | ||
5.6 聚丙烯纤维性能检验
根据设计要求，溢洪道底板抗冲磨混凝土中需添加聚丙烯纤维。采用佛山天泽清阳化工科技有限公司生产的建筑聚丙烯纤维，产品厂家提供的检验结果表明其品质满足《水泥混凝土和砂浆用合成纤维》GB/T 21120-2007的标准要求。检验结果见表7。
表7 聚丙烯纤维检验结果
检验项目 | 测试方法 | GB/T 21120-2007标准要求 | 实测结果 |
长度（mm） | GB/T 21120-2007 | 6-40 | 9.12 |
平均当量直径（μm） | GB/T 10685-2007 | 5-100 | 14.19 |
平均强度（MPa） | GB/T 21120-2007 | ≥270 | 429 |
变异系数（%） | ≤30 | 23.17 | |
平均断裂伸长率（%） | ≤40 | 18.6 | |
初始模量（MPa） | ≥3.0×103 | 3803.4 |
6. 混凝土配合比设计
6.1 混凝土配制强度计算
根据DL/T5330-2005《水工混凝土配合比设计规程》，混凝土配制强度为：
ƒcu,o=ƒcu,k+tσ（MPa）
ƒcu,k为设计强度标准值
t为概率度系数，保证率为95%时取1.645
σ为混凝土强度标准差
标准差取值及各强度等级的混凝土配制强度如下表8。
表8 标准差取值及混凝土配制强度
混凝土强度标准值ƒcu,k (MPa) | 30～35 | 40～45 |
混凝土抗压强度标准差σ(MPa) | 4.5 | 5.0 |
混凝土强度等级 | C35 | C40 |
配制强度(MPa) | 42.4 | 48.2 |
6.2 混凝土水胶比参数选择
根据已完成的试验成果中混凝土强度与水胶比及粉煤灰掺量有如下表9的关系，据此选择水胶比如表10。
表9 水胶比与混凝土强度回归分析结果
混凝土类型 | 龄期 | 强度类型 | 回归方程 | 相关系数 |
掺20%粉煤灰 （常态混凝土） | 7d | 抗压强度 | R7=16.65C/W-1.584 | 0.988 |
28d | 抗压强度 | R28=19.25C/W+0.232 | 0.996 | |
掺30%粉煤灰 （常态混凝土） | 7d | 抗压强度 | R7=16.69C/W-4.395 | 0.991 |
28d | 抗压强度 | R28=20.35C/W-5.103 | 0.997 |
表10 水胶比计算值及实际取值
砼类别 | 强度等级 | 配制强度 (MPa) | 理论水胶比 | 选择水胶比 | ||
20%煤灰 | 30%煤灰 | 20%煤灰 | 30%煤灰 | |||
常态 | C35 | 42.4 | 0.46 | 0.43 | 0.40 | / |
6.3 混凝土配合比设计参数及试验结果
抗冲耐磨混凝土配合比设计参数及试验结果见表11。
表11 配合比设计参数及试验结果
序号 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | ||
设计等级 | C35 | C35 | C35 | C35 | C35 | ||
水胶比 | 0.40 | 0.40 | 0.40 | 0.40 | 0.40 | ||
级配 | 二 | 二 | 二 | 三 | 三 | ||
设计陷度 (cm) | 7-9 | 12-14 | 16-18 | 5-7 | 12-14 | ||
煤灰掺量 (%) | 20 | 20 | 20 | 20 | 20 | ||
外加剂掺量(%) | 0.8 | 0.8 | 0.9 | 0.8 | 0.8 | ||
砂率 (%) | 34 | 37 | 42 | 29 | 33 | ||
水 (kg) | 154 | 176 | 200 | 127 | 154 | ||
水泥 (kg) | 308 | 352 | 400 | 254 | 308 | ||
煤灰 (kg) | 77 | 88 | 100 | 64 | 77 | ||
砂 (kg) | 636 | 652 | 691 | 581 | 617 | ||
石 (kg) | 大石 | / | / | / | 581 | 512 | |
中石 | 631 | 568 | 488 | 436 | 384 | ||
小石 | 631 | 568 | 488 | 436 | 384 | ||
GK-4A (kg) | 3.08 | 3.52 | 4.50 | 2.54 | 3.08 | ||
纤维(kg) | 0.9 | 0.9 | 0.9 | 0.9 | 0.9 | ||
坍落度(cm) | 9.2 | 13.6 | 18.7 | 8.4 | 14.6 | ||
抗压强度(MPa) | 7d | 37.4 | 36.2 | 35.8 | 36.8 | 37.4 | |
28d | 46.2 | 45.8 | 46.7 | 47.1 | 46.8 | ||
抗拉强度 （MPa） | 2.89 | -- | -- | 2.83 | -- | ||
极限拉伸 (×10-4) | 1.16 | -- | -- | 1.10 | -- | ||
抗渗 | >W4 | -- | -- | >W4 | -- | ||
备注 | 抗冲耐磨混凝土 | ||||||
7. 推荐混凝土施工配合比
根据以上试验成果，推荐使用如表12的施工配合比。
表12 推荐混凝土施工配合比
配合比编号 | C35-2-9MB | C35-2-14MB | C35-2-18MB | C35-3-7MB | C35-3-14MB | |
设计等级 | C35 | C35 | C35 | C35 | C35 | |
水胶比 | 0.40 | 0.40 | 0.40 | 0.4 | 0.4 | |
级配 | 二 | 二 | 二 | 三 | 三 | |
设计陷度 (cm) | 7-9 | 12-14 | 16-18 | 5-7 | 12-14 | |
煤灰掺量 (%) | 20 | 20 | 20 | 20 | 20 | |
外加剂掺量(%) | 0.8 | 0.8 | 0.9 | 0.8 | 0.8 | |
砂率 (%) | 34 | 37 | 42 | 29 | 33 | |
水 (kg) | 154 | 176 | 200 | 127 | 154 | |
水泥 (kg) | 308 | 352 | 400 | 254 | 308 | |
煤灰 (kg) | 77 | 88 | 100 | 64 | 77 | |
砂 (kg) | 636 | 652 | 691 | 581 | 617 | |
石 (kg) | 大石 | / | / | / | 581 | 512 |
中石 | 631 | 568 | 488 | 436 | 384 | |
小石 | 631 | 568 | 488 | 436 | 384 | |
GK-4A (kg) | 3.080 | 3.520 | 4.50 | 2.540 | 3.080 | |
纤维(kg) | 0.9 | 0.9 | 0.9 | 0.9 | 0.9 | |
备注 | 抗冲耐磨混凝土 | |||||
8. 抗冲耐磨混凝土生产质量控制
（1）配料控制：试验质控人员负责签发配料单，并在允许的范围内进行动态调整，其他任何人不得擅自改变配料单；混凝土配料称量的衡器，及时检验校正一次，保证其称量精度。
（2）塌落度控制：根据原材料情况、气候条件、入仓方式和仓面施工情况，动态控制抗冲耐磨混凝土的出机口温度值和塌落度。
（3）仓面施工控制：混凝土由拌合系统按照监理签字确认的混凝土配料单进行配料，水平运输采用混凝土搅拌车、自卸车，垂直运输主要采用塔机、汽车吊配合3m3混凝土卧罐；挖机配合集料斗；溜槽或泵送混凝土。根据仓面大小和入仓能力分别采用平铺法和台阶法，采用人工振捣收平，需要收面的部位严格按照设计线进行人工收面。
（4）养护过程控制：混凝土在浇筑完毕6～18h内开始人工洒水养护。
9. 抗冲耐磨混凝土施工质量情况
根据试验室机口取样检测统计资料，对于南塔河1#水电站抗冲耐磨混凝土达到设计龄期时统计结果如下表13，合格率为100%。
表13 抗冲耐磨混凝土抗压强度统计表
设计强度 | 设计塌落度（cm） | 类别 | 龄期(天) | 试件组数 | 最大值 (MPa) | 最小值 (MPa) | 平均值 (MPa) | 合格率(%) | 均方差 | 离差 |
系数 | ||||||||||
C35 | 5-7 | 常态 | 7 | 57 | 35.2 | 26.9 | 30.8 | / | 1.76 | 0.06 |
28 | 158 | 43.6 | 35.6 | 37.9 | 100 | 1.33 | 0.03 | |||
C35 | 7-9 | 常态 | 7 | 4 | 32.5 | 30.1 | 30.8 | / | / | / |
28 | 5 | 39.6 | 36.2 | 38.1 | 100 | / | / | |||
C35 | 12-14 | 常态 | 7 | 1 | 29.9 | 29.9 | 29.9 | / | / | / |
28 | 7 | 39.9 | 35.7 | 37.6 | 100 | / | / |
10. 结束语
建设工程水电站流域植被茂盛，土壤以粉质粘土为主。河道沿岸山高坡陡，河谷深切，河道曲折蜿蜒。其中Luang Namtha至Ban Pak Tha段240km长河道，宽50m～100m，旱季水深0.5m～2m，雨季2m～3m，汛期5m～8m，流速1.5m/s～2m/s，流急处达4m/s。原材料品质差，重点加强混凝土原材料检测、配合试验研究，严格混凝土拌和生产、运输、入仓以及养护等各个环节进行控制，对各质量工序进行有效监管，是保证溢洪道抗冲耐磨混凝土施工质量的重要措施。
作者简介：
曾骅、男、1990.01、汉、湖南益阳、本科、工程师，
研究方向：水工试验
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