高强度抗冲磨混凝土配合比的设计和应用

韦庆华

(广西水利电力职业技术学院,广西 南宁 350003)

水力发电工程中，诸如导流孔洞、混凝土坝的中低溢流孔、冲沙闸、消力池边墙和底板等[1-5]水工结构的混凝土表面受到高水压和高速水流作用，流速高达20～30 m/s。经各种工况长期运行后，因为高速水流的强力冲刷和气蚀，致使混凝土表面受到破坏，砼块脱落，特别是当高速水流中夹沙石或其它推移质对过流表面冲击、磨蚀和悬移质的切削破坏作用，使得导流孔洞、溢流道等水工建筑物表面产生破坏，甚至出现结构钢筋因没有保护层而生锈等导致结构失效，引起严重后果。因此，如何提高过流表面混凝土的抗冲磨性能和耐久性，是水利工程建设必须解决的技术问题。

工程界通过不断研究探索，目前用于提高混凝土材料抗冲耐磨性能的主要措施[6]：

① 根据建筑物所处位置的水力条件，采用C40～C60的高强度混凝土；

② 选用质地致密和坚硬的花岗岩或石灰岩作为粗骨料；

③ 采用抗冲磨高强度水泥；

④ 增大骨料表面的粗糙度，提高机械咬合作用，获得更高的粘结力；

⑤ 混凝土内掺入钢屑、钢纤维、金刚砂和硅粉等中的一种或几种混掺，提高抗冲磨性能。

1 工程概述

国外某电站为一座高水头、长隧洞引水式水电站。大坝区主要建筑物有堰闸坝、消力池、进水口、沉砂池和压力引水隧洞，厂房区主要建筑物为电站厂房及开关站等。大坝由左副坝段、进水口坝段、堰闸坝段和右副坝组成，最大坝高为65 m，坝轴线长为120 m，顶宽为10 m，最大底宽为42 m。左右副坝段和墩墙的上游坝坡均为直立，下游坝坡为1∶0.8。堰闸坝段设3个泄流底孔，每孔宽7.0 m，边墩尾端接消力池导流边墙，导流墙长×高为55 m×16 m，墙厚为3.0m。本工程所用的混凝土强度等级如表1所示，A级是指具有低塌落度低渗透低强度的大体积混凝土，B级是指仅暴露于大气中的特定混凝土，C级是指具有较高强度、低渗透的挡水结构混凝土，D级是指具有高强度的预制构件混凝土，E级是指特别高强度且耐冲磨的混凝土。

本工程河流为山区河流，推移质颗粒大且含量高，堰闸段和消力池的溢流表面均要承受高速水流的冲刷，故堰闸段(桩号范围为坝上0-006.200～坝下0+032.400)泄流孔底表面以及EL.1214.5高程以下闸墩侧面采用t=20 mm的钢板进行衬砌，堰闸段坝下0+032.400至坝下0+106.703(即消力池段尾坎末端)共约90 m的过流表面以及消力池导墙迎水侧边墙，采用高强度抗冲磨混凝土即E级混凝土，平均厚度为600 mm。

表1 各类强度等级的混凝土要求

2 E级混凝土配制

在混凝土中加入硅粉可以有效抵抗水压和冲刷，故硅粉将用于混凝土永久性工程，硅粉的掺用量应小于胶凝材料重量的8%。国内外工程在设计抗冲磨混凝土时，均采用掺入一定量粉煤灰等活性颗粒的方式以求降低水化热，避免出现早期裂缝。然而，多数掺合料如粉煤灰、磨细火山灰微粉、磨细磷矿渣微粉等混凝土，在龄期28 d以内强度往往低于基准混凝土，且与掺量成负相关[7]。本工程多次调整配合比参数经试验发现，圆柱体试件均无法满足28 d抗压强度达到50 MPa的结果，最终放弃掺入煤灰方案。

2.1 E级砼技术要求

用于大坝永久工程的E级结构混凝土按表2所示的规定设计：采用Φ150×300 mm混凝土圆柱体试块，设计抗压强度为28 d的试验强度结果，胶凝材料用量以满足强度、水灰比和抹面等级的规定为要求，具有高耐磨性的特种高强混凝土。搅拌室温度为17℃～25℃，湿度50%～70%，试样养护条件为 23℃±2.0℃，湿度为95%～98%。

表2 E级结构混凝土技术要求

2.2 材料要求

1) 水

混凝土搅拌和养护用水为饮用水，清洁，不含酸、碱和其他污染，新鲜，不含悬浮物质，对混凝土的强度、耐久性或永久工程的外观无不利影响，不腐蚀钢筋，水质符合ASTM C94第4.1.3款的规定。

2) 水泥

使用工程当地D.G khan有限公司生产的D.G水泥进行本次试验，物理和化学性能测试结果见表3，所有性能参数满足ASTM C150 I型硅酸盐水泥要求。

表3 D.G水泥物理和化学性能

D.G水泥其他性能：密度为3.15 g/cm3，安定性为2.5 mm，细度(0.075 mm筛余)为2.1%，标准稠度为24.1%。

3) 粗细骨料

粗骨料取自Allai khwar河床采石场，质地坚硬、清洁，由大坝砂石加工处理系统提供，粒径范围为4.75～19 mm，骨料的测试结果和筛分曲线分别见表4、表5和图1、图2，满足规范要求。

表4 粗骨料性能

表5 细骨料性能

图1 粗骨料筛分曲线(4.75～19 mm)

图2 细骨料筛分曲线(0.15～4.75 mm)

4) 外加剂

采用当地生产的Sika-520减水剂，建议用量为胶凝材料重量的2.5%。减水剂性能检测结果如表6所示，符合规范要求。

表6 Sika-520减水剂性能检测结果

2.3 配合比设计过程和成果

2.3.1选择期望的塌落度和配制强度计算

本工程混凝土转运次数较多、运距较远等可能导致较大的塌落度损失，加之浇筑空间较小，初选塌落度值为7～9 cm。按《波特兰水泥和其他胶凝材料的高强混凝土配合比选择(ACI211 4R—2008)》指南[8](以下简称指南)，本次设计抗压强度fc=50 MPa=50×145 psi，根据式(1)可计算配制强度fcr=8 675 psi。

2.3.2粗骨料的最大粒径

按技术要求和工程现场备料情况， 确定粗骨料最大粒径为19 mm。

2.3.3初选粗骨料用量，初选用水量和含气量

根据粗骨料最大粒径为19 mm，细骨料细度模数在2.5～3.2之间，容积密度为1 631 kg/m3即101.81 b/yd3，查指南可得每立方混凝土粗骨料用量系数VCA为0.72，结合式(2)可算出每方粗骨料用量Ca=0.72×101.81×27=1 979 b=990 kg。

根据粗骨料最大粒径、预期的塌落度查指南得用水量W=305 b/yd3=181 kg，初选W=185 kg和含气量选为3%。

2.3.4初选水胶比和胶凝材料用量

根据粗骨料最大粒径、配制强度和28 d龄期查指南得W/Cm=0.30，由于初选用水量W为185 kg，则胶凝材料用量Cm为617 kg。

2.3.5水泥用量和细骨料用量

未掺硅粉时水泥用量以617 kg计，采用绝对体积法按式(3)计算细骨料用量为626 kg。

经过上述计算，可得到初选试验基准配合比为水：水泥：细骨料：粗骨料=185:617:626:990(kg/m3)

2.3.6掺用硅粉试配配合比

查表7，以硅粉掺量8%、水胶比0.3和减水剂掺量2.5%按式(4)计算，可得高强度混凝土试配配合比为水:水泥:硅粉:细骨料:粗骨料:减水剂=185:567:50:596:990:15.4(kg/m3)。

fcr=1.10×fc+700

(1)

Ca=VCA×BD×27

(2)

W/ρ1+C/ρ2+Sa/ρ4+Ca/ρ5=1×(1-3%)m3

(3)

W/ρ1+C/ρ2+Si/ρ3+Sa/ρ4+Ca/ρ5=1×(1-3%) m3

(4)

式中fcr为混凝土的配制强度，psi；fc为混凝体圆柱体设计抗压强度，psi；Ca为粗骨料用量，lb，1 lb=0.5 kg；VCA为粗骨料用量系数；BD为容积密度，1 b/yd3；Si为硅粉用量，kg；W为用水量，kg；C为水泥用量，kg；Sa为砂用量，kg。

表7 材料密度

根据试配配合比试拌，观察试拌混凝土的和易性并测量塌落度，以此为基础调整配合比并提出试验配合比，分别以水胶比为0.28、0.30和0.32和硅粉掺量为6%和8%进行组合拌制，进行7 d、14 d和28 d强度试验。以满足设计抗压强度、抗冲磨性能和混凝土工作性能为主要考虑因素进行一系列试验和调整，最终确定MP-85为E级混凝土的实验室配合比。按照ASTM C1138采用水下钢球法进行耐磨试验，MP-85配合比下试样28 d抗压强度为52.7 MPa，72 h抗冲磨强度33.5 h/(kg/m2)，磨损率为0.87%，抗压强度、耐磨性能和工作性能均能满足要求。试验结果及E级混凝土配合比参见表8。

表8 E级混凝土实验室配合比设计成果

注：采用Φ150×300 mm圆柱体试模时，抗压强度(fc′)与立方体抗压强度(fcu，k)换算关系在C60以下时为fc′=0.79×fcu，k。

3 E级混凝土施工应用

1) 与下部大体积混凝土的连接

堰闸段泄流底孔下部基础为A级(相当于C20)混凝土，基础设成台阶状，抗冲耐磨层属于二期砼，厚度为60 cm。若耐磨层与基础混凝土衔接不当，致使层间粘结强度过小，加上高强度混凝土易干缩的性能，容易导致裂缝，必须对大体积混凝土的基面进行如下处理：基础预埋插筋，插筋按Φ25 mm@1 000 mm，L=1 200 mm布置，外露长度约500mm，采用高压冲毛机对基面进行冲毛，形成全毛面。

2) 混凝土施工

抗冲耐磨混凝土在拌合楼集中拌制，搅拌时间经试验确定为90 s，比普通混凝土搅拌时间稍长。通过3 m3搅拌车运输至工作面前，再由塔吊转运至工作面卸料。溢流面弧段的半径为110 m，采用新购的标准钢模板P3015沿着槽钢架安装，模板面预开进料口以便于卸料和振捣，采用直径不大于35 mm的软轴振捣棒仔细振捣。

抗冲耐磨混凝土设计强度达到50 MPa，未掺煤灰条件下早强水泥用量高达591 kg/m3，水化热量大且来得快，尽管只是薄层浇筑，仍然可能出现表面裂缝，应及时采取养护措施。底板浇筑完成5～8 h后开始洒水养护，拆模后覆盖麻袋继续养护，边墙则采用养护剂涂抹养护，养护天数不少于28 d。拆模后立即对模板拼缝处进行打磨，使之形成较为平整光滑的曲面。

4 结语

本工程抗冲耐磨混凝土在未掺粉煤灰的前提下，通过优选原材料、预设插筋、控制搅拌质量和加强养护等办法，确保了抗冲耐磨混凝土的施工质量。堰闸坝和消力池过流表面经过多个汛期的泄水考验，承受高速水流冲刷的混凝土表面总体完好，达到抗冲耐磨效果，可为类似工程提供借鉴。