三河口水利枢纽微膨胀混凝土配合比参数优选研究

梁家文

（陕西引汉济渭工程建设有限公司,陕西 西安 710010）

微膨胀混凝土虽然不是三河口水利枢纽的主要工程量,但因其担负着防渗、填充等重要功能,对枢纽建筑物的安全运行发挥着重要作用。所以在微膨胀混凝土施工过程中,首先要对微膨胀混凝土配合比进行优化,以满足现场技术要求和现场特殊环境要求。微膨胀混凝土配合比的确定是经过一系列试验工作,得到单位体积混凝土中各原材料用量,使混凝土的各项物理性能参数满足相应的设计指标和施工工艺要求。三可口施工现场实验室位于枫筒沟营地,实验室温度控制23±5℃,湿度控制65±15%RH,有足够的通风换气设备,以及实验废气的排放管道,保持实验室内的空气新鲜洁净。实验室应配备满足设计要求的试验设备。在三河口水利枢纽施工过程中,经过多次试验,使水泥、粉煤灰、单位用水量、细骨料、粗骨料、外加剂、氧化镁等掺和物达到了最优配置,提高了微膨胀混凝土的各项物理性能指标,在满足规范和设计要求的条件下,保证了混凝土质量,确定了技术可行、经济合理的微膨胀混凝土配合比。

1 工程概况

三河口水利枢纽位于陕西省汉中市佛坪县内距大河坝镇子午河大峡谷内,水库总库容为7.1 亿m3,调节库容6.5 亿m3,最大坝高为141.5 m,是碾压混凝土双曲拱坝,混凝土总量约为110 万m3。坝址区域岩石以弱风化和强风化为主,微风化岩体为微透水性,埋深75 m～130 m,弱风化为弱透水性,透水率1.5 Lu～9.5 Lu,强风化岩石为强～中等透水性,透水率＞10 Lu。子午河流域地处秦岭南麓气候湿润、半湿润,属北亚热带气候区。多年平均气温为12.3℃,最低气温零下16.4℃,最高气温37.3℃；土层冻结期为11 月到次年3 月,最大冻土深度13 cm。

2 配合比设计指标

根据《引汉济渭三河口大坝工程招标文件》和设计图纸,大坝微膨胀混凝土的主要设计指标见表1。

表1 微膨胀混凝土配合比试验设计参数

3 原材料试验

配合比试验选用的原材料主要是：水泥采用尧柏普通硅酸盐P.042.5（专供）水泥,粉煤灰采用华西电力F 类二级粉煤灰,减水剂选用山西康力KLN-3 萘系高效减水剂,膨胀剂选用武汉三源公司生产的MgO 作为膨胀剂,砂石骨料为本工地自行加工生产的骨料,骨料岩石性质为变质花岗岩。

3.1 水泥

选用尧柏牌P.O42.5 普通硅酸盐（专供）水泥,其试验结果见表2。检测结果表明：混凝土所用水泥各指标符合《通用硅酸盐水泥》（GB 175-2007）和设计的要求。

表2 水泥物理力学性能试验结果

3.2 粉煤灰

粉煤灰采用华西电力F 类二级粉煤灰,其品质检测结果见表3。检测结果表明：所检项目各指标符合《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》（GB 1596-2017）的要求。

表3 粉煤灰品质检测结果

3.3 骨料

3.3.1 细骨料

细骨料由本工程项目自行加工生产,品性为花岗岩,按照《水工混凝土试验规程》（SL 352-2006）进行检测,人工砂检测结果见表4。检测结果表明：人工砂所检项目各指标满足《水工混凝土施工规范》（SL 677-2014）的要求。

表4 人工砂品质检测结果

3.3.2 粗骨料

粗骨料由本工程项目自行加工,岩石品性为花岗岩。首先对粗骨料进行了超逊径、中径筛余量、针片状含量、含泥量、泥块含量等参数的检测。所检项目各指标均满足《水工混凝土施工规范》（SL 677-2014）要求。品质检测结果见表5。

表5 人工碎石品质检测结果

3.4 外加剂

本次试验采用山西康力KLN-3缓凝高效减水剂,按照《混凝土外加剂》（GB 8076-2008）的要求,对外加剂减水率、泌水率比、凝结时间、含气量、抗压强度比等项目的检测,检测结果显示减水剂所检项目各指标满足该项规范所规定的标准要求,检测结果见表6。

表6 掺外加剂混凝土性能试验结果

3.5 氧化镁

选用武汉三源公司生产的MgO,作为混凝土的膨胀剂,所检项目结果均满足《水工混凝土掺用氧化镁技术规范》（DL/T 5296-2013）的技术要求。检测结果见表7。

表7 氧化镁品质检测结果

4 参数选择试验

水胶比、砂率、单位用水量、膨胀剂用量是微膨胀混凝土的主要参数,这些参数是确定和衡量混凝土各项性能的重要指标。因此首先要合理的确定这些参数,以满足规范和设计要求。

4.1 粗骨料选择的级配

根据工程配合比设计的经验及现场施工条件,二级配混凝土配合比粗骨料的比例为：小石与中石各50%。

4.2 最佳砂率的选择

混凝土最佳砂率选择采用的方式为：先将水胶比、粉煤灰用量、单位用水量等三个参数固定,然后调整砂子含量。根据砂子含量的变化,将每组混凝土的和易性、塌落度等数据做对比,选择和易性好、坍落度较大、流动性较好的混凝土所对应的砂率作为最优砂率。混凝土最佳砂率选择试验结果见表8。通过试验对塌落度、和易性的比较,当二级配混凝土水胶比0.40 时,最佳砂率为38%。砂率与塌落度关系见图1。

图1 砂率与塌落度关系曲线

表8 混凝土最佳砂率选择试验结果

4.3 单位用水量和塌落度之间的变化规律

用水量与塌落度之间的变化规律试验采用的方式为：首先将混凝土中的水胶比、粉煤灰用量、砂率采用固定的数据,然后通过调整用水量来分析塌落度变化,用水量与塌落度的变化曲线见图2。用水量与塌落度变化的试验结果见表9。试验结果表明：混凝土坍落度随着用水量的增加而有规律的增大,坍落度每增减10 mm,混凝土单位用水量增减约2.5 kg/m3左右。

图2 混凝土用水量与塌落度关系曲线

表9 混凝土用水量与坍落度变化试验结果

4.4 膨胀剂掺加量试验

膨胀剂的掺加量根据厂家建议和指导,用量为胶合材料的6%。试验结果见表10。

表10 混凝土膨胀率试验结果

5 配合比设计的试验

根据混凝土设计指标,按照《水工混凝土施工规范》（SL 677-2014）的要求,混凝土的配制强度公式为：混凝土配置强度fcu,0（MPa）=混凝土设计强度等级fcu,k（MPa）+概率度系数t（依据保证率P选定）×混凝土强度标准差σ（MPa）。

经计算,配制强度见表11。

表11 混凝土配制强度计算表

5.1 混凝土配合比试验设计参数

根据混凝土设计指标,以及确定的最佳砂率、单位用水量选择试验结果,及现阶段砂石骨料质量情况及现场施工条件,混凝土配合比设计参数：水胶比：0.35～0.41；砂率：二级配37%～39%；坍落度：二级配140 mm～160 mm；用水量：二级配175 kg/m3；容重：二级配 2410 kg/m3；骨料级配：二级配小石∶中石=50∶50。

5.2 混凝土配合比拌和物性能试验

混凝土性能试验主要是测定包括容重、凝结时间、坍落度、粘聚性、析水性等,将混凝土所需各种材料按一定比例拌合,达到最优配置,以保证混凝土质量。混凝土拌和物性能试验结果见表12。试验结果表明：新拌混凝土拌和物容易插捣,粘聚性较好、无石子离析情况,混凝土表面也无明显析水现象,混凝土拌和物性能可以满足施工和设计要求。

表12 混凝土拌和物性能试验结果

5.3 混凝土抗压强度试验

在实践中常以抗压强度作为主要的参数。抗压强度主要用来承受建筑物或构筑物的荷载,所以这是最重要的性能指标之一,也是评价混凝土质量的主要指标。混凝土抗压强度试验结果见表13 和表14。混凝土胶水比与抗压强度关系见图3。

图3 C35 混凝土胶水比与抗压强度关系

表13 混凝土抗压强度试验结果

表14 混凝土水胶比与抗压强度回归方程

5.4 最优配合比确定

经过对微膨胀混凝土试验选取的参数进行试验、计算分析和优化后,最终确定的配合比见表15。

表15 微膨胀混凝土优化后各参数值

6 结语

针对三河口大坝工程微膨胀混凝土抗渗、抗冻、极限拉伸等设计性能指标要求高的特点,微膨胀混凝土配合比试验要选用合理水胶比、粉煤灰掺量及高效减水剂、引气剂,控制好微膨胀混凝土含气量,能够较好地降低温升、提高抗裂及耐久性能。根据招标文件、设计图纸、相关混凝土规范和技术要求,通过严谨、科学的试验能够看出微膨胀混凝土优化后配合比的各参数值都满足规范和设计要求,也为同类水文地质和气候条件下的工程项目提供了参考。经过优选,提高了微膨胀混凝土的各项性能,确保了混凝土质量,降低了造价。