黃河龍口水利樞紐工程抗沖磨混凝土試驗研究

王 瑛 金 瓊 楊海寧 周 潔

自1995年開始,對龍口水利樞紐工程混凝土配合比試驗做了大量的試驗研究,對龍口抗沖磨混凝土也進行了初步研究,成果表明:利用灰?guī)r人工砂石骨料配制的混凝土28 d抗沖磨強度僅為3 h/(g?cm-2)左右,利用天然砂配制的混凝土28 d抗沖磨強度可達到6～8 h/(g?cm-2)。但當時設(shè)計并未提出抗沖磨強度指標,到了2005年龍口水利樞紐工程招標設(shè)計階段,設(shè)計提出混凝土90 d抗沖磨強度要達到12.0 h/(g?cm-2),顯而易見,之前的成果根本不能滿足這一要求。為解決這一問題,試驗采用鐵礦石(小石)來部分替代人工碎石(小石),用以提高混凝土的抗沖磨性能。研究結(jié)果表明:利用天然砂、人工碎石與鐵礦石的混合石配制的混凝土28 d抗沖磨強度可達到11～13 h/(g?cm-2),可以滿足設(shè)計要求;2009年4月龍口水利樞紐蓄水安全鑒定專家意見,要求設(shè)計對龍口右岸消能建筑物過流面尤其是高流速區(qū)過流面存在較嚴重抗沖磨問題的區(qū)域面層混凝土進行進一步研究。根據(jù)龍口現(xiàn)場混凝土骨料、膠凝材料以及外加劑等實際情況,在原試驗的基礎(chǔ)上補充有關(guān)抗沖磨混凝土試驗。

1 用鐵礦石替代部分人工碎石的抗沖磨混凝土配合比試驗

本次試驗選用的材料有(1)3種水泥:撫順中熱42.5水泥、撫順抗磨42.5水泥、大同普硅42.5水泥。(2)粉煤灰:神頭二電廠生產(chǎn)的Ⅰ級粉煤灰。(3)細骨料:大東梁天然砂。(4)粗骨料:20～40mm的中石采用三道溝東側(cè)石料廠的人工碎石、5～20mm的小石采用安徽省無為縣蛟磯磨料磨具廠的鐵礦石。(5)外加劑:江西武冠新材料股份有限公司生產(chǎn)的WG-HEA抗裂型防水劑和北京翰苑技術(shù)開發(fā)公司生產(chǎn)的MPAE引氣劑;江西省萍鄉(xiāng)市聯(lián)友建材有限公司生產(chǎn)的HC-HJ高效減水劑和HC-F引氣劑。(6)纖維:天津市思騰纖維科技開發(fā)有限公司生產(chǎn)的聚丙烯改性親水纖維。

根據(jù)設(shè)計指標的要求,利用以上的原材料,采用正交設(shè)計進行混凝土配合比優(yōu)化組合試驗。通過對試驗數(shù)據(jù)的綜合分析,得出以下結(jié)論:(1)混凝土中摻入一定的聚丙烯纖維,可降低混凝土的靜力抗壓彈性模量,提高混凝土的極限拉伸值,即可提高混凝土的抗裂性能。(2)采用鐵礦石部分替代人工碎石,可提高混凝土的抗沖磨強度。由于設(shè)計對混凝土的抗沖磨強度要求較高,而混凝土的抗沖磨強度又與鐵礦石的質(zhì)量有很大關(guān)系,因此建議要嚴格控制鐵礦石的選擇。(3)采用撫順抗磨水泥配制的混凝土與其它兩種水泥配制的混凝土相比,用水量大,水泥用量也增大,但其抗壓強度卻明顯小于后兩者的抗壓強度,其抗沖磨強度也沒有優(yōu)勢;因此,建議混凝土配合比中未推薦撫順抗磨水泥配制的混凝土。針對不同部位優(yōu)選出混凝土配合比試驗結(jié)果見表1。

對溢流面、閘墩、導(dǎo)墻、底孔周圍、護坦等(C9045F200)建議選擇M11、M15、M25、M29。對蝸殼周圍(C2840F50W6)建議選擇M8、M11、M22、M25。對排沙洞周圍(C2845F50W6)建議選擇M8、M22。

2 用硅粉替代部分水泥的抗沖磨混凝土配合比試驗

利用天然砂、人工碎石與鐵礦石的混合石配制的混凝土 28 d抗沖磨強度可達到11～13 h/(g?cm-2),可以滿足設(shè)計要求,但由于鐵礦石產(chǎn)量有限且價格上漲,無法滿足工程需要;因此根據(jù)2009年4月龍口水利樞紐蓄水安全鑒定專家意見,要求設(shè)計對龍口右岸消能建筑物過流面,尤其是高流速區(qū)過流面存在較嚴重抗沖磨問題的區(qū)域面層混凝土進行研究,以便2010年4月～6月進行右岸消力池面層混凝土施工時各項指標、參數(shù)更加科學(xué)合理,故根據(jù)龍口現(xiàn)場混凝土骨料、膠凝材料以及外加劑等實際情況,在原試驗的基礎(chǔ)上補充有關(guān)抗沖磨混凝土試驗,為優(yōu)化龍口三期導(dǎo)流期間消力池面層混凝土提供依據(jù),為此,本次試驗用硅粉替代部分水泥,用以提高混凝土的抗沖磨性能。

表1 推薦的混凝土配合比

按照設(shè)計對混凝土的要求,結(jié)合龍口現(xiàn)場實際情況,本次試驗選用的材料有(1)水泥:內(nèi)蒙古冀東水泥有限公司生產(chǎn)的 “盾石”牌普通硅酸鹽P.O42.5水泥。(2)粉煤灰:河曲二電廠生產(chǎn)的Ⅱ級粉煤灰。(3)硅粉:山西黃河新型化工有限公司生產(chǎn)的硅粉。(4)細骨料:施工現(xiàn)場的人工砂、天然砂。(5)粗骨料:人工碎石,其粒徑分為:5～20mm和20～40mm。(6)外加劑:山西黃河新型化工有限公司生產(chǎn)的HJSX-A型聚羧酸高性能減水劑、石家莊市中偉建材有限公司生產(chǎn)DH-9A引氣劑。(7)纖維:試驗采用4種纖維進行混凝土配合比設(shè)計,通過比較選擇最優(yōu)的纖維推薦用于施工。①天津思騰纖維科技開發(fā)有限公司生產(chǎn)的聚丙烯親水性纖維(以下簡稱聚丙烯纖維),單絲纖維長度19mm,直徑0.48 μ m。②天津思騰纖維科技開發(fā)有限公司生產(chǎn)的膠粘成排鋼纖維(以下簡稱鋼纖維),單絲纖維長度30mm,直徑0.50mm。③上海羅洋新材料科技有限公司生產(chǎn)的UF500纖維素纖維(以下簡稱UF500纖維)。④上海瑞高實業(yè)發(fā)展有限公司生產(chǎn)的CTF850纖維素纖維(以下簡稱CTF850纖維)。

2.1 混凝土的技術(shù)要求

混凝土的設(shè)計技術(shù)指標列于表2。

表2 混凝土的設(shè)計技術(shù)指標

2.2 抗沖磨混凝土配合比試驗

由于施工現(xiàn)場有較多的人工砂,設(shè)計最初建議選用人工砂進行混凝土配合比試驗。采用人工砂進行混凝土配合比試驗時,發(fā)現(xiàn)用人工砂配制的混凝土28 d的抗沖磨強度較低,遠小于9.0 h/(g?cm-2)的設(shè)計要求。而采用原龍口工程大東梁天然砂摻用硅粉后配制的混凝土(L21),其28 d抗沖磨強度可以滿足設(shè)計要求。經(jīng)與設(shè)計協(xié)商后改用施工現(xiàn)場的天然砂再次進行混凝土配合比試驗。

2.2.1 混凝土抗壓強度試驗結(jié)果

根據(jù)設(shè)計技術(shù)要求和試驗選用的原材料,利用正交設(shè)計進行混凝土配合比優(yōu)化組合試驗。通過試驗看出:水灰比為0.35時,混凝土90 d抗壓強度均不能滿足設(shè)計要求。只有水灰比小于0.32并在混凝土中摻入硅粉后,混凝土90 d的抗壓強度才能達到設(shè)計要求C50的配制強度59.0mPa。采用人工砂配制的混凝土,編號為L3、L11配合比的混凝土90 d抗壓強度為60.0MPa和61.2MPa;采用施工現(xiàn)場天然砂配制的混凝土,編號為L24、L25、L27、L28配合比的混凝土90 d的抗壓強度可達到59.2～62.3 MPa,均可滿足C50混凝土的配制強度。水膠比≤0.32的混凝土配合比試驗結(jié)果列于表3。

2.2.2 混凝土抗沖磨強度試驗結(jié)果

采用人工砂配制的混凝土,混凝土28 d的抗沖磨強度為3.0～5.4 h/(g?cm-2),均低于設(shè)計要求9.0 h/(g?cm-2);混凝土90 d的抗沖磨強度為5.9～8.2 h/(g?cm-2),均小于設(shè)計要求 10.0 h/(g?cm-2)。采用天然砂配制的混凝土,混凝土28 d的抗沖磨強度為11.0～13.3 h/(g?cm-2),均可滿足設(shè)計要求;混凝土90d的抗沖磨強度為12.3～13.8 h/(g?cm-2),均可滿足設(shè)計要求。

表3 抗沖磨混凝土配合比試驗結(jié)果

用纖維種類(聚丙烯纖維、鋼纖維、UF500纖維、CTF850纖維)、水灰比(0.32、0.35)、粉煤灰摻量(10%、15%)和硅粉摻量(0、5%)構(gòu)成 L8(41×24)的正交設(shè)計表對人工砂混凝土抗沖磨強度進行直觀分析:影響混凝土抗沖磨性能的主要因素是纖維種類。用UF500纖維配制的混凝土的抗沖磨性能優(yōu)于其它纖維配制的混凝土。

用纖維種類(聚丙烯纖維、UF500纖維)、和硅粉摻量(0、5%)構(gòu)成 L的正交設(shè)計表對天然砂混凝土抗沖磨強度進行直觀分析:(1)影響混凝土抗沖磨性能的主要因素是纖維種類。用UF500纖維配制的混凝土比用聚丙烯纖維配制的混凝土的抗沖磨強度高一些。(2)影響混凝土抗沖磨性能的次要因素是硅粉摻量。隨著硅粉摻量的增加,其抗沖磨性能提高。

綜合分析上述結(jié)果,可以看出:只有編號L24、L25、L27和L28的混凝土既能滿足抗壓強度,又能滿足抗沖磨強度等的設(shè)計要求?？紤]到利用現(xiàn)場的天然砂及人工粗骨料、用UF500纖維配制的混凝土比用聚丙烯纖維配制的混凝土的抗沖磨強度高一些,且以5%硅粉和10%粉煤灰作為摻和料配制的混凝土既經(jīng)濟,又便于施工。因此推薦編號L28的配合比作為現(xiàn)場施工用配合比。2010年4月,經(jīng)施工單位將現(xiàn)場施工的抗沖磨混凝土取樣,其混凝土28 d抗沖磨強度為9.2 h/(g?cm-2),可以滿足設(shè)計對工程的技術(shù)要求。

3 結(jié) 語

對于龍口水利樞紐工程泄水建筑物過水部位、溢流壩面、消力池、蝸殼周圍和排沙洞周圍等部位有較高抗沖磨要求的混凝土,細骨料要選用天然砂,利用鐵礦石替代部分人工碎石,或用硅粉替代部分水泥,同時摻入纖維,可以配制出滿足設(shè)計要求的抗沖磨強度的混凝土。

[1]DL/T 5150—2001、SL 352—2006,水工混凝土試驗規(guī)程[S].

[2]DL/T 5144—2001,水工混凝土施工規(guī)范[S].

[3]DL/T5207—2005,水工建筑物抗沖磨防空蝕混凝土技術(shù)規(guī)范[S].