高自密實混凝土配合比試驗研究

陳昊，楊凱，周虎，郜肖冰，楊燕偉

(1.四川省水利科學研究院，成都，610072；2.新疆大學，烏魯木齊，830046；3.清華大學，北京，100084)

《自密實混凝土應用技術規(guī)程》(JCJ/T 283-2012)中明確了應采用絕對體積法設計自密實混凝土配合比[1]，然而，實際工程還應結合現(xiàn)場提供的原材料、氣候特征等進行自密實性能混凝土配合比設計，切實保障工程質量[2]。本文以洪流水庫為研究對象，根據現(xiàn)場需求利用絕對體積法進行高自密實混凝土配合比設計，選擇最合理的高自密實混凝土配合比，既滿足大壩現(xiàn)場施工要求，又滿足設計要求的力學性能、耐久性，并使之經濟合理。

1 研究工程概況

四川省洪流水庫是一座以城鎮(zhèn)供水為主，兼顧灌溉等綜合利用的小型水庫。大壩是C15自密實混凝土堆石重力壩，大壩壩頂高程675.50m，壩頂寬度6.0m，壩頂長度80.0m，壩基置于弱風化基巖中上部，最大壩高51.5m，水庫總庫容104.6萬m，正常蓄水位673.50m，無限制水位。

自密實混凝土(Self-compacting Concrete)是混凝土在澆筑過程中完全依靠自身重力，無需施加振搗就能達到自密實效果的超高性能混凝土(Super Quality Concrete)[3-4]。自密實混凝土具有高流動抗離析性能，無需增加水泥用量和用水量，利用自身重力就可以完全填充至模板內任何角落和鋼筋間隙，從而排除振搗過程帶來的人為干擾，減少施工噪音，降低人工成本[4]。其自身的高耐久性也使得自密實混凝土在澆筑成型時不離析，硬化后不開裂，具有良好的力學性能[5]。

同時，自密實混凝土配制過程還可以摻入具有填充作用的活性摻合料，常見的有粉煤灰、石灰石粉等，摻合料本身不參與混凝土凝結硬化反應，但能降低水化溫升，降低綜合成本[6-7]。因此，自密實混凝土因其良好性能自面世后就受到廣泛關注和深入研究。洪流水庫大壩采用標號C9015W6F50的自密實混凝土澆筑，堆石料采用當地開采白堊系夾關組粉砂質泥巖，屬于軟巖。上游面設置厚0.5m的防滲層，壩基設置厚1.0m的C20混凝土墊層，壩肩設置厚0.5m的C9015自密實混凝土墊層(防滲墻與壩基肩墊層連接)。

2 高自密實性能混凝土配合比設計

2.1 試驗原材料

2.1.1 水泥

根據《膠結顆粒料筑壩技術導則》(SL678-2014)規(guī)定，本工程選用“賽德牌”普通硅酸鹽水泥(P.O42.5)，其物理及力學性能均符合《通用硅酸鹽水泥》(GB 175-2007)的技術要求[8-9]。水泥的物理及力學性能指標詳見表1。

表1 水泥的物理及力學性能指標

2.1.2 粉煤灰

根據《膠結顆粒料筑壩技術導則》(SL678-2014)規(guī)定，本工程選用“習水牌”Ⅱ級粉煤灰，其物理性能均符合《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》(GB/T 1596-2017)的技術要求[10]。粉煤灰的物理性能指標詳見表2。

表2 粉煤灰的物理性能指標

2.1.3 骨料

(1)細骨料

根據《水工混凝土試驗規(guī)程》(SL/T 352-2020)規(guī)定[11]，本工程選用人工砂，其細度模數均值為3.2，飽和面干表觀密度均值為2700kg/m3，顆粒級配見圖1(a)。

圖1 骨料篩分曲線

(2)粗骨料

根據《水工混凝土試驗規(guī)程》(SL/T 352-2020)規(guī)定，本工程選用5mm～20mm碎石，其飽和面干表觀密度均值為2670kg/m3，超徑顆粒含量0%，遜徑顆粒含量1.0%，含泥量0.4%，泥塊含量0.0%，針片狀含量2%，顆粒級配見圖1(b)。

2.1.4 外加劑

本工程選用“華石納固牌”堆石混凝土專用外加劑(型號：HSNG-T)，其摻量為水泥用量的2.5%，pH值為6.0，總堿量為0.40%，未檢出氯離子。

外加劑的性能均符合《混凝土外加劑》(GB 8076-2008)中緩凝型高性能減水劑的技術要求[12]。外加劑的混凝土性能指標詳見表3。

表3 HSNG-T外加劑的性能指標

2.1.5 拌和用水

本工程試驗階段采用實驗室自來水；在項目工地攪拌站進行配合比復核試驗階段，采用河水配置混凝土。

2.2 試驗參數

2.2.1 混凝土配制強度

根據《水工混凝土試驗規(guī)程》(SL/T 352-2020)規(guī)定計算，本工程混凝土的配制強度為17.94MPa。混凝土的配置強度指標詳見表4。

表4 混凝土的配制強度

2.2.2 體積水粉比

本工程初步采用體積水粉比0.9、水泥摻量25%進行凈漿試驗，通過試驗數據再進行上下調整。

稱量好各項材料后依次加入并開始攪拌，攪拌停止后測量凈漿擴展度，擴展度指標控制在220mm～240mm，觀察外加劑與水泥、粉煤灰的適應性。

2.2.3 粉煤灰摻量

粉煤灰摻量的選擇根據設計強度要求確定，進而確定粉煤灰的摻量。

2.2.4 初始砂率

試驗中先將超徑砂顆粒篩除，然后按體積水粉比0.95、水泥摻量25%、砂率46%計算配合比，稱量好各項材料后依次加入并開始攪拌，攪拌停止后測量砂漿擴展度，控制在240mm～280mm，并觀察砂漿出機狀態(tài)。

隨后進行配合比優(yōu)化，制作混凝土漿，通過V漏斗時間(VF)檢測，根據試驗檢測結果確定高自密實性能混凝土的初始砂率。其中，4#出料機坍落擴展度(SF)為680mm，出料機坍落度為275mm(見圖2)，V漏斗通過時間(VF)為19.0s，混凝土出機狀態(tài)良好。

(a)4#出料機坍落擴展度(SF)680mm (b)4#出料機坍落度275mm

在自密實砂漿試驗基礎上開始自密實混凝土試驗。按體積水粉比0.95、水泥摻量25%、砂率46%、石子體積270L，計算好配合比后，首先用水把攪拌機潤濕，然后依次把稱量好的石子、砂、水泥、粉煤灰放入攪拌機中干攪15s，再把稱量好的水及外加劑混合后均勻倒入攪拌機中，攪拌2min后出機，立即測量擴展度(SF)、坍落度及V漏斗通過時間，以及1h擴展度、坍落度及V漏斗通過時間。

2.2.5 石子最優(yōu)摻量

本工程通過自密實性能混凝土的試配試驗來確定石子摻量，分別采用不同石子體積進行混凝土試拌并進行性能檢測，主要包括自密實性能混凝土的坍落擴展度及V漏斗性能檢測。根據試驗檢測結果，進而確定高自密實性能混凝土的最優(yōu)砂率、最優(yōu)石子摻量。

2.3 結果與討論

經過檢測的混凝土各項性能指標合格，初步配合比(序號3#)詳見表5。隨后進行配合比優(yōu)化，通過降低水粉比、降低水泥摻量，提高砂率以及石子用量的方法，目的是在滿足設計強度要求下得到最低水泥摻量的混凝土配合比，通過梯度試驗獲得優(yōu)化配合比(序號4#)，配合比及檢測結果詳見表5、表6。

表5 自密實混凝土配合比

表6 4#自密實混凝土特性試驗結果

試驗結果表明，水粉比在0.80～1.15范圍內時，外加劑的摻量對體積水粉比的影響最為平緩，有利于高自密實性能混凝土生產的穩(wěn)定性。當設計強度降低一個標號或水粉比降低0.05，相應粉煤灰摻量提高5%。同時，自密實凈漿狀態(tài)良好，表明外加劑與膠凝材料的適應性匹配良好。

3 結論

本文以洪流水庫為研究對象，根據現(xiàn)場需求對自密實混凝土最優(yōu)配合比進行設計和試驗研究。試驗結果推薦3#、4#兩組配合比為較優(yōu)的混凝土配合比。首先，它們能夠滿足工作性能及穩(wěn)定性要求；其次，兩組配合比的90d抗壓強度可以滿足C9015、C9020的設計要求，并且各自抗?jié)B、抗凍試驗檢測均合格；最后，它們的水泥單方用量也是最少。經過分析比較，確定4#配合比為本次最優(yōu)配合比。