水利水电枢纽抗冲耐磨混凝土的配合比设计.pdf

2 0 1 1年 第 1 O期 (总 第 2 6 4 期 ) Nu mb e r l 0 i n 2 01 1 ( To t a 1 No 2 6 4) 混 凝 土 Co nc r e t e 实用技术 P RACTI CAL TE CHN0LOGY d o i ： 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 2 3 5 5 0 2 0 1 1 1 0 0 4 1 水利水电枢纽抗冲耐磨混凝土的配合比设计 闰小虎，杨华全，张亮，李家正 ( 长汀科 学院 国家大坝安全 1 程技 术研究 中心 水利部水 1 二 程安全 与病 害防治工程技术研究 中 - ，湖北 武汉 4 3 0 0 1 0 ) 摘要： 姚家坪水利水电枢纽工程抗磨蚀混凝土不仅要有良 好的抗磨蚀性能， 而且要有一定的力学强度和变形能力， 较高的抗渗性、 抗冻 性能。 通过混凝土配合比设计试验， 推荐了可供施工的配合比参数。 混凝土性能试验结果表明， 推荐配合比混凝土的性能均满足设计要求。 关键词： 抗冲磨混凝士；配合比；试验；水利水电枢纽 中图分 类号 ： T U5 2 8 5 9 1 文献标志码 ： A 文章编号： 1 0 0 2 3 5 5 0 ( 2 0 1 1 ) 1 0 0 1 2 1 0 3 S t u d y o n mi x p r o p o r t i o n d e s i g n o f a n t i - a b r a s i o n c o n c r e t e o f t h e h y d r o p o we r p r o j e c t YAN Xi a o h u， YANG Hu a q u a n， ZHANG Lia n g， LI J ia z h e n g ( Ya n g t z eRive r S c i e n t i ficRe s e a r c hI ns t i t u t e， Re s e a r c hCe n t e r o f Na t i o n a lDa m S a f e t yEn g ine e r i n gTe c h n o l o g y， Re s e a r c hCe n t e r o f Wa t e r E n g i n e e r i n g S a f e t y a n d Di s a s t e r P r e v e n t i o n o f Mi n i s t r y o f Wa t e r R e s o u r c e s ， Wu h a n 4 3 0 0 1 0 ， C h i n a ) Ab s t r a c t ： T h e a n t i - a b r a s i o n c o n c r e t e o f Ya o j i a p i n g h y d r o p o we r p r o j e c t h a d n o t o n l y g o o d r e s i s t a n c e t o s c o u r i n g a n d a b r a s i o n b u t a l s o me c h a ni c a l s t r e ng t h， d e f o r ma t i o n， hi g h i mp e rm e a b i l i t y a n d h i g h f r o s t r e s i s t a n c e Th e r e c o mme n d e d mi x p r o p o r t i o n p a r a me t e r o f c o n c r e t e wa s p r e s e n t e d T e s t r e s u l t s h o we d t h a t t h e p r o p e rt i e s o f r e c o mme n d e d mi x p r o p o r t i o n c o n c r e t e s a t i s f i e d w i th t h e d e s i g n r e q u i r e me n t s K e y wo r d s ： a n t i a b r a s i o n c o n c r e t e ； mi x p r o p o i o n ： e x p e r i me n t ； h y d r o p o we r p r o j e c t ( ) 引言 姚家坪水利水电枢纽位于湖北省恩施市的清江干流上游河段， 具有防洪、 发电、 水产养殖、 旅游等综合效益， 总库容 4 4 0 亿 m ， 装机容量 2 4 0 Mw， 属 I I 等大( 2 ) 型工程； 主要永久性水工建筑 物为 I I 级建筑物 ， 大坝因坝高超过 9 0 m， 级别提高为 I 级建筑 物。 枢纽的主要建筑物使用混凝土共计 3 4 3 2万 m ， 其中抗冲耐 磨混凝土 l 5 4 3万 m ， 用于各消能防冲部位， 对混凝土的抗冲 击、 抗磨蚀、 抗气蚀性能具有较高要求。 国内外研究成果表明， 要提高混凝土材料的抗冲磨性， 首先 要严格优选原材料， 如应选用质地致密 、 坚硬的花岗岩 、 辉绿岩 及石灰岩等粗骨料_1 ， 选用 C S含量高的水泥， 其抗冲磨强度最 高 ， 优质的掺合料如硅粉 、 超细矿渣微粉等。 选用优质高效的 外加剂改善 昆 凝土拌合物的性能 ， 降低水胶比； 掺用纤维材料 ， 目前常用的是钢纤维和硅粉联合掺用， 组成硅粉钢纤维混凝土 ， 而聚丙烯纤维和硅粉抗磨蚀剂共掺是抗冲磨 昆 凝土的理想搭 配 3 _ 。 其次 ， 优选混凝土配合 比也极为重要 ， 在满足和易性要求 的前提下 ， 选择合适的砂率 、 水胶 比、 矿物掺合料的掺量 、 纤维 的品种和掺量 ， 外加剂的品种和掺量对混凝土的抗磨蚀性能影 响巨大， 配合比优化的目的就在于确定这些材料的最优组合4 。 1 混凝 土配合 比设计 1 1 试验原材料 试验水泥采用华新( 恩施) 水泥有限责任公司生产的“ 堡垒牌” P O4 2 5 级水泥， 荆门葛洲坝水泥厂生产的“ 三峡牌” P MH4 2 5级 中热水泥， 水泥基本性能指标均符合要求。 粉煤灰采用湖北襄樊 电厂粉煤灰。 砂石采用姚家坪水利水电枢纽工程狮子包料场的 灰岩经小型砂石系统加T而成人 一 砂石。 缓凝高效减水剂为 s R 3， 引气剂采用 F s ， 减水剂和引气剂最佳掺量通过试拌确定， 引气剂掺量以混凝土含气量达到 3 5 5 O 为宜。 纤维采用聚 丙烯腈纤维， 掺量为 0 9 k m， 。 1 2混凝 土 配置 强度 姚家坪水利水电枢纽主体T程抗冲磨混凝土的主要技术 要求见表 1 。 1 3 石 子组 合 比 姚家坪水利水电枢纽 昆凝土均采用二级配， 不同组合比骨 料在松散状态和振实状态下的密度和空隙率试验结果见表 2 。 试验结果表明， 二级配时， 中石_ J 、 石分别为 4 5 ： 5 5 、 6 0 ： 4 0时振实 密度较大， 紧密空隙率较小 ， 为增强抗冲耐磨混凝土的抗冲磨 表 1 姚家坪水利水电枢纽抗冲磨混凝土的技术要求 收稿 日期 ：2 0 1 1 _ J 0 3 1 8 基金项目：水利部公益性行业科研专项经费项 目( 2 0 0 9 0 1 0 6 6 ) ； 长江科学院中央级公益性科研院所基本科研( C K S F 2 0 1 0 0 1 3 ) ； 国家自然科学基金重 点项 目( 5 0 5 3 9 0 1 0 ) 1 21 能力， 抗冲耐磨混凝土增加大粒径石子用量， 石子级配采用中 石I J 、 石 = 6 0 ： 4 0 。 表 2 不 同骨料级配组合与密度关系 1 4 配合 比设计参数 姚家坪水利水电枢纽抗冲耐磨混凝土设计等级为 C 4 0 常 态混凝土和 C 3 0泵送混凝土。 水泥品种 ： 主要采用“ 三峡” 牌 P MH 4 2 5 级进行试验， 采用“ 堡垒” 牌 P O 4 2 5级水泥进行对 比试验。 水胶比： 0 3 0 、 0 3 5 、 0 4 0 、 0 4 5 。 粉煤灰掺量： 0 、 1 0 、 1 5 、 2 0 。 砂率： 通过试拌确定， 掺粉煤灰时， 砂率适当降低。 石子组合 比常态混凝土： 中石 J 、 石= 6 0 ： 4 0 ， 泵送? 昆 凝土中石 J 、 石 = 5 0 ： 5 0 。 外 加剂： 缓凝高效减水剂为 S R 3 ， 引气剂采用F s ， 减水剂和引气剂最 佳掺量通过试拌确定， 引气剂掺量以混凝土含气量达到 3 5 5 0 为宜。 混凝土单位用水量： 通过试拌确定， 常态混凝土单位 用水量约在 1 2 2 1 3 2 k g m 之间。 掺粉煤灰时混凝土单位用水 减少 8 k g m3 。 泵送混凝土用水量为 1 4 0 k g m 。 姚家坪水利水电枢纽抗冲耐磨混凝土试验配合比见表 3 ， 试 验结果见表4 。 其中Y K- 1 Y K 9 的水泥为“ 三峡” 牌P MH 4 2 5 级， 而YK - 1 0 采用“ 堡垒” 牌 P 0 4 2 5级水泥。 表 3 抗冲耐磨混凝土试验配合比 2 试验结果分析 2 1 力学性能 ( 1 ) 抗压强度。 随水胶比的降低 ， 混凝土的强度增加， 粉煤 灰掺量 2 0 以下时 ， 混凝土的水胶 比采用 O 4 5时， C 3 0泵送混 凝土强度即可满足配制强度要求； 粉煤灰掺量在 1 5 以下时， 混凝土水胶比采用 0 3 5 ， C 4 0常态混凝土的强度即可满足配制 强度要求； C 3 0泵送混凝土的水胶比可采用设计规定的上限略 低值， 采用 0 4 3即可。 粉煤灰掺量在 2 0 以内， 随粉煤灰掺量的增加， 混凝土 7 、 2 8 d 龄期的抗压强度均有一定程度的下降， 水胶比大于等于0 4 0 1 22 时， 影响较明显， 水胶比 0 I 3 5以下时则影响较小。 水泥品种对混 凝土抗压强度有一定的影响， 从试验结果来看， 普通水泥配制 的混凝土 7 d早期强度较中热水泥配制的混凝土略高， 2 8 d时 则中热水泥配制的抗冲耐磨混凝土强度略高或二者相当。 ( 2 ) 劈拉强度和轴拉强度。 水胶比、 粉煤灰掺量、 水泥品种 、 减水剂品种对混凝土劈拉强度和轴拉强度影响相似。 昆凝土抗 压强度 压劈拉强度 比随各种参 数的变化 ， 7 d龄期 时在 l 1 4 1 4 2之间变化， 2 8 d龄期时在 1 2 1 1 5 6之间变化 ， 混凝土 的压拉比偏大。 轴拉强度比劈拉强度略高， 7 d龄期时混凝土轴 拉强度 劈拉强度比在 0 9 5 1 2 3 之间， 2 8 d 龄期时混凝土轴拉 强度 劈拉强度比在 0 9 2 1 2 4之间。 ( 3 ) 极限拉伸值。 试验中极限拉伸值采用翼形试件， 湿筛剔 除粒径 3 0 1 1 1 3 1 以上的骨料。 C 3 0泵送和 C 4 0常态抗冲耐磨混 凝土设计龄期极限拉伸值均为 8 5 1 0 ， 粉煤灰掺量在 2 0 以下 时， 水胶比0 4 5即可达到设计要求； 粉煤灰掺量在 2 0 以内， 随 粉煤灰掺量的增加， 混凝土极限拉伸值能够满足设计要求。 水泥 品种对混凝土极限拉伸值有一定的影响， 从试验结果来看 ， 中热 水泥配制的混凝土极限拉伸值较普通水泥略高。 ( 4 ) 抗压弹性模量。 随水胶比变化、 粉煤灰掺量的变化及是否 掺纤维等变化， C 3 0泵送混凝土 7 d 抗压弹模在 3 3 2 3 8 0 GP a 之间变化 ， 2 8 d抗压弹模在 3 7 5 - 4 3 0 G P a之间变化 ； C 4 0常态 混凝土 7 d 抗压弹模在 3 4 0 3 8 0 G P a 之间变化， 2 8 d抗压弹模 在 3 7 5 , - 4 3 0 GP a 之间变化。 在试验的水胶比范围内， 水胶 比每降低 0 0 5 ， 混凝土弹模 增长约 2 3 GP a ， 水胶 比较高时， 弹模随水胶 比的降低 ， 增长较 快 ， 水胶比较低时 ， 则增长较慢。 掺粉煤灰可降低同龄期混凝土 的抗压弹性模量 ， 掺量 2 o H ， 同龄期混凝土抗压弹模降低约 8 0 1 0 。 水泥品种对混凝土抗压弹性模量有一定的影响， 从试验 结果来看， 普通水泥配制的混凝土抗压弹性模量较中热水泥高。 2 2 抗 冻性 能 姚家坪水利水电枢纽抗冲耐磨混凝土抗冻性能试验结果 见表 5 ， 试验结果表明姚家坪水利水电枢纽抗冲耐磨混凝土抗冻 性能能够达到设计要求。 表 5 泵送混凝土抗冻试 验结果 各循环次数质量损失 各循环次数相对动弹 漠量 抗冻 0 5 0 1 0 0 0 5 0 1 0 0 等级 YK 2 0 0 1 0 2 1 0 0 9 1 5 8 5 5 Fl O O KB一 1 0 0 1 0 1 1 0 0 8 8 7 8 0 9 F1 0 0 YK一 7 0 0 0 1 O O 98 4 9 5 1 F1 0 0 YK一 8 0 0 O 1 】 0 0 91 0 8 5 2 F】 0 0 2 3干缩 性 能 抗冲耐磨混凝土干缩性能试验结果见表 6 ， 试验结果表明： 降低水胶比， 抗冲耐磨混凝土干缩值明显大于常态混凝土。 掺聚 丙烯腈纤维能够一定程度上抑制混凝土的干缩。 掺粉煤灰能明 显降低抗冲耐磨混凝土的干缩值。 表 6 抗冲耐磨混凝土干缩试验结果 2 4抗 冲磨 性 姚家坪水利水电枢纽抗冲耐磨混凝土抗冲耐磨性能试验 结果见表 7 。 混凝土抗冲耐磨试验采用水下钢球法进行试验 ， 试 件养护至规定龄期后 ， 在钢球冲磨仪中加入 7 0个规定尺寸和 数量的钢球 ， 加水至水面高出试件表面 1 6 5 mm， 在转轴转速 1 2 0 0 r mi n冲磨 7 2 h ， 称重 ， 计算单位面积损失单位质量的混 凝土所需要的时间即抗冲磨强度， 质量损失率即磨损率。 表 7 混凝土抗冲耐磨 性能试 验结果 试验结果表明， 使用中热水泥 、 掺适量的粉煤灰能够提高 混凝土的抗冲磨强度 ， 使用中热水泥掺 1 5 I 级粉煤灰， 能够配 制出抗冲耐磨性能相对较高的混凝土。 3 推荐配合比 采用“ 三峡 牌 P MH 4 2 5 级水泥。 C 3 0 泵送 黜的水胶比采 用 0 4 3 ， 粉煤灰掺量采用 2 0 ， 砂率采用 3 8 ， 石子组合比中石 J 、 石 = 5 0 ： 5 0 。 C 4 0常态混凝土的水胶比可采用设计规定的上限略低 值， 采用 0 3 5 ， 粉煤灰掺量采用 1 5 ， 砂率采用 3 4 ， 石子组合比中 石 J 、 石 = 6 0 ：4 0 。 缓凝高效减水剂为 S R 3 ， 引气剂采用 F s ， 减水剂和 引气剂最佳掺量通过试拌确定， 引气剂掺量以混凝土含气量达到 3 5 5 O 为宜。 常态混凝土单位用水量约在 1 2 4 k g m 左右； 泵 送混凝土用水量为 1 4 0 k g m3 。 抗冲耐磨混凝土推荐配合比见表 8 。 表 8 抗冲耐磨 混凝土推荐配合比 4结语 姚家坪水利水电枢纽抗冲磨混凝土通过采用中热水泥、 常 态混凝土掺 1 5 I 级粉煤灰、 泵送混凝土掺 2 0 I 级粉煤灰 ， 能 够配制出抗冲耐磨性能相对较高的混凝土。 采用纤维对混凝土 的抗裂陡能、 耐久性能和抗冲耐磨性能等均有一定程度的提高， 若抗冲耐磨混凝土的抗裂性能不能满足要求时， 可考虑作为混 凝土增强材料使用。 另外， 所推荐混凝土配合比及相应的混凝土 性能是通过室内试验确定， 如应用于工程施工 ， 应根据现场的 原材料的变化 ， 对配合比进行验证和调整。 参考文献 ： 1 】 杨春光 抗冲磨混凝土的研究应用与发展【 J 中国农村水利水电 ， 2 0 0 6 ( 6 ) ： 1 0 2 8 下转第 1 2 6页 1 2 3 试验表明， 随着钢纤维掺量增加， 混凝土的抗折强度、 抗压强 度 、 抗冻性提高， 但流动l生 逐渐降低， 混凝土成型越来越困难。 3 6高效减水剂掺量 本试验采用高浓型奈系高效减水剂、 固态聚羧酸系高效减 水剂、 液态聚羧酸系高效减水剂进行混凝土性能对比试验， 掺量 取 O 3 2 。 在混凝土性能指标接近的情况下， 优选价格相对便 宜的高效减水剂。 4结论及 建议 通过以上原材料及其掺量的多次对比试验研究， 结果表明， 利用当地的P O 5 2 5级水泥， 掺入适量的硅灰 、 磨细矿渣( 甚至 不掺矿渣) 、 高效减水剂和钢纤维， 控制好砂胶比， 拌和时间比 常规混凝土延长 2 4 0 3 6 0 S ， 通过蒸汽养护甚至仅在标准养护条 件下， 可以配制出抗压强度不低于 1 3 0 MP a的混凝土。 同时， 提出以下意见和建议供同行参考。 ( 1 ) 将细石英砂与粗石英砂按照适当比例混合 、 采用混凝 土常规成型方式( 未采取加压成型 ) 、 仅在标准养护条件下( 或 辅以适当蒸汽养护) 生产的抗压强度不低于 1 3 0 MP a的混凝土， 比完全采用粒径不超过 1 mm的细砂配制的抗压强度不低于 1 3 0 MP a的 R P C经济。 如果在加压成型、高温蒸汽养护或热养 护条件下， 利用前种方法配制的 R P C的早期强度提高更多。 ( 2 ) R P C使用的原材料种类多、 要求高， 工程应用的时间 短 ， 施工经验不多。 对于施工现场使用的小型构件， 或在施工现 场缺乏严格的生产条件和养护环境时， 建议在预制厂生产。 现场 生产和安装 R P C构件时， 宜在从事过 R P C材料试验、 设计、 施 工或监理工作的技术人员的指导下进行， 以确保 R P C构件的生 产和安装质量。 ( 3 ) “ 十二五” 期间， 我国将建成“ 四纵四横” 铁路客运专线 和基本建成快速铁路网， 营运里程达到 4 5万 k m ， 铁路人行道 盖板和挡板的需求量巨大。 但采用 R P C材料， 价格是普通混凝 土的 6 1 0倍左右。 是否有其他价格低廉 、 技术性能达标 、 施工 更方便的替代材料 ， 建议着手研究。 ( 4 ) R P C材料具有普通混凝土、 高强混凝土不具备的超高 上接第 1 2 O页 态混凝土有所提高。 ( 3 ) 钢纤维在碾压钢纤维粉煤灰混凝土中较在常态混凝土 中更容易均匀分布， 且大多数钢纤维在垂直于振动方向的平面 上呈二维乱向分布。 表明如将碾压钢纤维粉煤灰混凝土应用于 路面工程中， 能较大程度地发挥钢纤维的效用 ， 对提高路面的 抗折及抗裂能力效果明显。 参考文献 ： 1 】韩菊红， 崔岩 碾压钢纤维混凝土试验研究 J 1 混凝土与水泥制品 2 0 0 3 ( 2 ) ： 4 0 4 1 上接第 1 2 3页 【 2 】 韩素芳混凝土工程病害与修补加固【 M 】 _ E 京： 海洋出版社， 1 9 9 6 【 3 】刘卫东， 宫爱华 钢纤维硅粉混凝土的水工特性试验研究 J _水利学 报， 1 9 9 8 ( 4 ) ： 6 4 6 5 【 4 杨华全， 李文伟 水工混凝土研究与应用 M 】 E 京 ： 中国水利水电出 版社 ， 2 0 0 5 ： 2 0 2 2 0 5 1 26 强度 、 高耐久性和高韧性， 其应用范围应远不止于高速铁路工 程的人行道盖板、 挡板和寒冷地区水中结构构件的防护板。 国际 上一些专家、 学者甚至断言， R P C材料的出现是土木工程和材料 工程领域的一场革命。 国外已有在桥梁工程中应用的报道8 】 。 建 议我国混凝土及其工程界对 R P C材料在其他领域的应用加强 研究， 使其更好地为我国现代化建设服务。 参考文献 ： 1 R I C H A RD P， C H E YR E Z Y M H C o mp o s i t i o n o f r e a c t i v e p o w d e r c o n c r e t e J C e m e n t a n d C o n c r e t e R e s e a r c h ， 1 9 9 5 ， 2 5 ( 7 ) ： 2 1 2 2 【 2 1 刘数华 ， 冷发光， 李丽华 混凝土辅助胶凝材料【 M 】 北京： 中国建材工 业出版社， 2 0 1 0 3 何峰， 黄政宇 活性粉末混凝土原材料及配合比设计参数的选择【J 新型建筑材料， 2 0 0 7 ( 3 ) ： 7 4 7 7 4 】 陈昌礼， 屠庆模， 凌友志硅灰混凝土的研究及工程应用 J _新型建筑 材料， 2 0 0 8 ( 4 ) ： 4 3 4 6 【 5 】Y i n w e n C h a n ， S h u h s i e n C h u E f f e c t o f s i l i c a f u m e o n s t e e l fi b e r b o n d c h a r a c t e r i s t i c s i n r e a c t i v e p o w d e r c o n c r e t e ! C e m e n t a n d C o n c r e t e R e - s e a r c h ， 2 0 0 4 ， 3 4 ( 7 ) ： 1 1 6 7 1 1 7 2 6 】单波， 杨吴生， 黄政宇 冈 纤维对 R P C抗压强度增强作用的研究 J 1 湘潭大学： 自然科学学报， 2 0 0 2 ， 2 4 ( 1 ) ： 1 0 9 1 1 2 7 中华人民共和国国民经济和社会发展第十二个五年规划纲要 M 】 北京： 人民出版社， 2 0 1 1 8 A DE L I NE R， L A C HE MI M， B L A I S P D e s i g n a n d b e h a v i o r s o f t h e s h e r - b r o o k e f o o t - b r i d g e C 】 I n t e rna t i o n a l S y mp o s i u m o n Hi g h - p e r f o r ma n c e a n d R e a c t i v e P o w d e r C o n c r e t e 1 9 9 8 ( 3 ) ： 8 9 9 9 作者简介 联 系地址 联系电话 陈昌 b ( 1 9 6 6 一 ) ， 男， 教授， 硕士生导师， 主要从事混凝土材 料与固体废弃物综合利用研究。 贵州省贵阳市白云区白云北路 3 5 号 贵州师范大学材料 与建筑工程学院( 5 5 0 0 5 9 ) 1 3 9 8 5 5 9 6 8 7 9 2 C E C S 3 8 ： 2 0 0 4 ， 纤维混凝士结构技术规程【 s E 京 ： 中国计划出版 社， 2 0 0 4 3 】 D I J T 5 4 3 3 -2 0 0 9 ， 水工碾压混凝土试验规程【 s 】 - E 京 ： 中国电力出 版社， 2 0 0 9 4 14 郑京彪， 孙家瑛， 胡斌逸 路用钢纤维碾压混凝土物理力学性能研究 及应用f J 1 混凝土， 2 0 0 2 ( 8 ) ： 2 6 2 8 作者 简介 联系地址 联系电话 石保全( 1 9 6 4 一 ) ， 男， 高级工程师， 主要从事水利工程及交 通工程研究。 郑州市农业东路 1 0 0 号( 4 5 0 0 1 6 ) 0 3 7l 一 6 7 7 8 0l 1 6 5 】 D I I F 5 l 4 4 _ - 2 0 叭， 水工混凝土施工 院【 s E 京： 中国电力出版社， 2 0 0 2 作者简介： 闰小虎( 1 9 8 4 一 ) ， 男， 硕士研究生。 联系地址： 武汉市黄浦大街 2 6 9 号 长江科学院( 4 3 0 0 1 0 ) 联 系电话 ： 1 5 0 7 2 3 8 7 6 9 8