石磊龍，王 軍

（中國電建集團山東電力建設(shè)有限公司，山東 濟南 250014）

0 引言

山東某 1 000 MW 發(fā)電廠地處濱海低地，冬季最低溫度為零下 15 ℃，混凝土受地下水的腐蝕為強等級，因此要求混凝土具有良好的抗?jié)B、抗凍等耐久性指標(biāo)，為解決這一問題，配制高密實、高抗?jié)B的高性能混凝土是項目重點。高性能混凝土一般是以“高強高性能混凝土”的形式提出，中等強度的高性能混凝土的研究及應(yīng)用較少，如果能實現(xiàn)中等強度普通混凝土的高性能化，將會產(chǎn)生重要的技術(shù)經(jīng)濟意義［1］。本文通過對自然通風(fēng)高位收水冷卻塔高性能混凝土的研究工作，旨在實現(xiàn)用 42.5 強度等級的水泥和現(xiàn)有原材料配制中等強度高性能混凝土。

1 高性能混凝土特性與要求

高性能混凝土比普通混凝土相比具有更高耐久性。一方面高性能混凝土采用優(yōu)質(zhì)高效減水劑，打破了普通混凝土水膠比的限制，使低水膠比、超低水膠比在混凝土配合比設(shè)計中的應(yīng)用成為可能。另一方面采用超細摻合料又改善了級配等級，使高性能混凝土形成高度密集的微觀結(jié)構(gòu)。此外，超細摻合料活性大，產(chǎn)生大量水化硅酸鈣凝膠體的同時會大量消耗 Ca（OH）2，可以提高混凝土的耐腐蝕能力。其次高性能混凝土的強度等級應(yīng)達設(shè)計要求，并結(jié)合施工工藝進行設(shè)計，只有通過試配、調(diào)整確保滿足使用要求后方可用于正式施工［2］。

2 現(xiàn)有原材料情況

2.1 水泥

生產(chǎn)高性能混凝土所用的水泥必須具有較高的 28 d 強度和良好的流變性能。使用等級越高的水泥越易獲得更高的混凝土強度，但其強度增長不與水泥抗壓強度的增長成正比［3］。對于 C40 混凝土，P·O42.5 水泥是最佳選擇，而對于 C45 的混凝土，究竟用 P·O42.5還是用 P·O52.5，需要試驗驗證。

本次研究所用水泥均為濱海某公司生產(chǎn)，性能指標(biāo)如表 1 和表 2 所示。

表1 P·O42.5 水泥性能一覽表

表2 P·O52.5 水泥性能一覽表

2.2 骨料

2.2.1 細骨料

配制高性能混凝土的細骨料應(yīng)級配良好、質(zhì)地堅固，含泥量等性能應(yīng)符合 JGJ 52—2006《普通混凝土用砂、石質(zhì)量及檢驗方法標(biāo)準(zhǔn)》。良好顆粒級配的細骨料對于提高混凝土強度有利。受地材供應(yīng)的限制，本地的河砂為粗砂，性能如表 3 所示。

表3 河砂性能一覽表

配置高性能混凝土?xí)r原材料非常重要，用細度模數(shù)如此之大的河砂配制高性能混凝土，增加了配合比設(shè)計難度。當(dāng)前這方面的研究很少，此次試驗可算是一次探索。

2.2.2 粗骨料

粗骨料應(yīng)選擇表面粗糙且堅固的品種。還需級配良好，應(yīng)采用 5～25 mm 連續(xù)級配［4］。本項目考察了市場上的碎石，發(fā)現(xiàn)當(dāng)?shù)氐?5～25 mm 連續(xù)粒級并不符合標(biāo)準(zhǔn)要求，所以決定采用“大石子”和“小石子”搭配方式，如表 4 所示為兩種級配的碎石粒級分布。

表4 “小石子”和“大石子”粒級分布一覽表

經(jīng)過試驗，將“小石子”和“大石子”按 4∶6 質(zhì)量混合，其顆粒級配可滿足 5～25 mm 連續(xù)粒級。表 5 為二級配碎石粒級分布，表 6 為二級配碎石性能。

表5 二級配碎石粒級分布一覽表

表6 二級配碎石性能一覽表

從碎石性能結(jié)果可以看出，以上各項參數(shù)符合 JGJ 52—2006《普通混凝土用砂、石質(zhì)量及檢驗方法標(biāo)準(zhǔn)》要求。

2.3 摻合料

2.3.1 粉煤灰

所用粉煤灰來自于附近電廠生產(chǎn)。依據(jù) GB/T 1596—2017《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》檢測，為 I 級粉煤灰，依據(jù) GB/T 18736—2017《高強高性能混凝土用礦物外加劑》檢測 28 d 活性指數(shù)，符合 II 級要求。其主要性能如表 7 所示。

表7 粉煤灰性能一覽表

2.3.2 硅灰

硅灰顆粒細小因而比表面積大，所以在混凝土中摻入硅灰，能夠提高抗?jié)B性、抗凍性、強度、抗化學(xué)腐蝕性。本項目選用了鹽城某公司生產(chǎn)的硅灰，其主要性能如表 8 所示。

表8 硅灰性能一覽表

2.4 外加劑

聚羧酸高性能減水劑作為新型減水劑，不受環(huán)境溫度影響且減水率高，對混凝土的坍落度保持、凝結(jié)時間的控制很有效果。根據(jù) JGJ 55—2011《普通混凝土配合比設(shè)計規(guī)程》：長期處于潮濕或水位變動的寒冷和嚴寒環(huán)境及鹽凍環(huán)境的混凝土應(yīng)摻入引氣劑［5］。

綜合以上要求，本項目選用河北某公司復(fù)合型外加劑，各項技術(shù)指標(biāo)如表 9 所示。

表9 KTPCA 高性能減水劑性能一覽表

2.5 PVA 纖維

混凝土中使用合成纖維目的是改善混凝土抗沖擊、早期抗裂和抗疲勞等性能，根據(jù)圖紙要求人字柱混凝土中應(yīng)摻入 0.9 kg/m3的高強高模 PVA 纖維，以提高抗裂能力。

本項目所用 PVA 纖維為泰安市某公司生產(chǎn)，其主要性能指標(biāo)如表 10（滿足圖紙中 PVA 纖維性能要求）所示。

表10 PVA 纖維性能一覽表

3 配合比設(shè)計

3.1 配合比初步設(shè)計

3.1.1 P·O42.5 水泥人字柱配合比初步設(shè)計

設(shè)計強度 53.225 MPa，水膠比 0.34，膠凝材料由水泥、硅灰、粉煤灰 3 種材料組成，其摻量通過正交試驗確定。硅灰采用 4 種不同摻量（分別為膠凝材料的 3 %、5 %、7 %、9 %）、粉煤灰采用 3 種不同摻量（分別為膠凝材料的 15 %、20 %、25 %），對混凝土抗凍、抗?jié)B、強度、成本等進行試驗，配合比如表 11 與表 12 所示。

表11 P·O42.5 水泥人字柱初步配合比

表12 P·O42.5水泥人字柱初步配合比性能及成本（不計纖維）

通過上述試驗，綜合考慮各項指標(biāo)，最終選擇“柱-11”配比，即粉煤灰摻量為 20 %、硅灰摻量為 9 %。

3.1.2 P·O52.5 水泥人字柱設(shè)計

設(shè)計強度 53.225 MPa，水膠比 0.35，膠凝材料由水泥、硅灰、粉煤灰 3 種材料組成，粉煤灰摻量為 20 %，硅灰摻量為 9 %。配合比如表 13 與表 14 所示。

表13 P·O52.5 水泥人字柱初步配合比

表14 P·O52.5 水泥人字柱初步配合比性能及成本（不計纖維）

經(jīng)比較，用 P·O52.5 水泥配制 C45 混凝土，最優(yōu)配合比為“柱-16”，混凝土成本卻比 P·O42.5 水泥研制的配合比“柱-11”高 27 元/m3。

3.2 配合比優(yōu)化

試驗中對將該配合比進行調(diào)整：在維持水膠比不變下，將膠凝材料用量降至 485 kg/m3和 475 kg/m3，得到 28 d 抗壓強度分別為 51.2 MPa 和 51.9 MPa，但強度沒有達到設(shè)計要求。

3.3 配合比確定

經(jīng)過配合比的設(shè)計和試配、調(diào)整，列表統(tǒng)計P·O42.5 水泥和 P·O52.5 水泥配制出的混凝土的性能，確定人字柱混凝土最終配合比，如表 15 所示。

表15 人字柱混凝土配合比

經(jīng)試驗，該配合比的混凝土抗?jié)B等級達 W 17，抗凍性≥F 200，28 d 氯離子擴散系數(shù)為 2.2×10-12m2/s，符合設(shè)計要求。

4 工程應(yīng)用

通過對自然通風(fēng)高位收水冷卻塔混凝土取樣檢測結(jié)果證明：混凝土的抗壓強度、抗?jié)B性、抗凍性能及氯離子擴散系數(shù)等均達到圖紙設(shè)計要求，且混凝土外觀顏色均勻，無裂紋、蜂窩麻面等表面缺陷。本技術(shù)不僅適用于自然通風(fēng)高位收水冷卻塔工程，還可以用于具有類似要求的高性能混凝土施工，如港口、海洋、水利、化工等工程。

5 關(guān)鍵技術(shù)

5.1 粉煤灰和硅灰的雙摻技術(shù)

雙摻硅灰和粉煤灰以取代部分水泥，改善了混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)，提高抗凍性、抗?jié)B性等，在高性能混凝土的施工過程中發(fā)揮著重要的作用。本項目研究了粉煤灰和硅灰不同摻量對混凝土性能和經(jīng)濟效益的影響，根據(jù) JGJ 55—2011《普通混凝土配合比設(shè)計規(guī)程》和實踐經(jīng)驗，選定了 4 種硅灰摻量和 3 種粉煤灰摻量，進行正交試驗，最后確定滿足高性能混凝土設(shè)計要求的摻量分別為：硅灰為 9 %；粉煤灰為 20 %。

5.2 碎石的二級配技術(shù)

為持續(xù)提高混凝土的密實性能，需要應(yīng)用顆粒級配比較好的粗骨料，但經(jīng)過當(dāng)?shù)厥袌稣{(diào)研，沒有發(fā)現(xiàn)符合連續(xù)級配的粗骨料，故采用兩種粗骨料組合的方式，達到了連續(xù)級配的效果，提升了混凝土的密實度，降低了膠凝材料用量，改善了混凝土拌合物的和易性。通過試驗確定了兩種規(guī)格碎石的組成比例，本項目 5～16 mm 的碎石和 5～25 mm 的碎石比例 4∶6，組合后滿足 5～25 mm 碎石連續(xù)粒級要求。

6 結(jié)語

自然通風(fēng)高位收水冷卻塔工程高性能混凝土的應(yīng)用，提高了混凝土的耐久性能，滿足了火力發(fā)電廠中類似項目高性能混凝土的技術(shù)要求，證實了用 42.5 強度等級的水泥完全可以配制 C45 混凝土，也證實了在原材料性能不理想的情況下可以配制高性能混凝土。另外，硅灰和粉煤灰作為工業(yè)廢料污染環(huán)境、危害健康，但作為混凝土中的摻合料，不僅能解決其堆積占地和污染的問題，而且經(jīng)濟效益良好。Q