陳昊，楊凱，周虎，郜肖冰，楊燕偉

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

《自密實(shí)混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》(JCJ/T 283-2012)中明確了應(yīng)采用絕對(duì)體積法設(shè)計(jì)自密實(shí)混凝土配合比[1]，然而，實(shí)際工程還應(yīng)結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)提供的原材料、氣候特征等進(jìn)行自密實(shí)性能混凝土配合比設(shè)計(jì)，切實(shí)保障工程質(zhì)量[2]。本文以洪流水庫為研究對(duì)象，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)需求利用絕對(duì)體積法進(jìn)行高自密實(shí)混凝土配合比設(shè)計(jì)，選擇最合理的高自密實(shí)混凝土配合比，既滿足大壩現(xiàn)場(chǎng)施工要求，又滿足設(shè)計(jì)要求的力學(xué)性能、耐久性，并使之經(jīng)濟(jì)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(shí)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(zhǎng)度80.0m，壩基置于弱風(fēng)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(shí)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(dá)到自密實(shí)效果的超高性能混凝土(Super Quality Concrete)[3-4]。自密實(shí)混凝土具有高流動(dòng)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(nèi)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(shí)混凝土在澆筑成型時(shí)不離析，硬化后不開裂，具有良好的力學(xué)性能[5]。

同時(shí)，自密實(shí)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(jié)硬化反應(yīng)，但能降低水化溫升，降低綜合成本[6-7]。因此，自密實(shí)混凝土因其良好性能自面世后就受到廣泛關(guān)注和深入研究。洪流水庫大壩采用標(biāo)號(hào)C9015W6F50的自密實(shí)混凝土澆筑，堆石料采用當(dāng)?shù)亻_采白堊系夾關(guān)組粉砂質(zhì)泥巖，屬于軟巖。上游面設(shè)置厚0.5m的防滲層，壩基設(shè)置厚1.0m的C20混凝土墊層，壩肩設(shè)置厚0.5m的C9015自密實(shí)混凝土墊層(防滲墻與壩基肩墊層連接)。

2 高自密實(shí)性能混凝土配合比設(shè)計(jì)

2.1 試驗(yàn)原材料

2.1.1 水泥

根據(jù)《膠結(jié)顆粒料筑壩技術(shù)導(dǎo)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(xué)性能均符合《通用硅酸鹽水泥》(GB 175-2007)的技術(shù)要求[8-9]。水泥的物理及力學(xué)性能指標(biāo)詳見表1。

表1 水泥的物理及力學(xué)性能指標(biāo)

2.1.2 粉煤灰

根據(jù)《膠結(jié)顆粒料筑壩技術(shù)導(dǎo)則》(SL678-2014)規(guī)定，本工程選用“習(xí)水牌”Ⅱ級(jí)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(shù)要求[10]。粉煤灰的物理性能指標(biāo)詳見表2。

表2 粉煤灰的物理性能指標(biāo)

2.1.3 骨料

(1)細(xì)骨料

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

圖1 骨料篩分曲線

(2)粗骨料

根據(jù)《水工混凝土試驗(yàn)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(jí)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(hào)：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(shù)要求[12]。外加劑的混凝土性能指標(biāo)詳見表3。

表3 HSNG-T外加劑的性能指標(biāo)

2.1.5 拌和用水

本工程試驗(yàn)階段采用實(shí)驗(yàn)室自來水；在項(xiàng)目工地?cái)嚢枵具M(jìn)行配合比復(fù)核試驗(yàn)階段，采用河水配置混凝土。

2.2 試驗(yàn)參數(shù)

2.2.1 混凝土配制強(qiáng)度

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

表4 混凝土的配制強(qiáng)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(jìn)行凈漿試驗(yàn)，通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)再進(jìn)行上下調(diào)整。

稱量好各項(xiàng)材料后依次加入并開始攪拌，攪拌停止后測(cè)量?jī)魸{擴(kuò)展度，擴(kuò)展度指標(biāo)控制在220mm～240mm，觀察外加劑與水泥、粉煤灰的適應(yīng)性。

2.2.3 粉煤灰摻量

粉煤灰摻量的選擇根據(jù)設(shè)計(jì)強(qiáng)度要求確定，進(jìn)而確定粉煤灰的摻量。

2.2.4 初始砂率

試驗(yàn)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(jì)算配合比，稱量好各項(xiàng)材料后依次加入并開始攪拌，攪拌停止后測(cè)量砂漿擴(kuò)展度，控制在240mm～280mm，并觀察砂漿出機(jī)狀態(tài)。

隨后進(jìn)行配合比優(yōu)化，制作混凝土漿，通過V漏斗時(shí)間(VF)檢測(cè)，根據(jù)試驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果確定高自密實(shí)性能混凝土的初始砂率。其中，4#出料機(jī)坍落擴(kuò)展度(SF)為680mm，出料機(jī)坍落度為275mm(見圖2)，V漏斗通過時(shí)間(VF)為19.0s，混凝土出機(jī)狀態(tài)良好。

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

在自密實(shí)砂漿試驗(yàn)基礎(chǔ)上開始自密實(shí)混凝土試驗(yàn)。按體積水粉比0.95、水泥摻量25%、砂率46%、石子體積270L，計(jì)算好配合比后，首先用水把攪拌機(jī)潤(rùn)濕，然后依次把稱量好的石子、砂、水泥、粉煤灰放入攪拌機(jī)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(jī)中，攪拌2min后出機(jī)，立即測(cè)量擴(kuò)展度(SF)、坍落度及V漏斗通過時(shí)間，以及1h擴(kuò)展度、坍落度及V漏斗通過時(shí)間。

2.2.5 石子最優(yōu)摻量

本工程通過自密實(shí)性能混凝土的試配試驗(yàn)來確定石子摻量，分別采用不同石子體積進(jìn)行混凝土試拌并進(jìn)行性能檢測(cè)，主要包括自密實(shí)性能混凝土的坍落擴(kuò)展度及V漏斗性能檢測(cè)。根據(jù)試驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果，進(jìn)而確定高自密實(shí)性能混凝土的最優(yōu)砂率、最優(yōu)石子摻量。

2.3 結(jié)果與討論

經(jīng)過檢測(cè)的混凝土各項(xiàng)性能指標(biāo)合格，初步配合比(序號(hào)3#)詳見表5。隨后進(jìn)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(shè)計(jì)強(qiáng)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(yàn)獲得優(yōu)化配合比(序號(hào)4#)，配合比及檢測(cè)結(jié)果詳見表5、表6。

表5 自密實(shí)混凝土配合比

表6 4#自密實(shí)混凝土特性試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)結(jié)果表明，水粉比在0.80～1.15范圍內(nèi)時(shí)，外加劑的摻量對(duì)體積水粉比的影響最為平緩，有利于高自密實(shí)性能混凝土生產(chǎn)的穩(wěn)定性。當(dāng)設(shè)計(jì)強(qiáng)度降低一個(gè)標(biāo)號(hào)或水粉比降低0.05，相應(yīng)粉煤灰摻量提高5%。同時(shí)，自密實(shí)凈漿狀態(tài)良好，表明外加劑與膠凝材料的適應(yīng)性匹配良好。

3 結(jié)論

本文以洪流水庫為研究對(duì)象，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)需求對(duì)自密實(shí)混凝土最優(yōu)配合比進(jìn)行設(shè)計(jì)和試驗(yàn)研究。試驗(yàn)結(jié)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(qiáng)度可以滿足C9015、C9020的設(shè)計(jì)要求，并且各自抗?jié)B、抗凍試驗(yàn)檢測(cè)均合格；最后，它們的水泥單方用量也是最少。經(jīng)過分析比較，確定4#配合比為本次最優(yōu)配合比。