高性能C70泵送硅粉混凝土在小浪底工程中的应用
2005-04-29 00:00
摘 要 小浪底工程的主要泄洪建筑物孔板洞、排沙洞、明流洞使用了C70高标号的硅粉混凝土，为满足设计要求，混凝土中掺用了粉煤灰、硅粉，大多数为泵送入仓。通过对高强混凝土配合比的设计，以及对施工过程中进行质量控制，证明C了0泵送高强混凝土在小浪底工程的应用是成功的。
关键词 高强混凝土 配合比设计 水泥 砂石料
小浪底工程的主要泄洪建筑物孔板洞、排沙洞、明流洞使用了C70高标号的硅粉混凝土，数量约50万m3。为保证混凝土的抗冲耐磨性能，设计强度等级为C70，抗渗标号S6，抗冻标号D50。为满足设计要求，混凝土中掺用了粉煤灰、硅粉，大多数为泵送人仓。
一、混凝土原材料及生产设备
1．水泥
采用洛阳和渑池水泥厂生产的P0525R(旧标准表示符号，下同)和525MH两种水泥；粉煤灰采用Ⅱ级粉煤灰；硅粉系压密产品，制成硅粉浆使用。各胶凝材料性能检测结果表明，均满足合同《技术规范》的要求。
2. 外加剂
系进口西卡(Sika)公司产品。有减水剂(V2)、增塑剂(NN)、缓凝剂(Retarder)、引气剂(AER)，性能检测均足合同《技术规范》的要求。
3．砂石料
开采、筛分均自坝址下游约10km处的连地料场，产量可达700t/h。拌和楼附近备有成品料仓。在拌和衡量前可对粗骨料进行二次筛洗脱水，骨料性能检测指标满足合同《技术规范》的要求。
4．生产设备
混凝土拌和系统系美国JOHNSON公司设备。配有4X3.5m3自落式拌和罐，常规混凝土产量为200m3/h，衡量、记录全部由计算机控制。配套有制冰系统，设计制冰量可达5～6t/h，最低温度达8t，可保证掺冰70kS/m3以上，混凝土运输搅拌车每车可装运6—12m3混凝土。
二、C70级混凝土配合比的选用
1．采用标准
合同《技术规范》规定：混凝土配合比由国际承包商依据美国《普通混凝土、重质混凝土及大体积混凝土配合比选择的标准方法》(ACl211.1)进行试验后，经工程师审批后投入使用。
2．配合比设计、控制
国际承包商在混凝土质量控制方面最关注的是平均强度和坍落度，对W/C控制则是次要的；在质量统计数据中，不出现离差系数、强度保证率特征值。
从他们提供的C70混凝土配合比中可以看出：同级配C70混凝土， W/C变化幅度在0.21～0.27；在单位用水量与坍落度的关系方面也不易看出设计规律。如A1/A2-2配合比坍落度为16～18cm，用水量为125kg；Al/A2—4配合比级配、坍落度与其相同，而加水量仅94kg；再有Al-P14-2配合比设计坍落度为13～16cm，而加水量仍为94kg；还有同等级混凝土设计坍落度相同，三级配加水量大于二级配加水量的反常现象。如A2-P10三级配混凝土加水量为110kg，改为二级配后加水量减为99kg。当混凝土强度达不到设计要求应降低W/C时，却在增加水泥用量的同时，又增加了用水量，显然与我们的做法不同。
三、采取的措施
1．按设计强度要求，参考混凝土强度保证率，确定配制强度
合同《技术规范》规定的混凝土强度等级为C70,评定验收标准是：
①任何5个连续抗压试验结果的平均值要大于等于规定强度；
②5个连续抗压试验结果中低于规定强度的试件不得多于1个，最低的试验结果与规定抗压强度之值不得大于3.5MPa。
这里没有明确提出各部位工程混凝土强度保证率。若采用国内混凝土配制强度的做法，可较好地从根本上保证设计强度。若混凝土强度保证率按80%(最低限)考虑，按实际混凝土强度统计平均离差系数(CV)0.10计算，其混凝土配制强度应为：
科研成果证明：硅粉混凝土抗压强度随掺量增加而提高。掺量低于5%时，增强效果不明显；太多(超过20%)则会造成混凝土干缩或强度下降。另外，试件破坏断面发生在骨料与水泥石胶结面的现象说明，光滑、球形的几何形状骨料，不利于制作高强混凝土，其所占比例应当加以限制，最大粒径不宜超过63mm。
3．严格控制坍落度
为了较准确地测试和控制坍落度，结合小浪底工程的特殊性，首先是基体混凝土(流化开始前的混凝土)的配合比设计。在高坍落度配合比正式应用之前确定流化剂的添加方法和用量，做出基体混凝土和流化后混凝土的关系曲线。在混凝土生产过程综合采用两种添加法，即采取拌和楼和浇筑工地各加一部分流化剂(掺加量通过试验确定，拌和楼坍落度宜控制在15em以下)，以便于坍落度测试，又达到流化效果最好的目的。据资料统计，当基体混凝土坍落度为12cm时，采用同时添加法，测值为 18.5cm，拌和后15～60分钟添加，坍落度可达2lcm。
4．温度控制措施
5．硅粉掺量的影响 为了分析影响C70混凝土强度的主要因素，进行了不同硅粉掺量的原型试验和室内验证试验。结果表明：当C70配合比中硅粉掺量在3.5%以下时，28天平均强度仅70MPa左右，若掺量增至5%～8%时，则可达到75～80MPa。
四、高标号C70混凝土应用的思考
1．高标号混凝土的裂缝问题
从混凝土技术的发展角度来讲，大体积高强混凝土的运用无疑是技术进步，但所带来的增加混凝土裂缝的可能性也不容忽视。
2．强度与温控措施、施工工艺
依靠增加水泥、硅粉的用量来提高泵送混凝土强度，这将增加混凝土的温升，可能造成裂缝的增加，从而影响结构安全与耐久性。根据相关资料测算，按每11kg/m3的胶材料产生l℃的混凝土升温计算，按拌和楼常年加冰、加冷水(即使在冬季也在拌和混凝土时加冰)的前提下，新拌混凝土机口最低温度为100C，最高温度可达到 53.60C，实测出机温度为10℃～17℃。实测混凝土最高温升为50℃～60℃。
如采取加大硅粉用量提高混凝土强度，则黏度高的混凝土在洞内长距离泵送施工更加困难，使赶工形势下施工效率大大降低，且硅粉的供应也成问题。工程师批准承包商超常规地(现行标准DL/T5055-1996《水工混凝土掺用粉煤灰技术规范》中规定粉煤灰掺量小于15%)在混凝土中掺加了水泥用量20%左右的粉煤灰和5%～8%的硅粉。
冷却混凝土中用一种或数种组分来降低浇筑温度，减小最高温度与最终温度的温差，是常采用的方法。在许多情况下，人们把冷却法作为根本性的控制措施，而只在关键部位辅以强制冷却。它的优点是简便、具体使用和控制效果较好，代价也相对低些。缺点是：在控制最高温升的全过程中，所拥有的温控时间有限。
小浪底工程混凝土采取了对骨料冷却、全年加冰拌和、限制水泥、粉煤灰使用温度综合措施。为降低混凝土的出机温度，工程师指令承包商在冬季拌和时加注剩余用水量 60%～70%、温度在-6℃～-8℃的冰屑，夏季还要辅以对粗细骨料的冷却降温等措施。
3．适宜的混凝土设计龄期
我国现行规范《水工混凝土掺用粉煤灰技术规范》DL/T5055-1996中规定：“粉煤灰混凝土的确定实际龄期，应根据建筑物类型和具体承载时间确定。大体积混凝土的强度设计龄期采用90天，也可采用180天和360天。”
在小浪底技术委员会第二次全体会议上，专家认定：导流洞A级混凝土在截流过水前，混凝土龄期绝大部分超过厂90天，可使用90天C70评定A类混凝土。
设计院Lot.2(1998)设代字001号设计通知：依据国标《粉煤灰混凝土的应用技术规范》(GBJl46-90)第 4.1.2条规定和A、B级混凝土所在部位的运用条件，同意对粉煤灰混凝土按90天龄期强度作为质量评定标准。故在此之后的所有工程验收中，对于 A级混凝土均按90天C70的指标进行质量评价。
小浪底施工期间工程师共计取样90天抗压强度试件4077组，平均强度为80.4MPa，强度保证率为93.3％；离差系数CV值为0.09，混凝土均匀性评价为“优秀”。A级混凝土检测结果见表1，其他技术指标均达到设计要求，不再累述。
表1 A级混凝土检测结果
5．高强混凝土质量统计评估方法探讨
五、结 语
经过了大量的生产实践和验证试验，C70泵送高强混凝土在小浪底工程取得了成功地运用。体会如下：
①选用水泥等级应不低于42.5MPa，W/C控制在0.23～0.26；特别是应选用低碱含量、低水化热的水泥品种。
②粗骨料最大粒径应小于等于63mm，宜用或多用人工碎石，增加骨料表面与水泥的胶结能力。
③宜掺用20%左右的粉煤灰，硅粉掺量以5%～8%为宜；用7天或28天龄期控制早期强度，将强度设计龄期定为56天或如天或者更长。
④泵送混凝土的流动性测试，建议采用坍落度与扩散度相结合的测试方法评估其和易性。
(作者为小浪底工程咨询有限公司西霞院项目部副总监、高级工程师)
关键词 高强混凝土 配合比设计 水泥 砂石料
小浪底工程的主要泄洪建筑物孔板洞、排沙洞、明流洞使用了C70高标号的硅粉混凝土，数量约50万m3。为保证混凝土的抗冲耐磨性能，设计强度等级为C70，抗渗标号S6，抗冻标号D50。为满足设计要求，混凝土中掺用了粉煤灰、硅粉，大多数为泵送人仓。
一、混凝土原材料及生产设备
1．水泥
采用洛阳和渑池水泥厂生产的P0525R(旧标准表示符号，下同)和525MH两种水泥；粉煤灰采用Ⅱ级粉煤灰；硅粉系压密产品，制成硅粉浆使用。各胶凝材料性能检测结果表明，均满足合同《技术规范》的要求。
2. 外加剂
系进口西卡(Sika)公司产品。有减水剂(V2)、增塑剂(NN)、缓凝剂(Retarder)、引气剂(AER)，性能检测均足合同《技术规范》的要求。
3．砂石料
开采、筛分均自坝址下游约10km处的连地料场，产量可达700t/h。拌和楼附近备有成品料仓。在拌和衡量前可对粗骨料进行二次筛洗脱水，骨料性能检测指标满足合同《技术规范》的要求。
4．生产设备
混凝土拌和系统系美国JOHNSON公司设备。配有4X3.5m3自落式拌和罐，常规混凝土产量为200m3/h，衡量、记录全部由计算机控制。配套有制冰系统，设计制冰量可达5～6t/h，最低温度达8t，可保证掺冰70kS/m3以上，混凝土运输搅拌车每车可装运6—12m3混凝土。
二、C70级混凝土配合比的选用
1．采用标准
合同《技术规范》规定：混凝土配合比由国际承包商依据美国《普通混凝土、重质混凝土及大体积混凝土配合比选择的标准方法》(ACl211.1)进行试验后，经工程师审批后投入使用。
2．配合比设计、控制
国际承包商在混凝土质量控制方面最关注的是平均强度和坍落度，对W/C控制则是次要的；在质量统计数据中，不出现离差系数、强度保证率特征值。
从他们提供的C70混凝土配合比中可以看出：同级配C70混凝土， W/C变化幅度在0.21～0.27；在单位用水量与坍落度的关系方面也不易看出设计规律。如A1/A2-2配合比坍落度为16～18cm，用水量为125kg；Al/A2—4配合比级配、坍落度与其相同，而加水量仅94kg；再有Al-P14-2配合比设计坍落度为13～16cm，而加水量仍为94kg；还有同等级混凝土设计坍落度相同，三级配加水量大于二级配加水量的反常现象。如A2-P10三级配混凝土加水量为110kg，改为二级配后加水量减为99kg。当混凝土强度达不到设计要求应降低W/C时，却在增加水泥用量的同时，又增加了用水量，显然与我们的做法不同。
三、采取的措施
1．按设计强度要求，参考混凝土强度保证率，确定配制强度
合同《技术规范》规定的混凝土强度等级为C70,评定验收标准是：
①任何5个连续抗压试验结果的平均值要大于等于规定强度；
②5个连续抗压试验结果中低于规定强度的试件不得多于1个，最低的试验结果与规定抗压强度之值不得大于3.5MPa。
这里没有明确提出各部位工程混凝土强度保证率。若采用国内混凝土配制强度的做法，可较好地从根本上保证设计强度。若混凝土强度保证率按80%(最低限)考虑，按实际混凝土强度统计平均离差系数(CV)0.10计算，其混凝土配制强度应为：
R配=R标/（1-t×Cv)
式中R配为保证强度又称配制强度；R标为设计强度，取70MPa；t为概率度系数，由保证率(P)确定。当P=80%，t=0.842时，计算结果：
R配=70/(1-0.842x0.10)=76.4(MPa)
2．调整配合比
承包商在原型生产试验阶段，按28天强度70MPa控制，结果混凝土统计平均强度仅为71MPa，保证率尚不足60%，主要是胶凝材料数量和比例欠佳，W/C未能得到良好控制。显而易见，各部位工程混凝土强度保证率不足就难以满足设计要求。
科研成果证明：硅粉混凝土抗压强度随掺量增加而提高。掺量低于5%时，增强效果不明显；太多(超过20%)则会造成混凝土干缩或强度下降。另外，试件破坏断面发生在骨料与水泥石胶结面的现象说明，光滑、球形的几何形状骨料，不利于制作高强混凝土，其所占比例应当加以限制，最大粒径不宜超过63mm。
3．严格控制坍落度
国际承包商在混凝土设计、拌和与质量控制方面的核心指标是坍落度。目前混凝土大坍落度测试的方法有待完善，而C70级混凝土坍落度设计要求为16～18cm，由于掺加高效减水剂，测量时混凝土尚处在“动态”状，如果待到“静态”时测量，则所测数据只是骨料自然堆积的高度。即使同一人操作，误差会有2cm以上；不同人操作，误差就更大了。
为了较准确地测试和控制坍落度，结合小浪底工程的特殊性，首先是基体混凝土(流化开始前的混凝土)的配合比设计。在高坍落度配合比正式应用之前确定流化剂的添加方法和用量，做出基体混凝土和流化后混凝土的关系曲线。在混凝土生产过程综合采用两种添加法，即采取拌和楼和浇筑工地各加一部分流化剂(掺加量通过试验确定，拌和楼坍落度宜控制在15em以下)，以便于坍落度测试，又达到流化效果最好的目的。据资料统计，当基体混凝土坍落度为12cm时，采用同时添加法，测值为 18.5cm，拌和后15～60分钟添加，坍落度可达2lcm。
4．温度控制措施
C70级混凝土水泥用量在350kg/m3以上，要同时满足混凝土强度和温度控制的要求，是工程施工中的一对矛盾。设计要求6-8月高温期混凝土出机温度为8℃～1l℃。据有关资料统计：小浪底年平均气温13.8℃。7月份最高，平均26.3℃。1月份最低，平均气温在0℃上下。 C70级混凝土在拌和、施工中主要采取了以下措施：
①降低?昆凝土原材料温度。夏季水泥、粉煤灰卸车温度常常超过70℃，最高曾达到107℃。参照美国混凝土学会(ACl305Pt)要求，控制水泥最高温度不超过770C。规定水泥、粉煤灰的温度不得超过70℃，要求尽量避开高温时间运输。
②保持料场骨料堆高大于5～6m，粗骨料先经过冷却廊道预冷，后喷洒40C～ 6℃的冷水，冷却时间约3分钟；待送到拌和楼前进行二次筛分脱水，送至储料仓，向仓内通以-15℃的冷风等待衡量下料，这时骨料温度可降至50C-100C。
③加冰拌和，碎冰片温度-2℃～-8℃。夏季加冰40～70kg/m3，冬季加冰10～30kg/m3。采取上述措施，混凝土实际出机温度夏季为10℃～17℃，冬季为8℃～13℃。
①降低?昆凝土原材料温度。夏季水泥、粉煤灰卸车温度常常超过70℃，最高曾达到107℃。参照美国混凝土学会(ACl305Pt)要求，控制水泥最高温度不超过770C。规定水泥、粉煤灰的温度不得超过70℃，要求尽量避开高温时间运输。
②保持料场骨料堆高大于5～6m，粗骨料先经过冷却廊道预冷，后喷洒40C～ 6℃的冷水，冷却时间约3分钟；待送到拌和楼前进行二次筛分脱水，送至储料仓，向仓内通以-15℃的冷风等待衡量下料，这时骨料温度可降至50C-100C。
③加冰拌和，碎冰片温度-2℃～-8℃。夏季加冰40～70kg/m3，冬季加冰10～30kg/m3。采取上述措施，混凝土实际出机温度夏季为10℃～17℃，冬季为8℃～13℃。
5．硅粉掺量的影响
四、高标号C70混凝土应用的思考
1．高标号混凝土的裂缝问题
从理论上讲，高强混凝土耐久性能高，强度和耐久性并不矛盾。然而，高标号混凝土强度的提高必将使单位混凝土的水泥用量增加及水泥浆量增加，这不仅使混凝土的水化热和收缩增加，而且内部结构形成的速率大于抗拉强度的增长速率，即高强混凝土弹性模量的增长大于抗拉强度的增长，比一般混凝土要快，因此，高强混凝土的早期抗裂性比一般的混凝土要差，强度提高的同时，弹性模量也随之有更大的增长。在相同的收缩应变下，内部则产生更大的拉应力。
从混凝土技术的发展角度来讲，大体积高强混凝土的运用无疑是技术进步，但所带来的增加混凝土裂缝的可能性也不容忽视。
2．强度与温控措施、施工工艺
混凝土W/C只有0.22～0.25，几乎全部为泵送施工的混凝土。要满足规定温控要求，必须降低水泥等胶凝材料的用量，这和要求混凝土高强度相矛盾；既要混凝土强度高，又需要混凝土温升低。
依靠增加水泥、硅粉的用量来提高泵送混凝土强度，这将增加混凝土的温升，可能造成裂缝的增加，从而影响结构安全与耐久性。根据相关资料测算，按每11kg/m3的胶材料产生l℃的混凝土升温计算，按拌和楼常年加冰、加冷水(即使在冬季也在拌和混凝土时加冰)的前提下，新拌混凝土机口最低温度为100C，最高温度可达到 53.60C，实测出机温度为10℃～17℃。实测混凝土最高温升为50℃～60℃。
如采取加大硅粉用量提高混凝土强度，则黏度高的混凝土在洞内长距离泵送施工更加困难，使赶工形势下施工效率大大降低，且硅粉的供应也成问题。工程师批准承包商超常规地(现行标准DL/T5055-1996《水工混凝土掺用粉煤灰技术规范》中规定粉煤灰掺量小于15%)在混凝土中掺加了水泥用量20%左右的粉煤灰和5%～8%的硅粉。
冷却混凝土中用一种或数种组分来降低浇筑温度，减小最高温度与最终温度的温差，是常采用的方法。在许多情况下，人们把冷却法作为根本性的控制措施，而只在关键部位辅以强制冷却。它的优点是简便、具体使用和控制效果较好，代价也相对低些。缺点是：在控制最高温升的全过程中，所拥有的温控时间有限。
小浪底工程混凝土采取了对骨料冷却、全年加冰拌和、限制水泥、粉煤灰使用温度综合措施。为降低混凝土的出机温度，工程师指令承包商在冬季拌和时加注剩余用水量 60%～70%、温度在-6℃～-8℃的冰屑，夏季还要辅以对粗细骨料的冷却降温等措施。
3．适宜的混凝土设计龄期
原设计指标为28天C70。据对C70级混凝土千组以上强度资料统计，28天强度平均值为71.1MPa，90天龄期平均强度80.4MPa，增长率 13.1%。小浪底工程混凝土为粉煤灰混凝土，长龄期才能发挥其火山灰活性的作用产生后期强度。特别是考虑到抑制混凝土碱活性骨料反应，掺用粉煤灰成了必要手段。故 C70混凝土龄期定为90天龄期达到70MPa更为合理。
我国现行规范《水工混凝土掺用粉煤灰技术规范》DL/T5055-1996中规定：“粉煤灰混凝土的确定实际龄期，应根据建筑物类型和具体承载时间确定。大体积混凝土的强度设计龄期采用90天，也可采用180天和360天。”
在小浪底技术委员会第二次全体会议上，专家认定：导流洞A级混凝土在截流过水前，混凝土龄期绝大部分超过厂90天，可使用90天C70评定A类混凝土。
设计院Lot.2(1998)设代字001号设计通知：依据国标《粉煤灰混凝土的应用技术规范》(GBJl46-90)第 4.1.2条规定和A、B级混凝土所在部位的运用条件，同意对粉煤灰混凝土按90天龄期强度作为质量评定标准。故在此之后的所有工程验收中，对于 A级混凝土均按90天C70的指标进行质量评价。
小浪底施工期间工程师共计取样90天抗压强度试件4077组，平均强度为80.4MPa，强度保证率为93.3％；离差系数CV值为0.09，混凝土均匀性评价为“优秀”。A级混凝土检测结果见表1，其他技术指标均达到设计要求，不再累述。
表1 A级混凝土检测结果
|
设计强度（MPa） |
龄期（d） |
统计组数 |
平均值（MPa） |
标准差（MPa） |
离差系数 |
评价 |
保证率（%） |
|
65 |
28 |
491 |
71.1 |
7.02 |
0.10 |
- |
80.7 |
|
70 |
90 |
407 |
804 |
6.91 |
0.09 |
优良 |
93.3 |
4．调整混凝土流动性测试技术
我国现行规程未作专门要求，建议在室内建立坍落度与扩散度的测试数据关系，现场以扩散度为主，坍落度为辅，评定流动性。国内有资料介绍将坍落度桶倒置，装满后测试拌和物流：下的时间来评定混凝土可泵性的方法可以参考。
5．高强混凝土质量统计评估方法探讨
采用现行《水工混凝土施工规范》SDJ207-82中规定的数理统计方法。当样本数量大于30组时，计算出强度保证率，以抗压强度离差系数值大小判定优劣等级。C70混凝土的离差系数CV均为0.09～0.10，均匀性为“优秀”；依据《水工混凝土施工规范》DL/T5144-2001规定衡量混凝土生产质量水平以试件28天龄期抗压强度标准差表示。从标准差绝对数值来讲，已超过了6.0MPa，就这样的标准差而言，已不是高水平、高质量的混凝土。
可见这两个规范具体评价混凝土生产质量水平时的结论是不一致的，建议专家对高标号混凝土质量评定方法进行研究。
可见这两个规范具体评价混凝土生产质量水平时的结论是不一致的，建议专家对高标号混凝土质量评定方法进行研究。
五、结 语
经过了大量的生产实践和验证试验，C70泵送高强混凝土在小浪底工程取得了成功地运用。体会如下：
①选用水泥等级应不低于42.5MPa，W/C控制在0.23～0.26；特别是应选用低碱含量、低水化热的水泥品种。
②粗骨料最大粒径应小于等于63mm，宜用或多用人工碎石，增加骨料表面与水泥的胶结能力。
③宜掺用20%左右的粉煤灰，硅粉掺量以5%～8%为宜；用7天或28天龄期控制早期强度，将强度设计龄期定为56天或如天或者更长。
④泵送混凝土的流动性测试，建议采用坍落度与扩散度相结合的测试方法评估其和易性。
(作者为小浪底工程咨询有限公司西霞院项目部副总监、高级工程师)
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