某工程泄洪闸大体积混凝土配合比设计分析.pdf

2 0 1 3年第 l 2期 ( 第 4 l 卷) 黑龙江水利科技 H e i l o n g j i a n g S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y o f Wa t e r C o n s e r v a n c y No 1 2 201 3 ( T o t a l N o 4 1 ) 文章编号： 1 0 0 77 5 9 6 ( 2 0 1 3 ) 1 2 0 0 7 0 0 4 某工程泄洪 闸大体积混凝土配合 比设计分析 李向东， 马耀辉， 江平 ( 黑龙江省水利科学研究院， 哈尔滨 1 5 0 0 8 0) 摘要： 主要依据 水工混凝土试验规程 、 水工混凝土施工规范 等规范设计某工程泄洪闸 大体积混凝土配合 比。以降低混凝土内部的温升和水化热为 目的， 根据当地原材料的 性能指标、 配制出适合寒冷地区使用的 C 2 5 F 2 0 0水工大体积泵送混凝土配合 比。该配 合比水泥用量为2 8 0 k g m ， 粉煤灰掺量为6 5 k g m ， 胶凝材料绝热温升4 4 5 1。该 配合比的优化设计使得混凝土的绝热温升降低了5 1 8。 关键词： 大体积混凝土； 配合比设计 ； 水化热； 绝热温升 中图分类号： T U 4 4 3 文献标识码： B 1 项目研究的背景 工程建筑物长期耐久性越来越受到工程建设各 方的重视 ， 良好的施工质量 、 优 良的长期 耐久性能及 经济合理的工程造价是工程建设各方共同追求的目 标， 为了确保北部引嫩渠首泄洪闸工程中大体积混 凝土的施工质量 ， 北 部引嫩工程建设 管理局与黑龙 江省水利科学研究 院共 同研究 、 设计 大体 积泵送 混 凝土的配合 比及工程控制措施 ， 为引嫩 渠首泄 洪闸 工程提供技术支持和质量保 障。 2 工程简介 北引渠首改建 为有坝渠首 ， 位 于现进水 口下游 约4 0 0 m 处 。渠首枢纽 由土坝 、 总干进水 闸、 船闸( 预 留位置) 、 泄洪闸 、 溢流坝 、 固滩和堤防等工程组成 。 北引渠首属大( 1 ) 型工程 、I等工程 ， 主要建筑 物泄洪闸 I 级， 土坝、 溢流坝和总干进水闸级别为 2 级， 固滩工程为3级， 渠首枢纽工程设计洪水为5 0 a 一 遇， 校核洪水标准为2 0 0 a 一遇。 泄洪闸 正 常运 用 水 位 1 7 6 2 0 m， 设 计 洪 水 位 1 7 9 0 4 i n ， 校核洪水位1 7 9 7 3 IT I ， 设计洪水流量为 4 6 2 9 m s ， 校核洪水流量为5 1 5 6 m s 。 3 设计指导思想 大体积混凝土产生裂缝的原因很多， 但温度原 因是最主要的， 而且温度裂缝 的成 因非常复杂。 所以大体积 混凝 土防裂研 究通 常先从 温控 着 手 ， 在温控 与防裂措施方 面 ， 需进行 深入研究 与创 新 ， 如掺用掺合料 、 优 良的外加剂 ， 优化混凝土配合 比， 只要精心设计、 精心施工， 就能达到混凝土不产 生裂缝或少产生裂缝的 目的。 4 大体积混凝土配合比设计 4 1 技术要求 北部引嫩工程混凝土技术要求见表 1 。 收稿 日期 2 0 1 3一l 1 一 O 5 基金项目 黑龙江省科技攻关项 目( G Z I O A 5 0 2 ) 作者简介 李向东( 1 9 7 2一) ， 男， 吉林松原人， 高级工程师， 从事水工结构材料方面的研究； 马耀辉 ( 1 9 7 9一) ， 男， 黑龙江佳木斯人， 高级工程师， 从事水工结构材料方面的研究； 江平( 1 9 6 1 一) ， 男， 黑龙江龙江人， 高级工程师， 从事水利工程方面的研究。 一 7 O 一 李向东， 等 ： 某工程泄洪闸大体积混凝土配合比设计分析 第 l 2期 表 1 混凝土技术要求 1 9 9 9 ) 。 4 2 设计原则 1 ) 混凝土配合比的设计及优化应根据大体积混 凝土的结构特点和温控要求进行 。 2 ) 为降低混凝土内部的温升和水化热， 宜采用 “ 掺合料取代” 技术。 3 ) 应满足结构物设计强度的要求， 根据其所处 环境的重要性 ， 从保证结构安全 的角度 出发 ， 并考 虑 到混凝土原材料、 拌和、 运输、 浇筑和养护等的差异 进行配合比设计， 以满足设计强度的要求。 4 ) 应满足工作性能的要求 ， 大体积混凝土 ， 采用 泵送方式浇筑施工， 混凝土的目 标坍落度宜为 1 8 0 2 2 0 fi l m， 试配时必须经多次试拌调整 ， 并保证混凝土 拌和物不离析 、 不泌水 ， 确保新拌混凝 土有 良好的工 作性能 。 4 3 试验依据 试验严格按照现行国家和行业的有关规程规范 进行 ， 使用的标准有 ： 1 ) 水工混凝土试验规程 ( S L 3 5 2 -2 0 0 6 ) 。 2 ) 水 工 混 凝 土 施 工 规 范( D L T 5 1 4 4 2 0 0 1 ) 。 4 ) 混凝土膨胀剂 ( J C 4 7 6 -2 0 0 1 ) 。 5 ) 水泥标准稠 度用水量 、 凝 结时间、 安定性检 验方法 ( G B T 1 3 4 6 2 0 0 1 ) 。 6 ) 水泥密度测定方法 ( G B 0 8 1 9 9 4 ) 。 7 ) 水 泥 比表 面 积 测 定 方 法 ( 勃 氏 法 ) ( G B 8 0 7 4 -2 0 0 8 ) 。 8 ) 水泥化学分析方法 ( G B 1 7 6 -2 0 0 8 ) 。 9 ) 大体 积 混凝 土施 工 规范( G B 5 0 4 9 6 - 2 0 0 9 ) 。 1 0 ) 水 泥 胶 砂 强 度 检 验 方 法 ( I S O 法 ) ( G B 1 7 6 7 1 1 9 9 9 ) 。 1 1 ) 通用硅酸盐水泥 ( G B 1 7 5 -2 0 0 7 ) 。 1 2 ) 水工混凝土掺用粉煤灰技术规范 ( D L T 5 0 5 5 -2 0 0 7 ) 。 4 4 原材料试验 4 4 1 水泥 水泥水化过程释放热量 ， 水 泥可产生热量约 为 5 0 0 J g ， 而混凝土导热性能较差， 大体积混凝土因热 量积聚绝热温升可达7 0或更高， 当内外温差产生 的约束应力超过混凝土抗拉强度时 ， 将导致裂缝 ， 因 此避免用高热量水泥 ， 本研究结 合工地实际情况采 用建设方提供的北疆牌 P O 4 2 5普通硅酸盐水泥 ， 水 3 ) 水工 混凝 土外加 剂技术( D L T 5 1 0 0 一 泥检测结果如表 2 。 表 2 水泥物理性能 试验结果显示 ， 该水泥 的各项指标满 足 国家标 准要求 。 4 4 2 粉煤灰 大体积混凝土要求水泥用量应在保证混凝土抗 压强度的同时， 尽可能降低水泥用量， 以达到降低水 化热的目的， 粉煤灰作为大体积混凝土掺合料， 应用 技术及理论已发展的较为完善， 其应用范围极广， 国 内外应用于水利工程的范例也不胜枚举。 粉煤灰混凝土中， 粉煤灰中的活性组分反应生 成 的水化硅酸钙可以填充其 中的孔隙 ， 以及其微 粒 填充效应也可改变混凝土微观结 构使之结构密实 ， 同时掺加粉煤灰也可取代部分水泥并有利于泵送， 使得工作性能满足施工要求 。 本工程采用的 级粉煤灰， 通过试验测试各项 指标满足 水工混凝土掺用粉煤灰技术规程 ( D L T 5 0 5 5 -2 0 0 7 ) 中对 级粉煤灰的质量要求。 4 4 3 骨料 混凝土中， 砂、 石骨料用量约占混凝土质量的 71 2 0 1 3年第 1 2期 ( 第 4 1 卷) 黑龙江水利科技 He i l o n g j i a n g S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y o f Wa t e r C o n s e r v a n c y No 1 2 2 0l 3 ( T o t a l N o 4 1 ) 7 0 ， 合理的骨料用量可 以提高混凝 土的抗压强度 及耐久性 、 减少混凝土的变形 、 降低工程造价。骨料 质量的好坏不仅能够对混凝土 的性能产生影 响， 甚 至可以起到决定性作用。因此， 合理选用骨料及其 级配组 成对 保证 混 凝 土质量 、 降低 水 泥用 量非 常 重要 。 本次研究采用建设方提供 的粗 、 细骨料 ， 观察骨 料外观 ， 粗骨料为卵石 ， 颗粒形状不 规则 ， 粒径级配 变化 ， 这可能对混凝土的力学性能产生影响 。 粗 、 骨料的检验结果见表 3 、 表 4 。 表 3 粗骨料试验指标 表 4 细骨料试验指标 最大粒径 堆积 密度 名称 mm k g( m )一 饱和面 含泥量 细度模数 干吸水率 砂 5 2 5 5 0 3 6 1 2 6 4 4 4 外加剂 本次研究采用的外加剂为黑龙江省翔波高科技 技术有限公司生产 的 s BM 一型泵送剂 ， 泵送剂 具有减水效果 ， 可有效的降低水泥用量 ， 并且利于泵 送 、 减少泌水 。 依据 水 工混凝 土外 加剂 技术 ( D IMT 5 1 0 0 1 9 9 9 ) 对外加剂进行了性能检验， 各项指标满足规范 要求， 同时选择外加剂的最佳掺量， 测试结果见表5 。 表 5 外加剂性能测试结果 4 4 5 膨胀剂 混凝土在凝结过程中要产生大约相当于 自身体 积 0 0 4 0 0 6 的收缩 ， 当收缩产生的拉应力超 过混凝土的抗拉强度时就产生裂缝 ， 对混凝 土耐久 性产生不利 影响。在混凝土 中掺入适量 的膨胀 剂， 可以有效补偿混凝土早期的体积收缩， 降低混凝土 水化热温升， 减少混凝土的开裂几率_ 5 。 此次研究采用的膨胀剂为黑龙江省低温科学研 究院研制的 U E A型膨胀剂， 依据 混凝土膨胀剂 ( J C 4 7 6 -2 0 0 1 ) 进行检验， 各项指标满足规范要求。 4 5 配合比设计 依据 水工混凝土试验规程 ( S L 3 5 2 -2 0 0 6 ) 、 水工混凝土施工规范 ( D L T 5 1 4 4 -2 0 0 1 ) 、 大体 一 72 一 积混凝土施工规范 ( G B 5 0 4 9 6 -2 0 0 9 ) 进行混凝土 配合 比设计。混凝 土保证率取 9 5 ， 施 工配 制制度 按下式计算 ： = A +1 6 4 5 0 ( 1 ) 式中： 厂配 为 昆 凝土配置强度， M P a ； 为混凝土设计 强度 ， MP a ； o r 为混凝土强度标准差 ， MP a 。 混凝土强度标准差 根据规范取 5 0 ， 通过计算 C 2 5混凝土 的配置强度 为3 3 2 MP a ， 本次 为减 少水 泥用量 ， 减少混凝土的温升 ， 充分利用混凝土的后期 强度或6 0 d 强度 ， 根据水利工程对混凝土的要求 ， 采 用2 8 d 强度 达到设计 标号 1 1 5 ， 即2 8 7 MP a 进 行 设计 。 4 5 1 骨料最优级配及砂率选择 骨料级配对混凝 土的和易性、 强度 等都有较大 的影响， 合理的骨料级配应是在相同体积条件下， 混 合料的比表面积最小、 空隙率最小、 密实度最高的 级 配 。 一 般采用最 大容重法选择骨料 的最优级 配 ， 针 对本工程特点选用 2种方案 ： 粗骨料为 5 4 0 m m 天然卵石材料； 为 1 0 2 0 m m、 2 0 4 0 m il l 、 3 1 5 6 3 mm Z级配 ， 为使得结果更加准确反应实 际情况 ， 选取大量材料进行试验。 砂率是砂子占砂石总体积的百分率。最佳砂率 选择是在选定骨料级配比例和水胶 比的前提下， 用 水量最小时所对应的砂率为最佳砂率。 4 5 2 混凝土水胶 比及最优用水量 的选择 混凝土水胶比的选择， 应同时兼顾混凝土的各 项性能指标， 既要参考 水工混凝土施工规范 ( D L T 5 1 4 4 -2 0 0 1 ) 对最大水灰比限值的规定， 又要参考 李向东， 等 ： 某工程泄洪闸大体积混凝土配合比设计分析 第 l 2期 类似工程经验。本次试验采用 的水胶 比范围确定 为 4 5 5 混凝土配 比结果测试和分析 0 3 5 0 4 5。 4 5 3 掺合料掺量的选择 根据原材料性 能试验 结果 ， 膨胀 剂掺量 选 7 ( 以胶凝材料总量计) ， 粉煤灰掺量选择 1 6 一 2 2 ( 水泥用量计) ， 掺用方式采用等量取代法。 4 5 4 混凝土配 比试验 在选定 以上各项参数后 进行混凝土成 型 ， 针对 技术要求 ， 设计混凝土配比6 组， 参数见表6 。 表 6 混凝土配合比设计参数表 依照规范要求 ， 对各 组配 比的混凝 土试件进行 养护 ， 对达到龄期 的试件进 行测试 ， 测试项 目包括 ： 坍落度、 含气量、 泌水率、 抗压强度、 抗冻性能等， 根 据试验结果推出 C 2 0 F 2 0 0的配合 比见表 7 J 。 5 混凝土水化热计算 依据胶凝材料水化热经验值对混凝土的绝热温 升进行计算 分析 ， 配合 比水化热温升 可以通过下式 计算 ： = W i Q ic p ( 2 ) 、 式中： 为混凝土中胶凝材料用量， k g ； Q为活性胶 凝材料 水 化 热 ， k J k g ；C为 混 凝 土 比热 ， 此 处 取 0 9 6 ， k J k g o C； P为混凝 土容重 ， k g m。 。 胶凝材料水化热经验取值详见表 8 。 表 7 混凝土配合比 k g m 备注： 骨料为5 4 0 卵石， 下为 三级配调试比例 表 8 胶凝材料水化热取值 通过计算 ， 得出本配比的水化热温升结果 ： T =4 4 5 1 不掺加掺合料单纯水泥为胶凝材料 的绝热温 升为 ： 7 0=4 9 6 9 通过合理的配合比设计使得混凝土的绝热温升 降低 了5 1 8。 6 结论 结论 主要有 3个 ： 1 ) 大体积混凝土的配合比设计， 要把控制混凝 土温度， 防止产生温度裂缝放在首位。 2 ) 延长混凝土设计龄期 ， 控制水 泥用量 ， 掺用粉 煤灰、 矿粉等活性掺合料， 使用缓凝型高性能外加剂 等措施， 是降低水化热、 推迟和削弱水化热峰值的有 效途径 。 3 ) 严格控制原材料的质量与掺量， 是保证大体 积混凝土质量的关键 。 参考文献： 1 中华人 民共 和国水利部 S L 3 5 2 -2 0 0 6水工混凝土试验 规程 s 北京： 中国水利水电出版社 ， 2 0 0 6 2 中国长江三峡工程开发总公司， 中国葛洲坝水利水电工 程集团公司 D L T 5 1 4 4 2 0 0 1水工混凝土施工规范 S 北京 ：中国电力 出版社 ， 2 0 0 1 3 中华人民共和国住房和城乡建设部 G B 5 0 4 9 6 -2 0 0 9大 体积混凝土施工规范 s 北京： 中国计划出版社， 2 0 0 9 4 甄广常 大体积混凝土配合 比设计及工程应用 J 河北 工程技术高等专科学校学报， 2 0 0 7 ( 0 4 ) ： 6 8 5 江昔平 ， 王社良， 段述信， 等 基于降低成本的大体积混凝 土配合比优化设计研究 J 混凝土， 2 0 0 8 ( 0 4 ) ： 7 0 7 4 6 王爱琴， 张承志 大体积混凝土配合比设计中一些问题的 思考 J 水力发电， 2 0 0 3 ， 2 9 ( 0 4 ) ： 3 6 4 0 一 7 3