水口坝下工程混凝土配合比中天然砂细颗粒不足的解决措施

摘要

水口坝下水位治理与通航改善工程为水利重点项目，主体混凝土施工依赖闽江天然砂，但该天然砂细颗粒含量不足，导致混凝土颗粒级配失衡，出现泌水严重、和易性差等问题。初期尝试的“灰替砂”方案，虽旨在补充细颗粒并抑制骨料碱活性，却因粉煤灰用量过高，反而加剧了混凝土粘聚性、保水性不佳的情况，影响现场浇筑质量。为解决此问题，项目在保留原合格水泥与粗骨料的基础上，针对性优化关键原材料：更换为性能更优的粉煤灰与低泌水率减水剂，提升混凝土保水及工作性能；对细骨料采用机械整形的方式，补充细颗粒以优化级配。关键词砂砾料；颗粒级配；细度模数；和易性；泌水；配合比【作者简介】黄虹虹（1993-）女，中国福建莆田人，本科，工程师，从事水利水电项目施工研究。1 工程概况水口坝下水位治理与通航改善工程主要建筑物包括挡水建筑物泄洪消能建筑物和通航建筑物等组成。本工程主体工程混凝土用砂为中砂，采自闽江的天然砂，根据天然砂大量检验结果，天然砂0.315mmm以下细颗粒偏少，据统计，0.315mm筛累计筛余量除个别检验批次小于92%外，其余大部分批次均超过95%，大于规范要求70%～92%；拟通过配合比的调整解决这一问题。2 优化前混凝土原材料品质及存在问题2.1 水泥采用福建三明南方水泥有限公司生产的“虎球”P.O42.5水泥，根据检测结果，水泥各项技术指标符合要求。2.2 粉煤灰采用华能F类二级粉煤灰，其主要技术技术指标检测结果见图表2。从表可知：该粉煤灰各技术指标都符合要求，但烧失量和需水量比稍大，混凝土的用水量增大，由于吸附作用，对外加剂的减水和引气性能有不利的影响。2.3 粗骨料本工程采用卵石和回轧卵石混合料。粒径分别为5 mm～20mm；20mm～40mm；40 mm～80mm，其品质符合要求。2.4 细骨料：细骨料采用福建闽江天然砂，其颗粒级配见图表5从上述检测结果可知：天然砂潜在碱-硅活性，同时天然砂颗粒级配不连续，0.315mm以上的颗粒含量较多，0.315mm累计筛余为98.3%，远超Ⅱ区中砂不大于92%要求，甚至超过了Ⅰ区粗砂不大于95%要求。小于0.315mm以上的颗粒含量仅为1.7%。故浇筑的混凝土泌水严重。2.5 混凝土外加剂采用石家庄长安育才碱材有限公司生产的GK-4A萘系缓凝高效减水剂（粉剂），其主要技术指标检测结果见下列图表。图表 2 “华能” Ⅱ级粉煤灰物理力学性能检测结果检测项目密度(g/cm3)细度（%）需水量比（%）含水量（%）烧失量（%）SiO2+Al2O3+Fe2O3（%）活性指数（%）7d28d检测结果2.2219.71020.33.3088.416471GB/T1596-2017Ⅰ级≤2.60≤12≤95≤1.0≥70/≥70Ⅱ级≤2.60≤30≤105≤1.0≥70/≥70Ⅲ级≤2.60≤45≤115≤1.0≥70/≥70图表 4 天然砂颗粒级配检测结果筛孔尺寸公称粒径(mm)5.002.501.250.6300.3150.160＜0.160细度模数(F·M)筛余率(%)5.67.622.035.028.11.00.73.05累计筛余(%)5.613.235.270.298.399.3100.0DL/T5144-2015JGJ52-2006Ⅰ区10～035～565～3585～7195～80100～90/Ⅱ区10～025～050～1070～4192～70100～90Ⅲ区10～015～025～040～1685～55100～90图表 5 掺用外加剂（碎石）混凝土物理、力学性能试验成果表序号外加剂名称及掺量减水率（％）1h经时变化量含气量（％）泌水率比（％）凝结时间差(min)抗压强度比(％)含气量（％）坍落度mm初凝终凝1d3d7d28d1GK-4A缓凝高效减水剂（掺量0.6%）22//2.288663746//1491262GK-9A引气剂（掺量0.006 %）90.4/4.665715//9688DL/T5100-2014缓凝高效减水剂≥15//≤3.0≤100≥＋120/≥125≥125≥120引气剂≥6.0－1.5~＋1.5/4.5~5.5≤70－90~＋120/≥90≥90≥85注: 基准混凝土用水量210Kg，凝结时间：初凝为305min, 终凝为509min，泌水率为8.77 %。图表 6 掺用外加剂（卵石）混凝土物理、力学性能试验成果表序号外加剂名称及掺量减水率（％）1h经时变化量含气量（％）泌水率比（％）凝结时间差(min)抗压强度比(％)含气量（％）坍落度mm初凝终凝1d3d7d28d1GK-4A缓凝高效减水剂（掺量0.6%）19//2.373579629//1421252GK-9A引气剂（掺量0.006 %）90.7/4.861815//9790DL/T5100-2014缓凝高效减水剂≥15//≤3.0≤100≥＋120/≥125≥125≥120引气剂≥6.0－1.5~＋1.5/4.5~5.5≤70－90~＋120/≥90≥90≥85注: 基准混凝土用水量175Kg，凝结时间：初凝为321in, 终凝为531min，泌水率为6.74%。该减水剂各项性能皆符合要求，但泌水率稍大，不同情况下平均泌水率为7.76%，对混凝土的泌水有一定的影响。2.6 优化前现场浇筑的混凝土情况本工程主体工程混凝土用砂为中砂，采自闽江的天然砂，根据天然砂大量检验结果，天然砂颗粒级配不连续，天然砂0.315mmm以下细颗粒偏少，为解决天然砂细颗粒料缺失的问题，初步确定采取的解决措施为“灰替砂”方案，即补充粉煤灰的用量作为天然砂细颗粒的替代品。一来解决了天然砂细颗粒不足的问题；二来掺加粉煤灰亦可有效抑制骨料碱活性。但为抑制骨料碱活性和补充天然砂细颗粒，增加了粉煤灰掺量，从而导致了混凝土粘聚性、保水性和和易性等施工性能变差，实施过程中混凝土出现的问题包括：局部仓面混凝土泌水现象严重、混凝土结构成型后局部表面出现鱼鳞纹。3 优化后混凝土原材料选用优化前的水泥、粗骨料品质符合要求，故继续延用，仅对粉煤灰、细骨料（天然砂）、减水剂的品种或质量进行优化。3.1 粉煤灰采用大唐F类二级粉煤灰，其主要指标检测结果见图表7、图表8。从图表7可知，大唐F类二级粉煤灰需水量比为98%。与原粉煤灰相比降低了4%，按混凝土中粉煤灰掺量30%计，则可降低混凝土用水量3kg/m3～4kg/m3。同时烧失量较低，仅为1.28%，由于吸附量降低，可提高减水剂及引气剂性能。3.2 减水剂采用HLC-IX(A)聚羧酸高性能减水剂（液体），其主要技术技术指标见图表12从图表12可知，该减水剂的泌水率很小，可有效缓解混凝土浇筑严重泌水情况。3.3 细骨料细骨料优化采取两种方式：一种为粉煤灰等体积替代天然砂方案，另一种为对天然砂进行整形。3.3.1 粉煤灰等体积替待砂方式细骨料优化前期采用等体积粉煤灰替代天然砂，以增加天然砂的细颗粒含量，其等体积替代天然砂的颗粒级配见下列图表。从上述图表可知，当粉煤灰等体积替代8%天然砂时，级配曲线落入中砂范围，颗粒级配连续，故采用8%粉煤灰等体积替砂方案。图表 7 “大唐” Ⅱ级粉煤灰物理力学性能检测结果检测项目密度(g/cm3)细度（%）需水量比（%）含水量（%）活性指数（%）7d28d检测结果2.1921.8980.26573GB/T1596-2017Ⅰ级≤2.6≤12≤95≤1.0/≥70Ⅱ级≤2.6≤30≤105≤1.0/≥70Ⅲ级≤2.6≤45≤115≤1.0/≥70图表 12 掺用 ( 卵石 ) 外加剂混凝土物理、力学性能试验成果表序号外加剂名称及掺量减水率(％)1h经时变化量含气量(％)泌水率比(％)凝结时间差(min)抗压强度比(％)含气量（％）坍落度mm初凝终凝1d3d7d28d1HLC-IX(A)高性能减水剂（掺量1.0%）26/201.941+23+29/1651831502HLC-IX(A)高性能减水剂（掺量0.7%）18//1.80+7+6/1321361303GK-9A引气剂（掺量0.01 %）7//4.661-10-32/989793DL/T5100-2014缓凝高效减水剂≥15//≤3.0≤100≥＋120/≥125≥125≥120高性能减水剂≥25/≤80≤2.5≤60－90~＋120/≥160≥150≥140引气剂≥6.0－1.5~＋1.5/4.5~5.5≤70－90~＋120/≥90≥90≥85图表 14 不同比例粉煤灰替砂（体积比）后砂颗粒级配粉煤灰替砂率（%）筛孔尺寸公称粒径(mm)5.002.501.250.6300.3150.160＜0.160细度模数(F·M)0筛余率(%)5.607.6022.0035.0028.101.000.703.05累计筛余(%)5.6013.2035.2070.2098.3099.30100.001筛余率(%)5.557.5421.8134.7027.860.991.553.03累计筛余(%)5.5513.0934.9069.6097.4698.45100.002筛余率(%)5.507.4721.6234.4027.620.982.403.00累计筛余(%)5.5012.9734.6069.0096.6297.60100.003筛余率(%)5.467.4021.4334.1027.380.973.252.97累计筛余(%)5.4612.8634.2968.3995.7796.75100.004筛余率(%)5.417.3421.2433.8027.130.974.112.94累计筛余(%)5.4112.7533.9967.7994.9295.89100.005筛余率(%)5.367.2721.0533.4926.890.964.972.91累计筛余(%)5.3612.6333.6967.1894.0795.03100.006筛余率(%)5.317.2120.8633.1926.650.955.832.89累计筛余(%)5.3112.5233.3866.5793.2294.17100.007筛余率(%)5.267.1420.6732.8926.400.946.702.86累计筛余(%)5.2612.4033.0765.9692.3693.30100.008筛余率(%)5.217.0720.4832.5826.160.937.562.83累计筛余(%)5.2112.2932.7765.3591.5192.44100.009筛余率(%)5.167.0120.2932.2725.910.928.432.80累计筛余(%)5.1612.1732.4664.7390.6591.57100.0010筛余率(%)5.116.9420.0931.9725.670.919.302.77累计筛余(%)5.1112.0632.1564.1289.7890.70100.00DL/T5144-2015JGJ52-2006累计筛余(%)Ⅰ区10～035～565～3585～7195～80100～90/F·M=2.2-3.0Ⅱ区10～025～050～1070～4192～70100～90/Ⅲ区10～015～025～040～1685～55100～90/不同比例粉煤灰替砂后的砂筛分曲线01020304050607080901001052.51.250.630.3150.16＜0.160筛孔孔径（mm）累计筛余（%）中砂标准线中砂标准线灰替砂0%灰替砂2%灰替砂4%灰替砂6%灰替砂8%灰替砂10%图表 15 不同比例粉煤灰替砂（体积比）后的筛分曲线采用该方案浇筑的混凝土无泌水情况，混凝土和易性良好。同时替代8%的粉煤灰约相当于水泥用量的25%～30%，可有效抑制细骨料潜在的碱-硅活性。3.3.2 天然砂整形增粉方式由于采用粉煤灰等体积替代天然砂所需的粉煤灰费用较高，故后期的细骨料采用天然砂机械整形以增加天然砂中小于0.315mm颗粒的含量。整形后的细骨料颗粒级配见下列图表。从图表18可知，整形后的细骨料细颗粒含量符合要求，颗粒级配良好，浇筑的混凝土无泌水现象。3.4 混凝土原材料优化后现场浇筑的混凝土表观质量混凝土原材料优化后现场浇筑混凝土表观质量良好。图表 18 细骨料颗粒级配检测结果筛孔尺寸公称粒径(mm)5.002.501.250.6300.3150.160＜0.160细度模数(F·M)筛余率(%)0.14.916.528.535.96.67.52.55累计筛余(%)0.15.021.550.085.992.5100DL/T5112-2009JGJ52-2006Ⅰ区10～035～565～3585～7195～80100～90/Ⅱ区10～025～050～1070～4192～70100～90Ⅲ区10～015～025～040～1685～55100～904 结语在工程的建设过程中，混凝土原材料应尽可能的利用现有资源，保证其经济性，在现有资源不能满足要求的情况下，应合理利用现有施工设备对原材料特性进行调整，并通过科学的试验，解决生产过程中问题，本文通过对水口坝下工程中配合比优化的工程实例，为我们今后解决类似问题提供了良好的借鉴。参考文献[1] 王玉乾，Serina Ng，刘磊，Mirko Cruber，王进春.不同机制砂对混凝土工作性能的影响及改善措施[J].科技风，2022（20）：76-78+124[2] 谭小军，乔小龙，何升泽.江习高速公路混凝土配合比优化设计[J].四川水力发电，2021，40（S1）：10-13+34[3] 杨胜飞.混合砂混凝土配合比优化设计[J].当代化工研究，2024（02）：171-173