李咏梅，双学珍，徐 丽
(四川水利职业技术学院，四川 崇州，611231)
近年来，受生态红线和各类保护区限制以及河道输砂量的减少，河湖可规划采砂量逐年减少，工程建设所用天然中砂资源日趋短缺。对此，我国学者谢祥明等[1]早在2000年初就根据试验研究提出了“三低一超”的特细砂混凝土配制原则。王圣尧[2]、姚汝方[3]在此基础上加入适量的高效减水剂，又提出了“三低两掺”的设计概念，即低砂率、低用水量、低水泥用量、掺高量粉煤灰和掺高效减水剂。本文针对某水利水电工程基于“两掺技术”对特细砂混凝土进行配合比设计，通过试验确定合适的比例将特细砂掺入人工砂取代中砂，配制出满足工程技术要求的C25常态混凝土、泵送混凝土，以及C30自密实混凝土。
1.1 水泥的选用
水泥的选取需要考虑水泥厂家的供应量及质量稳定性，同时结合本工程混凝土方量大、月浇筑强度高等特点，以就近原则初步选定4种不同品牌的水泥进行检测，最终依据试验结果择优选取四川峨胜水泥集团股份有限公司生产的“峨胜牌”P·O42.5水泥。其检测结果见表1。
表1 水泥品质检测结果
1.2 粉煤灰的选用
在特细砂混凝土中掺高量粉煤灰取代水泥(建议掺量为20%～40%，不宜超过50%[1])，利用粉煤灰水化热小的特性能有效弥补特细砂混凝土单位耗灰量和用水量比中砂混凝土高的劣势，改善混凝土和易性，增强其抵抗温度变形的能力，同时高掺粉煤灰还对特细砂泵送混凝土的可泵性有正向影响。经多次检测试验对比，最终采用泸州地博粉煤灰开发有限公司生产的F类Ⅱ级粉煤灰。其检测结果见表2。
表2 粉煤灰品质检测结果
1.3 骨料的选择
由试验可知，本工程料场区漂、卵石粗骨料成分主要为片岩、花岗岩、石英岩、石英正长岩等，其石质坚硬、强度高，饱和抗压强度一般为83.7～154.1MPa。天然砂砾石料除主要存在含泥量偏高和细度模数偏低以及有碱活性问题外，其他各项技术指标基本满足要求。骨料的碱活性问题会促使水泥、掺合料、外加剂等原材料中的碱性物质与骨料中的活性成分发生反应，导致混凝土结构在凝结硬化过程中出现膨胀、开裂甚至破坏。针对以上问题工程中可通过掺合20%以上的粉煤灰来降低骨料的膨胀率，从而缓解和抑制混凝土的碱骨料反应[4]。而本工程天然砂砾石料含泥量偏高的问题则可通过开采过程中对天然砂砾石料进行筛分、冲洗得以解决。
根据设计地勘资料显示，本工程天然骨料中以40mm～80mm的大石居多，占比为33.5%(只需19.9%)，特大石及超经石占比14%，其中超径石占比5.2%，中石、小石、砂均不足。粗骨料品质检测结果见表3。
表3 粗骨料品质检测结果
本工程细骨料细度模数在1.21～1.79之间，根据试验对比选择人工砂与天然砂掺配比例为65%:35%，掺配后所得混合砂细度模数为2.53，符合混凝土用砂Ⅱ区中砂要求。天然砂、人工砂品质检测结果见表4、表5。
表4 天然砂品质检测结果
表5 人工砂品质检测结果
1.4 外加剂的选择
在特细砂混凝土中掺入高性能减水剂对混凝土的水胶比、和易性以及硬化后的强度、耐久性等有改善作用，建议掺量在0.5%～1.2%之间。但根据相关文献[5]表明，当减水剂掺量大于1%时不利于特细砂混凝土的泵送。本工程采用外加剂为四川宇砼建材有限公司生产的YT－122缓凝型聚羧酸高性能减水剂。其检测结果见表6。
表6 YT－122缓凝型聚羧酸高性能减水剂性能检测结果
2.1 混凝土配制强度的确定
混凝土配置强度fcu，0＝fcu，k＋tσ，强度保证率为95%时，C25混凝土配制强度为31.6MPa，C30混凝土配制强度为37.4MPa。
2.2 骨料最佳级配选择
本工程闸址区河段河床宽阔，河漫滩和Ⅰ级阶地发育，第四系河流冲积层(Qal)广布，天然砂砾石料源储量丰富，有用储量共为1928万m3，满足该工程所需砂砾石骨料储量的要求。粗骨料最佳级配选取采用最大振实容重法，同时结合本工程骨料筛分的实际情况对二级配不同粒径组合进行试验，根据振实容重的试验结果选择各级配骨料最佳骨料级配比例为二级配(5～20)∶(20～40)＝40∶60，现场以进场骨料的实际检测结果做相应调整。
2.3 单位用水量与最优砂率的确定
混凝土单位用水量对坍落度有直接影响。室内常态混凝土试验采用二级配混凝土、固定水胶比0.50、变换用水量的方法进行对其坍落度值测定，找出坍落度与用水量的变化关系，为混凝土坍落度调整和质量控制提供依据。用水量与坍落度关系试验结果表明，二级配混凝土坍落度每增减10mm，用水量相应增减约2.5kg/m3。
混凝土砂率是否合适直接影响混凝土单位用水量的高低，以及拌合物和易性和硬化后的混凝土的各项性能。因此，必须通过试验选出设定条件下混凝土和易性好、单位用水量最小时的砂率。本次试验采用固定水胶比、用水量、变动砂率的方法，通过混凝土坍落度试验插捣的难易程度、粘聚性、含砂、析水等比较，选出该坍落度范围时相应水胶比对应的砂率，即最佳砂率。混凝土最佳砂率试验结果表明:坍落度50mm～70mm范围时，当水胶比为0.50，二级配混凝土最佳砂率为32%；
坍落度160mm～180mm范围时，当水胶比为0.50，二级配泵送混凝土最佳砂率为37%。
2.4 特细砂混凝土推荐配合比
室内按照«水工混凝土配合比设计规程»(DL/T 5330－2015)、«水工建筑物抗冲磨防空蚀混凝土技术规范»(DL/T 5207－2005)、«水工混凝土试验规程»(DL/T 5150－2017)进行混凝土配合比拌和物试验。根据硬化混凝土试验结果进行回归分析，得出混凝土28d立方体抗压强度与胶水比的关系，从而确定各混凝土设计强度的水胶比取值。最终依据以上参数综合选定混凝土配合比单方用量见表7，混凝土性能试验结果见表8。
表7 混凝土单方用量
表8 混凝土性能试验结果
3.1 骨料及混凝土生产
本工程以航运为主，兼顾发电、防洪等综合效益。左岸砂石骨料系统、混凝土生产系统均布置于闸址上游800m处。其中，砂石骨料系统占地面积约6.6万m2，主要承担主体工程约146.53万m3混凝土所需成品骨料的供应；
混凝土生产系统占地面积约4.0万m2，主要承担枢纽挡水建筑物、泄水建筑物、发电厂房等工程的混凝土生产任务。本工程共需各级成品骨料及反滤料约310.46万t，开采毛料约470万t，折合天然砂卵石毛料约250万m3。通过天然砂砾石骨料筛分试验分析得出，特大石均需破碎，成品所需大石满足生产需求且有富余，中石、小石、砂含量均不能满足使用需求。
对此，砂石生产系统采取“筛分(含冲洗)＋两段破碎”的工艺，不设粗碎车间，设中、细碎(生产粗砂)车间，通过破碎特大石和部分大石来弥补中石、小石、砂的不足。采用圆锥破和立轴破进行破碎的方式对天然砂砾料按照所需的级配要求进行平衡调整，通过天然砂和人工砂以35%:65%的比例在地弄胶带机上掺配的方式解决细度模数偏低的问题。系统根据工程进度结合当地天然砂砾石料的实际特点，在满足混凝土高峰强度约11.1万m3/月生产需求的基础上，兼顾不同时段、不同混凝土品种浇筑引起的级配变化，具备为二级配供料的能力，即筛洗处理能力约950t/h，生产能力约750t/h。
3.2 特细砂混凝土温控措施
本工程温控重点是高温和次高温季节特细砂混凝土的浇筑，主要采取的温控措施为骨料预冷和混凝土埋设水管通水冷却。骨料预冷是在混凝土生产系统的骨料料仓内分别设置风冷设备，包括砂仓、中石仓、小石仓和大石仓。系统生产时，在其中经过一段时间的冷风降温之后的骨料经胶带机运输至拌和楼顶部的骨料仓分别堆存使用，同时拌合楼上的冷风机对粗骨料再次风冷保温。地面一次风冷料仓及拌和楼上二次风冷由制冷车间提供冷源。制冷车间同时为拌和楼生产提供2℃拌合冷水。混凝土出机口温度控制在16℃，采用“骨料进行一、二次风冷＋采用冷水拌和”的方式，以此降低混凝土的出机口温度。
混凝土埋设的通水冷却水管采用HDPE管(直径32mm)，根据本工程的现场条件，在高温季节通15℃冷却水，次高温季节通河水。冷却水管间距1.5m×1.5m，管中水的流速控制在0.6m/s左右，每天改变一次水流方向，通水时间一般在20d左右，可根据埋设监测仪器测得的温度资料对通水参数做适当调整。混凝土降温速度每天不大于1℃，冷却水管进口水温与混凝土最高温度之差不超过20℃。此外，“两掺技术”也有效控制了混凝土温度变形及裂缝的产生，即混凝土配合比掺高量粉煤灰、掺高效减水剂，可降低水泥用量、降低水化热温升。
3.3 特细砂混凝土施工
本工程C25常态特细砂混凝土主要用于泄水建筑物的闸底板、发电厂房的内部结构等部位，由6m3搅拌罐车运送混凝土至各工作面，由自行式布料机、M900建筑塔机、泵送混凝土或溜槽方式入仓，并通过人工振捣密实。C30自密实混凝土主要用于机组尾水管、管形座二期等部位，采用9m3混凝土罐车运输，泵送方式入仓。运输前车内应保持干净不得有积水，卸料前搅拌运输车应保证高速1min以上。自密实混凝土一次浇筑的厚度为2m，浇筑点应均匀布置于整个仓面，间距不得超过3m；
浇筑过程应做到单项顺序、不可往复浇筑。浇筑完成后若表面块石较少，可利用筛子选取小石块抛入仓面进行平仓。除表面自密实混凝土外，浇筑顶面均应有块石棱角，且高度应高于自密实混凝土表面5cm～20cm[6]，以便新老混凝土的粘结。混凝土浇筑完成6h～18h内开始进行洒水养护，混凝土养护时间不宜少于28d。
我国长江中下游流域特细砂储量丰富，对于混凝土工程量巨大的水利水电工程利用特细砂掺入人工砂调整细度模数，既能满足水工混凝土中砂技术要求又能有效控制工程成本。本工程结合“两掺技术”掺高量粉煤灰(25%～30%)、掺高效减水剂(1%～1.2%)优化了混凝土的性能，结合骨料预冷、通水冷却等温控措施防止了混凝土温度变形及收缩开裂，在常态混凝土、泵送混凝土、自密实混凝土施工中应用效果良好。
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