巴基斯坦NJ工程碾壓混凝土配合比設(shè)計(jì)

　　關(guān)鍵詞：巴基斯坦NJ工程,碾壓混凝土,配合比設(shè)計(jì)

　　1. 工程概況

　　巴基斯坦NJ工程屬低擋水壩、長(zhǎng)引水隧洞(洞挖總里程58.8km)、深調(diào)壓式豎井、地下式廠房、尾水隧洞式水電工程，共裝機(jī)4臺(tái)，總?cè)萘?69 MW;工程主要永久建筑物有：右岸導(dǎo)流隧洞、混凝土重力壩、左岸進(jìn)水口和沉砂池、左岸引水隧洞、調(diào)壓井、地下廠房、開(kāi)關(guān)站及附屬設(shè)施組成。碾壓混凝土主要應(yīng)用于填塘基礎(chǔ)和局部大壩主體。

　　2. 設(shè)計(jì)要求及設(shè)計(jì)依據(jù)

　　碾壓混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度為17MPa(91d齡期)， 強(qiáng)度保證率80%。根據(jù)ACI 214配制強(qiáng)度計(jì)算公式 f’cr =f’c+0.842 Ss(0.842是強(qiáng)度保證率80%的概率度系數(shù)，Ss是混凝土抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)差)確定碾壓混凝土配制強(qiáng)度為20.4MPa= 17+0.842×4。由于本工程采用的是美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)，其混凝土標(biāo)準(zhǔn)試件是φ150mm×h300mm圓柱體，如要與國(guó)內(nèi)的立方體標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度比較，只需除以0.87換算系數(shù)。即美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)20.4MPa相對(duì)于國(guó)內(nèi)23.4MPa。為保持試驗(yàn)數(shù)據(jù)的一致性，本文提供的試驗(yàn)數(shù)據(jù)均為未經(jīng)換算的原始數(shù)據(jù)。

　　按照合同技術(shù)條款和美國(guó)工程師協(xié)會(huì)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)《Roller-Compacted Concrete》(EM 1110-2-2006)要求，骨料最大粒徑不超過(guò)75mm，水泥用量不低于60kg/m3，總膠凝材料用量不低于180kg/m3，混凝土容重不低于2400kg/m3，VC值5s~10s，灰漿比(Paste-Mortar Rito)不低于0.40。其中灰漿比是判別碾壓混凝土工作性能優(yōu)劣的量化指標(biāo)，國(guó)際工程普遍常用。

　　3. 原材料情況

　　3.1 水泥

　　采用Maple Leaf生產(chǎn)的低堿水泥(相當(dāng)于國(guó)內(nèi)中熱42.5水泥)。其中比表面積3262cm2/g，28d抗壓強(qiáng)度30.6MPa(美國(guó)水泥標(biāo)準(zhǔn)試件為邊長(zhǎng)50mm立方體)。

　　3.2 礦粉

　　采用THATTA生產(chǎn)的礦粉。其中細(xì)度13.75%，比表面積5044cm2/g，28d強(qiáng)度活性指數(shù)為93.88%。由于生產(chǎn)廠家在巴基斯坦最南部的城市卡拉奇，本工程在東北部克什米爾地區(qū)，運(yùn)輸成本的增加使礦粉的綜合單價(jià)要略高于水泥。所以從經(jīng)濟(jì)性角度考慮，盡量選擇低摻礦粉。

　　3.3 外加劑

　　采用北京冶建萘系JG-3緩凝高效減水劑。摻量為膠凝材料用量的0.7%(減水率18.3%)。

　　3.4 人工砂

　　采用隧洞開(kāi)挖料(砂巖)制人工砂。其中細(xì)度模數(shù)為2.7，屬中砂，級(jí)配合格，但用于碾壓混凝土用砂的關(guān)鍵參數(shù)石粉含量只有10.4%，低于國(guó)內(nèi)推薦的12%~22%，且75μm含量也只有6.8%，低于美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)要求的8%~18%。受砂石廠生產(chǎn)條件和石料品質(zhì)因素影響，多次調(diào)整生產(chǎn)工藝并未有效提高人工砂中石粉和75μm含量。

　　3.5 碎石

　　采用隧洞開(kāi)挖料(砂巖)制碎石。砂石廠生產(chǎn)的碎石最大粒徑63mm，分成D19、D38和D63三級(jí)。其中針片狀含量分別為6.7%、14.3%和19.8%;三種骨料級(jí)配要求全部合格(美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)并無(wú)超遜徑要求)。從針片狀指標(biāo)可以看出，骨料粒型較差。

　　3.6 拌和用水

　　采用生活飲用水。水質(zhì)量滿足拌和用水質(zhì)量要求。

　　4. 碾壓混凝土配合比設(shè)計(jì)難點(diǎn)及設(shè)計(jì)思路

　　4.1 設(shè)計(jì)難點(diǎn)

　　從原材料檢測(cè)成果看， 本工程的骨料質(zhì)量低于國(guó)內(nèi)水平，主要反映在人工砂石粉含量低，碎石針片狀不理想等指標(biāo)。這種現(xiàn)象在第三世界國(guó)家較為普遍，主要受地域限制，可利用骨料有限，就地取材是唯一解決料源途徑。如何合理優(yōu)化配合比，滿足施工需要，使之能充分利用當(dāng)?shù)卦�材料是本次配合比設(shè)計(jì)的難點(diǎn)。

　　4.2 設(shè)計(jì)思路

　　按國(guó)內(nèi)的配合比設(shè)計(jì)原則，主要進(jìn)行以水膠比、單位用水量、摻和料摻量、砂率等配合比參數(shù)的正交試驗(yàn)。當(dāng)石粉含量處于較低水平時(shí)，可采用摻和料等量替代和超量替代的方法予以解決。按美國(guó)的配合比設(shè)計(jì)原則，在無(wú)膠凝材料用量限制的情況下，首先根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)中推薦的圖表(圖一)確定膠凝材料用量。本工程合同技術(shù)條款對(duì)膠凝材料限制為不低于180kg/m3，參考圖一，180kg/m3針對(duì)的90d齡期抗壓強(qiáng)度約為23MPa左右，從實(shí)際取得試驗(yàn)成果(24.4MPa)與理論值也較為接近。骨料級(jí)配比例和砂率通過(guò)計(jì)算獲得，其計(jì)算后的全級(jí)配曲線需接近美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)中理想曲線(表一)。本次配合比設(shè)計(jì)主要為解決石粉含量偏低的問(wèn)題，擬采用增加膠凝材料用量方式解決，增加部分膠凝材料用量的計(jì)算未按照國(guó)內(nèi)常用的等量替代或超量替代法，而是采用首先滿足美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)的全級(jí)配理想曲線為計(jì)算依據(jù)。單摻石粉的方案，從經(jīng)濟(jì)性、時(shí)間周期和可操作性方面均不如直接增加膠凝材料方案，故未采用。最終配合比參數(shù)的確定還需滿足灰漿比不低于0.40的技術(shù)要求。

　　5. 碾壓混凝土配合比設(shè)計(jì)方法及計(jì)算步驟

　　5.1 設(shè)計(jì)方法

　　本次配合比設(shè)計(jì)水膠比選擇不作為重點(diǎn)，而是首先確定最終膠凝材料用量，其中包括最低膠凝材料用量和新增用于替代石粉的膠凝材料，由于監(jiān)理只批準(zhǔn)在技術(shù)條款限制的180kg/m3基礎(chǔ)上新增膠凝材料，根據(jù)以往工程經(jīng)驗(yàn)，混凝土強(qiáng)度肯定有較大富余，所以只需確定單位用水量滿足VC值 5s~10s，不用選擇多個(gè)水膠比進(jìn)行試拌;礦粉摻量選擇70%、67%、60%和50%四種;骨料級(jí)配比例參考國(guó)內(nèi)30%:40%:30%，此時(shí)的碾壓混凝土抗分離效果最好;砂率通過(guò)計(jì)算以滿足碾壓混凝土全級(jí)配理想級(jí)配曲線為依據(jù)。

　　5.2 計(jì)算步驟

　　首先計(jì)算滿足全級(jí)配理想曲線的骨料級(jí)配比例、砂率和替代石粉的膠凝材料用量。由于計(jì)算步驟較為繁雜，可通過(guò)建立EXCEL計(jì)算表格取得相關(guān)數(shù)據(jù)。表二為已計(jì)算完成結(jié)果。

　　備注：①碎石混合級(jí)配 30-40-30 表示碎石級(jí)配比例為D19：D38：D63=30%：40%：30%;

　　②混合砂級(jí)配96.7-3.3表示混合砂中人工砂：膠凝材料=96.7%：3.3%;

　�、塾�(jì)算級(jí)配63-37表示碎石：混合砂=63%：37%。

　　將表二中計(jì)算的碾壓混凝土骨料全級(jí)配曲線與理想曲線在圖表中進(jìn)行對(duì)比(圖二)，兩條曲線吻合程度較高，關(guān)鍵指標(biāo)石粉含量(150μm)和75μm含量也基本滿足理想曲線。最終選擇碎石級(jí)配比例為30%：40%：30%，混合砂級(jí)配中人工砂與新增膠凝材料比例為96.7%：3.3%，碎石與混合砂比例為63%：37%。結(jié)合試拌試驗(yàn)成果，采用國(guó)內(nèi)體積法計(jì)算具體材料用量，計(jì)算成果見(jiàn)表三。

　　6. 碾壓混凝土配合比試拌成果及分析

　　根據(jù)表三的計(jì)算成果，確定最終膠凝材料用量為206kg/m3，按照70%、60%和50%礦粉摻量分別進(jìn)行試拌。補(bǔ)充增加膠凝材料180kg/m3，按照技術(shù)條款最低水泥用量60kg/m3進(jìn)行試拌，主要復(fù)核最低膠凝材料用量是否能夠滿足設(shè)計(jì)強(qiáng)度要求。具體試驗(yàn)成果見(jiàn)表四。

　　VC值檢測(cè)完成后，將VC筒內(nèi)碾壓混凝土整體傾倒出觀察拌和物“液化”情況，可以看出總膠凝材料206kg/m3和180kg/m3的碾壓混凝土表面返漿均較為充分，但針對(duì)底部和周邊的“液化”狀態(tài)，206kg/m3膠凝材料用量要優(yōu)于180kg/m3。

　　從表四試拌成果可以看出，四個(gè)配合比參數(shù)的91d齡期抗壓強(qiáng)度均滿足混凝土配制強(qiáng)度要求(20.4MPa)，并有較大程度富余。在水膠比相同情況下，不同礦粉摻量在不同齡期抗壓強(qiáng)度檢測(cè)結(jié)果接近，說(shuō)明礦粉的活性與水泥接近，不同礦粉摻量與強(qiáng)度的波動(dòng)幅度不如粉煤灰明顯，另外礦粉比表面積較大，致使高摻礦粉造成單位用水量處于較高水平。

　　7. 碾壓混凝土配合比推薦配合比及應(yīng)用

　　在混凝土配合比參數(shù)選擇上，考慮到巴基斯坦的礦粉綜合單價(jià)高于水泥，高摻礦粉意義不大，故初步選定總膠凝材料206kg/m3，礦粉摻量50%的配合比參數(shù)作為推薦配合比(表五)。

　　通過(guò)計(jì)算推薦配合比的灰漿比為0.44，滿足不低于0.40要求。詳細(xì)計(jì)算步驟見(jiàn)表六。

　　灰漿比計(jì)算步驟：

　　VPaste = V水泥 + V礦粉+ V水+ V空氣+ V 75-μm細(xì)骨料 =0.0327+0.0343+0.113+0.02+0.068*0.2962 =0.2201

　　VMortar= V水泥 + V礦粉+ V水+ V空氣+ V人工砂 =0.0327+0.0343+0.113+0.02+0.2962=0.4962

　　Paste-Mortar Rito = VPaste / VMortar = 0.2201 / 0.4962 =0.44

　　從生產(chǎn)性試驗(yàn)采用推薦配合比實(shí)際應(yīng)用效果看，碾壓后的碾壓混凝土表面返漿充分。從現(xiàn)場(chǎng)取芯情況看，芯樣壁表面光滑、平整，骨料分布均勻，膠結(jié)密實(shí)，芯樣孔24h滲水量1.22%，試驗(yàn)結(jié)果令人滿意。說(shuō)明增加的26kg/m3膠凝材料替代石粉能有效改善碾壓混凝土的工作性能。

　　8. 結(jié)論

　　綜上所述，除國(guó)內(nèi)普遍采用的摻和料等量替代和超量替代改善人工砂石粉含量方法外，還可以結(jié)合美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)的混凝土全級(jí)配理想曲線方法進(jìn)行改善，同時(shí)還需結(jié)合灰漿比(Paste-Mortar Rito)指標(biāo)對(duì)配合比設(shè)計(jì)合理性進(jìn)行量化判斷。從本工程實(shí)際應(yīng)用效果看，結(jié)合美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)的配合比設(shè)計(jì)方法拓展了新思路，簡(jiǎn)單、有效解決人工砂石粉含量不足的問(wèn)題。

　　美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)混凝土配合比設(shè)計(jì)有個(gè)特點(diǎn)，混凝土強(qiáng)度選擇依據(jù)不是按照水膠比，而是根據(jù)推薦的膠凝材料與不同齡期抗壓強(qiáng)度線性關(guān)系確定膠凝材料用量;骨料級(jí)配和砂率的選擇需以滿足全級(jí)配理想曲線為依據(jù)。筆者認(rèn)為在做大型的配合比項(xiàng)目時(shí)，采用不同水膠比進(jìn)行正交試驗(yàn)更具科學(xué)性和嚴(yán)謹(jǐn)性，在單個(gè)配合比項(xiàng)目時(shí)，可參考美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)的膠凝材料用量進(jìn)行試拌復(fù)核;在骨料級(jí)配和砂率的選擇上，可參考美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)的混凝土全級(jí)配理想曲線，因?yàn)榛炷�土骨料全�?jí)配有了量化標(biāo)準(zhǔn)，有助于判斷混凝土粗細(xì)骨料組合比例合理性，混凝土工作性能也能同時(shí)得到保證。

　　參考文獻(xiàn)：

　　[1] EM 1110-2-2006 Roller-Compacted Concrete

　　[2] ACI 214 Evaluation of Strength Test Results of Concrete