黄河龙口水利枢纽工程抗冲磨混凝土试验研究.pdf

2 0 1 1 年 第3 O卷 第2期 D WR H E 水 利水 电工 程设 计 5 7 黄河龙 口水利枢纽工程抗冲磨混凝土试验研究 王 瑛金琼 杨海 宁 周 洁 摘要泄水建 筑物的磨蚀 问题是 龙 口水利枢纽 工程 的一个技术 问题 ，利 用工程现场使 用的砂石 骨料，并用铁矿石 替代部分人工碎石，或用硅粉替代部分水泥，并掺入纤维来配制抗冲磨混凝土。结果表明，两种方法均可配制出满 足设计要 求的抗冲磨混凝土 。 关键词抗冲磨混凝土配合 比 强度龙 口水利枢纽 中图分类号T V 4 3 文献标识码A 文章 编号1 0 0 7 6 9 8 0 ( 2 0 1 1 ) 0 2 0 0 5 7 0 3 自 1 9 9 5年开始，对龙 口水利枢纽工程混凝土配 合比试验做了大量的试验研究 ，对龙 口抗 冲磨混凝 土也进行 了初步研究 ，成果表明：利用灰岩人工砂 石骨 料 配 制 的 混 凝 土 2 8 d抗 冲 磨 强 度 仅 为 3 h ( g e mI 2 ) 左右 ，利用天然砂 配制的混凝土 2 8 d 抗冲磨强度可达到 6 8 h ( g e m ) 。但 当时设计并 未提出抗冲磨强度指标 ，到了 2 0 0 5年龙 口水利枢纽 工程招标设计阶段 ，设计提出混凝土 9 0 d抗冲磨强 度要达到 1 2 0 h ( g c mI 2 ) ，显而易见 ，之前 的成果 根本不能满足这一要求。为解决这一问题 ，试验采 用铁矿石( 小石) 来部分替代人工碎石 ( 小石) ，用 以 提高混凝土的抗冲磨性能。研究结果表明：利用天 然砂 、人工碎石与铁矿石 的混合石配制的混凝土 2 8 d 抗冲磨强度可达到 1 1 1 3 h ( g e mI 2 ) ，可以满足 设计要求 ；2 O 0 9年 4月龙 口水利枢纽蓄水安全鉴定 专家意见 ，要求设计对龙 口右岸消能建筑物过流面 尤其是高流速区过流面存在较严重抗冲磨问题的区 域面层混凝土进行进一步研究 。根据龙 口现场混凝 土骨料、胶凝材料 以及外加剂等实际情况 ，在原试 验的基础上补充有关抗冲磨混凝土试验。 1 用铁 矿 石 替 代 部 分 人 工 碎 石 的 抗 冲 磨 混 凝 土 配 合 比试 验 本次试验选用的材料有 ( 1 ) 3种水泥 ：抚顺 中 热 4 2 5 水泥、抚顺抗磨 4 2 5水泥 、大同普硅 4 2 5 水泥。( 2 ) 粉煤灰 ：神头二 电厂生产的 I 级粉煤灰。 ( 3 ) 细 骨料 ：大 东梁天然 砂。( 4 ) 粗骨料 ：2 0 4 0 m n q 的 中石 采用 三 道沟 东 侧石 料 厂 的人 工碎 石 、 5 2 0 m m的小石采用安徽省无为县蛟矶磨料磨具 厂的铁矿石。( 5 ) 外加剂 ：江西武冠新材料股份有 限公司生产的 WGH E A抗裂型防水剂和北京翰苑 技术开发公司生产的 M P A E引气剂 ；江西省萍乡市 联友建材有 限公 司生产 的 H CH J高效 减水剂和 H CF 弓 I 气剂 。( 6 ) 纤维 ：天津市思腾纤维科技开 发有限公司生产的聚丙烯改性亲水纤维。 根据设计指标的要求 ，利用 以上的原材料 ，采 用正交设计进行 昆 凝土配合比优化组合试验。通过 对试验数据的综合分析，得出以下结论 ：( 1 ) 混凝 土中掺入一定的聚丙烯纤维 ，可降低混凝土的静力 抗压弹性模量 ，提高混凝土的极限拉伸值 ，即可提 高混凝土的抗裂性能。( 2 ) 采用铁矿石部分替代人 工碎石 ，可提高混凝土的抗冲磨强度。由于设计对 混凝土的抗冲磨强度要求较高，而混凝土的抗 冲磨 强度又与铁矿石的质量有很大关系，因此建议要严 格控制铁矿石的选择 。( 3 ) 采用抚顺抗磨水泥配制 的混凝土与其它两种水泥配制的混凝土相 比，用水 量大 ，水泥用量也增大 ，但其抗压强度却明显小于 后两者 的抗压强度 ，其抗冲磨强度也没有优势 ；因 此，建议混凝土配合 比中未推荐抚顺抗磨水泥配制 的混凝土。针对不同部位优选出混凝土配合 比试验 结果见表 1 。 对溢流面、闸墩、导墙 、底孔周围、护坦等( 4 5 r 2 ) 建议选择 Ml l 、M1 5 、M 2 5 、M 2 9 。对蜗壳周 围 ( d O F 5 0 W6 ) 建议选择 M8 、M1 1 、M 2 2 、M 2 5 。对排沙 洞周围( C 4 5 F 5 0 W6 ) 建议选择 M 8 、M 2 2 。 2 用 硅 粉 替 代 部 分 水 泥 的 抗 冲 磨 混 凝 _ ： 配 合 比试 验 利用天然砂 、人工碎石与铁矿石的混合石配制 的混 凝 土 2 8 d抗 冲磨 强 度 可 达到 1 1 1 3 h ( g cm- 2 ) ，可以满足设计要求 ，但 由于铁矿石产量有 限且价 格 上 涨，无 法 满 足 工 程 需 要；因此 根 据 2 0 0 9年 4月龙 口水利枢纽 蓄水安全鉴定专家意见 ， 要求设计对龙 口右岸消能建筑物过流面，尤其是高 5 8 水 利 水 电 工 程 设 计D WR HE 2 0 1 1 年 第 3 O卷 第 2期 3 2 3 3 3 2 3 3 3 2 3 3 天津 H E A和 M P A E HEA和 A E 天津 H E A和 M P A E 天津 H E A和 M P A E H C系列 天津H C系列 8 O 0 O 8 1 2 5 8 O O 0 9 1 2 5 8 O 0 O 9 1 1 6 8 0 O 0 8 1 1 6 O- 8 0 3 5 1 3 0 O 8 O 3 5 1 2 3 1 2 6 1 2 0 l 2 4 1 2 3 l l _ 8 l 1 6 1 6 O 1 4 2 1 4 6 1 4 3 1 4 2 1 4 5 注：( 】 ) 试验用粗、细骨料均 以饱和 面干状态为基准；( 2 ) 石 子采 用铁 小石 ： 人 工中石 = 5 0 ： 5 0的级配比例；( 3 ) 粉 堞灰、外加荆掺 量是 以 占 胶 凝材料 总重量的 百分 比计算 ；( 4 ) 混凝土坍落度控制在 3 7 c in ，含 气量控制在 4 5 ；( 5 ) 表 中配合比混凝土的抗冻性能均 大于 F 2 0 0 。 流速区过流面存在较严重抗冲磨问题的区域面层混 凝土进行研究 ，以便 2 0 1 0 年 4月 6月进行右岸消 力池面层混凝土施工时各项指标 、参数更加科学合 理，故根据龙 口现场混凝土骨料 、胶凝材料 以及外 加剂等实际情况 ，在原试验的基础上补充有关抗冲 磨混凝土试验 ，为优化龙 口三期导流期间消力池面 层混凝土提供依据 ，为此 ，本次试验用硅粉替代部 分水泥，用以提高混凝土的抗冲磨性能。 按照设计对混凝土的要求，结合龙 口现场实际 情况，本次试验选用的材料有( 1 ) 水泥：内蒙古冀东 水泥有限公司生产的 “ 盾石”牌普通硅酸盐 P 0 4 2 5 水泥。( 2 ) 粉煤灰 ：河 曲二电厂生产的 级粉煤灰。 ( 3 ) 硅粉 ：山西黄河新型化工有 限公司生产的硅粉。 ( 4 ) 细骨料 ：施工现场的人工砂 、天然砂。( 5 ) 粗骨 料 ：人工碎石，其 粒径分为：52 0 m m和 2 04 0 m m。( 6 ) 外加剂：山西黄河新 型化工有限公司生产 的 J s XA型聚羧酸高性能减水剂、石家庄市中伟 建材有限公司生产 D H一 9 A引气剂。( 7 ) 纤维 ：试验 采用 4种纤维进行混凝土配合 比设计，通过 比较选 择最优的纤维推荐用于施工。天津思腾纤维科技 开发有限公司生产的聚丙烯亲水性纤维( 以下简称聚 丙烯纤维) ，单丝纤维长度 1 9 i n to，直径 0 4 8 t a n 。 天津思腾纤维科技开发有限公司生产的胶粘成排 钢纤维 ( 以下简称钢纤维) ，单丝纤维 长度 3 0 m m， 直径 0 5 0 m m。上海罗洋新材料科技有限公司生产 的U F 5 0 0 纤维素纤维( 以下简称 U F 5 0 0 纤维) 。上海 瑞高实业发展有 限公 司生产的 C T F 8 5 0纤维素纤维 ( 以下简称 C T F 8 5 O 纤维) 。 2 1 混凝土的技术要求 混凝土的设计技术指标列于表 2 。 表 2 混凝土的设计 技术指标 2 2 抗冲磨混凝土配合 比试验 由于施工现场有较多的人工砂 ，设计最初建议 选用人工砂进行混凝土配合 比试验 。采用人工砂进 行混凝土配合 比试验时 ，发现用人工砂配制的混凝 土 2 8 d的抗冲磨强度较低 ，远小于 9 0 h ( g c m ) 的设计要求。而采用原龙 口工程大东梁天然砂掺用 硅粉后配制的混凝土( L 2 1 ) ，其 2 8 d抗冲磨强度可 以满足设计要求。经与设计协商后改用施工现场的 天然砂再次进行混凝土配合 比试验。 2 2 1 混凝土抗压强度试验结果 根据设计技术要求和试验选用的原材料 ，利用 正交设计进行混凝土配合比优化组合试验。通过试 验看出：水灰比为 0 3 5时，混凝土 9 0 d 抗压强度均 不能满足设计要求。只有水灰 比小于 0 3 2 并在混凝 土中掺人硅粉后 ，混凝土 9 0 d的抗压强度才能达到 设计要求 C 5 0的配制强度 5 9 0 MP a 。采用人工砂配 制的混凝土，编号为 I 3、L l l 配合 比的混凝土 9 0 d 抗压强度为 6 0 0 M P a 和 6 1 2 M P a ；采用施工现场天 然砂配制的混凝土，编号为 L 2 4 、L 2 5 、L 2 7 、I 2 8配 合 比的混凝土 9 0 d的抗压强度可达到 5 9 26 2 3 M P a ，均可满足 C 5 0混凝土的配制强度。水胶 比 0 3 2的混凝土配合比试验结果列于表 3 。 2 2 2 混凝土抗冲磨强度试验结果 采用人工砂配制 的混凝土 ，混凝土 2 8 d的抗 冲磨强度为 3 05 4 h ( g c mI 2 ) ，均低 于设计要 求 9 0 h ( g c m ) ；混凝土 9 0 d的抗冲磨强度为 5 98 2 h ( g c m ) ，均 小 于 设 计 要 求 1 0 0 h ( g o m ) 。采用天然砂配制的混凝土 ，混凝土 2 8 d的抗冲磨强度为 l 1 0 1 3 3 h ( g c n l ) ，均可满 足设计 要求 ； 混凝 土9 0 d 的抗 冲磨 强度 为 1 2 3 加 鼹 6 3 6 6 O 6 鼹 8 7 l 2 7 3 卯 卯 4 5 3 5 2 7 卯 钾 叭 稻 卯 渤 硅 硅 热 热 硅 热 普 普 中 中 普 中 司司顷顷可嚷 大 大 抚 抚 大 抚 2 5 CJ 9 川 王瑛等 黄 河龙 口水利 枢纽 工程 抗 冲磨 混凝 土试 验研 究 5 9 注： ( 1 ) 试验用粗、 细骨料均 以饱和 面干状态为基准 ； ( 2 ) 石子采 用小石 ： 中石 =5 0： 5 0的级配 比例 ； ( 3 ) 粉 煤灰、 硅粉、 外加剂掺量是以 占胶凝材料总重量的 百分 比 计 算； ( 4 ) 混凝土坍 落度控 刺在 3 5 c m ， 含 气量控制在 4 5 ； ( 5 ) 表 中1 2 3 I 2 8配合比混凝土2 8 d的抗拉强度均大于 4 1 M P a ， 极 限拉伸均大 于9 9 1 0 _ 。 ， 抗 冻 性 能均 大于 啪； ( 6 ) L 2 一L 1 7为人工砂 ， I 2 1 为大 东梁天然砂， I 2 3 一I 2 8为施 工现场天然砂 。 1 3 8 h ( g e m ) ， 均可满足设计要求。 用纤维种类 ( 聚丙烯纤维、 钢纤维 、 U F 5 0 0 纤维 、 C T F 8 5 0 纤 维 ) 、 水 灰 比 ( 0 3 2 、 0 3 5 ) 、 粉 煤 灰 掺 量 ( 1 0 、 1 5 ) 和硅粉掺量( 0 、 5 ) 构成 k( 4 2 4 ) 的 正交设计表对人工砂混凝土抗冲磨强度进行直观分 析 ： 影响混凝土抗冲磨性能的主要因素是纤维种类 。 用 U F S 0 0纤维配制的混凝土的抗冲磨性能优于其它 纤维配制的混凝土。 用纤维种类( 聚丙烯纤维 、 U F S 0 0 纤维 ) 、 和硅粉掺 量( 0 、 5 ) 构成 L 缸 的正交设计表对天然砂混凝土 抗冲磨强度进行直观分析： ( 1 ) 影响混凝土抗 冲磨性 能的主要因素是纤维种类。用 U F S 0 0纤维配制 的混 凝土比用聚丙烯纤维配制的混凝土的抗 冲磨强度高 一 些。( 2 ) 影响混凝土抗冲磨性能的次要因素是硅粉 掺量。随着硅粉掺量的增加 ， 其抗冲磨性能提高。 综合分析上述结果 ， 可 以看 出： 只有编号 L 2 4 、 L 2 5 、 1 2 7和 1 2 8的混凝土 既能满足抗压强度 ， 又能 满足抗冲磨强度等的设计要求。考虑到利用现场的 天然砂及人工粗骨料 、 用 U F S 0 0纤维配制 的混凝 土 比用聚丙烯纤维 配制 的混凝 土的抗冲磨强度 高一 些 ， 且以 5 硅粉和 1 0 粉煤灰作为掺和料配制 的 混凝土既经济， 又便于施工。因此推荐编号 1 2 8的 配合比作为现场施工用配合 比。2 0 1 0年 4月 ， 经施 工单位将现场施工的抗冲磨混凝土取样， 其混凝土 2 8 d 抗 冲磨强度为 9 2 h ( g e m ) ， 可以满足设计 对工程的技术要求 。 3 结语 对于龙 口水利枢纽工程泄水建筑物过水部位 、 溢流坝面、 消力池、 蜗壳周 围和排沙洞周围等部位有 较高抗冲磨要求的混凝土， 细骨料要选用天然砂， 利 用铁矿石替代部分人工碎石 ， 或用硅粉替代部分水 泥 ， 同时掺人纤维 ， 可以配制出满足设计要求的抗冲 磨强度 的混凝土。 参考文献 1 D L T 5 1 N - - 2 0 0 1 、 S L 3 5 2 -2 0 0 6 ， 水工混凝 土试验规程 s 2 D L T 5 1 4 4 -2 0 0 1 ， 水工混凝土施工规范 S 3 D I J T 5 2 0 7 -2 0 0 5 ， 水 工 建筑 物抗 冲磨 防空 蚀 混凝 土 技 术规 范 S 作者简介 王瑛 女 高级工程师 中水北方勘测设计研究有限责 任公 司 天津3 0 0 2 2 2 金琼 女 教授 级高级工程 师 中水 北方勘测设计 研 究 有限责任公司 天津3 0 0 2 2 2 杨海 宁 男 高级 工程 师 宁夏水利厅灌溉 管理 局 宁夏 银川 7 5 0 0 0 1 周 洁 女 工程 师 吉林省 临江市水利局 吉林临 江 1 3 4 6 0 0 ( 收 稿 日期2 0 1 10 21 8 )