高性能混凝土在自然通风高位收水冷却塔工程中的应用

石磊龙，王 军

（中国电建集团山东电力建设有限公司，山东 济南 250014）

0 引言

山东某 1 000 MW 发电厂地处滨海低地，冬季最低温度为零下 15 ℃，混凝土受地下水的腐蚀为强等级，因此要求混凝土具有良好的抗渗、抗冻等耐久性指标，为解决这一问题，配制高密实、高抗渗的高性能混凝土是项目重点。高性能混凝土一般是以“高强高性能混凝土”的形式提出，中等强度的高性能混凝土的研究及应用较少，如果能实现中等强度普通混凝土的高性能化，将会产生重要的技术经济意义［1］。本文通过对自然通风高位收水冷却塔高性能混凝土的研究工作，旨在实现用 42.5 强度等级的水泥和现有原材料配制中等强度高性能混凝土。

1 高性能混凝土特性与要求

高性能混凝土比普通混凝土相比具有更高耐久性。一方面高性能混凝土采用优质高效减水剂，打破了普通混凝土水胶比的限制，使低水胶比、超低水胶比在混凝土配合比设计中的应用成为可能。另一方面采用超细掺合料又改善了级配等级，使高性能混凝土形成高度密集的微观结构。此外，超细掺合料活性大，产生大量水化硅酸钙凝胶体的同时会大量消耗 Ca（OH）2，可以提高混凝土的耐腐蚀能力。其次高性能混凝土的强度等级应达设计要求，并结合施工工艺进行设计，只有通过试配、调整确保满足使用要求后方可用于正式施工［2］。

2 现有原材料情况

2.1 水泥

生产高性能混凝土所用的水泥必须具有较高的 28 d 强度和良好的流变性能。使用等级越高的水泥越易获得更高的混凝土强度，但其强度增长不与水泥抗压强度的增长成正比［3］。对于 C40 混凝土，P·O42.5 水泥是最佳选择，而对于 C45 的混凝土，究竟用 P·O42.5还是用 P·O52.5，需要试验验证。

本次研究所用水泥均为滨海某公司生产，性能指标如表 1 和表 2 所示。

表1 P·O42.5 水泥性能一览表

表2 P·O52.5 水泥性能一览表

2.2 骨料

2.2.1 细骨料

配制高性能混凝土的细骨料应级配良好、质地坚固，含泥量等性能应符合 JGJ 52—2006《普通混凝土用砂、石质量及检验方法标准》。良好颗粒级配的细骨料对于提高混凝土强度有利。受地材供应的限制，本地的河砂为粗砂，性能如表 3 所示。

表3 河砂性能一览表

配置高性能混凝土时原材料非常重要，用细度模数如此之大的河砂配制高性能混凝土，增加了配合比设计难度。当前这方面的研究很少，此次试验可算是一次探索。

2.2.2 粗骨料

粗骨料应选择表面粗糙且坚固的品种。还需级配良好，应采用 5～25 mm 连续级配［4］。本项目考察了市场上的碎石，发现当地的 5～25 mm 连续粒级并不符合标准要求，所以决定采用“大石子”和“小石子”搭配方式，如表 4 所示为两种级配的碎石粒级分布。

表4 “小石子”和“大石子”粒级分布一览表

经过试验，将“小石子”和“大石子”按 4∶6 质量混合，其颗粒级配可满足 5～25 mm 连续粒级。表 5 为二级配碎石粒级分布，表 6 为二级配碎石性能。

表5 二级配碎石粒级分布一览表

表6 二级配碎石性能一览表

从碎石性能结果可以看出，以上各项参数符合 JGJ 52—2006《普通混凝土用砂、石质量及检验方法标准》要求。

2.3 掺合料

2.3.1 粉煤灰

所用粉煤灰来自于附近电厂生产。依据 GB/T 1596—2017《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》检测，为 I 级粉煤灰，依据 GB/T 18736—2017《高强高性能混凝土用矿物外加剂》检测 28 d 活性指数，符合 II 级要求。其主要性能如表 7 所示。

表7 粉煤灰性能一览表

2.3.2 硅灰

硅灰颗粒细小因而比表面积大，所以在混凝土中掺入硅灰，能够提高抗渗性、抗冻性、强度、抗化学腐蚀性。本项目选用了盐城某公司生产的硅灰，其主要性能如表 8 所示。

表8 硅灰性能一览表

2.4 外加剂

聚羧酸高性能减水剂作为新型减水剂，不受环境温度影响且减水率高，对混凝土的坍落度保持、凝结时间的控制很有效果。根据 JGJ 55—2011《普通混凝土配合比设计规程》：长期处于潮湿或水位变动的寒冷和严寒环境及盐冻环境的混凝土应掺入引气剂［5］。

综合以上要求，本项目选用河北某公司复合型外加剂，各项技术指标如表 9 所示。

表9 KTPCA 高性能减水剂性能一览表

2.5 PVA 纤维

混凝土中使用合成纤维目的是改善混凝土抗冲击、早期抗裂和抗疲劳等性能，根据图纸要求人字柱混凝土中应掺入 0.9 kg/m3的高强高模 PVA 纤维，以提高抗裂能力。

本项目所用 PVA 纤维为泰安市某公司生产，其主要性能指标如表 10（满足图纸中 PVA 纤维性能要求）所示。

表10 PVA 纤维性能一览表

3 配合比设计

3.1 配合比初步设计

3.1.1 P·O42.5 水泥人字柱配合比初步设计

设计强度 53.225 MPa，水胶比 0.34，胶凝材料由水泥、硅灰、粉煤灰 3 种材料组成，其掺量通过正交试验确定。硅灰采用 4 种不同掺量（分别为胶凝材料的 3 %、5 %、7 %、9 %）、粉煤灰采用 3 种不同掺量（分别为胶凝材料的 15 %、20 %、25 %），对混凝土抗冻、抗渗、强度、成本等进行试验，配合比如表 11 与表 12 所示。

表11 P·O42.5 水泥人字柱初步配合比

表12 P·O42.5水泥人字柱初步配合比性能及成本（不计纤维）

通过上述试验，综合考虑各项指标，最终选择“柱-11”配比，即粉煤灰掺量为 20 %、硅灰掺量为 9 %。

3.1.2 P·O52.5 水泥人字柱设计

设计强度 53.225 MPa，水胶比 0.35，胶凝材料由水泥、硅灰、粉煤灰 3 种材料组成，粉煤灰掺量为 20 %，硅灰掺量为 9 %。配合比如表 13 与表 14 所示。

表13 P·O52.5 水泥人字柱初步配合比

表14 P·O52.5 水泥人字柱初步配合比性能及成本（不计纤维）

经比较，用 P·O52.5 水泥配制 C45 混凝土，最优配合比为“柱-16”，混凝土成本却比 P·O42.5 水泥研制的配合比“柱-11”高 27 元/m3。

3.2 配合比优化

试验中对将该配合比进行调整：在维持水胶比不变下，将胶凝材料用量降至 485 kg/m3和 475 kg/m3，得到 28 d 抗压强度分别为 51.2 MPa 和 51.9 MPa，但强度没有达到设计要求。

3.3 配合比确定

经过配合比的设计和试配、调整，列表统计P·O42.5 水泥和 P·O52.5 水泥配制出的混凝土的性能，确定人字柱混凝土最终配合比，如表 15 所示。

表15 人字柱混凝土配合比

经试验，该配合比的混凝土抗渗等级达 W 17，抗冻性≥F 200，28 d 氯离子扩散系数为 2.2×10-12m2/s，符合设计要求。

4 工程应用

通过对自然通风高位收水冷却塔混凝土取样检测结果证明：混凝土的抗压强度、抗渗性、抗冻性能及氯离子扩散系数等均达到图纸设计要求，且混凝土外观颜色均匀，无裂纹、蜂窝麻面等表面缺陷。本技术不仅适用于自然通风高位收水冷却塔工程，还可以用于具有类似要求的高性能混凝土施工，如港口、海洋、水利、化工等工程。

5 关键技术

5.1 粉煤灰和硅灰的双掺技术

双掺硅灰和粉煤灰以取代部分水泥，改善了混凝土内部结构，提高抗冻性、抗渗性等，在高性能混凝土的施工过程中发挥着重要的作用。本项目研究了粉煤灰和硅灰不同掺量对混凝土性能和经济效益的影响，根据 JGJ 55—2011《普通混凝土配合比设计规程》和实践经验，选定了 4 种硅灰掺量和 3 种粉煤灰掺量，进行正交试验，最后确定满足高性能混凝土设计要求的掺量分别为：硅灰为 9 %；粉煤灰为 20 %。

5.2 碎石的二级配技术

为持续提高混凝土的密实性能，需要应用颗粒级配比较好的粗骨料，但经过当地市场调研，没有发现符合连续级配的粗骨料，故采用两种粗骨料组合的方式，达到了连续级配的效果，提升了混凝土的密实度，降低了胶凝材料用量，改善了混凝土拌合物的和易性。通过试验确定了两种规格碎石的组成比例，本项目 5～16 mm 的碎石和 5～25 mm 的碎石比例 4∶6，组合后满足 5～25 mm 碎石连续粒级要求。

6 结语

自然通风高位收水冷却塔工程高性能混凝土的应用，提高了混凝土的耐久性能，满足了火力发电厂中类似项目高性能混凝土的技术要求，证实了用 42.5 强度等级的水泥完全可以配制 C45 混凝土，也证实了在原材料性能不理想的情况下可以配制高性能混凝土。另外，硅灰和粉煤灰作为工业废料污染环境、危害健康，但作为混凝土中的掺合料，不仅能解决其堆积占地和污染的问题，而且经济效益良好。Q