北疆嚴寒地區某雙曲拱壩混凝土配合比實驗研究

朱國建 李 新

(新疆額爾齊斯河流域開發工程建設管理局 烏魯木齊 830000)

1 概述

北疆某水庫總庫容2.22億m3，屬大(2)型Ⅱ等工程，大壩為常態混凝土雙曲拱壩，最大壩高94m，混凝土總方量為31.16萬m3。壩址區多年平均氣溫5℃，極端最高氣溫39.4℃，極端最低氣溫－41.2℃;最大積雪深46cm，最大凍土深127cm，屬大陸性北溫及寒溫帶氣候。呈現出空氣干燥、年氣溫差較懸殊、寒潮次數多、日溫差大等氣候特點，對筑壩混凝土材料提出了很高要求。因此，提高大壩混凝土抗凍耐久性、高抗滲性和抗裂性是保證工程質量的關鍵。

2 設計指標

該大壩混凝土材料分區見圖1，混凝土雙曲拱壩每隔15m設置一條橫縫，共分為21個壩段，不設縱縫通倉澆筑。壩體各部位混凝土設計指標見表1。

圖1 拱壩材料分區示意圖

表1 大壩各部位混凝土配制強度及設計要求

3 實驗研究方案

大壩混凝土的主要控制指標為“強度、抗滲、抗凍、抗裂”，抗沖磨混凝土還提出“抗沖磨、抗空蝕”要求。嚴寒地區水工大體積混凝土強度要求水膠比不宜過大，摻合材比例和膠材用量應適宜;混凝土耐久性與含氣量、強度等級有較好的相關性，特別是目前工程界提倡的混凝土高性能化要求對抗凍和含氣量指標提出了更嚴格要求，因此混凝土含氣量不能低;混凝土抗裂性能要求盡量降低水泥用量和用水量，適當增加摻合材用量以減少混凝土發熱量和收縮變形，同時還應保證混凝土的極限拉伸方面的變形能力。而抗沖磨、抗空蝕方面主要要求混凝土高強度、較低摻合材用量比例以及相應施工工藝。因此，大壩混凝土配合比設計試驗的技術路線為:雙摻減水劑和引氣劑、高摻粉煤灰、低水膠比、較低用水量、高含氣、較低坍落度控制，達到適宜強度、較好施工性、高性能化和較好抗裂的目的。實驗方案擬定試驗的水膠比變化為0.38、0.43和0.48，膠材總量中粉煤灰摻量變化為35%、45%和55%。試驗采用三級配混凝土進行不同水膠比、不同膠材組合的試驗。再參照三級配試驗結果選定四級配的水膠比、摻合料摻量進行試驗。

2009年7月中旬，配合比試驗自開始進行。考慮90天設計齡期、抗凍等級F300約需時50天(若F400則需65天)，為了加快進度、節約時間，首先開展原材料主要指標檢測，特別是細度、級配、吸水性、密度、空隙等檢測，在此基礎上進行了骨料級配混合比例選擇試驗和用水量、砂率調試選擇試驗;結合調試拌和情況，從8月起開展三級配各水膠比、粉煤灰摻量的強度、極拉、彈模、抗凍、抗滲等關系成型試驗;從9月起根據早期強度和其他工程參數規律初選了四級配、三級配混凝土配合比參數進行調試試驗。

4 混凝土配合比實驗

4.1 三級配混凝土比例參數試驗

混凝土比例參數試驗采用三級配進行試驗，水膠比選擇0.38、0.43、0.48三組，粉煤灰摻量選擇35%、45%、55%三組，實驗參數見表2。混凝土拌和物出機后約30min按坍落度30～60mm、含氣量4.5% ～5.5%控制，骨料比例 20∶30∶50。

試驗原材料為:P.Ⅰ42.5型硅酸鹽水泥，5～20mm小碎石，20～40mm混合石，40～80mm天然卵石，天然砂40%與人工砂60%的混合砂，細度模數2.65，外加劑NF—2型緩凝高效減水劑和PMS—NEA3型引氣劑，具體試驗參數見表2。三級配混凝土水膠比與抗壓強度關系曲線見圖2，三級配混凝土粉煤灰摻量與抗壓強度關系曲線見圖3。

表2 大壩混凝土三級配水膠比、膠材組合關系試驗參數

圖2 三級配混凝土水膠比與抗壓強度關系曲線

圖3 三級配混凝土粉煤灰摻量與抗壓強度關系曲線

實驗表明:凝結時間隨粉煤灰摻量、出機坍落度和含氣量情況有一定變化，但均大于14h。水膠比0.38與0.43時，混凝土28天和90天抗壓強度變化不大，0.48水膠比的混凝土28天和90天抗壓強度下降明顯。水膠比越小，混凝土強度發展越快，后期強度增長幅度越小。拌和物試驗結果表明:所測結果符合配合比設計控制目標。

各組試驗參數90天劈拉強度和軸心抗拉強度均大于2.0MPa，彈模適中，90天極限拉伸值均在85×10－4以上。

各組試驗參數的28天和90天、180天齡期抗滲均滿足W10要求，粉煤灰摻量35%和45%時滲水高度較小，而粉煤灰摻量55%時滲水高度較大。各組試驗參數抗凍成果均達到F400級要求，說明水膠比0.38～0.48、粉煤灰摻35% ～45%、含氣量4.5% ～5.5%范圍時，可以滿足耐久性和強度要求。這與其他工程研究成果有一定差異，充分說明含氣量在抗凍中起到了關鍵作用。

4.2 三級配混凝土配合比試驗

《水工混凝土施工規范》(DL/T 5122—2001)規定:嚴寒地區壩體外部水位變化區最大水膠比為0.45，嚴寒地區壩體外部其他高程部位最大水膠比0.50，有環境水侵蝕時水膠比應減小0.05;《水工混凝土摻用粉煤灰技術規范》(DL/T 5055—2007)規定:嚴寒地區采用硅酸鹽水泥，外部混凝土粉煤灰最大摻量45%。根據設計和規范要求結合三級配水膠比、膠材組合關系試驗成果，初步選定的三級配混凝土配合比試驗成果表明:混凝土各項指標滿足設計要求。力學與變形性能實驗成果見表3。

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4.3 四級配混凝土配合比試驗

參照三級配水膠比、膠材組合關系試驗情況，結合摻粉煤灰膠砂試驗結果和其他工程配合比參數，四級配混凝土按摻45%粉煤灰設計。四級配混凝土配合比試驗結果表明:混凝土拌和物出機后約30min坍落度在30～60mm左右，含氣量在5.0% ～5.5%，絕熱溫升值在24～26℃，成型試件的各項混凝土性能指標均滿足設計要求。力學與變形性能實驗成果見表4。

4.4 抗沖磨混凝土配合比試驗

抗沖磨混凝土的抗沖磨要求，規范中未規定控制指標，一般強度高的混凝土抗沖磨性能較好。抗沖蝕要求主要體現在施工工藝上，要求混凝土表面平整無氣孔、避免空蝕。本工程抗沖磨混凝土設計指標為28天齡期C40W6F300級三級配混凝土，試驗成果表明:水膠比0.28、粉煤灰摻量20%的抗沖磨混凝土配合比28天各項指標均滿足設計施工要求。力學與變形性能實驗成果見表5。

4.6 推薦配合比

根據上述試驗成果，推薦的某水庫大壩混凝土施工基本配合比見表6。

5 結語

a.實驗表明:NF—2型緩凝高效減水劑和PMS—NEA3型引氣劑與本工程材料(特別是水泥)適應性較好，滿足施工使用要求，FDN型緩凝高效減水劑和AER型引氣劑性能與其相當，未發現不良反應，由于試驗任務緊，未進行大范圍試驗。如需更換外加劑品種，建議在正式施工材料生產后進行復核試驗。

b.本次配合比試驗時間緊、任務重，為及早提出可行的配合比參數，邊進行原材料檢測邊進行配合比設計試驗，僅按計劃完成了摻粉煤灰的一整套混凝土配合比試驗。根據試驗成果，推薦的混凝土配合比各項指標滿足設計施工要求。

c.配合比高性能化的設計要求，決定了混凝土含氣量是關鍵控制參數，試驗成果也反應了這個問題，成型含氣量4.5%～5.5%時可滿足F400以上抗凍要求。施工中必須嚴格控制混凝土含氣量，出機混凝土測值可略大，現場入倉施工時(出機約30min)F200混凝土含氣量按4% ～5%控制、F300混凝土按4.5% ～5.5%控制、F400混凝土按5% ～5.5%控制，引氣劑摻量根據含氣量要求調整。