蒲石河抽水蓄能電站預應力閘墩多摻合料抗裂混凝土試驗研究

景健偉，馮 林，黃如卉，李艷萍，馬智法

（中水東北勘測設計研究有限責任公司，吉林 長春 130021）

蒲石河抽水蓄能電站地處東北嚴寒地區，其下庫壩為混凝土重力壩，壩頂高程為70.10 m，壩頂全長為336 m，最大壩高34.10 m，建基于弱風化混合花崗巖中上部，正常蓄水位66.00 m。泄洪排沙閘共7孔，孔寬14.0 m，弧型工作門為14 m×19 m（寬×高），WES實用堰堰頂高程48.00 m，堰體中間分縫，堰體及閘墩長42.0 m，預應力閘墩厚度為4.0 m，最大高度32.10 m，單墩推力34 000 kN。

蒲石河下水庫采用預應力混凝土閘墩，與常規混凝土相比，預應力混凝土具有混凝土標號高、水泥用量高、膠凝材料用量高等特點，從而導致混凝土澆筑后水化熱溫升較高、干縮較大，存在開裂危險。根據工程需要進行混凝土抗裂技術研究，通過采用雙摻、三摻混凝土摻合料，同時摻粉煤灰前期性能激發劑等新技術手段，研究不同膠凝材料組合變化對混凝土性能的影響，優化混凝土配合比，達到減少工程裂縫，增加結構耐久性能的目的。

1 原材料

1）水泥。此次試驗采用撫順水泥有限責任公司生產的渾河牌P·MH42.5級中熱硅酸鹽水泥，主要性能指標見表1。

2）粉煤灰。此次試驗采用的粉煤灰為吉林市某粉煤灰有限公司生產的Ⅰ級粉煤灰，主要性能只要見表2。

3）粉煤灰激發劑。粉煤灰激發劑采用甘肅巨才電力技術有限責任公司生產的HF外加劑。摻量選擇為2%。

表1 撫順中熱水泥主要性能檢驗結果

表2 粉煤灰性能指標檢驗結果

4）膨脹劑。此次研究采用新中州HEA-1膨脹劑，其主要性能見表3。

表3 膨脹劑檢測結果

5）硅粉。此次研究采用挪威?？霞瘓F材料公司生產的硅粉，主要性能見表4。

表4 硅粉性能檢測結果

6）外加劑。試驗所用外加劑為北京某混凝土材料有限公司生產的ZB-4萘系高效引氣減水劑。

7）纖維。試驗研究采用的纖維為江蘇生產的丹強絲。

8）粗骨料。粗骨料為工程附近生產的卵石，其性能如表5所示。

表5 粗骨料品質檢驗結果

9）細骨料。細骨料為工程附近生產的天然河砂，其性能如表6。

表6 天然砂品質檢驗結果

2 混凝土配合比方案

試驗配合比設計等級為C30F300W6（三級配），C40F300W6（二級配），采用 6種膠材組合，其組合方式和思想、混凝土配制各項參數見表7—9。

表7 抗裂試驗研究摻合料組合

表8 C40F300W6二級配混凝土試驗配合比

3 試驗結果與分析

結合研究目的研究，進行了各摻合料組合的抗壓、極限拉伸、干縮、抗凍、抗滲等項試驗性能測試 ，其具體結果見表10，11。

表9 C30F300W6三級配混凝土試驗配合比

3.1 混凝土強度試驗結果分析

從試驗結果可以看出，7 d抗壓強度相對較大的3個摻合料組合為：纖維+粉煤灰+膨脹劑＞空白＞粉煤灰+粉煤灰激發劑，28 d抗壓強度相對較大的3個摻合料組合為：粉煤灰+粉煤灰激發劑＞粉煤灰+硅粉＞粉煤灰+膨脹劑，由此可以說明機理如下：1）在混凝土早期膠凝相強度尚未發育，強度較低時，摻纖維可以提高混凝土強度；2）粉煤灰、膨脹劑、硅粉等摻合料的強度發育較水泥緩慢，因此各摻合料組合的混凝土早期強度均不及空白混凝土；3）粉煤灰激發劑的強度激發作用在早期和28 d齡期均有體現，加入激發劑后混凝土各齡期強度明顯高于單摻粉煤灰混凝土強度；4）硅粉、膨脹劑與粉煤灰配合使用較單摻粉煤灰混凝土強度有所提高，兩者強度提高值相差不大。

3.2 極限拉伸試驗結果分析

混凝土極限拉伸值是指混凝土經軸心抗拉時，混凝土斷裂前最大伸長值。當混凝土的拉伸變形超過混凝土的極限拉伸值時，混凝土將產生裂縫。極限拉伸值作為混凝土抗裂性指標，在其它條件相同時，混凝土的極限拉伸值越高，其抗裂性越好。在宏觀層面上，混凝土極限拉伸性能主要受混凝土骨料性能、水泥石性能及膠骨比的影響。從試驗結果看，當骨料級配、水膠比、膠材總量基本相同時，不同摻合料組合及不同外加劑品種條件下混凝土的極限拉伸試驗結果抗拉強度、極限拉伸值差異不大。摻入纖維的混凝土7 d抗拉強度較其他組合有所增加，但28 d抗拉強度值較與其他組合略有降低，說明本研究中纖維可提高發育未成熟混凝土的早期抗拉強度，而對混凝土發育成熟的后期并無貢獻。

表10 混凝土性能試驗成果

3.3 混凝土干縮試驗結果分析

干縮是混凝土開裂的重要誘因之一，主要受膠骨比、水灰比，水泥品種，摻合料品種、外加劑品種等因素影響。在此次研究中，主要通過研究不同摻合料組合情況下混凝土干縮性能的變化尋找干縮性能較好的摻合料組合，降低混凝土開裂機率。一般研究路徑為：①摻入適量膨脹劑，補償部分混凝土收縮；②優化混凝土膠材組合，提高水泥石的內部密實度；③選擇適當的外加劑品種。

表11 混凝土各齡期干縮結果

混凝土即使是完全水化后，混凝土仍是多孔的材料。摻合料組合的變化，由于其各自水化產物的差異，對混凝土膠凝材料的自然堆積密實度（水化前膠材空隙率）、粒度及其水化速度具有一定程度的影響，在宏觀干縮性能上體現為混凝土干縮性能的變化。

從試驗結果可以看出，當摻合料組合為粉煤灰+膨脹劑時，混凝土干縮值最小，基準混凝土干縮值最大，其余摻合料組合的混凝土干縮值介于二者之間。與基準混凝土相比，粉煤灰+膨脹劑混凝土28 d干縮率降低約20%，60 d干縮率降低約23%；與粉煤灰混凝土相比，粉煤灰+膨脹劑混凝土28 d干縮率降低約12%，60 d干縮率降低約20%。

3.4 混凝土抗滲、抗凍性能試驗結果

與普通混凝土相比，加入膨脹劑后，由于鈣礬石膨脹結晶體具有填充和堵塞毛細孔徑的作用，從而增加混凝土的密實性，由于其高致密性而具有良好的抗滲、抗凍能力，經混凝土抗滲試驗。本研究各混凝土配合比抗滲等級均達到W6以上，混凝土抗凍等級均可達F300以上。

4 混凝土推薦配合比選擇

大體積混凝土抗裂性能主要受混凝土干縮、極限拉伸、水化熱溫升的影響，在此次試驗研究中，主要依據混凝土抗壓強度、干縮、極限拉伸、抗滲、抗凍性能及水化熱溫升進行混凝土最佳摻合料組合選擇。具體選擇步驟如下：

①選擇抗壓強度、抗滲、抗凍性能滿足設計要求的摻合料組合混凝土配合比。

②在步驟①的基礎上綜合比較各摻合料組合混凝土配合比性能，具體比較方法為：計算混凝土干縮與混凝土極限拉伸及由水化熱溫升導致的混凝土線性膨脹之和，選擇絕對值最小的配合比作為推薦配合比。計算公式如下：

式中：L——單位線性變化值，×10-4；εT——混凝土溫縮變形值，εT=-Tα；εj——混凝土極限拉伸值，×10-4；εg——混凝土干縮值，×10-4；T——混凝土水化熱溫升，℃；α——混凝土線膨脹系數，此處取6.5×10-6/℃。

式中不同摻合料組合配合比混凝土水化熱溫升通過下式求得：

式中：W——混凝土中水泥（活性膠凝材料）用量，kg；Q——水泥（活性膠凝材料）水化熱，kJ/kg；C——混凝土比熱，此處取0.96 kJ/（kg·℃）；ρ—混凝土容重，kg/m3。

膠凝材料水化熱取值見表12。

表12 膠凝材料水化熱取值 kJ/kg

通過計算，得出不同摻合料組合配合比混凝土的L值，具體計算結果見表13。

③在完成步驟②后，選擇L最小的混凝土配合比作為推薦摻合料組合混凝土配合比。綜合考慮混凝土抗壓強度、抗凍性能、抗滲性能、極限拉伸、干縮、水化熱溫升等抗裂性能影響因素后，選擇粉煤灰+膨脹劑作為此次研究的最優摻合料組合。

5 結論及建議

結論：根據試驗研究結果，粉煤灰+膨脹劑的摻合料組合混凝土綜合性能（主要側重于抗裂）優于其它摻合料組合的混凝土。同時表明纖維的摻入，明顯改善混凝土早期（7 d）抗壓強度及極限拉伸性能，但對混凝土28 d性能影響不大。

表13 不同摻合料組合的混凝土形變數值檢測及計算結果

綜合各項數據結果，推薦為JP2-4-2作為二級配混凝土最佳施工配合比；JP3-4-3作為三級配混凝土最佳施工配合比。

建議：1）混凝土澆筑塊厚度，在基礎部位第一層1 m，第二層不大于1.5 m，兩層以上可為2～3 m；2）現場施工時應采取適當措施降低混凝土拌合物澆筑溫度，從而盡可能降低混凝土內外溫差；3）混凝土施工后應及時養護，宜對混凝土表面采取覆蓋措施，以防止水分散失；4）對結構混凝土的永久暴露面，10—11月份澆筑的混凝土拆模后立即進行保溫，4—9月份澆筑的混凝土10月初開始保溫，其保溫時間至少一個低溫季節；5）后期養護對成熟混凝土的防裂有一定影響，因此混凝土的保濕養護應持續進行。

6 結語

此項試驗研究成果已于2008年下半年應用于蒲石河下水庫泄洪排沙閘預應力閘墩施工，閘墩于2009年6月初澆筑完畢，經多次檢查未發現裂縫，效果良好，可為東北等嚴寒地區的類似工程提供參考。