拱壩混凝土自生體積變形試驗研究

李行星 李維炳

(新疆額爾齊斯河流域開發工程建設管理局，新疆烏魯木齊 830000)

1 前言

混凝土的自生體積變形是指混凝土在恒溫絕濕和無外荷載的條件下，僅僅由于膠凝材料的水化引起的體積變形。為了防止混凝土發生裂縫，許多壩工等大體積混凝土在設計中都提出抗裂要求，自生體積變形是混凝土抗裂能力的一個重要指標［1］。自生體積變形的試驗方法，目前我國按《水工混凝土試驗規程》(SL 352—2006)進行，以下提及相關試驗均按該規程進行。新疆布爾津山口拱壩為常態混凝土雙曲拱壩，最大壩高94m，壩底最大寬度27m，壩頂弧長311.5m，壩頂厚度10m，橫縫間距15m，混凝土總方量31.2萬m3。壩址區多年平均氣溫為5℃，壩址極端最高氣溫39.4℃，極端最低氣溫－41.2℃;當地氣候具有冬季較長且多嚴寒，年氣溫差較懸殊，寒潮次數多，日溫差大等特點。該拱壩混凝土的設計等級為C9030F400W10，設計抗拉強度2.0MPa，抗壓彈模30GPa，極限拉伸 85 ×10－6，強度保證率80%。根據該拱壩溫控設計，封拱溫度約為6℃，控制澆筑溫度最大12℃，溫控難度較大，初選拱壩主體混凝土配合比為粗骨料最大粒徑150mm的四級配混凝土，膠材為布爾津縣水泥和瑪納斯火電廠的粉煤灰。在初選定四級配混凝土配合比后，經復核試驗濕篩(直徑40mm)的自生體積變形達到－130μ(μ表示1×10－6)，試驗結果約是國內其他拱壩混凝土試驗結果的5～10倍［2］。本文結合布爾津山口拱壩四級配混凝土試驗，主要從控制混凝土自生體積變形的角度，探討如何在滿足設計指標要求的前提下，合理選定水泥品種及水膠比、粉煤灰摻量等參數，最大限度地降低混凝土的自生體積變形，從而降低混凝土施工過程中溫控防裂的難度。

2 初選配合比試驗

2.1 混凝土試驗用原材料和初選配合比

混凝土試驗用原材料和主要參數見表1，在初選配合比試驗時，考慮到就近取材，選用了距壩址50km的布爾津縣水泥廠的硅酸鹽水泥。初選配合比見表2。

表1 混凝土試驗用原材料

表2 混凝土配合比參數和材料用量

2.2 初選配合比試驗結果

2.2.1 力學試驗

初期配合比力學試驗結果見表3。

表3 初期配合比力學試驗結果

從表3看出，初選配合比濕篩試驗結果滿足設計指標，且有一定的富余。90d原級配抗壓強度為濕篩的81.3%，達到設計抗壓強度。90d彈模基本符合設計要求。

2.2.2 自生體積變形試驗

自生體積變形試驗結果見圖1。

圖1 自生體積變形試驗結果

由圖1知，初選配合比自生體積變形，濕篩達到－130μ，原級配達到 －66μ，原級配是濕篩數值的50.8%，按一般混凝土熱膨脹率10μ/℃計，－66μ相當于混凝土增加了6.6℃的溫差變形，不利于溫控防裂。

2.2.3 絕熱溫升試驗

絕熱溫升試驗結果見表4。由表4知，初選配合比雖然摻粉煤灰45%，膠材總量216kg/m3，但28d溫升達25.6℃，推算最終溫度達26.1℃，增加了溫控難度。

表4 初選配合比絕熱溫升試驗結果

3 調整配合比的試驗

在決定進行調整配合比試驗時，布爾津縣水泥廠與屯河水泥廠重組，產品技術質量完全由屯河水泥廠控制，并增加了中熱水泥品種。所以調整配合比決定用該廠生產的中熱水泥，據有關研究，大壩混凝土采用中熱水泥+粉煤灰，其自生體積變形的最終收縮值，隨水膠比降低而增加［3］，因此調整配合比的自生體積變形試驗須進行變化水膠比和粉煤灰摻量的研究。

3.1 混凝土原材料

調整試驗選擇了屯河P.MH42.5硅酸鹽水泥作為試驗和施工用水泥，廠家雖承諾均按中熱水泥指標控制，但經檢測試驗用水泥7d水化熱為319kJ/kg，略高于GB 200—2003對中熱硅酸鹽水泥水化熱的限制要求。外加劑增加了JM—II緩凝高效減水劑與GYQ引氣劑，其余原材料與表1同。

3.2 試驗配合比

試驗配合比變化了2種水膠比、2種粉煤灰摻量、2組外加劑，詳見表5。

表5 調整后的混凝土配合比

3.3 試驗結果

調整配合比試驗結果見圖2。由圖2可知，采用了中熱水泥的混凝土自生體積變形，初凝后均發生了膨脹，且最大膨脹量持續約10d后開始收縮，膨脹量越大最終收縮值越小，由于混凝土在初凝后開始短齡期內彈模較小，產生的膨脹對防裂起不到大的作用，一般將最大膨脹值作為0點值計算最終收縮值(以下用εmax表示)。其中XB1配合比采用NF—2外加劑、粉煤灰摻量為35%、水膠比為0.43的膨脹量最大為59μ(μ表示1 ×10－6)，收縮最小值為 －19μ，εmax為 －78μ。采用JM—Ⅱ粉煤灰摻量40%，水膠比0.38，最大膨脹量29μ，最小收縮量 －67μ，εmax為 －95μ，其余配合比均在上述兩者范圍內。調整配合比與初選配合比相比εmax減少了(130－78)/130=40%。調整配合比試驗表明:?粉煤灰摻量大而水膠比小的配合比自生體積變形的收縮值較大;?外加劑品種的影響小;?水泥品種影響最大。調整配合比試驗未進行原級配試驗，但根據初選配合比試驗時原級配大約是濕篩的50%估算，XB1原級配的自生體積變形約為－39μ，比初選配合比減少 27μ。

圖2 調整配合比自生體積變形試驗結果

3.4 絕熱溫升試驗

絕熱溫升試驗用調整配合比見表6。試驗結果見表7。從表7知，調整配合比的絕熱溫升比初選配合比推定最終絕熱溫升降低6℃，實測28d數值降低6.3℃。

表6 絕熱溫升試驗用調整配合比

表7 混凝土絕熱溫升試驗結果

3.5 力學試驗

調整配合比的混凝土力學試驗結果見表8。由表8可知，調整配合比的力學性能滿足設計指標，而且彈性模量較小，抗拉強度大，極限拉升值較大，有利于混凝土溫控防裂。

表8 調整配合比混凝土力學性能試驗結果

4 選定配合比

根據調整配合比試驗結果，選定了εmax絕對值為較小值和絕熱溫升較小的XB1配合比作為拱壩混凝土施工用配合比，見表9。

表9 選定配比的混凝土配合比參數和單位材料用量

5 選定配合比施工質量和防裂情況

5.1 施工質量

2011年9月—2014年11月施工的拱壩四級配混凝土，經第三方檢測(非施工企業檢測)，抗壓強度、含氣量、坍落度統計見表10。從表10可知，對設計C9030的強度濕篩檢測抗壓強度89組統計，均方差3.4MPa，均值35.4MPa，設計C9030的保證率為95%，齡期180d的平均抗壓強度相對90d約增長17.7%。混凝土的強度保證率遠大于其80%的要求，施工質量優良。

表10 施工質量統計

5.2 防裂檢查與統計

拱壩于2011年9月開工，至2104年11月，大多數壩段的混凝土澆筑達到壩頂，導流洞已封堵，大壩底孔已過水，從底部觀測廊道排水孔看僅有濕痕，無明顯滲水。經2013年底統計，拱壩在強約束區低壩段的觀測廊道以下部位產生了23條淺層縱向裂縫，縫寬0.1～0.4mm，深度0.1～0.9m，裂縫長度合計194.38m。可以認為在嚴寒地區該拱壩混凝土產生裂縫較少，其原因除了嚴格控制混凝土溫度和施工質量外，所選配合比的絕熱溫升小和自生體積變形較小也是一個重要因素。

6 結論

a.最大粒徑為150mm的拱壩四級配混凝土，雖然總膠材量僅200kg/m3左右，在配合比設計時混凝土的自生體積變形是一個必須考慮的參數。

b.通過自生體積變形試驗研究，選定了布爾津山口拱壩四級配混凝土配合比的參數，降低了混凝土自生體積變形的最終收縮應變。

c.經實際施工應用，該配合比防裂效果較好。

d.選定的配合比雖然相對降低了自生體積變形，但較國內其他工程收縮值仍較大，以后還需對原級配和濕篩數據的關系及合理采用進一步研究。■

［1］ 劉數華，方坤河．混凝土的自生體積變形的影響因素分析［J］．湖北水力發電，2007.2．

［2］ 李維炳．大壩混凝土的自生體積變形研究與探討［J］．生態建材，2012．2．

［3］ 佐藤英明．各種セメントを用いたダムコンクリートの自己収縮，コンクリート工學年次論文集，Vol.31，No.1，2009(1531—1536)［EB/OL］．［2014-05-06］．http://data．jcinet．or．jp/data_pdf/31/031-01-1249．pdf