高寒、高海拔地區(qū)筑壩面板混凝土配合比設(shè)計研究

朱圣敏

（葛洲壩集團試驗檢測有限公司，湖北 宜昌 43002）

高寒、高海拔地區(qū)筑壩面板混凝土配合比設(shè)計研究

朱圣敏

（葛洲壩集團試驗檢測有限公司，湖北 宜昌 43002）

本文針對高寒、高海拔地區(qū)的氣候特點，從原材料、混凝土拌合物性能及配合比設(shè)計等方面對大壩面板混凝土進行配合比設(shè)計研究，保證工程混凝土在設(shè)計使用年限內(nèi)正常使用。

面板混凝土；抗裂；配合比設(shè)計

1 概述

面板作為大壩的防滲體，它的整體性和耐久性關(guān)系到大壩的穩(wěn)定安全，面板混凝土的防裂、限裂的研究，可提高面板混凝土的耐久性，延長大壩的使用壽命。混凝土面板裂縫分為非結(jié)構(gòu)性（溫度）裂縫和結(jié)構(gòu)裂縫兩種。裂縫是混凝土結(jié)構(gòu)中存在的一種普遍現(xiàn)象，它的出現(xiàn)不僅會降低建筑物的抗?jié)B能力，影響建筑物的使用功能，而且會引起鋼筋的銹蝕，耐久性降低，減少工程的使用年限。我國早期建成的大壩混凝土面板經(jīng)過多年的運行后表面都或多或少地產(chǎn)生了裂縫，本項目研究的對象——某高海拔水電站為超高面板堆石壩工程，其施工場地狹窄、岸坡陡峭，晝夜溫差大、氣候異常等。所以，其筑壩面板混凝土的防裂尤為關(guān)鍵，成為本工程設(shè)計研究的重點。本文針對堆石壩面板混凝土防裂技術(shù)展開研究，通過對面板（趾板）混凝土配合比試驗研究，來提高面板混凝土自身的抗裂能力，降低混凝土裂縫的產(chǎn)生的機率，提高混凝土面板的防滲能力。以達到方便施工，降低質(zhì)量控制工作的難度的目的，確保滿足施工高質(zhì)量的要求。

2 研究背景

當今提高混凝土面板的抗裂性，通常從兩方面考慮：一是提高混凝土極限抗拉強度和極限拉伸值，主要是提高混凝土的強度等級和改善級配降低彈性模量，因為硬化混凝土收縮應變受約束的條件下，引起彈性拉應力產(chǎn)生，可近似地看作彈模與應變的乘積，當拉應力超過混凝土的抗拉強度時，材料出現(xiàn)開裂。所以彈性模量越小，產(chǎn)生一定量收縮引起的彈性拉應力越小，混凝土就越不容易開裂。但此種方法控制有限，只能減少非結(jié)構(gòu)性裂縫，效果不顯著。二是采用補償收縮混凝土，它是利用在混凝土中添加具有膨脹性能的外加劑，使硬化后的混凝土產(chǎn)生與收縮相反的體積膨脹來補償混凝土的收縮 ，以此消除或減小收縮應力。

本文針對某高海拔水電站面板設(shè)計出一種更優(yōu)異的性能及耐久性的面板混凝土，推薦經(jīng)濟適用且裂縫出現(xiàn)幾率小的混凝土配合比。

3 混凝土配合比設(shè)計

3.1 面板混凝土設(shè)計要求

某大壩面板混凝土的主要技術(shù)要求，見表 1。

3.2 試驗原材料及配合比

試驗采用工程大壩面板的原材料，水泥中熱 42.5水泥，I 級粉煤灰，砂為細度模數(shù)為 2.7 的中砂，石子采用 5～20mm 和 20～40mm 二級配碎石。試驗中采用采用深圳市鵬達輝實業(yè)發(fā)展有限公司生產(chǎn)的聚丙烯腈纖維和上海羅洋新材料科技有限公司生產(chǎn)的羅賽纖維RS2000。

表1 面板混凝土的技術(shù)要求

3.3 混凝土配合比設(shè)計

3.3.1 減水劑摻量選擇

減水劑對工程用膠凝材料適應性試驗中，一般選擇外加劑摻量低，流動度大且流動度損失小的外加劑摻量為最佳摻量，此時的減水劑對水泥的適應性好。試驗選用普通 42.5水泥+20% 華翔Ⅰ級粉煤灰作為膠凝材料，選用新疆格輝 FDN 減水劑，減水劑與膠凝材料適應性試驗結(jié)果如表 2 所示。

表2 減水劑與膠凝材料適應性試驗結(jié)果表

從表 2 試驗結(jié)果看，混凝土外加劑摻量選用 1.2%時，流動度大且流動度無損失，故混凝土外加劑摻量選用 1.2%。

3.3.2 纖維分散性試驗

纖維的分散性試驗是保證纖維混凝土在攪拌過程中均勻分散，防止纖維結(jié)團，是通過投料次序和攪拌時間確定的。試驗方法有：

（1）先將纖維和骨料、膠凝材料攪拌 1min，使之均勻，然后加水和外加劑水溶液繼續(xù)攪拌 2min；

（2）先攪拌除纖維外的其他材料，逐漸投入纖維，此過程歷時 2min，當全部投入后，再攪拌 1min。

通過外觀評定，第二種投料次序和攪拌時間纖維成團較嚴重，第一種投料次序和攪拌時間使纖維的分散性更好，選擇第一種方式。

3.3.3 纖維摻量選擇試驗

合理的纖維摻量能改善混凝土拌合物的抗裂性能，試驗采用深圳市鵬達輝實業(yè)發(fā)展有限公司生產(chǎn)的聚丙烯腈纖維和上海羅洋新材料科技有限公司生產(chǎn)的羅賽纖維RS2000。室內(nèi)試驗采用 0.35 水膠比，中熱 42.5 水泥，20% 的 I 級粉煤灰，適宜的減水劑及引氣劑摻量，羅塞纖維摻量分別選用 0.8kg/m3、1.0kg/m3、1.2kg/m3，聚丙烯腈纖維摻量分別選用 0.7kg/m3、0.9kg/m3、1.1kg/m3，進行二級配混凝土早期抗裂試驗，具體試驗成果見表3、圖 1。

表3 混凝土早期抗裂試驗成果表

圖1 混凝土樣品試件

由表 3 試驗結(jié)果可以看出：羅賽纖維摻量選用1.0kg/m3、1.2kg/m3，聚丙烯腈纖維摻量選用 0.9kg/m3、1.1kg/m3時，混凝土試件未出現(xiàn)裂縫；且羅賽纖維、聚丙烯腈纖維的推薦摻量分別為 1.0kg/m3、0.9kg/m3，兩種纖維在合適的摻量下能大大降低混凝土裂縫出現(xiàn)的幾率。

采用合適的砂率可增加混凝土的密實度，改善混凝土的和易性及外觀質(zhì)量，保證施工質(zhì)量。在進行最優(yōu)砂率優(yōu)選的同時，確定混凝土單位用水量、引氣劑和減水劑摻量等混凝土基本參數(shù)。

本次試驗混凝土砂率優(yōu)選試驗采用 0.38 水膠比，普通 42.5 水泥，20% Ⅰ級粉煤灰，0.9kg/m3聚丙烯腈纖維，考慮到坍落度損失較快，出機口坍落度按照70～90mm 控制，含氣按照 4.5%～6.5% 控制，分別選取 32%、34%、36%、38% 砂率，進行常態(tài)混凝土拌合物性能試驗。試驗結(jié)果見表 4。

表4 二級配常態(tài)混凝土最優(yōu)砂率試驗結(jié)果表

3.3.4 混凝土最優(yōu)砂率選擇試驗

由表 4 結(jié)果可以看出：二級配常態(tài)混凝土在水膠比為 0.38，粉煤灰摻量為 20%，砂率為 36% 時，混凝土拌合物坍落度最大，容重最大，因此二級配常態(tài)混凝土最優(yōu)砂率為 36%。

3.3.5 混凝土性能試驗

試驗采用中熱 42.5 水泥，I 級粉煤灰，新疆格輝高效減水劑和 GH-AE 引氣劑。試驗時減水劑摻量為1.2%，配制成 20% 濃度的溶液、引氣劑配制成 1% 濃度的溶液使用，骨料采用委托方提供的人工碎石，原狀骨料運到試驗室，經(jīng)篩分處理。按委托方提供的設(shè)計技術(shù)要求，室內(nèi)試驗混凝土出機口坍落度按 70～90mm、含氣量按 4.5%～6.5% 控制，二級配石子比例為小石:中石=45:55。

3.3.5.1 混凝土拌合物性能

混凝土拌合物性能試驗成果見表 5。

從表 5 試驗結(jié)果可以看出：同條件下?lián)搅_賽纖維拌制的混凝土與摻聚丙烯腈纖維拌制的混凝土用水量相同，比不摻纖維的混凝土單位用水量多 4kg。

表5 不同水膠比混凝土拌合物室內(nèi)試驗結(jié)果表

3.3.5.2 混凝土力學性能試驗結(jié)果

混凝土力學性能室內(nèi)試驗成果見表 6。

從表 6 試驗結(jié)果可以看出：

（1）在相同水膠比時，摻羅賽纖維拌制的混凝土7d、28d 抗壓強度，28d 劈拉強度，28d 軸拉強度和極限拉伸值均略高于摻聚丙烯腈纖維拌制的混凝土；兩種摻纖維的混凝土的極限拉伸均高于不摻纖維的混凝土。

（2）在相同水膠比時，摻羅賽纖維拌制的混凝土彈性模量與摻聚丙烯腈纖維拌制的混凝土相當；兩種摻纖維的混凝土的彈性模量均低于不摻纖維的混凝土。

混凝土的極限拉伸值滿足設(shè)計要求。

通過回歸分析，摻聚丙烯腈纖維混凝土 28d 抗壓強度與膠水比關(guān)系式為：

通過回歸分析，摻羅賽纖維混凝土28d抗壓強度與膠水比關(guān)系式為：

3.3.5.3 混凝土耐久性試驗成果

按照委托方提供設(shè)計要求，混凝土抗凍等級為F300，抗?jié)B等級為 W12，齡期 28d。本次對混凝土抗凍性能和抗?jié)B性能進行了試驗。

室內(nèi)試驗混凝土抗凍試件采用 100mm×100mm× 400mm 的試件，成型時用圓孔篩篩除大于 30mm 骨料顆粒；混凝土抗?jié)B試件采用上口直徑 175mm、下口直徑 185mm、高 150mm 的截頭圓椎體試件。混凝土抗凍性能和抗?jié)B性能試驗成果見表 7。

表6 硬化混凝土室內(nèi)試驗成果表

從表 7 試驗成果可以看出：混凝土的抗?jié)B等級滿足設(shè)計要求。摻兩種纖維拌制的混凝土 300 次凍融循環(huán)后的性能均較好，抗凍性能高于基準不摻纖維的混凝土。

3.2.5.4 混凝土干縮性能試驗成果

室內(nèi)試驗混凝土干縮試件采用 100mm×100mm× 515mm 的棱柱體試件，成型時用圓孔篩篩除大于30mm 骨料顆粒。試驗成果見表 8。

從表 8 試驗結(jié)果看：摻兩種纖維拌制的混凝土干縮均隨著水膠比的減小而增大。兩種摻纖維的混凝土的干縮均小于不摻纖維的混凝土。

表7 混凝土抗凍和抗?jié)B性能試驗成果表

表8 混凝土干縮試驗成果表

3.2.5.5 混凝土彎曲韌性和初裂強度試驗成果

室內(nèi)試驗采用 100mm×100mm×400m 的試件，成型時用圓孔篩篩除大于 30mm 骨料顆粒。試驗按 CECS 13:2009《纖維混凝土試驗方法標準》規(guī)范進行。試驗結(jié)果見表 9。從表 9 試驗結(jié)果看：在 0.35 水膠比時，摻羅賽纖維的混凝土彎曲韌性比高于摻聚丙烯腈纖維的混凝土。摻兩種纖維拌制的混凝土彎曲韌性比均隨著水膠比的減小而增大。

4 推薦混凝土配合

根據(jù)混凝土的試驗成果及回歸關(guān)系式，計算滿足各設(shè)計強度等級要求的水膠比，結(jié)合設(shè)計技術(shù)要求混凝土配制強度為 37.4MPa，對面板混凝土確定推薦水膠比，推薦混凝土配合比見表 10。

表9 混凝土彎曲韌性和初裂強度試驗結(jié)果表

表10 推薦常態(tài)混凝土配合比表

5 結(jié)語

摻合成纖維的混凝土與基準混凝土相比可提高極限拉伸，減少干縮，提高混凝土的彎曲韌性及抗凍性能。本文針對高海拔大溫差的堆石壩面板混凝土防裂技術(shù)展開研究，通過對面板（趾板）混凝土配合比試驗研究，來提高面板混凝土自身的抗裂能力；降低混凝土裂縫的產(chǎn)生的機率，提高混凝土面板的防滲能力。

［通訊地址］湖北宜昌市西陵區(qū)清波路 25 號葛洲壩集團試驗檢測有限公司（443002）泥，水泥的 3d 強度要達到 28～30MPa 左右。

第三，選用含早強母液的、減水率高的聚羧酸減水劑。

以上三點思路國內(nèi)大部分 PC 工廠的技術(shù)人員都想到了、并采用了，重要的是第四點，采用的水泥、礦粉膠凝材料組合來替換國內(nèi)大部分 PC 工廠采用的水泥、粉煤灰膠凝材料組合的思路很重要。水泥、礦粉膠凝材料組合不僅不影響早期拆模強度，成本還能大大降低，由于減少了水泥用量、增加了礦物摻合料用量混凝土耐久性還得到了大幅提升。

［作者簡介］黃振興（1964—），男，研究生，總工程師。從事混凝土行業(yè) 28年，參加過高鐵、地鐵、幾十座大型橋梁高強度、高性能混凝土的生產(chǎn)和供應，在國家級混凝土專業(yè)期刊發(fā)表論文 20 多篇。

［通訊地址］浙江省溫州市鹿城輕工業(yè)園區(qū)盛昌路 1 號浙江新邦遠大住宅工業(yè)發(fā)展有限公司（32500）

Study on the mix proportion design of concrete panel dam in alpine high altitude area

Zhu Shengmin
(Gezhouba Dam group testing & Inspection Co., Ltd., Hubei Yichang 43002 )

This article aims at the climate characteristic of cold, high altitude, from raw materials, mix proportion design of concrete mixture performance and concrete mixture ratio design of the dam panel study, ensure the normal use in the engineering in the design of concrete use f i xed number of year.

panel concrete; anti-cracking; mix design

朱圣敏，2002年畢業(yè)于武漢水利電力大學土木工程系，現(xiàn)就職于葛洲壩集團試驗檢測有限公司，從事混凝土試驗研究工作 15年，高級工程師。