板澗河調蓄水庫面板混凝土試驗研究

(山西省水利水電科學研究院，山西 太原 030002)

1 工程概述

板澗河調蓄水庫為山西省小浪底引黃工程引水干線中的重要組成部分，水庫位于山西省運城市垣曲縣板澗河村下游約1.5km處。水庫設計總庫容為3336萬m3，屬于中型水庫；工程主體建筑物由大壩、溢洪道、泄洪洞等組成。

根據初步設計要求，大壩為2級建筑物，溢洪道和泄洪洞為3級建筑物；水庫大壩的設計方案采用混凝土面板堆石壩，最大壩高85.0m，壩頂寬8.0m，壩頂高程540.0m，上下游壩坡比均設計為1∶1.4；大壩的面板為鋼筋混凝土，強度等級C30，抗凍等級F150，抗滲等級W10，面板厚度30～60cm，大壩面板分塊寬為8.5～12m。

2 原材料的選用

面板混凝土配合比的原材料中，水泥選用P·O 42.5普通硅酸鹽水泥；摻和料選擇當地的Ⅱ級粉煤灰，為提高面板混凝土的防裂性能，還摻用了19mm規格的聚丙烯纖維；細骨料選用當地砂廠的天然中砂，細度模數為2.86，含泥量為2.2%；碎石選用當地石料廠的二級配碎石(小石5～20mm粒徑、中石20～40mm粒徑)；混凝土外加劑選用DH3G型高效減水劑和DH9型引氣劑。

3 面板混凝土的配合比試驗

3.1 面板混凝土配合比的試配組合方案

面板混凝土配合比的主要參數有水膠比、用水量、砂率、減水劑摻量、引氣劑摻量等。其中，水膠比的變化主要用于研究混凝土強度變化和建立水膠比與混凝土強度的關系曲線，用水量的變化用于研究對混凝土拌和物性能影響，粉煤灰、減水劑、引氣劑的變化用于研究對混凝土拌和物性能、強度和后期混凝土耐久性能的影響，粉煤灰、砂及石子的變化用于研究對混凝土拌和物性能、混凝土強度性能的影響。基于以上考慮，初步確定面板混凝土的試配組合方案。

3.2 面板混凝土配合比基本參數的確定

面板混凝土的設計指標為C30F150W10，根據前期的試驗結果和擬定的面板混凝土配合比設計方案，初步設定配合比的基本參數及其變化范圍。

a.水膠比、坍落度、用水量及含氣量：水膠比變化范圍為0.34～0.43，分別按照0.34、0.37、0.40、0.43的水膠比進行試驗；面板混凝土的拌和物坍落度范圍為30～70mm，單位體積用水量為140～150kg/m3，分別按照140kg/m3、145kg/m3、150kg/m3的變化進行試驗；含氣量控制范圍為3%～6%。

b.水泥：水泥選用42.5級的普通硅酸鹽水泥，水泥用量范圍為300～350kg/m3。

c.摻和料：主要摻和料為粉煤灰，輔助摻和料為聚丙烯纖維。首選的粉煤灰要求質量等級為Ⅱ級，摻量范圍為15%～18%，分別按照15%、16%、17%、18%的摻量進行試驗，每平方米混凝土中，粉煤灰用量范圍60～70kg/m3；考慮到面板混凝土要求具有一定的早期防裂性和延展性，還選用聚丙烯纖維作為摻和料進行試驗，選用19mm規格的聚丙烯纖維，摻量范圍0.7～0.9kg/m3，分別按照0.7kg/m3、0.8kg/m3、0.9kg/m3的變化進行試驗。

d.粗細骨料：細骨料選用天然中砂，砂率范圍為35%～39%，分別按照35%、37%、39%的變化進行試驗；粗骨料采用二級配，為5～20mm粒徑、20～40mm粒徑。通過級配的組合試驗，初步確定小石∶中石比例組合為 1∶1。

e.外加劑：混凝土高效減水劑的摻量范圍為0.70%～0.85%，分別按照0.70、0.75、0.80、0.85的變化進行試驗；混凝土引氣劑的摻量范圍為1.00/萬～1.30/萬，分別按照1.00/萬、1.10/萬、1.20/萬、1.30/萬的變化進行試驗。

根據以上考慮，初步設定面板混凝土配合比的主要參數,見表1。

表1 面板混凝土配合比的主要參數

面板混凝土的試驗分別按照A1～A6系列組合進行，其中試驗編號A1～A4為基本系列組合，試驗編號A5～A6為參照比對系列組合。依據面板混凝土配合比的主要參數，給出面板混凝土的單方混凝土配合比材料用量表，隨后進行成型混凝土試件的各項性能試驗。

3.3 面板混凝土的試驗結果分析

面板混凝土的試驗包括混凝土拌和性能試驗、抗壓強度性能試驗、抗滲性能試驗、抗凍性能試驗等，隨后對各項試驗結果進行數據處理和研究分析，對初步擬定的面板混凝土配合比參數進一步調整優化，以確定滿足工程設計及施工要求的配合比基本參數。面板混凝土配合比的各項性能試驗結果見表2。

3.3.1 面板混凝土拌和性能的各項試驗結果分析

通過對A1～A6配合比組合系列各項試驗結果的分析和比較，可以觀察到編號A2、A5、A6面板混凝土配合比系列中，拌和性能的試驗結果整體適中，基本可滿足設計及施工要求。

表2 面板混凝土配合比的各項性能試驗結果

其中，在混凝土拌和物的和易性指標中，編號A2、A3、A5、A6試件的和易性試驗結果相對較好；混凝土拌和物坍落度實際測值波動范圍為39～72mm，滿足設計試驗要求，A2、A5試件的坍落度試驗結果相對適中；混凝土拌和物含氣量測值的波動范圍為3.1%～5.8%，A3、A4、A5、A6配合比的含氣量試驗結果相對較好。

根據面板混凝土配合比系列的拌和性能試驗結果，得到混凝土拌和物含氣量與聚丙烯纖維摻量的關系曲線，見圖1。隨著聚丙烯纖維摻量的增大，含氣量指標有增大的趨勢，二者同方向變化。在A1～A6配合比系列中，通過對混凝土拌和物含氣量指標波動趨勢的觀察，發現隨著引氣劑和聚丙烯纖維摻量的增加，混凝土拌和物的和易性變好，但同時混凝土拌和物的含氣量指標有增大的趨勢,考慮到含氣量指標的要求限制和對和易性的影響，根據目前的試驗結果，聚丙烯纖維在本項試驗面板混凝土中的摻量不宜過大，其中A5、A6試件聚丙烯纖維摻量適中，其對應的混凝土含氣量測值適中，同時和易性較好且其坍落度指標也能夠滿足設計要求，對應的聚丙烯纖維摻量和引氣劑摻量分別為0.7kg/m3和1.30/萬。

圖1 含氣量與聚丙烯纖維摻量關系曲線

綜合分析以上面板混凝土配合比拌和性能的試驗結果，編號A2、A5、A6試件的試驗結果相對較好。

3.3.2 面板混凝土抗壓強度的試驗結果分析

在面板混凝土的抗壓強度試驗結果中，混凝土試件的3天抗壓強度均大于20MPa，7天抗壓強度均大于25MPa，28天抗壓強度均大于33MPa，配合比的試驗組合系列基本滿足面板混凝土的抗壓強度等級要求，其中，編號A1試件的3天、7天、28天的抗壓強度試驗測值最高，編號A2、A5、A6試件的3天、7天、28天的抗壓強度試驗結果相對適中。

圖2 水膠比與28天抗壓強度關系曲線

根據面板混凝土配合比系列的抗壓強度試驗結果，得到混凝土水膠比與28天的混凝土抗壓強度關系曲線，見圖2。從圖2中可知，混凝土的抗壓強度隨著水膠比的增大而呈現下降趨勢，二者反方向變化。通過水膠比與28天的混凝土強度關系曲線發展趨勢分析，認為面板混凝土配合比的水膠比數值在0.35～0.40之間較為適宜。

3.3.3 面板混凝土耐久性試驗結果分析

面板混凝土的耐久性試驗項目包括抗滲性能和抗凍性能檢測。

混凝土的抗滲性試驗結果表明，面板混凝土配合比總體系列的抗滲性能試驗結果較好，抗滲等級大于設計要求。其中，編號A1、A2、A3、A5、A6試驗結果抗滲等級均大于W10。

依據《水工混凝土試驗規程》(SL 352—2006)，在要求規定的凍融循環次數內，混凝土試件的相對動彈性模量下降至初始值的60%或質量損失率達5%時，即可認為試件已達破壞，并以相應的凍融循環次數作為該混凝土的抗凍等級。從混凝土的抗凍性試驗結果來看，試件抗凍性能結果較好。其中對A2、A3試件進行了混凝土的快速凍融試驗，試件歷經150次快速凍融循環后相對動彈性模量值分別為97.1%、95.6%，高于相對動彈性模量60%的要求；混凝土質量損失率分別為0.1%、0.2%，低于質量損失率5%的要求。試驗結果表明其抗凍性能在歷經150次快速凍融循環之后，其抗凍測值的富裕系數較大，保證率較高。

綜合以上試驗結果分析，試件的抗滲及抗凍試驗結果基本滿足要求，其中編號A2、A5、A6配合比相對較好，在滿足面板混凝土的技術要求下，以此配合比系列為基礎參數，提出推薦的大壩面板混凝土配合比。

4 配合比在工地現場的適應性調整及后期混凝土的養護

實驗室的配合比能否與工地情況相適應，是混凝土澆筑能否順利實施的前提和關鍵。由于工地現場的施工條件和環境條件的變化，實驗室配合比經常需要調整和優化，工地現場試驗過程中，遇到的主要問題包括混凝土拌和物的和易性變差、含氣量值不穩定、坍落度值需要分時段調整等。

a.施工攪拌設備及運輸車輛情況。施工使用的混凝土攪拌設備為SXJS1000型混凝土攪拌機，出料容量1000L，進料容量1600L，生產率為40～50m3/h，最大骨料粒徑80mm，攪拌軸轉速26.2r/min。現場配備30型裝載機一臺，作為加裝原材料的設備。混凝土攪拌站到上壩距離約為300m，施工場地狹小，上壩道路狹窄，大型車輛展開運送較為困難，因此施工單位采用2m3的自卸翻斗三輪車作為混凝土運輸的車輛進行施工作業。

b.工地現場試驗拌和過程中，觀察到混凝土的和易性時好時差，拌和物時稀時稠，坍落度值也忽高忽低，很不穩定。分析原因發現堆料場砂子其表面和內部的含水率不一致，造成砂子含水率的波動。為此在砂子使用前，將砂子充分拌和均勻后裝料，隨后的觀察表明混凝土拌和物性能基本保持穩定。

c.現場發現混凝土拌和物的含氣量指標不穩定，通過逐項排查，最后發現是施工操作人員在準備引氣劑溶液時，沒能充分溶解和稀釋原液，造成溶液濃度不穩定、波動較大，于是安排專人負責混凝土的引氣劑配制，并對混凝土含氣量值加強頻次檢測，使含氣量基本穩定在4%～6%范圍之內。

d.坍落度的調整。由于工程所在地為峽谷地帶，晝夜溫差較大，且大壩壩體地段正面處于峽谷風口，白天風速相對較大，而夜間風速相對較小，工程地形和氣候環境不利于施工拌和及后期的混凝土養護。尤其是在面板混凝土的施工過程中，較大的風速對混凝土拌和物的坍落度影響較大，對此通過分時段調整混凝土拌和物的坍落度值，滿足混凝土的施工要求。在白天風速較大時施工，將混凝土坍落度調整為50～70mm，在夜間風速相對較小時施工，將混凝土坍落度調整為40～50mm，可確保面板混凝土澆筑的順利施工。

e.混凝土面板的養護措施。根據面板混凝土的養護要求，要求施工單位在成型后的面板混凝土養護中采取保溫和保濕措施。在需要養護的大壩面板頂部安裝PP塑料管灑水，沿塑料管表面扎一排微小的灑水孔，將塑料管引入水源，通過這排微小的灑水孔不間斷且均勻地在大壩混凝土面板上進行灑水保濕；保溫措施是將一種黑色絨毛氈類保溫被覆蓋在面板混凝土上，混凝土面板的養護時間為90天。

5 結 語

板澗河調蓄水庫面板混凝土的試驗研究，包括室內試驗和工地現場試驗兩部分。在混凝土各項性能試驗的基礎上，通過對影響混凝土性能的各項因素進行分析，研究了有關參數的變化趨勢并得到其變化關系曲線，提出了面板混凝土配合比方案；同時結合實驗室配合比與工地情況的不適應等問題，及時調整和優化面板混凝土配合比，為工程的順利實施提供保障。