蒲石河抽水蓄能电站闸墩多掺合料混凝土抗裂技术研究

孙晓奇 ，朱甲学，方祖光 ，李艳萍 ，马智法

（1.中国水利水电第二工程局有限公司，北京 100011；2.水利部寒区工程技术研究中心，吉林 长春 130061）

蒲石河抽水蓄能电站下水库闸墩采用预应力混凝土浇筑，与常规混凝土相比，预应力混凝土具有混凝土标号高、水泥用量高、胶凝材料用量高等特点，从而导致混凝土浇筑后水化热温升较高、干缩较大，存在开裂危险。结合蒲石河抽水蓄能电站下水库闸墩的各项技术要求进行混凝土抗裂技术研究，通过采用掺合料双掺、三掺及掺粉煤灰前期性能激发等新技术手段，研究不同胶凝材料组合变化对混凝土性能的影响，以达到降低混凝土因原材料、配合比等问题而导致开裂，增加结构耐久性能的目的。

1 技术路线

混凝土开裂的原因复杂,是多方面因素共同作用的结果。根据已经掌握的资料，目前工程界防止或控制混凝土裂缝的措施主要有以下几种：

1）从设计角度对结构合理分缝并配置抗裂筋。

2）从科研角度对混凝土原材料和配合比进行优化选择。

3）从施工角度对混凝土的拌和温度、入仓温度、最大温升、内外温差及降温速率进行控制。在该次研究试验中，主要通过采用混凝土原材料优选、配合比优化、掺合料组合优化等研究手段，优化混凝土材料自身抗裂性能。

考虑大体积混凝土抗裂性能影响因素，确定这次大体积混凝土抗裂性能研究指导思想为：在混凝土性能满足设计要求的前提下，采用合理的胶凝材料组合和适当减少单方水泥用量，实现降低水化热温升，提高混凝土极限拉伸性能，减小混凝土干缩，从而提高混凝土抗裂性能。实施过程中具体掺合料组合方案及相应机理见表1。

表1 掺合料组合方式

2 原材料选择和配合比

2.1 原材料

1）水泥。采用抚顺水泥有限责任公司生产的浑河牌P·MH42.5级中热硅酸盐水泥，水泥各项指标满足国标要求。

2）粉煤灰。采用丹东华丹粉煤灰有限公司生产的粉煤灰，粉煤灰各项性能均满足DL/T5055-2007《水工混凝土掺用粉煤灰技术规范》要求。

3）粉煤灰激发剂。粉煤灰激发剂可以加快粉煤灰的水化速度，有效提高大掺量粉煤灰混凝土的前期性能。且可起到控制高性能混凝土水化热温升的作用。这次研究粉煤灰激发剂采用甘肃巨才电力技术有限责任公司生产的HF外加剂。

4）膨胀剂 。采用新中州HEA-1膨胀剂，作为这次研究用膨胀剂。

5）硅粉 。采用挪威埃肯集团材料公司生产的硅粉。

6）外加剂。聚羧酸系高效减水剂，采用陶正化工（上海）有限公司生产的SR3超塑化剂；萘系减水剂，采用北京筑之坝混凝土材料有限公司生产的ZB-4高效引气减水剂。

7）纤维。采用江苏丹阳合成纤维厂生产的丹强丝。

8）骨料。采用蒲石河抽水蓄能电站现场生产各种骨料，天然砂及粗骨料品质均符合DL/T5144-2001《水工混凝土施工规范》的规定。

2.2 配合比

大体积防裂混凝土在满足设计要求的强度、抗冻、抗渗等级的前提下，必须尽可能的降低水泥用量及混凝土胶骨比。综合考虑骨料级配、砂率、水胶比、用水量、粉煤灰掺量、膨胀剂掺量等对混凝土性能的影响，该次研究二级配、三级配混凝土配合比如表2、表3所示。

3 试验结果及分析

该次研究的各组配合比抗冻抗渗、抗冻性能试验均满足工程设计要求，这部分主要针对防裂技术进行抗压强度、极限拉伸、混凝土干缩的试验成果分析。

3.1 抗压强度

在工程应用中，混凝土抗压强度是评价混凝土性能的基础，同时也是评价混凝土性能的重要参考因素。骨料级配、水胶比、外加剂品种、掺合料品种及掺量等因素均能对混凝土抗压强度性能产生较大影响，在这次试验研究中，着重比较了不同外加剂品种及不同掺合料组合条件下混凝土的抗压强度性能变化。

经比较得出如下结论：改变掺合料组合，混凝土抗压强度存在较大差异，其中粉煤灰+激发剂、粉煤灰+硅粉混凝土抗压强度相对较高，较基准混凝土及粉煤灰混凝土略有提高，其余胶材掺合料组合混凝土28 d抗压强度之间的差异并不明显。当混凝土配合比各相关参数基本相同时，外加剂为SR3的混凝土抗压强度，略高于外加剂为ZB-4的混凝土，但是当在混凝土中掺入纤维后，采用ZB-4外加剂的混凝土抗压强度，反而高于采用SR3外加剂的混凝土。

表2 二级配混凝土试验配合比

表3 三级配混凝土试验配合比

3.2 混凝土极限拉伸

极限拉伸值作为混凝土抗裂性指标，在其它条件相同时，混凝土的极限拉伸值越高，其抗裂性越好。在宏观层面上，混凝土极限拉伸性能主要受混凝土骨料性能、水泥石性能及胶骨比的影响。试验结果见表明，当外加剂采用SR3时，混凝土的极限拉伸值略优于采用ZB-4的混凝土，但是其整体差异并不大。纤维的掺入，对混凝土的28 d极限拉伸性能影响不大。

3.3 混凝土干缩

解决混凝土干缩的主要路径为：①掺入适量膨胀剂，补偿部分混凝土收缩；②优化混凝土胶材组合，提高水泥石的内部密实度；③选择适当的外加剂品种。当掺合料组合为粉煤灰+膨胀剂时，混凝土干缩值最小，基准混凝土干缩值最大，其余掺合料组合的混凝土干缩值介于二者之间。与基准混凝土相比，粉煤灰+膨胀剂混凝土28 d干缩率降低约20%，60 d干缩率降低约23%。与粉煤灰混凝土相比，粉煤灰+膨胀剂混凝土28 d干缩率降低约12%，60 d干缩率降低约20%。同时外加剂品种对混凝土干缩性能也有较大影响。采用SR3外加剂配制的混凝土干缩性能，优于采用ZB-4配制的混凝土，其28 d，60 d干缩率比ZB-4混凝土降低约20%。

4 混凝土抗裂技术最佳方案选择

在混凝土抗压强度、抗渗、抗冻性能满足工程要求的前提下，大体积混凝土抗裂技术最佳方案的选择主要是比较各方案通过混凝土干缩、极限拉伸和水化热温升计算所得单位线性变化值，选择其最小值作为最优方案。

通过计算，得出不同配合比混凝土的单位线性变化值，具体计算结果见图1、图2。

综合分析图1、图2，采用聚羧酸系高效减水剂采用陶正化工（上海）有限公司生产的SR3超塑化剂，萘系减水剂采用北京筑之坝混凝土材料有限公司生产的ZB-4高效引气减水剂，掺合料组合为粉煤灰+膨胀剂，无需掺合纤维时单位线性变化值最小，推荐其为最优抗裂技术方案。

图1 二级配混凝土28 d单位线性变化值分析图

图2 三级配混凝土28 d单位线性变化值分析图

5 结语

结合工程实际在其它各项性能满足设计要求的前提下，根据试验研究结果得出，粉煤灰+膨胀剂的掺合料组合混凝土抗裂性能，优于其它掺合料组合的混凝土。在施工过程中应注意原材料的称量精度，尤其应控制水泥、粉煤灰、外加剂的称量精度，避免混凝土质量出现较大波动，同时，应采取适当措施降低混凝土拌合物浇筑温度和注意闸墩混凝土施工后近期和长期养护，从而尽可能降低混凝土内外温差，以防止水分散失，避免由于温度和湿度梯度产生裂缝。