抗冲磨型高性能混凝土在高拱坝建设中的试验研究

丁照祥

(新疆额尔齐斯河流域开发工程建设管理局 乌鲁木齐 830000)

1概述

1.1 工程概况

布尔津山口水电站库容为2.22亿m3，属大(2)型Ⅱ等工程，为常态混凝土拱坝，最大坝高94m。坝址地区极端最高气温39.4℃，极端最低气温-41.2℃，年最大温差80.6℃;多年平均降水量为153.4mm;多年平均蒸发量为1619.5mm;极端最大风速32.1m/s;最大冻土深127cm。主要气候特征:夏季炎热，冬季严寒，高蒸发量，日温差大，年温差较悬殊，寒潮出现频繁。

1.2 大坝混凝土需要解决的问题

在严寒、高蒸发、年温差较大的环境恶劣地区建一座高拱坝，需要解决拱坝深孔泄洪口及溢流表孔混凝土的抗冲磨、耐久性和抗裂性等问题。通过试验研究，采取相应措施，提高了抗冲磨混凝土的工作性能，提出了适宜的施工配合比，解决了抗冲磨混凝土施工及长期安全运行的问题。

1.3 混凝土研究思路及指标

考虑当地的自然气候条件，该拱坝泄洪、溢流面表层采用高性能混凝土，以提高混凝土抗冲磨能力、耐久性。配合比设计试验的技术路线为:掺粉煤灰、低水胶比、较低用水量、高含气、较低坍落度控制，以满足抗冲磨混凝土“强度、抗渗、抗冻、抗裂、抗冲磨”要求，达到适宜强度、较好施工性、高性能化和较好的抗裂目的。

高性能混凝土主要设计指标:强度、抗冻、抗裂、抗渗。混凝土级配为三级配，设计标号C2840W6F300。

2 原材料

2.1 水泥

按就近取材的原则，试验采用P.Ⅰ42.5型硅酸盐水泥，该批水泥物理力学和化学指标均满足《通用硅酸盐水泥》GB 175—2007中P.Ⅰ42.5水泥技术要求。

2.2 粉煤灰

试验采用的粉煤灰，检测结果满足《水工混凝土掺用粉煤灰技术规范》(DL/T 5055—2007)中Ⅰ级粉煤灰要求。

为便于经济有效地利用粉煤灰，进行了粉煤灰掺量与水泥胶砂强度关系试验，粉煤灰掺量分别为0%、20%、30%、40%，其试验成果见表1，粉煤灰不同掺量的胶凝材料水化热试验成果见表2。

表1 粉煤灰掺量与水泥胶砂强度关系试验成果

表2 粉煤灰不同掺量的胶凝材料水化热试验成果

由强度变化关系可知，水泥胶砂强度随粉煤灰掺量增加而降低。粉煤灰掺量30%以内胶砂强度降低幅度不大。

水化热随粉煤灰掺量增加而降低;粉煤灰掺量20%～30%之间水化热降幅较大，对降低混凝土发热量有利。

综合上述成果，设计龄期28天的混凝土配合比中粉煤灰掺量可按20%左右考虑。

2.3 砂石骨料

采用C1料场的砂石骨料，细骨按天然砂40%、人工砂60%的比例配制混合砂，细度模数满足2.6±0.2的试验控制范围，各关键粒径累计筛余量均在中砂区域内;粗骨料小石、中石、大石的各项检测结果符合《水工混凝土施工规范》(DL/T 5144—2001)控制标准。

粗骨料级配组合比例选择试验:根据最大密度和最小空隙率优选粗骨料的级配比例，对不同级配的粗骨料进行组合试验，选择了最大密度1970kg/m2和最小空隙率27.9%的骨料比例组合，三级配骨料比例为小石∶中石∶大石=20∶30∶50，各级配粗骨料的组合比例与振实密度试验成果见表3。

2.4 外加剂

试验采用 NF—2型缓凝高效减水剂和 PMS—NEA3型引气剂。外加剂匀质性试验与水泥的适应性试验结果符合(GB 8076—2008)《混凝土外加剂》中对该类产品的要求。

3 混凝土配合比设计及试验

3.1 混凝土配制强度的确定

根据现行的《水工混凝土施工规范》(DL/T 5144—2001)有关要求，抗冲磨混凝土配制强度及设计要求如下:

混凝土采用三级配，设计指标C2840W6F300，强度保证率95%，概率度系数t为0.84，标准差σ为5.0，配制强度48.2(MPa)，极限抗压40(MPa)，抗拉强度2.2(MPa)，抗压弹膜30(GPa)，混凝土含气量5%，密度不小于2400(kg/m3)，极限拉伸值大于0.85×10-4。

3.2 配合比设计试验原则

配合比设计试验按照《水工混凝土试验规程》(SL 352—2006)中绝对体积法计算，配合比试验采用的主要参数见表4。

表4 混凝土配合比调试试验参数

根据抗冲磨混凝土耐久性要求和高性能化目标，配合比试验严格控制混凝土拌和物的含气量。按混凝土拌和物出机30min，含气量测值在控制范围内，坍落度符合要求时成型各类试件。

3.3 抗冲磨混凝土配合比试验

抗冲磨混凝土在规范中未规定抗冲磨控制指标，一般强度高的混凝土抗冲磨性能较好，抗冲磨混凝土设计指标为28天龄期C40W6F300三级配混凝土，混凝土配合比调试试验参数见表5，试验成果见表6、表7、表8。

试验成果表明，粉煤灰掺量20%、水胶比0.28的抗冲磨混凝土配合比28天各项指标均满足设计施工要求。

表5 大坝抗冲磨混凝土配合比试验参数表

表6 大坝抗冲磨混凝土配合比拌和物性能与抗压强度试验成果

表7 大坝抗冲磨混凝土配合比力学性能与变形性能、抗渗性能试验成果

表8 大坝抗冲磨混凝土配合比抗冻试验成果

4 推荐配合比

根据试验成果分析得出布尔津山口电站大坝抗冲磨混凝土配合比，见表9。

表9 大坝抗冲磨混凝土推荐配合比表

5 试验成果评价

a.由试验数据可知，粉煤灰掺量20%的配合比满足要求，28天试验成果的抗压强度52.2MPa大于配置强度 48.2MPa，抗拉强度 3.34MPa大于设计值2.2MPa，抗压弹模30 GPa，混凝土含气量4% ～6%，密度2425kg/m3，极限拉伸1.24×10-4大于设计值0.85×10-4，抗冻等级F400大于设计值F300，抗渗达到W10大于设计值W6。从试验数据看，该配合比能够满足设计要求，设计合理，能够用于大坝抗冲磨结构部位的施工。

b.该配合比设计时调整了抗冲磨混凝土的单一特性，在保证混凝土的抗冲磨性能时，还大幅提高了其工作性能，具有较好的抗冻、抗裂、抗渗性，可有效地解决严寒酷热条件下易冻胀破损的问题，延长安全运行的时间，降低维修费用。

c.含气量是混凝土高性能化的关键控制参数，试验成果也反应了该问题，含气量在4.5% ～5.5%时可满足F300以上抗冻要求。含气量在混凝土现场入仓施工时(出机约30min后)按5% ～5.5%控制，引气剂掺量根据含气量测值进行调整。❋

覃柏钧，邓有富.构皮滩水电站水垫塘边墙抗冲磨混凝土施工工艺［J］.水利水电技术，2011(5).