蒲石河抽水蓄能电站预应力闸墩多掺合料抗裂混凝土试验研究

2012-08-08景健伟黄如卉李艳萍马智法

东北水利水电 2012年12期

景健伟，冯林，黄如卉，李艳萍，马智法

（中水东北勘测设计研究有限责任公司，吉林长春 130021）

蒲石河抽水蓄能电站地处东北严寒地区，其下库坝为混凝土重力坝，坝顶高程为70.10 m，坝顶全长为336 m，最大坝高34.10 m，建基于弱风化混合花岗岩中上部，正常蓄水位66.00 m。泄洪排沙闸共7孔，孔宽14.0 m，弧型工作门为14 m×19 m（宽×高），WES实用堰堰顶高程48.00 m，堰体中间分缝，堰体及闸墩长42.0 m，预应力闸墩厚度为4.0 m，最大高度32.10 m，单墩推力34 000 kN。

蒲石河下水库采用预应力混凝土闸墩，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。根据工程需要进行混凝土抗裂技术研究，通过采用双掺、三掺混凝土掺合料，同时掺粉煤灰前期性能激发剂等新技术手段，研究不同胶凝材料组合变化对混凝土性能的影响，优化混凝土配合比，达到减少工程裂缝，增加结构耐久性能的目的。

1 原材料

1）水泥。此次试验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，主要性能指标见表1。

2）粉煤灰。此次试验采用的粉煤灰为吉林市某粉煤灰有限公司生产的Ⅰ级粉煤灰，主要性能只要见表2。

3）粉煤灰激发剂。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。掺量选择为2%。

表1 抚顺中热水泥主要性能检验结果

表2 粉煤灰性能指标检验结果

4）膨胀剂。此次研究采用新中州HEA-1膨胀剂，其主要性能见表3。

表3 膨胀剂检测结果

5）硅粉。此次研究采用挪威埃肯集团材料公司生产的硅粉，主要性能见表4。

表4 硅粉性能检测结果

6）外加剂。试验所用外加剂为北京某混凝土材料有限公司生产的ZB-4萘系高效引气减水剂。

7）纤维。试验研究采用的纤维为江苏生产的丹强丝。

8）粗骨料。粗骨料为工程附近生产的卵石，其性能如表5所示。

表5 粗骨料品质检验结果

9）细骨料。细骨料为工程附近生产的天然河砂，其性能如表6。

表6 天然砂品质检验结果

2 混凝土配合比方案

试验配合比设计等级为C30F300W6（三级配），C40F300W6（二级配），采用 6种胶材组合，其组合方式和思想、混凝土配制各项参数见表7—9。

表7 抗裂试验研究掺合料组合

表8 C40F300W6二级配混凝土试验配合比

3 试验结果与分析

结合研究目的研究，进行了各掺合料组合的抗压、极限拉伸、干缩、抗冻、抗渗等项试验性能测试，其具体结果见表10，11。

表9 C30F300W6三级配混凝土试验配合比

3.1 混凝土强度试验结果分析

从试验结果可以看出，7 d抗压强度相对较大的3个掺合料组合为：纤维+粉煤灰+膨胀剂＞空白＞粉煤灰+粉煤灰激发剂，28 d抗压强度相对较大的3个掺合料组合为：粉煤灰+粉煤灰激发剂＞粉煤灰+硅粉＞粉煤灰+膨胀剂，由此可以说明机理如下：1）在混凝土早期胶凝相强度尚未发育，强度较低时，掺纤维可以提高混凝土强度；2）粉煤灰、膨胀剂、硅粉等掺合料的强度发育较水泥缓慢，因此各掺合料组合的混凝土早期强度均不及空白混凝土；3）粉煤灰激发剂的强度激发作用在早期和28 d龄期均有体现，加入激发剂后混凝土各龄期强度明显高于单掺粉煤灰混凝土强度；4）硅粉、膨胀剂与粉煤灰配合使用较单掺粉煤灰混凝土强度有所提高，两者强度提高值相差不大。

3.2 极限拉伸试验结果分析

混凝土极限拉伸值是指混凝土经轴心抗拉时，混凝土断裂前最大伸长值。当混凝土的拉伸变形超过混凝土的极限拉伸值时，混凝土将产生裂缝。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。从试验结果看，当骨料级配、水胶比、胶材总量基本相同时，不同掺合料组合及不同外加剂品种条件下混凝土的极限拉伸试验结果抗拉强度、极限拉伸值差异不大。掺入纤维的混凝土7 d抗拉强度较其他组合有所增加，但28 d抗拉强度值较与其他组合略有降低，说明本研究中纤维可提高发育未成熟混凝土的早期抗拉强度，而对混凝土发育成熟的后期并无贡献。

表10 混凝土性能试验成果

3.3 混凝土干缩试验结果分析

干缩是混凝土开裂的重要诱因之一，主要受胶骨比、水灰比，水泥品种，掺合料品种、外加剂品种等因素影响。在此次研究中，主要通过研究不同掺合料组合情况下混凝土干缩性能的变化寻找干缩性能较好的掺合料组合，降低混凝土开裂机率。一般研究路径为：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。

表11 混凝土各龄期干缩结果

混凝土即使是完全水化后，混凝土仍是多孔的材料。掺合料组合的变化，由于其各自水化产物的差异，对混凝土胶凝材料的自然堆积密实度（水化前胶材空隙率）、粒度及其水化速度具有一定程度的影响，在宏观干缩性能上体现为混凝土干缩性能的变化。

从试验结果可以看出，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%。

3.4 混凝土抗渗、抗冻性能试验结果

与普通混凝土相比，加入膨胀剂后，由于钙矾石膨胀结晶体具有填充和堵塞毛细孔径的作用，从而增加混凝土的密实性，由于其高致密性而具有良好的抗渗、抗冻能力，经混凝土抗渗试验。本研究各混凝土配合比抗渗等级均达到W6以上，混凝土抗冻等级均可达F300以上。

4 混凝土推荐配合比选择

大体积混凝土抗裂性能主要受混凝土干缩、极限拉伸、水化热温升的影响，在此次试验研究中，主要依据混凝土抗压强度、干缩、极限拉伸、抗渗、抗冻性能及水化热温升进行混凝土最佳掺合料组合选择。具体选择步骤如下：

①选择抗压强度、抗渗、抗冻性能满足设计要求的掺合料组合混凝土配合比。

②在步骤①的基础上综合比较各掺合料组合混凝土配合比性能，具体比较方法为：计算混凝土干缩与混凝土极限拉伸及由水化热温升导致的混凝土线性膨胀之和，选择绝对值最小的配合比作为推荐配合比。计算公式如下：

式中：L——单位线性变化值，×10-4；εT——混凝土温缩变形值，εT=-Tα；εj——混凝土极限拉伸值，×10-4；εg——混凝土干缩值，×10-4；T——混凝土水化热温升，℃；α——混凝土线膨胀系数，此处取6.5×10-6/℃。

式中不同掺合料组合配合比混凝土水化热温升通过下式求得：

式中：W——混凝土中水泥（活性胶凝材料）用量，kg；Q——水泥（活性胶凝材料）水化热，kJ/kg；C——混凝土比热，此处取0.96 kJ/（kg·℃）；ρ—混凝土容重，kg/m3。

胶凝材料水化热取值见表12。

表12 胶凝材料水化热取值 kJ/kg

通过计算，得出不同掺合料组合配合比混凝土的L值，具体计算结果见表13。

③在完成步骤②后，选择L最小的混凝土配合比作为推荐掺合料组合混凝土配合比。综合考虑混凝土抗压强度、抗冻性能、抗渗性能、极限拉伸、干缩、水化热温升等抗裂性能影响因素后，选择粉煤灰+膨胀剂作为此次研究的最优掺合料组合。

5 结论及建议

结论：根据试验研究结果，粉煤灰+膨胀剂的掺合料组合混凝土综合性能（主要侧重于抗裂）优于其它掺合料组合的混凝土。同时表明纤维的掺入，明显改善混凝土早期（7 d）抗压强度及极限拉伸性能，但对混凝土28 d性能影响不大。

表13 不同掺合料组合的混凝土形变数值检测及计算结果

综合各项数据结果，推荐为JP2-4-2作为二级配混凝土最佳施工配合比；JP3-4-3作为三级配混凝土最佳施工配合比。

建议：1）混凝土浇筑块厚度，在基础部位第一层1 m，第二层不大于1.5 m，两层以上可为2～3 m；2）现场施工时应采取适当措施降低混凝土拌合物浇筑温度，从而尽可能降低混凝土内外温差；3）混凝土施工后应及时养护，宜对混凝土表面采取覆盖措施，以防止水分散失；4）对结构混凝土的永久暴露面，10—11月份浇筑的混凝土拆模后立即进行保温，4—9月份浇筑的混凝土10月初开始保温，其保温时间至少一个低温季节；5）后期养护对成熟混凝土的防裂有一定影响，因此混凝土的保湿养护应持续进行。