高掺氧化镁混凝土在某水电站拱坝工程中的应用

陈昌礼,赵其兴,李维维,王兴德,徐 普,颜少连

(1.贵州师范大学材料与建筑工程学院,贵州 贵阳 550025; 2.贵州中水建设管理股份有限公司,贵州 贵阳 550002;3.贵州省大坝安全监测中心,贵州 贵阳 550002; 4.贵州水利科学研究院,贵州 贵阳 550002)



高掺氧化镁混凝土在某水电站拱坝工程中的应用

陈昌礼1,赵其兴2,李维维1,王兴德2,徐 普3,颜少连4

(1.贵州师范大学材料与建筑工程学院,贵州 贵阳 550025; 2.贵州中水建设管理股份有限公司,贵州 贵阳 550002;3.贵州省大坝安全监测中心,贵州 贵阳 550002; 4.贵州水利科学研究院,贵州 贵阳 550002)

为了充分发挥MgO混凝土筑坝技术的优越性,针对某Ⅳ等小(1)型水电站混凝土拱坝工程,依据压蒸原理,进行水泥-粉煤灰-石粉混合浆体试件压蒸试验,据此将MgO的掺量提高到6.5%,并应用于水电站混凝土拱坝工程。结果表明,高掺MgO混凝土进一步提高了坝体混凝土的抗裂能力,简化了大体积混凝土的温控措施,实现了仅设极少诱导缝、不设纵缝、通仓浇筑坝体的混凝土坝体浇筑方式。

MgO混凝土;压蒸试验;安定掺量;自生体积变形;拱坝

某Ⅳ等小(1)型水电站的主要任务为发电,其装机容量为2×5.0 MW,总库容为532万m3,挡水建筑物为抛物线双曲拱坝,最大坝高为69 m,拱冠梁处顶厚为4.0 m,底厚为12.0 m,拱坝厚高比为0.174,坝体混凝土体积为45 000 m3。设计单位从节约投资、早日投产的愿望出发,考虑到该工程工期紧张,要求该坝体采用三级配外掺氧化镁(MgO)常态混凝土,不设纵缝,通仓浇筑,混凝土在龄期90 d的强度等级为C20、抗渗等级为W6、极限拉伸值不低于85×10-6、强度保证率不低于85%,混凝土拌和物的坍落度控制值为20～50 mm。

我国从20世纪70年代末展开对MgO混凝土的研究,至今已在50多座水利水电工程中得到应用,而国外尚无工程应用实例[1-5]。试验研究和工程实践表明,MgO混凝土具有良好的延迟微膨胀特性,可在提高混凝土自身抗裂能力、简化水工大体积混凝土的温控措施、加快施工进度、节约工程费用等方面发挥积极作用[6-8]。但是,按照现行方法[9-11]确定的MgO掺量一般为4%～5%,用该掺量配制的MgO混凝土的膨胀量不能完全补偿水工混凝土的收缩量[7,12-14]。为此,本文按照文献[15]提出的石粉模拟法制作水泥-粉煤灰-石粉混合浆体试件,进行压蒸试验,将MgO掺量提高至6.5%,并将试验结果应用于该水电站混凝土拱坝工程中,为充分发挥MgO混凝土筑坝技术的优越性、科学合理地突破MgO掺量的限制提供了第一个工程实例。

1 MgO混凝土的配合比设计

1.1 试验用原材料

a. 水泥:P·O 42.5普通硅酸盐水泥,密度为3.06 g/cm3,比表面积为317 m2/kg,标准稠度用水量为26.0%,安定性合格。水泥品质符合现行规范要求。

b. 粉煤灰:取自工地从贵州某火电厂购买来的成品干灰,密度为2.45 g/cm3,细度为13.55%,需水量比为90.8%,烧失量为3.57%。粉煤灰品质达到DL/T 5055—2007《水工混凝土掺用粉煤灰技术规范》规定的F类Ⅱ级粉煤灰的技术要求。

c. 氧化镁:水工混凝土专用材料,辽宁海城东方滑镁公司生产,密度为3.23 g/cm3,细度(0.045 mm筛的筛余)为25.5%,活性指数为216 s。

水泥、粉煤灰、氧化镁的主要化学成分见表1。

表1 试验用原材料化学成分的质量分数 %

d. 骨料:取自工地的灰岩人工砂和碎石。人工砂的细度为3.03,级配较好;粗骨料由灰岩加工成小石(5～20 mm)、中石(20～40 mm)、大石(40～80 mm)三级。

e. 外加剂:萘系高效减水剂,其品质符合现行规范要求。

1.2 MgO极限掺量的确定

确定水工混凝土的MgO掺量时,遵循压蒸原理,采用压蒸试验。参考现行方法,试件尺寸为25 mm×25 mm×280 mm,分别采用不掺粉煤灰的水泥净浆、掺30%粉煤灰的水泥-粉煤灰浆体[9]、掺30%粉煤灰的水泥-粉煤灰砂浆[10]、掺30%粉煤灰的水泥-粉煤灰-石粉混合浆体制作。水泥-粉煤灰-石粉混合浆体按参考文献[15]提出的石粉模拟法制作,并根据工程拟用的三级配混凝土配合比,将其中的粗细骨料用等量的石粉代替,同时通过调节高效减水剂掺量,使其与其他浆体的稠度基本一致。试验结果如图1所示。

图1 不同水泥基材料试件的压蒸膨胀率随MgO掺量的变化曲线

从图1可见,当MgO掺量在一定范围内时,水泥净浆、水泥-粉煤灰浆体、水泥-粉煤灰砂浆、水泥-粉煤灰-石粉混合浆体等4种不同水泥基材料试件的压蒸膨胀率均随MgO掺量的增大而缓慢增加;当MgO掺量超过某一定量时,试件的压蒸膨胀率急剧增大,在曲线图上出现明显拐点。在不同水泥基材料试件的压蒸膨胀率随MgO掺量变化的曲线上,其拐点对应的MgO掺量不同,其值从大到小的顺序为水泥-粉煤灰-石粉试件、水泥-粉煤灰砂浆试件、水泥-粉煤灰浆体试件、水泥净浆试件。若以压蒸膨胀率为0.5%时对应的MgO掺量作为混凝土的MgO极限掺量,则水泥净浆、水泥-粉煤灰浆体、水泥-粉煤灰砂浆、水泥-粉煤灰-石粉浆体的MgO极限掺量依次为1.5%、2.6%、8.7%、11.2%;若以图1中各曲线拐点对应的MgO掺量作为混凝土的MgO极限掺量,则采用水泥净浆、水泥-粉煤灰浆体、水泥-粉煤灰砂浆、水泥-粉煤灰-石粉浆体确定的MgO极限掺量依次为1.0%、2.5%、7.0%、8.0%。

为安全起见,经与设计方共同研究,以曲线拐点对应的MgO掺量作为混凝土的MgO极限掺量,以水泥-粉煤灰-石粉浆体压蒸试件确定的MgO极限掺量8.0%乘以折减系数(约0.8)的结果作为该工程混凝土的MgO外掺量,即MgO外掺量采用6.5%。

1.3 MgO混凝土的配合比及性能实验

按照DL/T5330—2005《水工混凝土配合比设计规程》,结合以往设计MgO混凝土的经验,初选水胶比分别为0.50、0.55、0.60,控制用水量不超过135 kg/m3和胶凝材料用量在200 kg/m3左右,粉煤灰掺量为30%、40%,砂率为32%～36%,粗骨料级配按照紧密堆积密度较大、混凝土用水量较小的原则,初选为30∶30∶40和30∶40∶30,在实验室进行了一系列混凝土的配合比及性能试验。典型的外掺MgO混凝土的配合比如表2所示(表中编号H58-40-65表示混凝土的水胶比是0.58、粉煤灰掺量为40%、MgO掺量为6.5%,其余配合比编号含义以此类推),混凝土的自生体积变形随龄期的变化过程如图2所示,主要配合比的力学性能如表3所示。

需要说明的是,PH55、PH60系列混凝土使用的砂是细度模数分别为2.98和2.80的机制中砂;H60和 H58系列混凝土使用的砂均为工地运来的细度模数为3.30左右的原样粗砂。

表2 MgO混凝土的典型配合比

表3 MgO混凝土在典型龄期的主要力学性能

注:*表示实际测试龄期为82 d(因实验室搬迁至新校区造成)。

图2 外掺MgO混凝土的自生体积变形随龄期的变化

从图2可以看出,未掺MgO混凝土的自生体积变形呈收缩状态,掺MgO混凝土的自生体积变形呈膨胀状态,且变化量均随龄期的增长而增大,前期变化快,后期变化慢;相同条件下,掺MgO混凝土的自生体积变形随MgO掺量的增大而增大。对于水胶比为0.60、粉煤灰掺量为30%、MgO掺量为6.5%的混凝土,在龄期180 d、360 d、540 d的自生体积膨胀量分别为30.14×10-6、40.16×10-6、49.85×10-6。

从表3可以看出,各混凝土在龄期90 d的抗压强度,以及H60-30-65和H58-40-65在龄期90 d的极限拉伸值满足设计要求。掺MgO8%的PH55-30-8混凝土的抗压强度、劈拉强度比同等条件下掺6%MgO的PH55-30-6混凝土高近10%或相近,原因在于较大MgO掺量的混凝土膨胀挤压力较大,导致混凝土密实度增大。但是,掺6.5%MgO的H60-30-65混凝土的抗压强度、劈拉强度、抗压弹性模量值比掺6%MgO的PH60-30-6混凝土低约15%或接近,这可能是由于H60-30-65混凝土用水量比PH60-30-6混凝土高3 kg/m3所致。一般而言,用水量增加,硬化混凝土的空隙增多,密实度降低,强度下降[16],且这种强度下降大于因MgO增加0.5%引起的混凝土强度增长。另外,H60-30-65混凝土所用砂料的级配比PH60-30-6混凝土稍差,估计也是一个原因。

同时,PH55-30-6、H58-40-65混凝土90 d龄期的抗渗试验结果表明,混凝土试件的抗渗等级高于W6,满足工程对混凝土的抗渗要求;PH55-30-6混凝土的绝热温升试验表明,28 d绝热温升值为24.5℃。

考虑到本工程是首次将混凝土的MgO掺量突破6.0%,为安全起见,经与设计方共同研究,推荐的混凝土实验室配合比列于表4。

表4 推荐用于工地生产的MgO混凝土的实验室配合比

2 工程应用

工程采用1号配合比,共浇筑坝体MgO混凝土43 750 m3。在坝体混凝土浇筑期间,混凝土试验单位抽检水泥6次,测得其内含MgO量为2.04%～3.44%(均值为2.71%)、比表面积为268～334 m2/kg(均值为305 m2/kg)、标准稠度用水量为24.7%～26.3%(均值为25.8%),质量符合国家标准;抽检粉煤灰6次,细度为6.9%～21.0%(均值为15.77%)、烧失量为3.57%～6.58%(均值为5.31%)、需水量比为90.4%～102.9%(均值为94.14%),质量符合国家F类Ⅱ级粉煤灰标准：抽检MgO 8次,纯度为82.87%～93.36%(均值为87.64%),满足DL/T 5296—2013《水工混凝土掺用氧化镁技术规范》的纯度要求;砂料为石灰岩机制砂,抽检7次,石粉含量为11.75%～18.53%(均值为12.43%),细度模数为3.15～3.77(均值为3.35),颗粒级配属于Ⅰ区。

工地生产MgO混凝土时,采用强制式搅拌机。先将人工称量的MgO、减水剂混合,接着倒入混凝土拌合物中共同搅拌120～150 s，将搅拌后的混凝土采用自卸汽车运输到大坝。在高程810 m以下,采用自卸汽车直接将混凝土运入仓内;高程810 m以上,先将混凝土用自卸汽车运至位于左岸高程855 m的榴槽口,再经榴槽输送到位于仓内的自卸汽车中,自卸汽车再将混凝土运至仓内指定地点。混凝土入仓后,采用反铲平仓、振捣棒振实。浇筑坝体混凝土时,全坝未设纵缝;在高程837.5 m以上、坝顶面距左坝肩10.633 m和距右坝肩15.245 m处各设置1道竖向诱导缝;在高程837.5 m以下不设横缝,通仓浇筑。仓内铺料层厚度为0.5 m,分层厚度为2.2 m,浇筑层间歇期为7 d,上下混凝土浇筑层间采用20 mm厚的同强度等级砂浆搭接。

根据设计文件,在坝体混凝土浇筑中,共埋设无应力计13支、温度计16支、测缝计8支。从截至2016年2月29日的观测结果看,部分测点的龄期已超过360 d。在龄期90 d、180 d和360 d,坝体混凝土的自生体积膨胀变形分别为18.90×10-6～58.51×10-6、26.03×10-6～73.66×10-6和32.05×10-6～101.97×10-6,平均值分别为41.38×10-6、51.55×10-6和62.46×10-6,最高温度为43.6℃,温升为19.1℃,最大开度为0.24 mm。

同时,根据已有的资料统计,现场实测混凝土拌合物的坍落度和混凝土在龄期90 d的抗压强度、抗渗等级、极限拉伸变形的抽检结果满足设计要求。

3 结 语

从现场抽样检测的统计结果看,外掺MgO混凝土的坍落度、90 d龄期的抗压强度、抗渗等级、极限拉伸变形的抽检结果满足设计要求;从原型观测结果看,坝体MgO混凝土的自生体积变形、最高温升同室内测值基本吻合,最大开度及其发生位置与设计时按照提高MgO掺量后计算的坝体应力场基本一致。因此,依据压蒸原理,制作水泥-粉煤灰-石粉混合浆体试件进行压蒸实验,不仅能使混凝土的MgO掺量科学合理地适当提高,而且混凝土的物理力学性能满足设计要求,坝体混凝土的自生体积膨胀变形、最高温升、坝体最大开裂度均在可控范围内,达到了进一步提高混凝土自身的抗裂能力、简化水工大体积混凝土的温控措施、节省工程投资的目的。

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Application of concrete with high content of MgO in arch dam of hydropower station

//CHEN Changli1, ZHAO Qixing2, LI Weiwei1, WANG Xingde2, XU Pu3, YAN Shaolian4

(1.SchoolofMaterialsandArchitectureEngineering,GuizhouNormalUniversity,Guiyang550025,China; 2.GuizhouZhongshuiConstructionProjectManagementCo.,Ltd.,Guiyang550002,China; 3.GuizhouProvincialDamSafetyMonitoringCenter,Guiyang550025,China; 4.GuizhouWaterCanservancyScieaceResearchInstitute,Guiyang550002,China)

In order to demonstrate the superiority of using MgO-mixed concrete in dam construction, autoclave tests of cement-fly ash-stone dust mixed paste specimens were conducted according to the autoclave principle, and the mixing ratio of MgO in the specimens was increased to 6.5%. This technology was applied to the concrete arch dam of a grade IV small-scale (type 1) hydropower station. The results show that concrete with a high content of MgO can improve the anti-cracking performance of the dam concrete and simplify temperature control measurements of mass concrete, allowing for an improved concrete dam construction method, in which few induced joints are needed, longitudinal joints can be cancelled, and entire concrete blocks of the dam body can be poured.

MgO-mixed concrete; autoclave test; soundness admixing amount; autogenic volume deformation; arch dam

10.3880/j.issn.1006-7647.2016.06.012

贵州省教育厅“125”重大科技专项([2012]004);国家自然科学基金(51269003,50969002)

陈昌礼(1966—),男,教授,主要从事水工材料研究。E-mail: clchen2026@163.com

TV431

A

1006-7647(2016)06-0064-05

2016-03-25 编辑：郑孝宇)