藏木水电站人工和天然骨料对大坝混凝土试验研究

2017-03-23邓长军杨忠义

水电站设计 2017年1期

关键词：徐变水胶大坝

邓长军,杨忠义

(中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，四川成都 610072)

藏木水电站人工和天然骨料对大坝混凝土试验研究

邓长军,杨忠义

(中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，四川成都 610072)

通过对不同骨料组合大坝混凝土试验研究结果表明，使用天然骨料可以减少混凝土单位用水量，降低混凝土导热系数和绝热温升值，对温控有利；但其强度性能、早期极限拉伸值、自生体积变形等稍低于人工骨料混凝土。

藏木水电站;组合骨料;性能;试验;混凝土

0 前言

在水工大体积混凝土中，骨料占混凝土的质量约为75%～90%，骨料对混凝土性能及经济效益等都有较大影响，所以在水利水电工程中，使用合格且质量优良的骨料显得尤为重要。混凝土所使用的骨料应根据优质、经济、就地取材等原则来选择。藏木水电站装机容量510 MW，挡水建筑物坝高为116 m的混凝土重力坝，各种混凝土总共约338万m3，需要混凝土骨料约805万t。由于工程坝基开挖量较大，弃料较多，为了充分利用开挖料，节约资源，拟把开挖出的花岗岩作为混凝土骨料，但其开挖量偏少。而工程附近有天然砂砾石料，储量丰富，开采、加工成本相对较低，且在同一个地质构造带上，岩性相

同。因此，为了节约资源，提高利用率，将花岗岩人工骨料和天然骨料组合进行对比试验研究，为工程设计提供参考。其组合方案列于表1。

表1 大坝混凝土骨料组合方案

1 混凝土原材料

试验采用的峨胜P·MH42.5水泥、平凉Ⅱ级粉煤灰检测结果分别见表2、3。

表2 水泥、粉煤灰化学成分

表3 水泥、粉煤灰物理力学性能

2 组合骨料对拌合物性能的影响

试验采用峨胜中热水泥，掺30%Ⅱ级粉煤灰、缓凝高效减水剂和引气剂。混凝土坍落度控制在3～6 cm，含气量控制在3%～5%，其试验结果列于表4。由表4可见，同水胶比和砂率条件下，人工骨料混凝土单位用水量比天然骨料混凝土高11 kg/m3，相应胶材用量增加22～24 kg/m3；而组合骨料则介于二者之间。

表4 大坝混凝土拌和物性能

3 组合骨料对混凝土强度性能的影响

硬化混凝土强度往往是评价混凝土质量的重要依据，它与混凝土的耐久性、体积稳定性等有密切的关系。一般来讲，混凝土的强度主要包括抗压强度、劈拉强度、轴心抗拉强度、抗剪强度、粘结强度等，本次试验主要针对前三项进行，其试验结果见表5。由表5和图1、2可见，同水胶比条件下，人工骨料混凝土抗压强度最高，天然骨料混凝土相对最低。混凝土劈拉强度和轴拉强度亦是呈现上述规律。

表5 大坝混凝土强度性能

图1 水胶比为0.45时混凝土抗压强度图2 水胶比为0.45时混凝土轴拉强度

4 组合骨料对变形性能的影响

混凝土弹性模量主要与骨料性能和用量关系密切，一般来讲，骨料本身弹模越大、骨料用量越多，混凝土弹性模量也就越大。由表6试验结果可见，同水胶比条件下，天然骨料混凝土弹性模量最高，人工骨料混凝土则最低。

极限拉伸是混凝土轴向受拉断裂时在极限状态下的应变值。由于混凝土的抗拉强度略为抗压强度的十二分之一，为了防止大坝混凝土产生裂纹，对混凝土极限拉伸值作出限定并以该值作为混凝土抗裂性指标之一，也是温控设计要求的基本参数。由表6试验结果可见，28d人工骨料混凝土极限拉伸值高于天然骨料混凝土，而90d则大致相当。

表6 大坝混凝土变形性能

混凝土的干缩对混凝土的结构性能影响较大，在一般使用条件下，由于混凝土干缩变形而引起的应力足以使结构表面产生变形以至裂缝，从而降低其强度和刚度，破坏混凝土微观结构，降低混凝土耐久性。通过对混凝土干缩变形观测，可分析不同原材料对混凝土干缩的影响。由图3可见，同条件下人工骨料混凝土干缩率高于天然骨料混凝土。

由图4混凝土自生体积变形曲线可见，混凝土呈微膨胀状态，且随着试验龄期的增加，混凝土自生体积变形出现下降趋势；且同条件下人工骨料混凝

土自生体积变形值高于天然骨料混凝土。

混凝土在持续荷载作用下，随时间增长的变形称为徐变。徐变变形包括基本徐变和干燥徐变，当与周围介质没有湿度迁移时，混凝土徐变称为基本徐变，由于干燥而引起的徐变称为干燥徐变。此次试验测定的徐变为基本徐变。影响徐变的主要因素：水泥石和骨料的体积含量、骨料品种、水泥品种及水灰比、外加剂、温度与湿度、加荷龄期、持荷时间及应力强度比等。由表7可见，同条件下人工骨料混凝土徐变度稍高于天然骨料混凝土。

5 组合骨料对耐久性能的影响

混凝土的耐久性，是混凝土在实际使用条件下抵抗各种破坏因素作用下长期保持强度性能和外观完整性的能力。其主要包括抗冻融性能、抗渗性能、抗碳化性能、抗环境水及气候风化等，在试验中选择有针对性的对主要耐久性指标进行检测。由表8试验结果可见，同条件下不同骨料组合混凝土耐久性能大致相当。

6 组合骨料对热学性能的影响

混凝土热学性能是大坝温控设计的主要参数之一，混凝土的导热系数(λ)反应了混凝土的热量扩散能力。λ越大，热量扩散越快。混凝土骨料的矿物成分对导热系数起作决定性的影响。由上表可以看出，人工骨料混凝土导热系数略高于天然骨料混凝土。混凝土的导温系数α同导热系数一样，主要由骨料的矿物成分决定，主要用于温度场的计算。由表9可以看出，人工骨料混凝土导温系数与天然骨料混凝土基本相当。

混凝土比热c反应了升、降温过程中单位温度、单位重量的混凝土吸收或释放热量的多少。混凝土用水量对比热起决定性影响，而骨料对比热影响较小。由表9试验结果可见，人工骨料和天然骨料混凝土比热基本相当。

图3 水胶比为0.45时混凝土干缩曲线图4水胶比为0.45时混凝土自生体积变形

表7 大坝混凝土徐变试验成果

表8 大坝混凝土耐久性能

表9 大坝混凝土热学性能

混凝土的骨料品种对线膨胀系数起主要作用。在大坝温控设计中，线膨胀系数对温度应力起决定性影响，是重要的设计参数。原则上应尽量选用线膨胀系数低的骨料。由表9试验结果可见，人工骨料和天然骨料混凝土线膨胀系数基本相同。

混凝土绝热温升是大坝混凝土的一个主要控制对象。原则上应尽量采取措施降低绝热温升。通过大量掺粉煤灰、设计龄期延后等方法，降低水泥用量，从而降低混凝土的绝热温升。混凝土绝热温升主要由水泥用量决定，与骨料品种关系不大。如果骨料物理力学性能较差，混凝土用水量增加，导致水泥用量增加，也会造成绝热温升提高。同条件下人工骨料混凝土绝热温升值高于天然骨料混凝土。