高寒、高海拔地区筑坝面板混凝土配合比设计研究

朱圣敏

（葛洲坝集团试验检测有限公司，湖北 宜昌 43002）

高寒、高海拔地区筑坝面板混凝土配合比设计研究

朱圣敏

（葛洲坝集团试验检测有限公司，湖北 宜昌 43002）

本文针对高寒、高海拔地区的气候特点，从原材料、混凝土拌合物性能及配合比设计等方面对大坝面板混凝土进行配合比设计研究，保证工程混凝土在设计使用年限内正常使用。

面板混凝土；抗裂；配合比设计

1 概述

面板作为大坝的防渗体，它的整体性和耐久性关系到大坝的稳定安全，面板混凝土的防裂、限裂的研究，可提高面板混凝土的耐久性，延长大坝的使用寿命。混凝土面板裂缝分为非结构性（温度）裂缝和结构裂缝两种。裂缝是混凝土结构中存在的一种普遍现象，它的出现不仅会降低建筑物的抗渗能力，影响建筑物的使用功能，而且会引起钢筋的锈蚀，耐久性降低，减少工程的使用年限。我国早期建成的大坝混凝土面板经过多年的运行后表面都或多或少地产生了裂缝，本项目研究的对象——某高海拔水电站为超高面板堆石坝工程，其施工场地狭窄、岸坡陡峭，昼夜温差大、气候异常等。所以，其筑坝面板混凝土的防裂尤为关键，成为本工程设计研究的重点。本文针对堆石坝面板混凝土防裂技术展开研究，通过对面板（趾板）混凝土配合比试验研究，来提高面板混凝土自身的抗裂能力，降低混凝土裂缝的产生的机率，提高混凝土面板的防渗能力。以达到方便施工，降低质量控制工作的难度的目的，确保满足施工高质量的要求。

2 研究背景

当今提高混凝土面板的抗裂性，通常从两方面考虑：一是提高混凝土极限抗拉强度和极限拉伸值，主要是提高混凝土的强度等级和改善级配降低弹性模量，因为硬化混凝土收缩应变受约束的条件下，引起弹性拉应力产生，可近似地看作弹模与应变的乘积，当拉应力超过混凝土的抗拉强度时，材料出现开裂。所以弹性模量越小，产生一定量收缩引起的弹性拉应力越小，混凝土就越不容易开裂。但此种方法控制有限，只能减少非结构性裂缝，效果不显著。二是采用补偿收缩混凝土，它是利用在混凝土中添加具有膨胀性能的外加剂，使硬化后的混凝土产生与收缩相反的体积膨胀来补偿混凝土的收缩 ，以此消除或减小收缩应力。

本文针对某高海拔水电站面板设计出一种更优异的性能及耐久性的面板混凝土，推荐经济适用且裂缝出现几率小的混凝土配合比。

3 混凝土配合比设计

3.1 面板混凝土设计要求

某大坝面板混凝土的主要技术要求，见表 1。

3.2 试验原材料及配合比

试验采用工程大坝面板的原材料，水泥中热 42.5水泥，I 级粉煤灰，砂为细度模数为 2.7 的中砂，石子采用 5～20mm 和 20～40mm 二级配碎石。试验中采用采用深圳市鹏达辉实业发展有限公司生产的聚丙烯腈纤维和上海罗洋新材料科技有限公司生产的罗赛纤维RS2000。

表1 面板混凝土的技术要求

3.3 混凝土配合比设计

3.3.1 减水剂掺量选择

减水剂对工程用胶凝材料适应性试验中，一般选择外加剂掺量低，流动度大且流动度损失小的外加剂掺量为最佳掺量，此时的减水剂对水泥的适应性好。试验选用普通 42.5水泥+20% 华翔Ⅰ级粉煤灰作为胶凝材料，选用新疆格辉 FDN 减水剂，减水剂与胶凝材料适应性试验结果如表 2 所示。

表2 减水剂与胶凝材料适应性试验结果表

从表 2 试验结果看，混凝土外加剂掺量选用 1.2%时，流动度大且流动度无损失，故混凝土外加剂掺量选用 1.2%。

3.3.2 纤维分散性试验

纤维的分散性试验是保证纤维混凝土在搅拌过程中均匀分散，防止纤维结团，是通过投料次序和搅拌时间确定的。试验方法有：

（1）先将纤维和骨料、胶凝材料搅拌 1min，使之均匀，然后加水和外加剂水溶液继续搅拌 2min；

（2）先搅拌除纤维外的其他材料，逐渐投入纤维，此过程历时 2min，当全部投入后，再搅拌 1min。

通过外观评定，第二种投料次序和搅拌时间纤维成团较严重，第一种投料次序和搅拌时间使纤维的分散性更好，选择第一种方式。

3.3.3 纤维掺量选择试验

合理的纤维掺量能改善混凝土拌合物的抗裂性能，试验采用深圳市鹏达辉实业发展有限公司生产的聚丙烯腈纤维和上海罗洋新材料科技有限公司生产的罗赛纤维RS2000。室内试验采用 0.35 水胶比，中热 42.5 水泥，20% 的 I 级粉煤灰，适宜的减水剂及引气剂掺量，罗塞纤维掺量分别选用 0.8kg/m3、1.0kg/m3、1.2kg/m3，聚丙烯腈纤维掺量分别选用 0.7kg/m3、0.9kg/m3、1.1kg/m3，进行二级配混凝土早期抗裂试验，具体试验成果见表3、图 1。

表3 混凝土早期抗裂试验成果表

图1 混凝土样品试件

由表 3 试验结果可以看出：罗赛纤维掺量选用1.0kg/m3、1.2kg/m3，聚丙烯腈纤维掺量选用 0.9kg/m3、1.1kg/m3时，混凝土试件未出现裂缝；且罗赛纤维、聚丙烯腈纤维的推荐掺量分别为 1.0kg/m3、0.9kg/m3，两种纤维在合适的掺量下能大大降低混凝土裂缝出现的几率。

采用合适的砂率可增加混凝土的密实度，改善混凝土的和易性及外观质量，保证施工质量。在进行最优砂率优选的同时，确定混凝土单位用水量、引气剂和减水剂掺量等混凝土基本参数。

本次试验混凝土砂率优选试验采用 0.38 水胶比，普通 42.5 水泥，20% Ⅰ级粉煤灰，0.9kg/m3聚丙烯腈纤维，考虑到坍落度损失较快，出机口坍落度按照70～90mm 控制，含气按照 4.5%～6.5% 控制，分别选取 32%、34%、36%、38% 砂率，进行常态混凝土拌合物性能试验。试验结果见表 4。

表4 二级配常态混凝土最优砂率试验结果表

3.3.4 混凝土最优砂率选择试验

由表 4 结果可以看出：二级配常态混凝土在水胶比为 0.38，粉煤灰掺量为 20%，砂率为 36% 时，混凝土拌合物坍落度最大，容重最大，因此二级配常态混凝土最优砂率为 36%。

3.3.5 混凝土性能试验

试验采用中热 42.5 水泥，I 级粉煤灰，新疆格辉高效减水剂和 GH-AE 引气剂。试验时减水剂掺量为1.2%，配制成 20% 浓度的溶液、引气剂配制成 1% 浓度的溶液使用，骨料采用委托方提供的人工碎石，原状骨料运到试验室，经筛分处理。按委托方提供的设计技术要求，室内试验混凝土出机口坍落度按 70～90mm、含气量按 4.5%～6.5% 控制，二级配石子比例为小石:中石=45:55。

3.3.5.1 混凝土拌合物性能

混凝土拌合物性能试验成果见表 5。

从表 5 试验结果可以看出：同条件下掺罗赛纤维拌制的混凝土与掺聚丙烯腈纤维拌制的混凝土用水量相同，比不掺纤维的混凝土单位用水量多 4kg。

表5 不同水胶比混凝土拌合物室内试验结果表

3.3.5.2 混凝土力学性能试验结果

混凝土力学性能室内试验成果见表 6。

从表 6 试验结果可以看出：

（1）在相同水胶比时，掺罗赛纤维拌制的混凝土7d、28d 抗压强度，28d 劈拉强度，28d 轴拉强度和极限拉伸值均略高于掺聚丙烯腈纤维拌制的混凝土；两种掺纤维的混凝土的极限拉伸均高于不掺纤维的混凝土。

（2）在相同水胶比时，掺罗赛纤维拌制的混凝土弹性模量与掺聚丙烯腈纤维拌制的混凝土相当；两种掺纤维的混凝土的弹性模量均低于不掺纤维的混凝土。

混凝土的极限拉伸值满足设计要求。

通过回归分析，掺聚丙烯腈纤维混凝土 28d 抗压强度与胶水比关系式为：

通过回归分析，掺罗赛纤维混凝土28d抗压强度与胶水比关系式为：

3.3.5.3 混凝土耐久性试验成果

按照委托方提供设计要求，混凝土抗冻等级为F300，抗渗等级为 W12，龄期 28d。本次对混凝土抗冻性能和抗渗性能进行了试验。

室内试验混凝土抗冻试件采用 100mm×100mm× 400mm 的试件，成型时用圆孔筛筛除大于 30mm 骨料颗粒；混凝土抗渗试件采用上口直径 175mm、下口直径 185mm、高 150mm 的截头圆椎体试件。混凝土抗冻性能和抗渗性能试验成果见表 7。

表6 硬化混凝土室内试验成果表

从表 7 试验成果可以看出：混凝土的抗渗等级满足设计要求。掺两种纤维拌制的混凝土 300 次冻融循环后的性能均较好，抗冻性能高于基准不掺纤维的混凝土。

3.2.5.4 混凝土干缩性能试验成果

室内试验混凝土干缩试件采用 100mm×100mm× 515mm 的棱柱体试件，成型时用圆孔筛筛除大于30mm 骨料颗粒。试验成果见表 8。

从表 8 试验结果看：掺两种纤维拌制的混凝土干缩均随着水胶比的减小而增大。两种掺纤维的混凝土的干缩均小于不掺纤维的混凝土。

表7 混凝土抗冻和抗渗性能试验成果表

表8 混凝土干缩试验成果表

3.2.5.5 混凝土弯曲韧性和初裂强度试验成果

室内试验采用 100mm×100mm×400m 的试件，成型时用圆孔筛筛除大于 30mm 骨料颗粒。试验按 CECS 13:2009《纤维混凝土试验方法标准》规范进行。试验结果见表 9。从表 9 试验结果看：在 0.35 水胶比时，掺罗赛纤维的混凝土弯曲韧性比高于掺聚丙烯腈纤维的混凝土。掺两种纤维拌制的混凝土弯曲韧性比均随着水胶比的减小而增大。

4 推荐混凝土配合

根据混凝土的试验成果及回归关系式，计算满足各设计强度等级要求的水胶比，结合设计技术要求混凝土配制强度为 37.4MPa，对面板混凝土确定推荐水胶比，推荐混凝土配合比见表 10。

表9 混凝土弯曲韧性和初裂强度试验结果表

表10 推荐常态混凝土配合比表

5 结语

掺合成纤维的混凝土与基准混凝土相比可提高极限拉伸，减少干缩，提高混凝土的弯曲韧性及抗冻性能。本文针对高海拔大温差的堆石坝面板混凝土防裂技术展开研究，通过对面板（趾板）混凝土配合比试验研究，来提高面板混凝土自身的抗裂能力；降低混凝土裂缝的产生的机率，提高混凝土面板的防渗能力。

［通讯地址］湖北宜昌市西陵区清波路 25 号葛洲坝集团试验检测有限公司（443002）泥，水泥的 3d 强度要达到 28～30MPa 左右。

第三，选用含早强母液的、减水率高的聚羧酸减水剂。

以上三点思路国内大部分 PC 工厂的技术人员都想到了、并采用了，重要的是第四点，采用的水泥、矿粉胶凝材料组合来替换国内大部分 PC 工厂采用的水泥、粉煤灰胶凝材料组合的思路很重要。水泥、矿粉胶凝材料组合不仅不影响早期拆模强度，成本还能大大降低，由于减少了水泥用量、增加了矿物掺合料用量混凝土耐久性还得到了大幅提升。

［作者简介］黄振兴（1964—），男，研究生，总工程师。从事混凝土行业 28年，参加过高铁、地铁、几十座大型桥梁高强度、高性能混凝土的生产和供应，在国家级混凝土专业期刊发表论文 20 多篇。

［通讯地址］浙江省温州市鹿城轻工业园区盛昌路 1 号浙江新邦远大住宅工业发展有限公司（32500）

Study on the mix proportion design of concrete panel dam in alpine high altitude area

Zhu Shengmin
(Gezhouba Dam group testing & Inspection Co., Ltd., Hubei Yichang 43002 )

This article aims at the climate characteristic of cold, high altitude, from raw materials, mix proportion design of concrete mixture performance and concrete mixture ratio design of the dam panel study, ensure the normal use in the engineering in the design of concrete use f i xed number of year.

panel concrete; anti-cracking; mix design

朱圣敏，2002年毕业于武汉水利电力大学土木工程系，现就职于葛洲坝集团试验检测有限公司，从事混凝土试验研究工作 15年，高级工程师。