张家川水库面板混凝土变形性能研究

杜 磊

（甘肃省水利水电勘测设计研究院有限责任公司，兰州 730000）

1 工程概况

张家川水库工程位于甘肃省天水市张家川回族自治县。工程枢纽由大坝、溢洪道、泄洪洞、引水工程等建筑物组成，水库总库容为498.00 万m3，设计坝顶高程1947 m，坝型为面板堆石坝，最大坝高71 m，工程等别为Ⅳ等，工程规模小（1）型，主要建筑物按4 级建筑物设计，次要及临时建筑物按5 级设计。

混凝土面板堆石坝投资成本低、工期短、可靠性高，因而得到广泛应用，面板混凝土的质量对工程起关键作用。张家川水库面板混凝土设计强度等级为C30，抗渗等级为W10，抗冻等级为F200，对混凝土性能要求较高。

通过试验研究，对混凝土原材料进行全面分析，掺入粉煤灰来降低混凝土水化热，降低由于水化热引起的面板开裂问题；通过掺入减缩剂和增密剂来提高混凝土的抗变形能力。

2 试验材料和方法

试验用水泥为祁连山P·O42.5 普通硅酸盐水泥，物理化学性能满足规范要求；粉煤灰采用甘谷电厂生产的Ⅱ级粉煤灰，含水率≤1%，细度为20%；细骨料为人工砂，细度模数为2.6；粗骨料为5～20 mm、20～40 mm碎石；外加剂为四川巨星新型材料有限公司生产的减水剂、引气剂和JX-CNH100型液体混凝土减缩抗裂防水密实剂以及武汉化工学院生产的WHDF混凝土增强密实（抗裂）剂。

为确定粗骨料的最佳掺配比例，试验通过单因素法调整比例，试验结果见表1。

表1 粗骨料掺配比例试验结果

从表1的结果看，粗骨料在比例为45∶55时，密度最大、孔隙率最小。但从现场进行混凝土配合比设计试验时的拌合物和易性比较，比例为50∶50 时较好，确定其为最佳比例。

3 结果与分析

3.1 粉煤灰掺量的影响

3.1.1 粉煤灰掺量对胶砂强度的影响

对比粉煤灰掺量分别在0、10%、20%、30%时对水泥胶砂强度的影响，试验结果见图1。

图1 不同粉煤灰掺量强度与龄期关系曲线

从图1可以看出，随着粉煤灰掺量增加，水泥胶砂的抗折强度、抗压强度均减小。掺入粉煤灰早期强度较水泥组低，掺入粉煤灰使胶凝材料水化产物量减少、强度降低。粉煤灰中玻璃体相对稳定，水化速度较水泥慢，后期粉煤灰水化所需Ca（OH）2浓度增大，水化反应速度增快。粉煤灰掺量在10%～20%的胶砂28 d强度与水泥组接近，从经济角度选择粉煤灰最佳掺量为20%。

3.1.2 粉煤灰掺量对水化热的影响

粉煤灰掺量对水化热影响试验结果见表2和图2。粉煤灰的玻璃体中氧化硅和氧化铝与水泥水化产物Ca（OH）2反应，反应为吸热反应使胶凝材料水化热降低。

表2 粉煤灰掺量对水化热的影响

图2 粉煤灰掺量对水化热的影响

从图2可以看出，随着粉煤灰掺量增多，水化热降低率增大，每增加10%粉煤灰，水化热降低率约为10%，粉煤灰掺量与水化热降低率呈现线性关系；随着养护龄期延长，水化降低率逐渐降低。

3.2 砂率的影响

砂率是混凝土配合比的关键参数之一，砂率的变化影响骨料空隙率和粗骨料相对含量的变化，进而对混凝土拌合物的工作性能、强度和耐久性产生影响。试验通过调整砂率，得出最佳砂率，试验测试结果见表3。从表3可以看出，随着砂率变化，对拌和混凝土的坍落度和和粘聚性均有影响，试验得出最佳砂率为38%。

表3 砂率对拌合物性能的影响

3.3 外加剂的影响

混凝土拌和时掺入外加剂对拌合物工作性能有较大的影响，试验对比3种外加剂对混凝土拌合物性能影响（见表4）。从表4可以看出，随着减水剂掺量增加，拌合物坍落度增大，掺入增密剂可以提高混凝土的粘聚性，掺入减缩剂混凝土的含气量增大。

表4 外加剂对拌合物性能的影响

3.4 水胶比对抗压强度的影响

水胶比的大小直接影响混凝土的强度、耐久性和工作性能。面板混凝土设计强压强度等级为C30，为保证混凝土的强度达到设计要求，通过调整水胶比来确定其对混凝土抗压强度的影响，试验结果如图3。

图3 水胶比对抗压强度的影响

从图3可以看出，随着胶水比增大，混凝土抗压强度增加，混凝土抗压强度与胶水比呈线性关系。水胶比不大于2.38时，抗压强度满足设计要求。

3.5 混凝土变形性能

混凝土的变形包括非荷载下的变形和荷载下的变形。非荷载下的变形主要由混凝土所用材料和温度引起，提高混凝土变形性能的措施主要有掺入活性材料和外加剂[1～4]。试验对比外加剂对混凝土影响，确定最佳外加剂。

3.5.1 干湿变形

干湿变形是指由于混凝土周围环境湿度的变化，会引起混凝土的干湿变形，表现为干缩湿胀[5，6]。分别对R03、R05、R07 进行干缩、湿胀试验，试验结果见图4和图5。

图4 干缩率的影响

图5 湿涨率的影响

从图4 和图5 可以看出，掺入增密剂和减缩剂均可提高混凝土的抗干湿变形能力。使用减缩剂可降低表面张力，较大幅度地降低干燥收缩。增密剂可促进水泥水化程度、优化水化产物、协同激发混凝土中活性混合料与Ca（OH）2进行二次水化等作用，提高混凝土中凝胶量、降低孔隙率、改善级配和水泥石及其与骨料界面结构，增强凝胶的粘结力，使混凝土具有良好的抗干缩性。

3.5.2 化学收缩

在混凝土硬化过程中，由于水泥水化物的固体体积比反应前物质的总体积小，从而引起混凝土的收缩[7～10]。化学收缩在混凝土内部可能产生微细裂缝而影响承载状态和耐久性。体积变形试验结果如图6。

图6 自身体积变形量的影响

从图6 可以看出，掺入增密剂使混凝土自身体积变形量变小，增密剂改变了混凝土内部结构，混凝土内部结构更加致密。

4 结语

张家川水库面板混凝土施工已完成，掺入增密剂提高了混凝土的抗变形能力，保证了工程质量。试验研究得出以下结论；

（1）掺入粉煤灰可降低混凝土水化热，每增加10%粉煤灰掺量，混凝土水化热降低约10%。

（2）胶水比与混凝土抗压强度呈线性关系。

（3）掺入减缩剂可提高混凝土抗干湿变形能力。

（4）掺入增密剂可提高混凝土抗自身变形能力。