水库大坝混凝土胶凝材料研究

2021-08-30高章荣

水电站机电技术 2021年8期

高章荣

（赣州市天鹰勘测设计有限公司，江西赣州 341000）

0 引言

混凝土配合比设计过程中胶凝材料体系的优化设计目的是在一定程度上降低胶凝材料的水化热，确保胶凝材料体系的强度保持不变甚至略有提升。降低水化热行之有效的措施是引入低热胶凝材料取代高热胶凝材料，为胶凝材料体系优化以及低热高性能混凝土性能研究提供理论依据。高性能混凝土在施工过程中要求混凝土具有良好的和易性，易于施工，不出现和易性差导致的堵管问题。同时高性能混凝土也要求混凝土不同龄期的抗压强度满足设计要求，甚至达到更高的强度值。优质粉煤灰、矿粉可以显著降低体系水化放热量，避免混凝土内部剧烈温升，同时优化胶凝材料比例，针对工程存在的基本性能较差、抗压强度较低等问题，通过测试流动度、倒筒时间、不同龄期抗压强度等关键指标，开展大坝高性能混凝土技术攻关。

1 工程概况

某大坝为混凝土重力坝，坝顶长度为503.1 m，坝高最高为66.2 m，相应的挡水位为59.6 m，按大坝尺寸算，该工程混凝土为大体积混凝土，由于坝体钢筋结构密集复杂，异形腔较多，要求为高性能混凝土。而施工过程中混凝土基本性能较差，同时，混凝土实体结构部分点位抗压强度富裕值低，甚至出现强度不达标等问题。

2 试验原材料

试验水泥为P·O 42.5级水泥，测试标准稠度需水量27.4%，胶砂3 d抗压强度28.6 MPa，28 d抗压强度52.6 MPa；试验粉煤灰为I级粉煤灰，细度4.8%，烧失量1.7%，需水量比92%；试验矿粉比表面积420 m2/kg，胶砂7 d活性指数82%，28 d活性指数99%；试验硅灰需水量比117%，胶砂7 d活性指数达111%；试验中粗河砂，细度模数2.8，含泥量1.5%，碎石5～16 mm连续级配，含泥量0.5%；外加剂为聚羧酸高效外加剂，固含量20.5%，减水率21%；水为饮用水。

3 高性能混凝土配合比设计

胶凝材料用量初步确定为540～560 kg/m3，粉煤灰取代范围0～40%，硅灰取代范围0～5.6%，矿粉取代范围0～30%，通过调整聚羧酸减水剂不同组分的搭配比例，达到调整混凝土和易性的目的，同时对比不同胶凝材料用量的影响，优选合理胶凝材料用量，具体配合比如表1所示。

表1 混凝土配合比

4 实验结果分析

4.1 不同因素对高性能混凝土基本性能的影响

研究不同胶凝材料用量及不同矿物掺合料取代率对于混凝土流动度、倒筒时间等关键指标的影响，具体测试结果见表2。

表2 混凝土性能测试

随着粉煤灰掺量的不断增加，混凝土流动性呈现先增加后基本不变的趋势，主要由于粉煤灰的球形颗粒作用；随着硅灰掺量的增加，混凝土粘聚性逐渐优异，混凝土扩展度呈现逐渐增加的趋势，主要由于硅灰的球形颗粒作用；随着矿粉掺量的增加，混凝土扩展度并未有显著改善。当胶凝材料用量为560 kg/m3，粉煤灰掺量为20%时，当硅灰掺量为3.6%时，混凝土流动性好，粘聚性好，倒筒时间3.5 s。

图1 不同因素对高性能混凝土流动性能的影响

4.2 不同因素对高性能混凝土抗压强度的影响

研究矿物掺合料中不同取代率对于混凝土不同龄期抗压强度的影响，具体测试结果见图2。

图2 混凝土不同龄期抗压强度

由图2可知，胶凝材料用量为560 kg/m3时，混凝土不同龄期抗压强度要略高于540 kg/m3用量，不同矿物掺合料对于不同龄期的抗压强度影响也不相同，硅灰主要提供早期强度，矿粉提供中期强度，粉煤灰提供后期强度。主要由于不同矿物掺合料水化速率不同，错峰水化，匀速进行。当胶凝材料用量为560 kg/m3，粉煤灰掺量为20%，硅灰掺量为3.6%，矿粉掺量为20%时，混凝土不同龄期抗压强度达到最佳值，3 d抗压强度为28.4 MPa，7 d抗压强度为43.7 MPa，28 d抗压强度为58.3 MPa，60 d抗压强度为63.7 MPa。

4.3 高性能混凝土模拟应力监测研究

研究模拟混凝土实体结构中胶凝材料用量及相应搭配比例下不同监测点应力变化情况。试块开展应力监测，确定设计配合比可行性。

图3 实体监测点7 d应力监测情况

图4 实体监测点28 d应力监测情况

从应力监测情况看，7 d绝大多数监测点均低于劈裂抗拉强度，少数点高于劈裂抗拉强度，存在一定的开裂风险，但风险较低；28 d只有3个监测点应力高于劈裂抗拉强度，开裂风险极低，说明该胶凝材料用量下的矿物掺合料比例是合理的。主要由于粉煤灰、矿粉对水泥进行等比例取代，低水化热取代高水化热材料，整体反应平稳，热量不聚集，大幅度降低开裂风险。