水电站中自密实低强混凝土的应用研究

赵大鹏

(辽宁省水资源管理集团有限责任公司，沈阳 110166)

一般地，水工混凝土相对于其它混凝土具有两个突出的特征：水工大体积混凝土面临着突出的温度裂缝和水化热温升问题，受水文条件影响水工混凝土具有更严格的耐久性要求。研究认为[1-2]，大中型水工结构的耐久性使用年限应为100a，而中小型水工结构安全运行年限应≥50a，结构耐久性发挥着重要作用。美国等许多国家立项重点研究了混凝土耐久性，旨在延长水利工程的使用年限，保证已建工程的安全运行以及改善新建工程的耐久性能[3]。

针对混凝土密实成型而引起的耐久性不足问题，学者Okamura定义了自密实的概念，经长期研究已取得一系列研究成果，但其应用仅局限于公路、民用建筑及工业等基础工程[4-6]。考虑到水工结构的特殊性，如异形、钢筋密集等难以振捣密实结构，泄水航道、窝壳等施工质量问题，自密实混凝土具有较好的实用性，而现有适用于水电站自密实低强度等级的混凝土技术尚不成熟。因此，试验研究和探讨水电站中自密实低强度混凝土性能极其必要。鉴于实际工程需求和以上考虑，文章研究了自密实低强度水工混凝土的耐久性能和力学性能，并分析了浑江干流回龙山水电站除险加固工程的应用效果。

1 原材料性能

1)水泥。回龙山水电站除险加固工程所用水泥为浑河P·O42.5硅酸盐水泥，经试验检测其抗压强度、抗折强度、凝结时间和水泥安定性等指标均符合标准要求。水泥物理力学性能指标，见表1。

表1 水泥物理力学性能指标

2)粉煤灰。工程现场所用粉煤灰会绥中电厂生产的Ⅱ级粉煤灰，经试验检测其烧失量、比表面积、含水量、需水量比和细度等指标均符合相关标准要求。粉煤灰性能指标，见表2。

表2 粉煤灰性能指标

3)外加剂。回龙山水电站除险加固工程所用引气剂为ZS-109B型引气剂，减水剂选用XK-540P型聚羧酸减水剂，经试验检测两种外加剂性能均符合标准要求。掺外加剂性能指标，见表3。

4)砂石骨料。回龙山水电站除险加固工程选用人工砂石料，砂细度模数为2.80，碎石级配连续，粒径5-25mm，经检测砂石料品质均符合标准要求。砂石骨料性能指标，见表4。

表3 掺外加剂性能指标

表4 砂石骨料性能指标

2 试验研究

2.1 配合比设计

回龙山水电站除险加固工程自密实混凝土为C25强度等级，采用技术规程推荐的设计方法确定实验室配合比，经进一步调整、试配确定施工配合比。自密实低强度混凝土配合比，见表5。

2.2 混凝土配制

自密实混凝土的配制主要有搅拌时间、投料顺序、原材料计量等过程，依据施工配合比精准称量原材料后开始投料，投料顺序为先骨料再凝胶材料，最后投放水和外加剂。考虑到组分较多的实际情况，搅拌时间与方式是保证混凝土质量及搅拌均匀的关键环节[7]。试验选用搅拌机配制自密实混凝土，一般控制搅拌时间150s以上，以拌合均匀作为终止拌制的标准。

表5 自密实低强度混凝土配合比

2.3 试验方法

2.3.1 拌和物工作性

自密实混凝土的U型箱流动度、扩展度及坍落度按照JGJ/T 283-2012测定，以目测的方式观察混凝土是否板结、是否有水分或水泥浆析出，在此基础上合理判定工作性能。此外，自密实混凝土的工作性对外加剂的掺量较为敏感，外加剂等原材料用量的稍微减少或增加都会显著影响混凝土的工作性能[8-9]。所以，对试验所用的各种原材料用电子设备计量，计量允许偏差为外加剂、水、矿物掺合料、水泥为±1%，粗细骨料为±2%。现场应从多个部位适时测定砂、石材料的含水率，并考虑含水量情况适当调整施工配合比。混凝土拌合物工作性能，见表6。

表6 混凝土拌合物工作性能

结果显示，自密实混凝土的扩展度处于500-700mm之间，目测拌合物保水性和黏聚性发现，混凝土配合比能够满足保水性、黏聚性及施工和易性要求。

2.3.2 力学性能试验

依据《水工混凝土试验规程》(SL 352-2020)测定自密实混凝土力学性能，机口取样抽检和试验检测结果，机口取样抽检与试验检测结果，见表7。

表7 机口取样抽检与试验检测结果

结果表明，自密实混凝土28d静力抗压弹性模量、28d极限拉伸值、抗折强度和抗压强度均符合水工混凝土设计要求。

2.3.3 干缩试验

干燥收缩是指混凝土处于不饱和空气中内部存在的毛细孔、凝胶孔失水而引起的不可逆收缩。试验将自密实混凝土制成515mm×100mm×100mm的试件，参照SL 352-2020规程测定自密实混凝土3d、7d、14d、28d、60d、90d龄期的干缩率，如表8。结合相关统计数据，纯水泥浆体完全干燥时的收缩量达到100×10-4，Lee F M实测数据表明完全干燥时普通混凝土的收缩值为-40×10-4。干缩性能指标，见表8。

表8 干缩性能指标

从表8可以看出，90d龄期时自密实混凝土的干缩值只有完全干燥时普通混凝土的2.41%，实测值为-0.9637×10-4。这是由于自密实混凝土掺入了适量的引气剂、高效减水剂和30%的粉煤灰，在一定程度上改善混凝土的内部结构，从而有效降低了其早期干缩性能。因此，对于水工结构自密实混凝土具有较好的适用性，有利于提高结构的整体耐久性。

2.3.4 自生体积变形

自生体积变形是指绝湿恒温条件下因胶凝材料水化而造成的体积变化，参照SL 352-2020规程测试自密实混凝土自生体积变形(一般处于-50-50×10-6之间)，自生体积变形曲线，见图1。结果显示，自密实混凝土在龄期达到28d后以收缩变形为主，收缩变形最大达到-5.1×10-4，在龄期达到60d后整体处于问题。因此，该自密实混凝土可以有效改善水工结构整体耐久性，具有较小的自生体积变形。

图1 自生体积变形曲线

2.3.5 抗裂性试验

混凝土裂缝在很大程度上决定了其耐久性，裂缝的存在为外界环境中的水分、离子渗透至混凝土内部提供了通道，加速了混凝土的裂化过程和外界侵蚀性介质的迁移速率，混凝土结构的服役寿命和耐久性明显下降。因此，裂缝控制对处于水环境中的水工结构而言就显得更为重要。文章利用圆环抗裂法和平板法试验研究了自密实混凝土的抗裂性能，详细方法见文献[10]。在相对湿度(60±5)%和环境温度(20±2)℃的室内成型、观察试验，抗裂性试验结果，见图2。

(a)平板法 (b)圆环法

结果显示，采用两种检测方法均未发现混凝土裂缝，即平板法和圆环法测试的试样抗裂性保持一致。该水工自密实混凝土的抗裂性良好，掺矿物掺合料的普通混凝土与自密实C25低强度水工混凝土的抗裂性无明显差异。

2.4 应用效果

为进一步验证自密实低强度高耐久性水工混凝土的性能，在浑江干流回龙山水电站除险加固工程中开展了现场生产性试验，通过仓面抽样检测了其主要性能。从外观质量上，施工部位未发现混凝土泌水现象，在无须振捣的情况下混凝土无浆体与骨料分离现象，黏聚性好且可自流平；混凝土拆模后外观美观、密实、表面光滑、边角平整，未发现裂缝，混凝土的耐久性优异且填充效果良好[11-15]。此外，考虑到外界条件易对自密实混凝土性能造成影响，实际使用过程中为保证混凝土施工性能，应严格控制拌合物的工作性、搅拌时间与方式、原材料计量及其品质等。

3 结 论

1)自密实低强度混凝土的流动性良好，历时90min的扩展度损失率只有5.16%，对振捣器无法使用且施工断面较大、钢筋较密的部位具有较好的填充性能，其弹性模量、劈拉强度、抗压强度和极限拉伸值等指标均符合设计要求。

2)自密实低强度混凝土的后期自生体积变形和干缩收缩较小，抗裂性能良好，可以有效改善水工结构的耐久性。在浑江干流回龙山水电站除险加固工程中该自密实低强度混凝土得到成功应用，为配制与应用自密实高耐久性中低强度混凝土提供了一定参考。