朱國建 李 新

(新疆額爾齊斯河流域開發(fā)工程建設(shè)管理局 烏魯木齊 830000)

1 概述

北疆某水庫總庫容2.22億m3，屬大(2)型Ⅱ等工程，大壩為常態(tài)混凝土雙曲拱壩，最大壩高94m，混凝土總方量為31.16萬m3。壩址區(qū)多年平均氣溫5℃，極端最高氣溫39.4℃，極端最低氣溫－41.2℃;最大積雪深46cm，最大凍土深127cm，屬大陸性北溫及寒溫帶氣候。呈現(xiàn)出空氣干燥、年氣溫差較懸殊、寒潮次數(shù)多、日溫差大等氣候特點，對筑壩混凝土材料提出了很高要求。因此，提高大壩混凝土抗凍耐久性、高抗?jié)B性和抗裂性是保證工程質(zhì)量的關(guān)鍵。

2 設(shè)計指標(biāo)

該大壩混凝土材料分區(qū)見圖1，混凝土雙曲拱壩每隔15m設(shè)置一條橫縫，共分為21個壩段，不設(shè)縱縫通倉澆筑。壩體各部位混凝土設(shè)計指標(biāo)見表1。

圖1 拱壩材料分區(qū)示意圖

表1 大壩各部位混凝土配制強度及設(shè)計要求

3 實驗研究方案

大壩混凝土的主要控制指標(biāo)為“強度、抗?jié)B、抗凍、抗裂”，抗沖磨混凝土還提出“抗沖磨、抗空蝕”要求。嚴寒地區(qū)水工大體積混凝土強度要求水膠比不宜過大，摻合材比例和膠材用量應(yīng)適宜;混凝土耐久性與含氣量、強度等級有較好的相關(guān)性，特別是目前工程界提倡的混凝土高性能化要求對抗凍和含氣量指標(biāo)提出了更嚴格要求，因此混凝土含氣量不能低;混凝土抗裂性能要求盡量降低水泥用量和用水量，適當(dāng)增加摻合材用量以減少混凝土發(fā)熱量和收縮變形，同時還應(yīng)保證混凝土的極限拉伸方面的變形能力。而抗沖磨、抗空蝕方面主要要求混凝土高強度、較低摻合材用量比例以及相應(yīng)施工工藝。因此，大壩混凝土配合比設(shè)計試驗的技術(shù)路線為:雙摻減水劑和引氣劑、高摻粉煤灰、低水膠比、較低用水量、高含氣、較低坍落度控制，達到適宜強度、較好施工性、高性能化和較好抗裂的目的。實驗方案擬定試驗的水膠比變化為0.38、0.43和0.48，膠材總量中粉煤灰摻量變化為35%、45%和55%。試驗采用三級配混凝土進行不同水膠比、不同膠材組合的試驗。再參照三級配試驗結(jié)果選定四級配的水膠比、摻合料摻量進行試驗。

2009年7月中旬，配合比試驗自開始進行。考慮90天設(shè)計齡期、抗凍等級F300約需時50天(若F400則需65天)，為了加快進度、節(jié)約時間，首先開展原材料主要指標(biāo)檢測，特別是細度、級配、吸水性、密度、空隙等檢測，在此基礎(chǔ)上進行了骨料級配混合比例選擇試驗和用水量、砂率調(diào)試選擇試驗;結(jié)合調(diào)試拌和情況，從8月起開展三級配各水膠比、粉煤灰摻量的強度、極拉、彈模、抗凍、抗?jié)B等關(guān)系成型試驗;從9月起根據(jù)早期強度和其他工程參數(shù)規(guī)律初選了四級配、三級配混凝土配合比參數(shù)進行調(diào)試試驗。

4 混凝土配合比實驗

4.1 三級配混凝土比例參數(shù)試驗

混凝土比例參數(shù)試驗采用三級配進行試驗，水膠比選擇0.38、0.43、0.48三組，粉煤灰摻量選擇35%、45%、55%三組，實驗參數(shù)見表2。混凝土拌和物出機后約30min按坍落度30～60mm、含氣量4.5% ～5.5%控制，骨料比例 20∶30∶50。

試驗原材料為:P.Ⅰ42.5型硅酸鹽水泥，5～20mm小碎石，20～40mm混合石，40～80mm天然卵石，天然砂40%與人工砂60%的混合砂，細度模數(shù)2.65，外加劑NF—2型緩凝高效減水劑和PMS—NEA3型引氣劑，具體試驗參數(shù)見表2。三級配混凝土水膠比與抗壓強度關(guān)系曲線見圖2，三級配混凝土粉煤灰摻量與抗壓強度關(guān)系曲線見圖3。

表2 大壩混凝土三級配水膠比、膠材組合關(guān)系試驗參數(shù)

圖2 三級配混凝土水膠比與抗壓強度關(guān)系曲線

圖3 三級配混凝土粉煤灰摻量與抗壓強度關(guān)系曲線

實驗表明:凝結(jié)時間隨粉煤灰摻量、出機坍落度和含氣量情況有一定變化，但均大于14h。水膠比0.38與0.43時，混凝土28天和90天抗壓強度變化不大，0.48水膠比的混凝土28天和90天抗壓強度下降明顯。水膠比越小，混凝土強度發(fā)展越快，后期強度增長幅度越小。拌和物試驗結(jié)果表明:所測結(jié)果符合配合比設(shè)計控制目標(biāo)。

各組試驗參數(shù)90天劈拉強度和軸心抗拉強度均大于2.0MPa，彈模適中，90天極限拉伸值均在85×10－4以上。

各組試驗參數(shù)的28天和90天、180天齡期抗?jié)B均滿足W10要求，粉煤灰摻量35%和45%時滲水高度較小，而粉煤灰摻量55%時滲水高度較大。各組試驗參數(shù)抗凍成果均達到F400級要求，說明水膠比0.38～0.48、粉煤灰摻35% ～45%、含氣量4.5% ～5.5%范圍時，可以滿足耐久性和強度要求。這與其他工程研究成果有一定差異，充分說明含氣量在抗凍中起到了關(guān)鍵作用。

4.2 三級配混凝土配合比試驗

《水工混凝土施工規(guī)范》(DL/T 5122—2001)規(guī)定:嚴寒地區(qū)壩體外部水位變化區(qū)最大水膠比為0.45，嚴寒地區(qū)壩體外部其他高程部位最大水膠比0.50，有環(huán)境水侵蝕時水膠比應(yīng)減小0.05;《水工混凝土摻用粉煤灰技術(shù)規(guī)范》(DL/T 5055—2007)規(guī)定:嚴寒地區(qū)采用硅酸鹽水泥，外部混凝土粉煤灰最大摻量45%。根據(jù)設(shè)計和規(guī)范要求結(jié)合三級配水膠比、膠材組合關(guān)系試驗成果，初步選定的三級配混凝土配合比試驗成果表明:混凝土各項指標(biāo)滿足設(shè)計要求。力學(xué)與變形性能實驗成果見表3。

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4.3 四級配混凝土配合比試驗

參照三級配水膠比、膠材組合關(guān)系試驗情況，結(jié)合摻粉煤灰膠砂試驗結(jié)果和其他工程配合比參數(shù)，四級配混凝土按摻45%粉煤灰設(shè)計。四級配混凝土配合比試驗結(jié)果表明:混凝土拌和物出機后約30min坍落度在30～60mm左右，含氣量在5.0% ～5.5%，絕熱溫升值在24～26℃，成型試件的各項混凝土性能指標(biāo)均滿足設(shè)計要求。力學(xué)與變形性能實驗成果見表4。

4.4 抗沖磨混凝土配合比試驗

抗沖磨混凝土的抗沖磨要求，規(guī)范中未規(guī)定控制指標(biāo)，一般強度高的混凝土抗沖磨性能較好?？箾_蝕要求主要體現(xiàn)在施工工藝上，要求混凝土表面平整無氣孔、避免空蝕。本工程抗沖磨混凝土設(shè)計指標(biāo)為28天齡期C40W6F300級三級配混凝土，試驗成果表明:水膠比0.28、粉煤灰摻量20%的抗沖磨混凝土配合比28天各項指標(biāo)均滿足設(shè)計施工要求。力學(xué)與變形性能實驗成果見表5。

4.6 推薦配合比

根據(jù)上述試驗成果，推薦的某水庫大壩混凝土施工基本配合比見表6。

5 結(jié)語

a.實驗表明:NF—2型緩凝高效減水劑和PMS—NEA3型引氣劑與本工程材料(特別是水泥)適應(yīng)性較好，滿足施工使用要求，F(xiàn)DN型緩凝高效減水劑和AER型引氣劑性能與其相當(dāng)，未發(fā)現(xiàn)不良反應(yīng)，由于試驗任務(wù)緊，未進行大范圍試驗。如需更換外加劑品種，建議在正式施工材料生產(chǎn)后進行復(fù)核試驗。

b.本次配合比試驗時間緊、任務(wù)重，為及早提出可行的配合比參數(shù)，邊進行原材料檢測邊進行配合比設(shè)計試驗，僅按計劃完成了摻粉煤灰的一整套混凝土配合比試驗。根據(jù)試驗成果，推薦的混凝土配合比各項指標(biāo)滿足設(shè)計施工要求。

c.配合比高性能化的設(shè)計要求，決定了混凝土含氣量是關(guān)鍵控制參數(shù)，試驗成果也反應(yīng)了這個問題，成型含氣量4.5%～5.5%時可滿足F400以上抗凍要求。施工中必須嚴格控制混凝土含氣量，出機混凝土測值可略大，現(xiàn)場入倉施工時(出機約30min)F200混凝土含氣量按4% ～5%控制、F300混凝土按4.5% ～5.5%控制、F400混凝土按5% ～5.5%控制，引氣劑摻量根據(jù)含氣量要求調(diào)整。