路 明，周興朝

(中國(guó)水利水電第九工程局有限公司，貴州 貴陽(yáng) 550081)

華電西藏公司所屬電站為二等大(2)型工程，開(kāi)發(fā)任務(wù)以發(fā)電為主，相應(yīng)庫(kù)容0.552 8億m3，電站壩址控制流域面積15.74萬(wàn)km2。電站裝機(jī)容量為660 MW，多年平均發(fā)電量32.045億kW·h，保證出力(P=5%)173.43 MW。

電站樞紐建筑物由擋水建筑物、泄洪消能建筑物、引水發(fā)電系統(tǒng)及升壓站等組成。攔河壩為碾壓混凝土重力壩。發(fā)電廠房采用壩后式布置，主要由主廠房、副廠房、變電站等組成，主廠房尺寸163.00 m×29.50 m×63.50 m(長(zhǎng)×寬×高)，安裝4臺(tái)單機(jī)容量165 MW的混流式水輪發(fā)電機(jī)組。

1 工程特點(diǎn)

華電西藏公司所屬電站是西藏目前在建的最大水電站，也是目前國(guó)內(nèi)海拔最高的碾壓混凝土重力壩。盡管我國(guó)內(nèi)地已有較為成熟的碾壓混凝土施工及質(zhì)量控制經(jīng)驗(yàn)，也有一些寒冷地區(qū)碾壓混凝土質(zhì)量控制經(jīng)驗(yàn)可以借鑒，但由于西藏高海拔地區(qū)特有的強(qiáng)日照、低氣壓、晝夜溫差大、強(qiáng)蒸發(fā)等屬性，其他地區(qū)的工程經(jīng)驗(yàn)也不能完全借鑒到本工程中。華電西藏公司所屬電站所處地區(qū)氣候?qū)俑咴瓬貛Ъ撅L(fēng)半濕潤(rùn)氣候，每年11月～次年4月為旱季，5月～10月為雨季。

加查氣象站(壩址下游約35 km，測(cè)站高程3 260 m)多年平均氣溫9.3℃，極端最高、最低氣溫分別為32.5℃和-16.6℃，多年平均降水量527.4 mm，多年平均蒸發(fā)量為2 084.1 mm，多年平均相對(duì)濕度為51%，多年平均氣壓為685.5 hPa，多年平均風(fēng)速為1.6 m/s，歷年最大定時(shí)風(fēng)速為19.0 m/s，多年平均日照時(shí)數(shù)為2 605.7 h，歷年最大凍土深度為19 cm。倉(cāng)面實(shí)測(cè)氣溫見(jiàn)表1。

表1 倉(cāng)面實(shí)測(cè)氣溫統(tǒng)計(jì)表 ℃

基于以上氣候條件，華電西藏公司所屬電站水電九局項(xiàng)目試驗(yàn)室對(duì)高海拔地區(qū)碾壓混凝土含氣量影響因素進(jìn)行研究。

2 高海拔地區(qū)碾壓混凝土含氣量影響因素

大量研究表明，引入微小的氣泡是提高混凝土抗凍性能的有效方法，具體措施是在混凝土中摻入一定量的引氣劑。引氣劑是具有憎水作用的表面活性物，可以明顯降低混凝土拌合水的表面張力，使混凝土內(nèi)部產(chǎn)生大量微小穩(wěn)定的氣泡。這些氣泡切斷了混凝土內(nèi)部的部分毛細(xì)管通路，在混凝土結(jié)冰時(shí)產(chǎn)生的壓力得到緩解，不使混凝土遭到破壞，起到緩沖減壓作用。這些氣泡也可以阻斷混凝土內(nèi)部毛細(xì)管與外界的通路，使外界水分不能滲入，提高混凝土的抗?jié)B性能。同時(shí)適量的氣泡還起到潤(rùn)滑作用，可以改善混凝土的和易性。因此混凝土中摻入引氣劑，使混凝土內(nèi)部有足夠的氣泡，能夠大大提升混凝土的耐久性能及施工性能。

但碾壓混凝土即使在內(nèi)地低海拔地區(qū)引氣效果也不理想，在西藏高海拔地區(qū)特有的強(qiáng)日照、低氣壓、晝夜溫差大、強(qiáng)蒸發(fā)的條件下，碾壓混凝土的含氣量問(wèn)題越加顯著?，F(xiàn)從以下幾方面通過(guò)試驗(yàn)對(duì)高海拔地區(qū)碾壓混凝土的含氣量影響因素進(jìn)行研究：

本工程施工配合比主要用砂石為西藏DG主砂系統(tǒng)生產(chǎn)的砂石，水泥為華新堡壘水泥有限公司生產(chǎn)的P·MH42.5水泥，粉煤灰為寧夏錦鑫環(huán)保科技有限公司生產(chǎn)的Ⅱ級(jí)粉煤灰，外加劑為山西恒泰偉業(yè)建材有限公司生產(chǎn)的HT-5/奈系高效減水劑和HT-11/引氣劑，拌和用水為華電西藏公司所屬電站營(yíng)地生活飲用水，配合比使用《大壩及廠房混凝土配合比(山西恒泰外加劑)成果評(píng)審會(huì)會(huì)議紀(jì)要》(專題紀(jì)要{2018}096號(hào))附表1中的C9015W6F100三級(jí)配碾壓混凝土，拌和時(shí)間為65 s。配合比具體參數(shù)及每方材料用量見(jiàn)表2。

表2 C9015W6F100三級(jí)配碾壓混凝土配合比參數(shù)及每方材料用量表

2.1 高海拔地區(qū)低氣壓對(duì)碾壓混凝土含氣量的影響

本次試驗(yàn)主要是通過(guò)使用相同的原材料、配合比、拌和時(shí)間、VC值，分別在貴州省貴陽(yáng)市水電九局中心試驗(yàn)室(海拔約1 100 m)和西藏DG項(xiàng)目試驗(yàn)室(海拔約3 400 m)兩個(gè)不同海拔高度的地區(qū)進(jìn)行10組對(duì)比試驗(yàn)，研究碾壓混凝土在不同海拔高度及氣壓的條件下，含氣量與海拔高度的關(guān)系。為保證碾壓混凝土試驗(yàn)除海拔高度外其他條件均相同，在試驗(yàn)時(shí)保證所有砂石骨料均為飽和面干狀態(tài)，通過(guò)相同的用水量控制兩地試驗(yàn)的VC值也保持一致，溫濕度均符合《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》DL/T5150中對(duì)混凝土拌和時(shí)的溫濕度要求。表3為兩個(gè)不同海拔地區(qū)含氣量試驗(yàn)的檢測(cè)結(jié)果。

表3 兩地含氣量試驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)表

通過(guò)試驗(yàn)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，在除了海拔和氣壓外其他試驗(yàn)條件相同的情況下，由于海拔的升高導(dǎo)致碾壓混凝土的含氣量有所削減，也有研究表明，當(dāng)拌和氣壓在50 kPa時(shí)，含氣量相較于標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下下降20%～49%[1]。通常情況下造成混凝土含氣量較低的原因主要有兩方面：①引氣劑氣泡能力弱，引入氣泡能力有限；②引入的氣泡穩(wěn)定性差，氣泡強(qiáng)度低，容易破裂。引氣劑作為一種表面活性劑，是通過(guò)降低液體表面的張力形成氣泡的，由于表面張力是由液體表面分子引力不均衡而產(chǎn)生的作用于任何一界線上的張力。海拔的升高導(dǎo)致大氣壓的降低，空氣中的分子間距增大，吸引力減弱，而液體密度受氣壓的影響很小，此時(shí)處于液-氣界面上的分子明顯受液體分子的引力要高于標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下的引力，即高海拔低大氣壓時(shí)液體的表面張力值偏大，這樣就相當(dāng)于削弱了引氣劑的引氣能力，從而導(dǎo)致碾壓混凝土在高海拔地區(qū)引氣難度要大于低海拔地區(qū)。因此在高海拔低氣壓地區(qū)澆筑有含氣要求的混凝土?xí)r，要根據(jù)當(dāng)?shù)貧鈮簵l件，因地制宜，通過(guò)適當(dāng)提高引氣劑摻量來(lái)引入足夠的氣泡，以達(dá)到碾壓混凝土的耐久性能要求。

2.2 高海拔地區(qū)VC值對(duì)碾壓混凝土含氣量的影響

2019年3月華電西藏公司所屬電站碾壓混凝土澆筑正式拉開(kāi)帷幕，進(jìn)入澆筑高峰期。試驗(yàn)室嚴(yán)格按照《水工碾壓混凝土施工規(guī)范》DL/T5112-2009中對(duì)碾壓混凝土VC值、含氣量的檢測(cè)要求進(jìn)行檢測(cè)和數(shù)據(jù)收集，通過(guò)對(duì)檢測(cè)數(shù)據(jù)整理分析不難發(fā)現(xiàn)碾壓混凝土含氣量與VC值存在一定的關(guān)系，表4為試驗(yàn)室收集整理有關(guān)碾壓混凝土VC值和含氣量的數(shù)據(jù)。

表4 碾壓混凝土VC值和含氣量的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表

注：表中含氣量數(shù)據(jù)為在相同VC值時(shí)所檢測(cè)含氣量的平均值。

通過(guò)摻加引氣劑引入碾壓混凝土拌和物中的氣泡并不是一成不變的。在碾壓混凝土的拌和、運(yùn)輸、攤鋪和碾壓的過(guò)程中，隨著碾壓混凝土VC值的損失，碾壓混凝土拌合物中的氣泡也在發(fā)生遷徙、合并、潰滅等變化。如圖1所示VC變大的宏觀反應(yīng)就是碾壓混凝土含氣量的不斷下降。

圖1 含氣量隨VC值變化的關(guān)系圖

氣泡存在的條件是氣相和液相的邊界。碾壓混凝土作為干硬性混凝土，拌和物中存在液相有限。拌制完成的碾壓混凝土如果沒(méi)有及時(shí)完成鋪筑碾壓，在西藏高海拔地區(qū)特有的強(qiáng)日照、低氣壓、晝夜溫差大、強(qiáng)蒸發(fā)等特有的氣候條件下，暴露在外的碾壓混凝土VC損失較快，碾壓混凝土中的液相也相繼損失， 導(dǎo)致氣泡破裂，碾壓混凝土含氣量降低，無(wú)法保證碾壓混凝土的耐久性能。因此在西藏高海拔地區(qū)特有的氣候條件下施工，首先需要控制好碾壓混凝土出機(jī)口VC值，其次是在施工的過(guò)程中需要及時(shí)攤鋪和碾壓，以保證碾壓混凝土在攤鋪碾壓完成前有足夠的含氣量來(lái)保證碾壓混凝土的耐久性。

2.3 高海拔地區(qū)人工砂中石粉含量對(duì)碾壓混凝土含氣量的影響

石粉是指細(xì)骨料中粒徑小于0.16 mm的顆粒，其貌為不規(guī)則多菱體，屬于惰性材料，但適量的石粉含量有利于提高碾壓混凝土各項(xiàng)性能，人工砂中石粉含量有較好的顆粒形態(tài)及顆粒效應(yīng)，能填充骨料間空隙，包裹骨料表面，提高碾壓混凝土的黏聚性、抗分離性、可碾性，降低碾壓混凝土的空隙率，可提高混凝土的密實(shí)性，有利于碾壓混凝土的泛漿和增強(qiáng)其抗?jié)B性能。然而人工砂中石粉含量并非越高越好，當(dāng)人工砂中石粉含量增大時(shí)其細(xì)微的石粉對(duì)引氣劑有一定的吸附作用，導(dǎo)致引氣效果不佳，繼而影響碾壓混凝土的耐久性(抗凍性能、抗?jié)B性能等)，研究表明，石粉含量提高1%，含氣量就降低0.1%[2]。

在西藏高寒地區(qū)由于強(qiáng)日照、低氣壓、晝夜溫差大、強(qiáng)蒸發(fā)等因素，對(duì)碾壓混凝土的拌和物性能和耐久性能都具有較高的要求。因而需要根據(jù)當(dāng)?shù)丨h(huán)境及工程特點(diǎn)尋找最佳石粉含量，既能保證碾壓混凝土拌和物的施工性能，也能保證碾壓混凝土的含氣量要求。表5為西藏DG項(xiàng)目試驗(yàn)室通過(guò)收集整理石粉含量與含氣量及碾壓n遍后全面翻漿數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表。

表5 石粉含量與含氣量及碾壓n遍后全面翻漿數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表

注：以上含氣量、碾壓遍數(shù)為在相同石粉含量時(shí)所收集所有數(shù)據(jù)的平均值。

圖2 含氣量隨石粉含量變化關(guān)系圖

圖3 碾壓遍數(shù)隨石粉含量變化關(guān)系圖

當(dāng)石粉含量增大時(shí)，含氣量持續(xù)減??；當(dāng)VC值適宜，石粉含量≤17%時(shí)，有振碾壓5遍后才能全面翻漿，當(dāng)石粉含量>20%時(shí)，有振碾壓2遍后均能全面翻漿。通過(guò)對(duì)以上數(shù)據(jù)綜合分析，確定最佳石粉含量為20%,既能保證碾壓混凝土拌合物的施工性能也能保證碾壓混凝土的含氣量要求。

3 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)以上三點(diǎn)研究，對(duì)西藏高海拔地區(qū)影響碾壓混凝土含氣量問(wèn)題作出以下總結(jié)并提供相應(yīng)的解決方案：

海拔的升高導(dǎo)致大氣壓的降低，從而導(dǎo)致碾壓混凝土在高海拔地區(qū)引氣難度要大于低海拔地區(qū)。因此在高海拔低氣壓地區(qū)澆筑有含氣要求的混凝土?xí)r，要根據(jù)當(dāng)?shù)貧鈮簵l件，因地制宜，通過(guò)適當(dāng)提高引氣劑摻量來(lái)引入足夠的氣泡，以達(dá)到碾壓混凝土的耐久性能要求。

在西藏高海拔地區(qū)特有的強(qiáng)日照、低氣壓、晝夜溫差大、強(qiáng)蒸發(fā)等特有的氣候條件下，暴露在外的碾壓混凝土VC值損失較快，碾壓混凝土中的液相也相繼損失， 導(dǎo)致氣泡破裂，碾壓混凝土含氣量降低，無(wú)法保證碾壓混凝土的耐久性能。因此在西藏高海拔地區(qū)特有的氣候條件下施工，首先需要控制好碾壓混凝土出機(jī)口VC值，其次是在施工的過(guò)程中需要及時(shí)攤鋪和碾壓，以保證碾壓混凝土在攤鋪碾壓完成前有足夠的含氣量來(lái)保證碾壓混凝土的耐久性。

對(duì)碾壓混凝土的拌和物性能和耐久性都具有較高要求西藏高海拔地區(qū)。需要根據(jù)當(dāng)?shù)丨h(huán)境及工程特點(diǎn)尋找最佳石粉含量，既能保證碾壓混凝土拌和物施工性能也能保證碾壓混凝土的含氣量要求，通過(guò)研究和分析確定華電西藏公司所屬電站碾壓混凝土最佳石粉含量為20%。

本文針對(duì)西藏等高海拔地區(qū)碾壓混凝土含氣量的影響因素進(jìn)行了研究，并給出了相應(yīng)的解決方案，為進(jìn)一步提高高原地區(qū)碾壓混凝土的質(zhì)量做出了相應(yīng)貢獻(xiàn)，旨在為未來(lái)高寒地區(qū)碾壓混凝土質(zhì)量控制時(shí)能夠能夠提供相應(yīng)的借鑒方案，改善碾壓混凝土的性能，為工程經(jīng)濟(jì)建設(shè)做出微薄的貢獻(xiàn)。