張秀崧 李海濤 高強

作為清潔可再生資源，水資源的開發(fā)利用得到了世界各國的高度重視。隨著我國經濟的飛速發(fā)展，保障水資源安全及開發(fā)利用的重點向青藏高原及西北高寒高緯度地區(qū)傾斜，從而帶動西部經濟的發(fā)展。

高寒高緯度復雜氣候條件下修筑高混凝土拱壩，在我們國內尚無先例，高拱壩混凝土抗裂特性，對混凝土大壩的筑壩材料、筑壩技術、溫度控制和施工方法提出了更高的要求。特別是高強、高耐久性、高極限拉伸、低熱、低彈、低自身體積變形混凝土配制，需結合工程實際做進一步精細研究。

1 工程概況

某工程攔河壩為混凝土拋物線雙曲拱壩，壩高240 m，總庫容為17.49億m3，總裝機670 MW，為大（1）型水利水電工程。壩頂全長790.5 m，弧高比3.294，壩頂中心角94.04°，最大中心角94.04°，壩頂寬14 m，最大壩高處壩底厚65.0 m，厚高比0.271。

工程位于北緯48°區(qū)，氣候干燥，多季風，紫外線輻射強。夏季干熱，冬季嚴寒，降水量小，蒸發(fā)量大，晝夜溫差大，氣溫年變幅懸殊。工程區(qū)多年平均氣溫為2.8℃，最冷月均氣溫-17.3℃。最高36.6℃、最低-45℃、極端溫差81.6℃，日溫差大于20℃的超過120 d。據工程經驗，海拔高度每上升100 m，年均溫降低0.57℃，緯度每升高1°，年均溫降低0.63℃。考慮到壩址處海拔高程比水文站高130 m，現場溫度比水文站實測氣溫更低，氣象條件更為惡劣。

高緯度高寒地區(qū)的特高拱壩，除具有特高混凝土壩的一般特點外，疊加復雜的氣候條件，對壩體混凝土強度、抗裂性能提出了更高的要求。

2 天然建筑材料

工程區(qū)巖體以震旦－寒武系黑云母石英片巖、二云母石英片巖及華力西中期侵入的黑云母花崗巖為主，區(qū)段天然砂礫石料儲量不豐且開采條件不良，具有堿活性。黑云母石英片巖，巖石堅硬，破碎后可以作為混凝土粗骨料，因部分樣品具有堿活性反應，需采取相應的抑制措施；同時巖石中云母含量高達20%～40%且有片理發(fā)育，作為混凝土細骨料料源，存在云母含量和片狀顆粒含量偏高的質量缺陷。壩址下游約4.5 km有華力西晚期侵入的黑云母二長花崗巖，巖質堅硬。且距壩址80 km外才有灰?guī)r骨料分布。綜合分析確定，采用黑云母二長花崗巖人工骨料場作為天然混凝土骨料料源。

受骨料基本特性的影響，不同巖性骨料混凝土線膨脹系數不一。線膨脹系數越大，混凝土的溫度變形越大，其抗裂性越不利。本工程混凝土線膨脹系數為9.3×10-6K-1，在同巖性骨料工程中也屬偏大，在溫度荷載占主導因素的本工程，對混凝土防裂極為不利，需采取相應的措施提高混凝土的抗裂能力。

不同巖性骨料的混凝土線膨脹系數見表1。

表1 不同巖性骨料的混凝土線膨脹系數 ×10-6 K-1

國內已建在建工程不同巖性骨料的混凝土線膨脹系數見表2。

表2 已建在建工程巖性骨料的混凝土線膨脹系數×10-6 K-1

3 粉煤灰優(yōu)選

受當地煤炭資源品質的影響，工程區(qū)附近粉煤灰廠家所產粉煤灰普遍存在高堿、高鈣等現象。摻本地區(qū)粉煤灰與西南地區(qū)粉煤灰的混凝土自生體積收縮變形比對試驗結果表明，365 d的自生體積變形分別為-218.2×10-6和-96.0×10-6，摻本地區(qū)粉煤灰混凝土自生體積變形值遠大于西南地區(qū)。粉煤灰中堿含量、氧化鈣含量對混凝土自生體積變形具有重要影響。對位于工程壩址1 000 km范圍內的16個粉煤灰商貿公司（電廠）的粉煤灰樣品的堿含量、氧化鈣含量等關鍵性能的檢測。粉煤灰的堿含量在2.51%～5.10%，低于3.0%的粉煤灰供應商僅有2家。粉煤灰的CaO含量在5.3%～18.05%，低于10%的粉煤灰供應商只有5家。綜合考慮粉煤灰的供應能力和關鍵性能檢測結果，選用六家單位供應的粉煤灰樣品（相對低堿、低鈣）進行混凝土自生體積變形試驗，優(yōu)選混凝土自生體積變形值最小值為采用粉煤灰供應商。

4 水泥改性

工程區(qū)附近有兩家水泥廠生產的42.5低熱硅酸鹽水泥，分別為BEJ水泥和HBH水泥，首批水泥的化學成分、礦物組成檢測結果見表3、4。

表3 水泥化學成分 %

表4 水泥礦物組成計算結果 %

兩種水泥180 d設計齡期的混凝土自生體積變形收縮量在-113×10-6～-159×10-6，與國內類似工程混凝土相比，收縮量明顯偏大，對混凝土抗裂性極為不利，必須對混凝土材料的性能進行改善，降低混凝土自生體積變形收縮量，提高混凝土的抗裂性能。為改善混凝土的自生體積變形，對兩種水泥進行改性，采用內摻MgO技術，適當提高水泥中對變形性能起作用的MgO含量。改性后水泥的化學成分、礦物組成檢測結果見表5、6。

表5 水泥化學成分 %

表6 水泥礦物組成計算結果 %

兩種改性水泥180 d齡期自生體積變形值分別為-79.7×10-6和-99.7×10-6。內摻MgO，極大地改善了混凝土自生體積變形收縮量。

5 混凝土性能試驗

5.1 混凝土配合比

通過對筑壩材料的優(yōu)選，推薦混凝土的配合比見表7?；炷恋膯挝挥盟浚?2～83 kg/m3）和膠凝材料用量（182.3～207.6 kg/m3）較低，拌和物性能良好，滿足設計和施工要求。

表7 混凝土性能試驗配合比

5.2 混凝土力學性能

5.2.1 抗壓強度

混凝土抗壓強度試驗結果見表8。

表8 混凝土抗壓強度試驗結果

5.2.2 抗拉強度

混凝土劈裂抗拉強度和強度增長率見表9，軸向抗拉強度和強度增長率見表10。

表9 混凝土劈裂抗拉強度試驗結果

表10 混凝土軸向抗拉強度試驗結果

混凝土具有較高的力學性能。180 d齡期時，抗壓強度在54.5～56.2 MPa，滿足設計齡期配制強度要求；劈拉強度在2.90～3.19 MPa，軸拉強度在3.07～3.27 MPa。由于受最大水膠比的限制，混凝土抗壓強度具有較大的富裕度。

5.3 混凝土變形性能

5.3.1 極限拉伸

極限拉伸變形是混凝土軸向受拉斷裂時的應變值，是評價混凝土抗裂能力的一個重要指標?；炷翗O限拉伸值及增長率見表11，與其它工程相比，混凝土的極限拉伸值較高，實現了“高極拉”的試驗目標。

表11 混凝土極限拉伸值及增長率

5.3.2 彈性模量

混凝土彈性模量試驗結果見表12。從抗壓彈性模量試驗結果看，混凝土的彈性模量與其它工程相比偏低，達到了“低彈”效果。7 d抗壓彈性模量在12.0～12.4 GPa之間，28 d抗壓彈性模量在16.9～18.5 GPa之間，90 d抗壓彈性模量在22.3～24.1 GPa之間，180 d抗壓彈性模量在24.4～25.9 GPa，且各齡期混凝土的軸向抗拉彈性模量均大于抗壓彈性模量。

表12 混凝土彈性模量試驗結果 GPa

5.3.3 自身體積變形

混凝土的自生體積變形影響混凝土的抗裂性能。改性后的混凝土自生體積變形試驗結果見表13?；炷磷陨眢w積變形有了很大改善，結合全級配混凝土試驗，將進一步優(yōu)化。

表13 混凝土自生體積變形試驗結果 ×10-6

6 結語

在高寒高緯度復雜條件下修建高混凝土拱壩，對混凝土材料的綜合性能提出了更高要求，在國內尚無先例，面臨一系列科學和技術難題，依靠現有高壩建設經驗無法解決，特別是在混凝土骨料線膨脹系數大、粉煤灰高鈣、水泥低鎂等不利條件下，通過對筑壩原材料的合理選擇，優(yōu)化混凝土配合比，實現了高強、高耐久性、高極限拉伸、低熱、低彈、低自身體積變形混凝土配制，提高了混凝土的高強高抗裂的綜合性能。