面板混凝土配合比設(shè)計探討

易永軍 趙繼成

（中國水電十五局科研設(shè)計院，陜西咸陽市 712000）

近幾年隨著面板堆石壩的快速發(fā)展，面板混凝土的防裂成為研究的關(guān)鍵課題。由于混凝土面板產(chǎn)生裂縫的原因是多方面的，出現(xiàn)了各種各樣的模型計算和研究方法，面板混凝土由于其外形的幾何尺寸和外部環(huán)境的作用容易出現(xiàn)橫向收縮裂縫，混凝土配合比的選擇也是其中主要因素之一。這里從原材料的控制入手，結(jié)合試驗結(jié)果和抗裂分析，提出在各個階段混凝土面板在防裂方面應(yīng)注意的問題。減少面板裂縫產(chǎn)生的幾率。

1 面板混凝土用原材料選擇

混凝土原材料的質(zhì)量,對其抗裂性能有較大影響,應(yīng)嚴(yán)格控制。

(1)要降低混凝土絕熱溫升，就必須使用低水化熱的水泥，降低混凝土水化熱；因此在選擇水泥廠家時，要考慮生產(chǎn)廠家的水泥礦物成份，嚴(yán)格控制鋁酸三鈣的含量，鋁酸三鈣水化速度最快、水化熱最大，而且干縮變形也最大；其次水泥的品種和質(zhì)量對面板混凝土的抗拉強(qiáng)度和極限拉伸有較大影響，因此除了水泥熟料的化學(xué)、礦物成分及物理力學(xué)性能應(yīng)符合國家標(biāo)準(zhǔn)外,還應(yīng)重視其膨脹性和堿含量。

(2)摻用性能較好的粉煤灰，特別是摻入Ⅰ級粉煤灰，可以降低單方混凝土的用水量，從而降低單方混凝土的水泥用量。并在滿足規(guī)范要求和設(shè)計指標(biāo)的前提下，在面板混凝土中摻用一定量的粉煤灰，降低水泥用量、改善混凝土熱學(xué)性能和變形性能、減少混凝土收縮，從而使混凝土的內(nèi)部溫升得到控制，減小因溫度變化產(chǎn)生的裂縫。

(3)砂石骨料的吸水率、含泥量對混凝土的收縮及抗拉性能有較大的影響，因此骨料應(yīng)選用質(zhì)地堅硬、清潔、級配良好的砂料，采用人工砂時，面板等薄壁結(jié)構(gòu)用砂的石粉含量應(yīng)控制在10%以內(nèi)，從而減少因干縮變形引起的裂縫；選擇適宜的砂率，增加混凝土的可施工性能。

(4)應(yīng)用外加劑是節(jié)省水泥用量使用優(yōu)質(zhì)外加劑（減水劑、防裂劑等），改善混凝土和易性，降低混凝土單位用水量和能源消耗，降低混凝土干縮變形，提高混凝土性能的有效措施。外加劑已成為除水泥、骨料(砂、石)和水、摻和料以外混凝土的第五種必不可少的組成材料。

近幾年我國的外加劑生產(chǎn)廠家較多，而且質(zhì)量穩(wěn)定性也有很大的波動，因此每個工程一般應(yīng)選用2～3家、生產(chǎn)規(guī)模大、質(zhì)量穩(wěn)定、多個工程使用后 效果較好廠家的外加劑進(jìn)行對比試驗，依據(jù)試驗結(jié)果選擇1～2家、各項指標(biāo)符合行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和國家標(biāo)準(zhǔn)的外加劑。

其次主要從摻高效減水劑、引氣劑和防裂劑等來考慮。特別是最近幾年以性能優(yōu)良的聚羧酸鹽減水劑，代替原來的萘系高效減水劑后，混凝土拌合物的塌落度損失較小，單方混凝土用水量也相對減小，從而達(dá)到減少單方混凝土膠凝材料用量的目的。

表1 積石峽混凝土配合比C25F200W12結(jié)果

(5)增強(qiáng)密實劑已在多個工程的面板混凝土中使用了混凝土增強(qiáng)密實（抗裂）劑、減縮劑等，面板混凝土的裂縫很少。2009年在青海積石峽水電站工程、2010年在湖北潘口面板堆石壩工程，面板配合比設(shè)計試驗中，也摻加混凝土增強(qiáng)密實（抗裂）劑，根據(jù)目前現(xiàn)場面板裂縫情況看，摻混凝土增強(qiáng)密實劑效果很好。壩頂經(jīng)溜槽至倉面的坍落度損失約為1～3cm，滿足倉面混凝土3～5cm的要求。混凝土在溜槽中下滑順利，入倉后易于振搗密實和收面工作。由于混凝土具有較好的施工性能，從而提高了面板混凝土的施工速度。

2 混凝土面板配合比設(shè)計及性能研究

目前國內(nèi)面板混凝土防裂技術(shù)在配合比設(shè)計方面，主要有摻用聚丙烯纖維、鋼釬維、防裂劑、增強(qiáng)密實劑、減縮劑等方法。由于混凝土面板系薄板結(jié)構(gòu)，為了盡可能的減少混凝土裂縫的產(chǎn)生，在配合比設(shè)計時，應(yīng)從以下幾個方面進(jìn)行考慮。

2.1 混凝土配合比設(shè)計方面

(1)根據(jù)混凝土的配制強(qiáng)度和水泥的強(qiáng)度等級、骨料特性，首先在保證使混凝土具有較高的抗拉強(qiáng)度和極限拉伸值的前提下，采用相應(yīng)規(guī)范中的公式初步計算基準(zhǔn)水膠比，參照工程技術(shù)條款要求和相應(yīng)規(guī)范、規(guī)程中對混凝土的水膠比限制、以往同類型配合比設(shè)計研究的經(jīng)驗，確定出基準(zhǔn)水膠比，然后采用系列配合比（一般最少采用三個水膠比）的設(shè)計方法，進(jìn)行混凝土配合比設(shè)計試驗研究工作。

表2 積石峽配合比C25F200W12試驗結(jié)果匯總

(2)在面板配合比設(shè)計試驗研究中，首先對所選的外加劑與工程中采用的水泥、摻合料進(jìn)行適應(yīng)性試驗；其次除進(jìn)行混凝土的常規(guī)試驗外，還應(yīng)增加在本地施工自然環(huán)境下的對比試驗包括；混凝土熱學(xué)、變形性能等試驗項目，為混凝土的抗裂計算提供依據(jù)，主要試驗項目有，不同摻和料摻量的混凝土的絕熱溫升、極限拉伸值、自生體積變形、干縮（濕脹）、線脹系數(shù)、靜力抗壓彈摸及必要時進(jìn)行混凝土的徐變試驗等。

(3)一些工程面板混凝土配合比設(shè)計中使用了混凝土增強(qiáng)密實（抗裂）劑，增強(qiáng)密實（抗裂）劑摻入，混凝土在變形性能方面有明顯的優(yōu)勢，混凝土增強(qiáng)密實（抗裂）劑是一種提高混凝土抗裂及耐久性的外加劑，其主要特點是：通過促進(jìn)水泥水化程度、優(yōu)化水化產(chǎn)物、協(xié)同激發(fā)混凝土中活性混合料與Ca（OH）2進(jìn)行二次水化結(jié)晶等作用，提高混凝土中凝膠量、降低孔隙率、改善級配和水泥石及其與骨料界面結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)凝膠的粘結(jié)力，使混凝土具有良好的抗裂和耐久性。這里是青海積石峽面板、湖北潘口面板配合比摻入增強(qiáng)密實劑前后混凝土配合比的力學(xué)、熱學(xué)及變形性能的實測數(shù)據(jù)，見表1、表4。

表3 潘口混凝土配合比C25F150W12結(jié)果

表4 潘口試驗配合比C25F150W12結(jié)果匯總

通過表1～4可以看出，摻入增強(qiáng)密實劑后，混凝土的抗壓強(qiáng)度略有降低，但抗拉強(qiáng)度提高、極限拉伸值明顯提高，混凝土的彈摸降低，混凝土干縮和自生體積變形性能明顯減小。

2.2 混凝土抗裂能力分析

混凝土的抗裂性能是混凝土的一項綜合指標(biāo)，與抗拉強(qiáng)度、極限拉伸變形能力、抗拉彈性模量、自生體積變形和干縮、混凝土的絕熱溫升、徐變度、熱學(xué)性能等有關(guān)。根據(jù)混凝土力學(xué)、變形和熱學(xué)性能試驗結(jié)果，對初選的混凝土配合比進(jìn)行抗裂性綜合分析，推薦出施工混凝土配合比。

在進(jìn)行混凝土的抗裂分析時，沒有一個直接的物理參數(shù)能夠完全表征混凝土材料的抗裂性，這里提出兩種分析方法，供參考。

2.2.1 第一種抗裂分析方法

采用極限抗拉強(qiáng)度、熱強(qiáng)比、抗裂系數(shù)等指標(biāo)，從不同的側(cè)面反映混凝土的抗裂性能。

（1）極限抗拉強(qiáng)度。在大壩溫度控制設(shè)計中，最直觀的評價是以混凝土的抗拉強(qiáng)度作為抗裂能力的評價。極限抗拉強(qiáng)度與極限拉伸變形成正比，極限拉伸變形越大，抗裂性能越好。

（2）熱強(qiáng)比。在某一齡期時每立方米混凝土的發(fā)熱量與抗拉強(qiáng)度之比，熱強(qiáng)比越低混凝土的抗裂性越好。

（3）抗裂系數(shù)?；炷恋目沽严禂?shù)越大，混凝土的抗裂性越好。

（4）面板配合比抗裂計算實例。

采用以上三個指標(biāo)和表4中的數(shù)據(jù)，對青海積石峽水電站工程的面板配合比成果進(jìn)行了計算。從計算結(jié)果看，摻入增強(qiáng)密實劑后，混凝土的極限抗拉強(qiáng)度平均提高了20%以上；熱強(qiáng)比平均降低了8%；抗裂系數(shù)較未摻增密劑增加了25%以上。通過以上數(shù)據(jù)分析可以看出，摻增強(qiáng)密實劑的混凝土的抗裂性能優(yōu)于未摻的增強(qiáng)密實劑的混凝土。

2.2.2 混凝土抗裂指數(shù)分析法

混凝土抗裂指數(shù)大于等于1時，表明混凝土自身應(yīng)變能力可抵抗在所處環(huán)境中混凝土的收縮應(yīng)變，但也應(yīng)注意保溫、保濕或內(nèi)部溫控等措施；混凝土抗裂指數(shù)小于1時，則提示需加強(qiáng)保溫、保濕或內(nèi)部溫控等措施，預(yù)防混凝土面板開裂。

影響混凝土抗裂指數(shù)的主要有開裂應(yīng)力系數(shù)、溫差控制系數(shù)、濕度保證系數(shù)、混凝土表面溫度變化計算值及混凝土抗拉強(qiáng)度、軸拉彈摸、混凝土徐變度、自生體積變形、線脹系數(shù)、絕熱溫升、干縮變形等試驗指標(biāo)。

3 配合比在施工中的應(yīng)用控制

積石峽水電站面板混凝土施工采用具有良好抗裂性能的防裂混凝土技術(shù)，使面板取得預(yù)期的防裂效果，現(xiàn)場良好的施工質(zhì)量是重要的保證?，F(xiàn)場管理嚴(yán)格，精心施工，特別控制好了配制、澆筑和養(yǎng)護(hù)等各個環(huán)節(jié)，切實把好了面板混凝土施工質(zhì)量關(guān)。

為了確保面板混凝土的施工質(zhì)量，除了應(yīng)遵守普通混凝土施工的有關(guān)規(guī)定以外，針對摻加防裂劑、聚羧酸類材料混凝土的特點，還應(yīng)特別注意以下事項。

（1）面板使用的原材料，要滿足規(guī)范及設(shè)計技術(shù)要求，主要是粗細(xì)骨料的質(zhì)量要保證。

（2）由于面板系薄板結(jié)構(gòu)，成品混凝土稍不均勻，就會造成面板物理力學(xué)性能的差異，而影響面板的整體質(zhì)量甚至出現(xiàn)局部應(yīng)力集中而產(chǎn)生裂縫，因此，混凝土的配料和拌合，要求嚴(yán)格按規(guī)程執(zhí)行。配料計量要精準(zhǔn)，各種計量器具要按時檢定，特別是外加劑、水泥和用水量更要嚴(yán)格控制。

（3）由于面板混凝土不泌水，當(dāng)氣溫較高、混凝土凝結(jié)時間縮短時，應(yīng)及時進(jìn)行抹面和整修作業(yè)。增加面板二次壓面作業(yè)，以提高防裂效果。

（4）為了充分發(fā)揮防裂混凝土的效果，混凝土澆筑后的適時、充分保濕養(yǎng)護(hù)十分重要。面板澆筑后，初凝前覆蓋塑料薄膜，初凝后去掉塑料薄膜（塑料薄膜可覆蓋在保溫層上方）覆蓋草袋灑水養(yǎng)護(hù)（整塊面板無論表面、側(cè)面均需覆蓋灑水養(yǎng)護(hù)），養(yǎng)護(hù)時間不少于90天，有條件最好能保濕養(yǎng)護(hù)至水庫蓄水。

4 結(jié) 語

混凝土面板堆石壩設(shè)計理論的進(jìn)一步完善和施工技術(shù)的逐步提高，混凝土面板產(chǎn)生裂縫的因素是多種多樣的。在面板整個施工階段和后期養(yǎng)生階段都應(yīng)進(jìn)行有效控制。筆者僅從面板混凝土配合比設(shè)計角度來考慮，即嚴(yán)把原材料選擇關(guān)、選用新型的防裂型外加劑，使配合比在滿足各種指標(biāo)要求的前提下，可施工性能良好；選用高性能和保塌性好的減水劑，降低混凝土出機(jī)口塌落度，采用中（低）熱水泥，已降低水泥水化熱及水泥堿含量，達(dá)到降低混凝土內(nèi)絕熱溫升的目的。只要將面板裂縫控制作為一個系統(tǒng)性工程加以考慮，面板混凝土的裂縫是完全可以控制和防止的。