混凝土面板堆石壩面板混凝土配合比優(yōu)化設(shè)計(jì)*

宮經(jīng)偉，李雙喜，葛毅雄，何建新，鳳家驥

(新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊830052)

面板是混凝土面板堆石壩的防滲體，由于面板混凝土自身特點(diǎn)及工作條件，極易產(chǎn)生有害性裂縫，有害性裂縫是影響混凝土面板的耐久性和大壩安全性的重要因素［1－2］?？刂苹炷猎琮g期裂縫的產(chǎn)生對(duì)控制混凝土有害裂縫的產(chǎn)生、發(fā)展是至關(guān)重要的［3］?；炷猎缙诹芽p主要有塑性沉降裂縫、塑性收縮裂縫、水化收縮及自身干縮裂縫［4］。因此面板混凝土不僅要有一定的強(qiáng)度，還要具有較強(qiáng)的抗裂能力和較高的抗?jié)B、抗凍融性能。大量研究表明［5－6］:提高混凝土自身抗裂能力主要是提高其抗拉強(qiáng)度和極限拉伸值，而優(yōu)化混凝土配比、礦物摻合料和外加劑對(duì)改善面板混凝土的早期抗裂性能以及耐久性均有較好的效果。

肯斯瓦特水利樞紐工程是流域規(guī)劃推薦的一期工程，具有防洪、灌溉、發(fā)電等綜合利用功能。樞紐工程由混凝土面板砂礫石壩、壩肩式溢洪道、泄洪沖砂洞、發(fā)電系統(tǒng)等組成。水庫(kù)正常蓄水位990m，最大壩高129.4m，總庫(kù)容1.88 億m3，控制灌溉面積316.30 萬(wàn)畝，電站裝機(jī)容量100MW，設(shè)計(jì)年發(fā)電量2.723 億千瓦時(shí)，屬大(2)型II 等工程。本文針對(duì)該工程二期面板混凝土，在前期面板混凝土配合比研究基礎(chǔ)上［7］，確定粉煤灰摻量、增密劑摻量為兩個(gè)試驗(yàn)因素，采用在正交試驗(yàn)方案，以抗壓強(qiáng)度、軸向抗拉強(qiáng)度、極限拉伸值、抗拉彈性模量、單位面積上的總開(kāi)裂面積為考核指標(biāo)，對(duì)二期面板混凝土配合比展開(kāi)試驗(yàn)研究，使面板混凝土不僅具有較好的施工性能，還具有較強(qiáng)的抗裂性能及抗凍、抗?jié)B等耐久性能。優(yōu)化后的混凝土配合比在現(xiàn)場(chǎng)施工后，面板混凝土裂縫明顯減少。

1 試驗(yàn)原材料

肯斯瓦特二期面板混凝土的主要技術(shù)要求見(jiàn)表1。試驗(yàn)用原材料為:(1)水泥:選用屯河水泥股份有限公司(沙灣)產(chǎn)屯河P.O 42.5 水泥，其物理力學(xué)性能見(jiàn)表2。(2)粉煤灰:瑪納斯電廠Ⅰ級(jí)粉煤灰，需水量比95%。(3)細(xì)骨料:肯斯瓦特料場(chǎng)中砂，含泥量0.9%，細(xì)度模數(shù)為2.7。(4)粗骨料:肯斯瓦特料場(chǎng)5mm～20mm 和20mm～40mm 連續(xù)級(jí)配卵石。由試驗(yàn)確定小石(5mm～20mm)與中石(20mm～40mm)質(zhì)量比為45:55。(5)外加劑:高效減水劑和引氣劑采用株洲中鐵橋梁外加劑有限責(zé)任公司生產(chǎn)的萘系高效減水劑和引氣劑，增密劑采用武漢某公司生產(chǎn)的增密劑。(6)水:實(shí)驗(yàn)室自來(lái)水。

表1 面板混凝土的技術(shù)要求

表2 屯河P.O42.5 水泥性能指標(biāo)

2 混凝土配合比試驗(yàn)方案

由前期配合比設(shè)計(jì)試驗(yàn)研究成果，綜合分析可知，當(dāng)水膠比取0.34 時(shí)，混凝土的抗壓強(qiáng)度、抗折強(qiáng)度、劈裂強(qiáng)度等力學(xué)性能指標(biāo)均達(dá)較高值，可滿足面板混凝土設(shè)計(jì)的力學(xué)性能要求，其抗?jié)B、抗凍等耐久性估計(jì)也能滿足設(shè)計(jì)要求。與國(guó)內(nèi)和疆內(nèi)類似混凝土相比較，該水膠比的取值是適宜的。但就混凝土抗裂性能而言，除水膠比因素外，混凝土中粉煤灰摻量、增密劑摻量等因素均有一定的影響，本研究采用正交設(shè)計(jì)方法，進(jìn)一步通過(guò)試驗(yàn)研究，探索規(guī)律，確定出合理的摻量，以使配制的混凝土具有較好的抗裂性能。

確定粉煤灰摻量、增密劑摻量為2 個(gè)試驗(yàn)因素，根據(jù)前期試驗(yàn)成果，對(duì)2 個(gè)試驗(yàn)因素各選2 個(gè)水平，選擇L4(23)正交表來(lái)安排試驗(yàn)方案，如表3 所示。

表3 L4(23)試驗(yàn)方案

3 混凝土配合比試驗(yàn)

3.1 混凝土拌合物試驗(yàn)

按《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》SL352－2006 的有關(guān)規(guī)定進(jìn)行，經(jīng)試拌調(diào)整后的混凝土配合比見(jiàn)表4?；炷涟韬衔锛夹g(shù)性能見(jiàn)表5。

表4 推薦配合比

表5 混凝土拌合物的技術(shù)性能

由試驗(yàn)觀察到:摻入增密劑的混凝土拌合物(Ks－2 組、Ks－4 組)的黏聚性優(yōu)于摻入增密劑的混凝土拌合物(Ks－1 組、Ks－3 組)的黏聚性，混凝土拌合物中各種物料分布均勻、不泌水、不離析、結(jié)構(gòu)粘度大

3.2 硬化混凝土的試驗(yàn)

(1)混凝土抗壓強(qiáng)度試驗(yàn) 按《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》SL352－ 2006 的有關(guān)規(guī)定進(jìn)行，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表9。

(2)混凝土軸向拉伸試驗(yàn) 按照《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》SL352－2006 的有關(guān)規(guī)定進(jìn)行混凝土軸向拉伸試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表9。

(3)混凝土抗裂試驗(yàn) 按照《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》GB/T50082－2009 規(guī)定，以單位面積上的總開(kāi)裂面積為考核指標(biāo)，比較粉煤灰摻量和增密劑摻量對(duì)相同水膠比條件下混凝土早期抗裂性能的影響，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表6。

表6 混凝土抗裂試驗(yàn)結(jié)果

(4)混凝土抗?jié)B、抗凍性能試驗(yàn)

按照《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》SL352－2006 的有關(guān)規(guī)定進(jìn)行混凝土抗?jié)B和抗凍試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表7 和表8。

表7 混凝土抗?jié)B試驗(yàn)結(jié)果

表8 混凝土抗凍試驗(yàn)結(jié)果

4 混凝土試驗(yàn)結(jié)果分析

對(duì)混凝土正交設(shè)計(jì)試驗(yàn)方案的試驗(yàn)結(jié)果，以3d、7d 和28d 齡期的抗壓強(qiáng)度、7d 和28d 齡期軸向抗拉強(qiáng)度、7d 和28d 齡期極限拉伸值、7d 和28d 齡期抗拉彈性模量以及單位面積上總開(kāi)裂面積等為考核指標(biāo)，分別進(jìn)行極差分析和方差分析。

4.1 極差分析

極差分析結(jié)果如表9 所示，由此可以得出:

(1)以抗壓強(qiáng)度為考核指標(biāo)，粉煤灰摻量和增密劑摻量?jī)梢蛩貙?duì)各齡期抗壓強(qiáng)度都稍有影響，主次相當(dāng)。其中7d 齡期抗壓強(qiáng)度對(duì)粉煤灰摻量較為敏感，粉煤灰摻量大，7d 齡期抗壓強(qiáng)度較高;3d 齡期抗壓強(qiáng)度隨兩摻量的增加而降低;28d 齡期抗壓強(qiáng)度隨兩摻量的增加而提高。3d、7d、28d 齡期抗壓強(qiáng)度的試驗(yàn)誤差估計(jì)值分別為:0.3MPa、0.1MPa 和1.0MPa。

(2)以軸向抗拉強(qiáng)度為考核指標(biāo)，粉煤灰摻量和增密劑摻量?jī)梢蛩貙?duì)各齡期軸向抗拉強(qiáng)度影響不大。對(duì)7d 齡期混凝土軸向抗拉強(qiáng)度而言:兩因素影響程度相當(dāng);隨著粉煤灰摻量、增密劑摻量的增加，軸向抗拉強(qiáng)度降低;對(duì)28d 齡期混凝土軸向抗拉強(qiáng)度而言:粉煤灰摻量的影響程度大于增密劑摻量的影響程度，隨粉煤灰摻量、增密劑摻量的增加，軸向抗拉強(qiáng)度提高。7d、28d 齡期混凝土軸向抗拉強(qiáng)度的試驗(yàn)誤差估計(jì)值分別為:0.10MPa、0.17MPa。

表9 試驗(yàn)極差分析計(jì)算表

(3)以極限拉伸值為考核指標(biāo)，兩因素對(duì)7d 齡期混凝土極限拉伸值的影響程度相當(dāng)，隨粉煤灰摻量、增密劑摻量的增加，7d 齡期混凝土極限拉伸值減小;對(duì)28d 齡期混凝土極限拉伸值而言:增密劑摻量的影響大于粉煤灰摻量的影響，隨增密劑摻量的增加，28d 齡期混凝土極限拉伸值增大，隨粉煤灰摻量的變化，28d齡期混凝土極限拉伸值變化甚微。7d、28d 齡期混凝土極限拉伸值的試驗(yàn)誤差估計(jì)值分別為:11.4 ×10－6、3.65 ×10－6。

(4)以抗拉彈性模量為考核指標(biāo)，兩因素對(duì)7d 齡期混凝土的抗拉彈性模量的影響程度相當(dāng)，隨粉煤灰摻量、增密劑摻量的增加，7d 齡期混凝土抗拉彈性模量增大;對(duì)28d 齡期混凝土抗拉彈性模量而言:增密劑摻量的影響大于粉煤灰摻量的影響，隨增密劑摻量的增加，28d 齡期混凝土抗拉彈性模量增大，隨粉煤灰摻量的變化，28d 齡期混凝土抗拉彈性模量變化不大。7d、28d 齡期混凝土抗拉彈性模量的試驗(yàn)誤差估計(jì)值分別為:2.65GPa、0.25GPa。

(5)以單位面積上的總開(kāi)裂面積為考核指標(biāo)，粉煤灰摻量對(duì)其的影響明顯大于增密劑摻量的影響。隨粉煤灰摻量的增加，單位面積上的總開(kāi)裂面積減少;是否摻加增密劑對(duì)單位面積上的總開(kāi)裂面積影響甚微。單位面積上的總開(kāi)裂面積的試驗(yàn)誤差估計(jì)值為36mm2/mm2。

4.2 方差分析

方差分析結(jié)果見(jiàn)表11 所示，由方差分析結(jié)果得出:

(1)粉煤灰摻量對(duì)7d 齡期混凝土抗壓強(qiáng)度有特別顯著影響，摻量增大，強(qiáng)度提高，看不出粉煤灰摻量對(duì)其余測(cè)定的力學(xué)指標(biāo)和早齡期混凝土抗裂指標(biāo)有較大的影響。

(2)增密劑摻量對(duì)7d 齡期混凝土抗壓強(qiáng)度有特別顯著影響，摻量增大，混凝土強(qiáng)度下降;增密劑摻量對(duì)28d 齡期混凝土抗拉彈性模量有顯著影響，摻量增大，混凝土抗拉彈性模量增大;看不出增密劑對(duì)其余測(cè)定的力學(xué)指標(biāo)和早齡期混凝土抗裂指標(biāo)有較大的影響。

表10 試驗(yàn)誤差表

(3)各項(xiàng)考核指標(biāo)的試驗(yàn)誤差如表10 所示，其中，各齡期抗壓強(qiáng)度、7d 齡期軸向抗拉強(qiáng)度、28d 齡期極限拉伸值、28d 齡期抗拉彈性模量等的試驗(yàn)水平為優(yōu)良;28d 齡期軸向抗拉強(qiáng)度、7d 齡期抗拉彈性模量等的試驗(yàn)水平為一般;7d 齡期極限拉伸值、單位面積上的總開(kāi)裂面積的試驗(yàn)水平不良。

表11 方差分析表

5 結(jié) 論

(1)4 個(gè)試驗(yàn)組混凝土的抗壓強(qiáng)度都達(dá)到C30 強(qiáng)度等級(jí)的要求。其中2#(Ks－2)試驗(yàn)組的28d 齡期抗壓強(qiáng)度值最高，達(dá)到45.4MPa。雖然該試驗(yàn)組3d 齡期抗壓強(qiáng)度值最低，但是隨著齡期的增長(zhǎng)，粉煤灰的火山灰作用的發(fā)揮，強(qiáng)度發(fā)展速率遞增較快，致使混凝土抗壓強(qiáng)度在28d 齡期時(shí)躍居4 個(gè)試驗(yàn)組前列。

(2)4 個(gè)試驗(yàn)組混凝土的28d 齡期的極限拉伸值均大于85 ×10－6。其中2#(Ks－2)試驗(yàn)組的28d 齡期極限拉伸值最大，達(dá)到98.5 ×10－6。

(3)4 個(gè)試驗(yàn)組混凝土的早齡期抗裂性能都很好，單位面積上的總開(kāi)裂面積都＜100mm2/m2，達(dá)到L－Ⅴ等級(jí)。其中2#(Ks－2)試驗(yàn)組混凝土單位面積上的總開(kāi)裂面積僅為3 mm2/m2，表明該混凝土早齡期抗裂性能較好，這是摻入占膠凝材料用量的25%的粉煤灰和2%的增密劑共同作用的效果，粉煤灰的抗裂作用尤為明顯。

(4)4 個(gè)試驗(yàn)組混凝土的抗?jié)B、抗凍耐久性能試驗(yàn)結(jié)果都滿足混凝土面板設(shè)計(jì)技術(shù)的要求，抗?jié)B等級(jí)大于W12，抗凍等級(jí)大于F300。

(5)增密劑作用的詮釋:由試驗(yàn)觀察到摻入增密劑的混凝土拌合物的黏聚性大大改善，混凝土拌合物中各種物料分布均勻、不泌水、不離析、結(jié)構(gòu)粘度大，這樣的混凝土拌合物不僅便于使用溜槽輸送，而且不易發(fā)生塑性沉降開(kāi)裂。試驗(yàn)結(jié)果表明，增密劑具有較強(qiáng)的增稠作用和保水作用，這些作用減慢了混凝土內(nèi)部水分蒸發(fā)速度，也阻滯了水分遷移，混凝土因失水產(chǎn)生塑性收縮的現(xiàn)象得以緩解，因此塑性收縮開(kāi)裂的幾率降低;保水作用增加了水泥石毛細(xì)孔中的自由水，緩解了混凝土內(nèi)部的自干燥收縮，使混凝土自生干燥裂縫得以部分抑制。

(6)推薦2#(Ks－2)試驗(yàn)組配合比為現(xiàn)場(chǎng)施工配合比。

需要指出的是，早齡期混凝土各力學(xué)性能測(cè)定值波動(dòng)性較大，是由于水泥水化程度低，粉煤灰二次水化作用不充分等原因造成混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定、不均勻，進(jìn)而影響到測(cè)定數(shù)值的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性;由于試驗(yàn)次數(shù)少，因素水平取值甚窄，試驗(yàn)誤差自由度小，一些試驗(yàn)誤差偏大，所以使得F 檢驗(yàn)的靈敏度很低，甚至?xí)霈F(xiàn)F 檢驗(yàn)對(duì)因素影響判斷的失誤。所以，因結(jié)合實(shí)踐對(duì)檢驗(yàn)結(jié)論作進(jìn)一步的研究分析。

致謝:本文部分試驗(yàn)得到了新疆水利水電科學(xué)研究院結(jié)構(gòu)材料所賀傳卿所長(zhǎng)和王懷義副所長(zhǎng)的支持，在此，對(duì)他們一并表示感謝。

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