三峽工程大壩混凝土長齡期耐久性能試驗研究

楊富亮，熊祖云，黃壽良

（中國水利水電第三工程局有限公司勘測設(shè)計研究院，陜西西安710000）

三峽工程大壩混凝土長齡期耐久性能試驗研究

楊富亮，熊祖云，黃壽良

（中國水利水電第三工程局有限公司勘測設(shè)計研究院，陜西西安710000）

混凝土的耐久性能直接影響混凝土結(jié)構(gòu)的使用壽命。本文通過對三峽工程大壩混凝土進行齡期長達10年的耐久性能試驗研究，分析了混凝土抗凍性能、抗?jié)B性能以及混凝土碳化深度，抗凍性能隨齡期的變化規(guī)律，不同養(yǎng)護條件對混凝土耐久性能隨齡期發(fā)展規(guī)律的影響。研究表明，自然養(yǎng)護對混凝土長齡期耐久性能不利。研究結(jié)論可為長期工作條件下大壩混凝土的真實性能和結(jié)構(gòu)安全性評價提供參考。

混凝土；長齡期；耐久性能；三峽工程

1 研究背景

三峽大壩為混凝土重力壩，是世界第一的特大型水利樞紐工程，混凝土總量約2 800萬m3，大壩混凝土約1 600萬m3。工程包括混凝土重力式大壩、泄水閘、壩后式水電站、永久性通航船閘和升船機。三峽工程建筑由大壩、水電站廠房和通航建筑物三大部分組成。大壩壩頂總長3 035 m，壩高185 m。三峽工程水電站機組布置在大壩的后側(cè)，共安裝32臺70萬kW水輪發(fā)電機組，其中左岸14臺，右岸12臺，地下6臺，另外還有2臺5萬kW的電源機組，總裝機容量2 250萬kW，遠遠超過位居世界第二的巴西伊泰普水電站。通航建筑物位于左岸，永久通航建筑物為雙線五級連續(xù)船閘及單線一級垂直升船機。

大壩混凝土在凝結(jié)硬化過程中受自然環(huán)境條件的影響，使其性能與標準養(yǎng)護條件下的試驗結(jié)果有較大區(qū)別。為了解三峽地區(qū)自然環(huán)境對三峽工程混凝土耐久性能的影響，采用三峽工程主要施工配合比參數(shù)，工程部位分別為內(nèi)部、外部、水位變化區(qū)、結(jié)構(gòu)和抗沖磨不同強度等級的混凝土，以3種不同養(yǎng)護條件養(yǎng)護，開展混凝土耐久性能研究試驗，分析混凝土隨齡期發(fā)展的規(guī)律以及不同養(yǎng)護條件對混凝土耐久性能的影響，為掌握大壩混凝土的真實性能和結(jié)構(gòu)安全性評價提供參考。

2 試驗條件

2.1 試驗原材料試驗采用葛洲壩水泥廠生產(chǎn)的52.5中熱水泥，河南鴨河口電廠生產(chǎn)的Ⅰ級粉煤灰，浙江龍游外加劑廠生產(chǎn)的ZB-1A減水劑（泵送混凝土采用江蘇建筑材料科學研究院外加劑廠生產(chǎn)的JM-Ⅱ減水劑），青島科力有限公司生產(chǎn)的PC-2引氣劑，三峽下岸溪人工砂和石骨料。

2.2 試驗養(yǎng)護條件養(yǎng)護條件分以下3種：（1）標準養(yǎng)護：試件成型48 h脫模，將試件放置在養(yǎng)護室養(yǎng)護至規(guī)定齡期；（2）自然養(yǎng)護：試件成型48 h脫模，將試件放置在露天自然養(yǎng)護至規(guī)定齡期；（3）標準+自然養(yǎng)護：試件成型48 h脫模，將試件放置在養(yǎng)護室養(yǎng)護至28 d齡期后移至室外露天自然養(yǎng)護至規(guī)定齡期。

2.3 試驗配合比及拌和物試驗結(jié)果試驗采用二級配，三峽工程施工配合比參數(shù)，工程部位分別為內(nèi)部、外部、水位變化區(qū)、結(jié)構(gòu)和抗沖磨不同強度等級的混凝土。試驗編號5為泵送混凝土，坍落度按160～180 mm控制，其余均為常態(tài)混凝土，坍落度按30～50 mm控制，含氣量（除抗沖磨混凝土按3.0%～4.0%外）均按4.5%～5.5%控制。混凝土配合比參數(shù)及拌和物試驗結(jié)果見表1。

表1 混凝土配合比參數(shù)與拌和物性能試驗結(jié)果

3 養(yǎng)護條件對混凝土耐久性的影響

3.1 抗凍性能在混凝土配合比設(shè)計階段，通過降低混凝土水膠比、摻用引氣劑、摻用I級粉煤灰和降低混凝土單位用水量等綜合措施來提高混凝土的抗凍耐久性能［1，2］，分別對6種強度等級的混凝土進行了混凝土凍融試驗，試驗結(jié)果見表2、表3。

表2 不同養(yǎng)護條件混凝土抗凍試驗結(jié)果（28 d～365 d）

從表2、表3可知，不同養(yǎng)護條件下的混凝土抗凍性能隨混凝土試件齡期增長而降低，標準養(yǎng)護的混凝土抗凍性能明顯好于其他養(yǎng)護方式。在10 a齡期時，標準養(yǎng)護條件下，除試驗編號1的內(nèi)部混凝土凍融循環(huán)200次，相對動彈性模量為62.28%，其余抗凍性能均滿足F300技術(shù)要求。而相對于標準養(yǎng)護而言，自然養(yǎng)護或標準+自然養(yǎng)護的混凝土抗凍性能明顯降低，除試驗編號5的泵送混凝土外，自90 d齡期始，各齡期混凝土的抗凍性能均達不到F300技術(shù)要求。這說明混凝土抗凍性能受外界環(huán)境條件影響比較明顯，可能由于自然養(yǎng)護條件下的干濕循環(huán)交替作用，使混凝土表面出現(xiàn)微細裂縫，以及微細裂縫的擴展［3］，導致抗凍耐久性明顯降低。標準養(yǎng)護28 d的試件再放到自然環(huán)境中，環(huán)境濕度的變化對試件的損害更加劇烈，Burrows試驗表明［4］，較長期養(yǎng)護的混凝土干燥時抗凍融性較差，是由于內(nèi)部收縮產(chǎn)生微裂縫使混凝土可透水所造成的，當干燥的混凝土長期飽水時，可產(chǎn)生遠大于初始吸水時的膨脹，而這無疑是因為微裂縫增大了滲透性，使混凝土易受凍融破壞［5］。因此，對水工混凝土結(jié)構(gòu)中暴露于結(jié)構(gòu)表面的混凝土的耐久性應給予廣泛重視。

表3 不同養(yǎng)護條件混凝土抗凍試驗結(jié)果（3 a～10 a）

3.1.1 抗凍融試件外觀彎曲變形檢測混凝土結(jié)構(gòu)因開裂而劣化，從而影響建筑物外觀整體性能?？箖鋈谠嚰庥^彎曲變形試驗結(jié)果見表4。從表4可知，10 a齡期自然養(yǎng)護或標準+自然養(yǎng)護試件經(jīng)凍融結(jié)束后，采用水平尺和塞尺檢測試件彎曲變形，在標準+自然養(yǎng)護下有部分試件產(chǎn)生彎曲變形，彎曲變形主要集中在成型面和底面，最大變形1.5 mm。

眾所周知，混凝土經(jīng)反復多次凍融循環(huán)后，開始從砂漿表層剝落，表面露出骨料后，微裂縫進一步向內(nèi)部發(fā)展，凍融膨脹壓力逐步導致試件裂縫增多、增大，從而引起試件的體積變化，即混凝土試件產(chǎn)生微小的彎曲變形，間接的反映出混凝土結(jié)構(gòu)自然環(huán)境中經(jīng)長期凍融破壞及各種侵蝕破壞疊加作用下，極易產(chǎn)生破壞性裂縫而導致混凝土結(jié)構(gòu)開裂變形等，導致建筑物的外觀整體性能變差、剝蝕等破壞。單從混凝土凍融后試件變形檢測結(jié)果，難以反映出混凝土建筑物經(jīng)自然環(huán)境條件下各種侵蝕破壞的程度大小，需進一步深入細致的研究。

表4 自然養(yǎng)護或標準+自然養(yǎng)護混凝土經(jīng)凍融循環(huán)后外觀彎曲變形試驗結(jié)果

3.1.2 混凝土經(jīng)凍融循環(huán)后強度與強度損失率不同養(yǎng)護條件混凝土強度損失率試驗，每組試件編號均為兩組100 mm×100 mm×400 mm試件，其中一組進行抗折強度試驗，再利用殘余試塊進行抗壓試驗；另一組首先進行混凝土抗凍性試驗，當相對動彈性模量降至80%時，立即終止試驗；進行抗折和抗壓強度試驗時，經(jīng)凍融循環(huán)后的試件受壓面應進行找平并且呈飽和吸水狀態(tài)，利用抗折試驗后的殘余試塊，采用100 mm×100 mm抗壓夾具進行抗壓強度試驗。

相同配合比不同養(yǎng)護條件混凝土強度和強度損失率結(jié)果見表5，其中剩余強度為經(jīng)凍融循環(huán)后的試件強度，對比強度為未經(jīng)凍融循環(huán)的試件強度。

從表5可知，不同養(yǎng)護條件對比抗折強度均基本相當，標準養(yǎng)護抗壓強度均高于自然和標準+自然養(yǎng)護。通過對10 a齡期混凝土經(jīng)凍融循環(huán)后強度與強度損失率試驗，相對動彈性模量按降至80%左右控制，雖然自然養(yǎng)護和標準+自然養(yǎng)護相對動彈性模量隨凍融循環(huán)次數(shù)增長而下降過快，但抗壓強度損失率在20%～30%之間，抗折強度損失率在40%～50%之間。依據(jù)GB/T58002-2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》中“慢凍法”規(guī)定，“N”次凍融循環(huán)后的混凝土抗壓強度損失率達到25%時，即為相應的抗凍等級，說明混凝土的內(nèi)部結(jié)構(gòu)并沒有嚴重破壞。

混凝土凍融破壞一般是從表層開始、由表及里緩慢發(fā)展的，混凝土表層破壞最敏感的反映便是抗折強度損失較快［6］，而表層的破壞對抗壓強度與相對動彈性模量的影響相對較小。如果破壞剛剛出現(xiàn)在表層，則此時的破壞可以由抗折強度損失率反映出來，但未必能被抗壓強度損失率和相對動彈性模量損失率體現(xiàn)出來。因此，對于耐久性好的混凝土，以抗折強度損失率來評價其凍融耐久性劣化更為準確、及時。

表5 不同養(yǎng)護條件混凝土經(jīng)凍融循環(huán)后強度與強度損失率試驗結(jié)果（10 a齡期）

3.2抗?jié)B性能混凝土試件在不同養(yǎng)護條件下，1a齡期抗?jié)B結(jié)果盡管都滿足抗?jié)B標號W10技術(shù)要求，但滲透高度隨養(yǎng)護條件的改變而變化，標準養(yǎng)護試件滲透高度相對最小，約21.5 mm。自然養(yǎng)護相對最大，約50～80 mm。標準+自然養(yǎng)護居中，約37～43 mm。說明混凝土即使在標準養(yǎng)護28 d后移至室外，環(huán)境條件仍然對混凝土抗?jié)B產(chǎn)生不利影響，所以現(xiàn)場施工混凝土應在有條件情況下注意長期養(yǎng)護。

3.3 碳化深度碳化是影響混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的重要因素之一［7-8］。三峽工程混凝土部分為結(jié)構(gòu)混凝土，配合比設(shè)計階段在結(jié)構(gòu)混凝土中可摻不超過20%的I級粉煤灰，水膠比控制在0.45，設(shè)計上提出C25、C9030兩種設(shè)計指標，為了簡化混凝土配合比，便于施工，可合并為C9030F250W10，主要應用于大壩閘墩、電站廠房以及通航建筑物的梁、板、柱等結(jié)構(gòu)工程上。結(jié)構(gòu)混凝土必須考慮混凝土的碳化深度和鋼筋銹蝕問題。本文利用折斷后的抗折試件測量混凝土的碳化深度，試驗結(jié)果見表6。從表6可知，在標準養(yǎng)護條件下，不同強度等級的混凝土均未出現(xiàn)碳化現(xiàn)象；在自然養(yǎng)護或標準+自然養(yǎng)護條件下，均出現(xiàn)不同程度的碳化現(xiàn)象，碳化深度隨養(yǎng)護齡期、水膠比增大而增大，內(nèi)部混凝土10 a齡期碳化深度最大達到10.6 mm。

表6 混凝土碳化深度試驗結(jié)果（單位：mm）

4 結(jié)語

（1）養(yǎng)護條件對混凝土耐久性能有不同程度的影響，尤以混凝土抗凍性影響十分顯著，不同養(yǎng)護條件下混凝土抗凍性隨養(yǎng)護齡期增長而降低。標準養(yǎng)護的混凝土試件抗凍性能明顯好于其它兩種養(yǎng)護方式的混凝土試件。這可能是由于自然環(huán)境的干濕交替作用，使混凝土表面產(chǎn)生微細裂縫，在凍融循環(huán)的嚴酷條件下進一步損害試件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)?；炷恋目箖鲂砸嗖灰蛟缙诘臉藴署B(yǎng)護而提高，反而會不利于抗凍性。因此，水工結(jié)構(gòu)中暴露于結(jié)構(gòu)表面的混凝土的耐久性能［9］應給予廣泛重視。（2）經(jīng)凍融循環(huán)后的抗折強度損失率明顯大于抗壓強度損失率。因此，對于耐久性好的混凝土，以抗折強度損失率來評價其凍融耐久性的劣化程度更為準確、及時。（3）不同強度等級混凝土在標準養(yǎng)護條件下均未出現(xiàn)碳化現(xiàn)象，而試件在自然養(yǎng)護或標準+自然養(yǎng)護條件下均出現(xiàn)不同程度的碳化現(xiàn)象，碳化深度隨養(yǎng)護齡期、水膠比增大而增大。混凝土碳化在某種程度上可以提高混凝土強度，但會大大降低混凝土的耐久性。

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Experimental study on durability of dam concrete in the Three Gorges Project

YANG Fuliang，XIONG Zuyun，HUANG Shouliang
（Sinohydro Engineering Bureau3Co.，Ltd Survey Design Institute for Research，Xi’an710000，China）

The durability of concrete directly affects the service life of concrete structures.Through 10 years of experimental study on durability of concrete in Three Gorges dam，this paper analyzes the frost re?sistance，impermeability of concrete，and variation of the frost resistance and carbonation depth with con?crete age changing，effects of different curing conditions on the durability of the concrete with age chang?ing，which shows that the natural curing is detrimental for the durability of long age concrete.The re?search results can be a reference for the real performance and structural safety evaluation of long-term working conditions of dam concrete.

concrete；long age；durability；Three Gorges Project

TV431

A

10.13244/j.cnki.jiwhr.2016.04.008

1672-3031（2016）04-0285-06

（責任編輯：王冰偉）

2015-05-28

楊富亮（1965-），男，河南滑縣人，高級工程師，主要從事混凝土試驗研究。E-mail：xld_yfl@163.com