新疆阿爾塔什水利樞紐工程混凝土的抗凍性能研究

代興艷，王曉軍，李明德

（中國(guó)葛洲壩集團(tuán)第三工程有限公司，陜西 西安 710065）

1 引言

阿爾塔什水利樞紐工程位于喀什地區(qū)莎車(chē)縣和克孜勒蘇柯?tīng)柨俗巫灾沃莅⒖颂湛h交界處，是葉爾羌河干流山區(qū)下游河段的控制性水利樞紐工程，主要由攔河壩、泄水建筑物、發(fā)電引水系統(tǒng)、電站廠房、生態(tài)基流放水洞等組成，規(guī)劃水庫(kù)正常蓄水位1820 m，最大壩高164.8 m，水庫(kù)總庫(kù)容22.49 億m3，電站總裝機(jī)容量755 MW，設(shè)計(jì)年發(fā)電量22.6 億kW·h，是目前新疆最大的水利工程。因在設(shè)計(jì)、施工等方面存在諸多技術(shù)難題，被稱(chēng)為“新疆的三峽工程”[1]。該工程所處地區(qū)氣溫年變化較大，日溫差大，冬季天氣干燥寒冷。針對(duì)該地氣候特點(diǎn)及工程的具體要求，本工程設(shè)計(jì)采用具有高抗凍性的高性能混凝土。

基于此，本文在前期大量配合比優(yōu)化調(diào)整試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，對(duì)滿足阿爾塔什水利樞紐工程C50W6F200 和C40W6F200 高性能混凝土要求的最優(yōu)配合比進(jìn)行抗?jié)B和抗凍性能試驗(yàn)研究。

2 試驗(yàn)部分

2.1 原材料

水泥：克州青松水泥有限責(zé)任公司生產(chǎn)的P.O.42.5 水泥，比表面積358 m2/kg，標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量26.4%，3 d 和28 d 抗壓強(qiáng)度分別為28.8 MPa 和48.7 MPa。

細(xì)骨料：新疆阿爾塔什C3 料場(chǎng)河砂，細(xì)度模數(shù)2.6，表觀密度為2690 kg/m3，石粉含量14.1%，堅(jiān)固性5%，硫化物及硫酸鹽含量0.2%，14d 膨脹率0.25%。

粗骨料：新疆阿爾塔什C3 料場(chǎng)5 mm～20 mm、20 mm～40 mm 碎石，表觀密度2700 kg/m3，堅(jiān)固性1%，針片狀含量分別為10%、5%，含泥量分別為0.8%、0.4%；14 d 膨脹率均為0.21%。粗細(xì)骨料均存在堿活性潛在危害。

粉煤灰：新疆華電喀什二期發(fā)電有限責(zé)任公司的II 級(jí)粉煤灰，細(xì)度19.2%，燒失量4.5%，需水量比102%，含水量0.4%。

外加劑：北京首領(lǐng)科技發(fā)展有限公司生產(chǎn)的XJ-A/B 型高性能混凝土改性劑，由液體組分A 和粉體組分B 所組成。液體組分XJ-A 的減水率為29%，含氣量4.2%，28d 抗壓強(qiáng)度比156%。粉體組分XJ-B 的含水量0.1%，氯離子含量0.05%，比表面積92 m2/kg。

2.2 配合比設(shè)計(jì)

參照《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》（SL 352-2006）中規(guī)定的方法進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)。

（1）較低的水膠比。為了達(dá)到混凝土強(qiáng)度、抗凍及抗?jié)B等級(jí)技術(shù)指標(biāo)，參考《水工建筑物抗冰凍設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL 211-2006）的相關(guān)規(guī)定，并查閱相似工程資料，通過(guò)試驗(yàn)確定C50 和C40混凝土的水膠比分別采用0.29 和0.35。

（2）適量的粉煤灰摻量。粉煤灰有利改善混凝土的工作性能、后期強(qiáng)度及耐久性等。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果確定C40 和C50 混凝土的粉煤灰摻量為22.1%和25.1%。

（3）合理的單位用水量。根據(jù)SL 352-2006 規(guī)程中表A.5.2用水量初選表進(jìn)行用水量初選，泵送混凝土按坍落度每增大20 mm，相應(yīng)增加5 kg/m3用水量計(jì)算。通過(guò)試驗(yàn)選定C40 和C50 混凝土的用水量分別為145 kg/m3和140 kg/m3。

（4）確定最優(yōu)砂率。砂率參考SL 352-2006 規(guī)程附錄A 中表A.5.4 的規(guī)定初選砂率，并在大量試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，確定C40和C50 混凝土的最優(yōu)砂率分別為38%和37%。

（5）控制適宜的外加劑摻量。根據(jù)減水效果、引氣效果等確定高性能混凝土改性劑中液體組分和粉體組分的摻量。

（6）調(diào)控合理的粗骨料級(jí)配。最優(yōu)的骨料級(jí)配應(yīng)是不同級(jí)別的粗骨料按合適的比例搭配。如此，骨料的孔隙率及比表面積均相對(duì)較小，可使拌合混凝土的水泥用量少且質(zhì)量好[5]。根據(jù)當(dāng)?shù)卮止橇系幕疚锢硇再|(zhì)，采用5 mm～20 mm、20 mm～40 mm碎石二級(jí)配，通過(guò)試驗(yàn)確定了這兩種粒徑碎石的比例。

（7）確定含氣量。根據(jù)SL 211-2006 規(guī)范，普通混凝土的含氣量由抗凍設(shè)計(jì)等級(jí)確定，依據(jù)規(guī)范對(duì)混凝土含氣量的要求，控制在4.2%～4.7%。

通過(guò)大量試驗(yàn)，并通過(guò)配合比現(xiàn)場(chǎng)論證試驗(yàn)（見(jiàn)圖1），確定了適合阿爾塔什水利樞紐工程的高性能混凝土推薦配合比，見(jiàn)表1。

表1 混凝土的推薦配合比

2.3 試驗(yàn)方法

2.3.1 抗凍試驗(yàn)

按照SL 352-2006 規(guī)程中規(guī)定的抗凍試驗(yàn)方法執(zhí)行，相對(duì)動(dòng)彈性模量按式（1）計(jì)算：

式中：Pn為n 次凍融循環(huán)后試件相對(duì)動(dòng)彈性模量，%；f0為試件凍融循環(huán)前的自振頻率，Hz；fn為試件凍融n 次循環(huán)后的自振頻率，Hz。

質(zhì)量損失率按式（2）計(jì)算，以三個(gè)試件試驗(yàn)結(jié)果的平均值作為測(cè)定值：

式中：Wn為n 次凍融循環(huán)后試件質(zhì)量損失率，%；G0為凍融前的試件質(zhì)量，g；Gn為n 次凍融循環(huán)后的試件質(zhì)量，g。

2.3.2 抗?jié)B試驗(yàn)

按SL 352-2006 規(guī)程中規(guī)定的抗?jié)B試驗(yàn)方法（逐級(jí)加壓法）執(zhí)行?？?jié)B等級(jí)以每組六個(gè)試件中四個(gè)未出現(xiàn)滲水時(shí)的最大水壓力表示?？?jié)B等級(jí)按式（3）計(jì)算：

式中：W 為混凝土抗?jié)B等級(jí)；H 為六個(gè)試件中有兩個(gè)滲水時(shí)的水壓力，MPa。

3 結(jié)果與分析

混凝土一旦發(fā)生凍融破壞，會(huì)嚴(yán)重影響建（構(gòu)）筑物的安全性和耐久性，這成為寒冷地區(qū)混凝土結(jié)構(gòu)耐久性方面的主要問(wèn)題之一?？箖鲂允窃u(píng)價(jià)寒冷地區(qū)混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的重要指標(biāo)。基于所獲得的抗凍試驗(yàn)數(shù)據(jù)，根據(jù)式（1）和式（2）計(jì)算獲得混凝土相對(duì)動(dòng)彈性模量和質(zhì)量損失，試驗(yàn)結(jié)果列于表3。分析表3 中的數(shù)據(jù)可知，試件經(jīng)過(guò)100 次凍融循環(huán)試驗(yàn)之前，C50 和C40 混凝土的質(zhì)量均有所增加；經(jīng)過(guò)150 次時(shí)，質(zhì)量均有所損失；當(dāng)進(jìn)行到200 次試驗(yàn)時(shí)，C50 混凝土的動(dòng)彈性模量?jī)H降低了4.2%，而C40 混凝土的動(dòng)彈模降低了38%。這是因?yàn)镃50 混凝土水膠比更低，通常水膠比越低，孔隙率越小，抗凍性越好[2]。添加適量粉煤灰有利于細(xì)化混凝土內(nèi)部孔隙，從而有效提高混凝土的抗凍性能[3-5]。此外，通過(guò)添加引氣劑引入均勻細(xì)小的氣泡，其能有效降低混凝土受凍破壞的風(fēng)險(xiǎn)，還可有效阻隔混凝土中的毛細(xì)孔通道，防止水分滲透[6]。

表3 混凝土抗凍試驗(yàn)結(jié)果

混凝土的抗?jié)B性和抗凍性能檢測(cè)及評(píng)定結(jié)果匯總于表4。由表4 可知，C50 和C40 混凝土的抗?jié)B水壓實(shí)測(cè)值均為0.7MPa，根據(jù)式（3）計(jì)算可知混凝土的抗?jié)B等級(jí)均為W6。經(jīng)過(guò)200 次凍融循環(huán)試驗(yàn)后，C50 和C40 混凝土的相對(duì)東彈性模量分別為95.8%和62.0%，均高于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的不低于60%的要求，說(shuō)明混凝土的抗凍等級(jí)均達(dá)到了F200 等級(jí)。由此可見(jiàn)，所研制的混凝土分別達(dá)到了C50W6F200 和C40W6F200 等級(jí)，滿足工程的設(shè)計(jì)要求。此外，還在攪拌站和施工現(xiàn)場(chǎng)對(duì)所研制的混凝土工作性能和保塌性能進(jìn)行檢測(cè)和驗(yàn)證，見(jiàn)圖1 和2，其均滿足施工要求。

表4 混凝土耐久性試驗(yàn)結(jié)果匯總

圖1 在攪拌站對(duì)拌制好的高性能混凝土進(jìn)行工作性能檢測(cè)

圖2 在工地對(duì)高性能混凝土的保塌性能進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證

4 結(jié)論

針對(duì)新疆阿爾塔什水利樞紐工程的環(huán)境特點(diǎn)及工程要求，通過(guò)采用摻加高性能復(fù)合型混凝土改性劑來(lái)優(yōu)化水工混凝土中膠凝材料的水化進(jìn)程，改善水泥石的孔結(jié)構(gòu)，在前期大量的配合比優(yōu)化試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，研制出適合該工程施工要求并滿足高耐久性的C40 和C50 的高性能混凝土。經(jīng)過(guò)強(qiáng)度、抗?jié)B和抗凍性能檢測(cè)，這種優(yōu)化后的高性能混凝土滿足該工程設(shè)計(jì)的C40W6F200 和C50W6F200 混凝土要求，且它們均具有良好的施工性能。