第三方檢測在黃登大壩碾壓混凝土質(zhì)量控制中的關(guān)鍵作用

郭 輝，李 林，蘭道銀，石正國，郭文康

(1.長江科學(xué)院 工程質(zhì)量檢測中心，武漢 430010； 2.長江科學(xué)院 國家大壩安全工程技術(shù)研究中心，武漢 430010；3.華能瀾滄江水電股份公司 黃登大華橋水電工程建設(shè)管理局，云南 怒江 671406)

1 研究背景

《國務(wù)院關(guān)于加快科技服務(wù)業(yè)發(fā)展的若干意見》(國發(fā)〔2014〕49號)文件[1]指出，要加快發(fā)展第三方檢驗檢測認證服務(wù)，提高第三方檢測機構(gòu)的技術(shù)能力和服務(wù)水平。近年來，隨著我國經(jīng)濟社會的發(fā)展和工程建設(shè)管理水平的提升，水利水電工程采用第三方檢測的比例顯著提高，56%的省份(含自治區(qū)、直轄市)已出臺相關(guān)文件規(guī)定開展第三方檢測[2]，部分省份甚至推行100%第三方檢測[3-4]。第三方檢測機構(gòu)與參建各方不存在隸屬關(guān)系，因而能夠公平公正地開展檢測業(yè)務(wù)，為工程質(zhì)量評價出具真實準確的檢測數(shù)據(jù)[5]。然而，大型水利水電工程建設(shè)難度較大，要求第三方檢測機構(gòu)出具公正數(shù)據(jù)的同時，還需要檢測機構(gòu)提供技術(shù)咨詢和管理服務(wù)。

黃登水電站位于云南省蘭坪縣境內(nèi)，采用堤壩式開發(fā)，以發(fā)電為主，是瀾滄江上游古水至苗尾河段水電梯級開發(fā)方案的第五級水電站。壩址控制流域面積9.19×104km2，多年平均流量901 m3/s；水庫正常蓄水位1 619 m，相應(yīng)庫容14.18億m3；電站裝機容量1 900 MW，保證出力507.95 MW，屬Ⅰ等大(1)型工程。黃登水電站首倉大壩混凝土于2015年5月澆筑，2018年6月底大壩混凝土澆筑完成，碾壓混凝土總方量約為271.82萬m3，2018年5月底首臺機組投產(chǎn)發(fā)電，2019年獲得第四屆碾壓混凝土壩國際里程碑獎。黃登大壩最大壩高202 m，是國內(nèi)最高的碾壓混凝土重力壩。但是，受地質(zhì)條件及其他因素的影響，在建設(shè)過程中出現(xiàn)原材料質(zhì)量波動、新版檢測標準與舊版設(shè)計指標不匹配、粗骨料裹粉等一系列工程問題。

水利部長江科學(xué)院工程質(zhì)量檢測中心于2009年起承擔(dān)黃登水電工程實驗中心的運行管理，根據(jù)合同約定，主要負責(zé)工程第三方質(zhì)量檢測以及工區(qū)試驗檢測工作管理。本文總結(jié)了黃登水電站建設(shè)過程中質(zhì)量控制遭遇的典型問題及解決過程，介紹了第三方檢測在關(guān)鍵問題上提供的優(yōu)質(zhì)附加服務(wù)，為同類型工程建設(shè)提供了有益的參考。

2 第三方檢測的關(guān)鍵作用

2.1 提出水泥品質(zhì)指標建議及生產(chǎn)控制要點

水泥是混凝土中的膠結(jié)材料，其水化后的產(chǎn)物能夠?qū)⒐橇习纬芍旅艿恼w結(jié)構(gòu)，而且水化產(chǎn)生的Ca(OH)2等堿性產(chǎn)物能夠激發(fā)粉煤灰的火山灰活性，促進混凝土后期強度的增長[6]。水泥作為碾壓混凝土大壩強度的主要貢獻者，其品質(zhì)直接影響了大壩混凝土的質(zhì)量。

對大壩施工前期水泥檢測成果進行統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn)，黃登工程所用的云南祥云P·MH 42.5中熱硅酸鹽水泥的質(zhì)量不穩(wěn)定，主要體現(xiàn)在水泥膠砂28 d抗壓強度波動大，勃式比表面積偏高，3 d抗壓強度偏高。水泥28 d強度不穩(wěn)定會直接導(dǎo)致大壩混凝土強度離散，使得碾壓混凝土條帶之間產(chǎn)生拉應(yīng)力，增加大壩混凝土開裂的可能性。水泥勃式比表面積偏大，說明水泥顆粒粒度較小，易導(dǎo)致水泥早期水化速率增加，造成3 d抗壓強度增加，早期水化發(fā)放熱量集中，增加大壩混凝土溫控防裂的壓力。

第三方檢測發(fā)現(xiàn)上述問題后，及時以專題報告的形式將水泥檢測發(fā)現(xiàn)的問題提交給建設(shè)管理單位。在由水泥生產(chǎn)廠家、設(shè)計單位、監(jiān)理單位和施工單位參加的黃登大壩原材料專題會上，第三方檢測通報了水泥品質(zhì)的波動情況及可能產(chǎn)生的后果，針對水泥強度和比表面積提出了參數(shù)的控制指標建議，并且對水泥生產(chǎn)廠家的生產(chǎn)工藝提出了改進建議。主要包括以下幾點：①針對水泥強度波動，結(jié)合黃登工程前期導(dǎo)流洞襯砌混凝土配合比優(yōu)化試驗成果，建議黃登大壩混凝土用水泥的28 d抗壓強度應(yīng)控制在(48.5±3.5) MPa范圍內(nèi)，3 d抗壓強度應(yīng)控制在21～24 MPa范圍內(nèi)；②針對水泥勃式比表面積偏大，結(jié)合其他工程經(jīng)驗，提出中熱水泥的勃式比表面積應(yīng)不大于320 m2/kg，宜控制在(310±10) m2/kg范圍內(nèi)；③針對水泥生產(chǎn)廠家的工藝控制，提出應(yīng)降低水泥熟料中C3A含量，增加C2S含量，調(diào)整石灰飽和系數(shù)(KH值)、鋁氧率(p值)、硅酸率(n值)，進一步降低水泥3 d強度，保持合理穩(wěn)定的強度發(fā)展規(guī)律。

上述建議被業(yè)主和設(shè)計單位完全采納，其中水泥抗壓強度、勃式比表面積的控制指標寫入了設(shè)計文件。水泥生產(chǎn)廠家根據(jù)調(diào)整后的設(shè)計指標改進了生產(chǎn)工藝，圖1是水泥抗壓強度調(diào)整前后的檢測成果分析對比。

圖1 中熱水泥抗壓強度調(diào)整前后的檢測成果

由圖1可知，調(diào)整后水泥3 d和28 d抗壓強度降低，28 d強度的平均值由52 MPa降低至48.1 MPa，且強度波動顯著減小，調(diào)整后94%的28 d抗壓強度在(48.5±3.5) MPa范圍內(nèi)，水泥的勃式比表面積也得到了顯著改善。基于對檢測成果的統(tǒng)計分析和較高的專業(yè)技術(shù)能力，第三方檢測機構(gòu)發(fā)現(xiàn)了黃登大壩水泥品質(zhì)問題，并牽頭推動了問題的解決，消除了大壩碾壓混凝土因水泥品質(zhì)而形成裂縫的可能性。

2.2 解決《水工混凝土砂石骨料試驗規(guī)程》(DL/T 5151—2014)更新引起的檢測問題

《水工混凝土砂石骨料試驗規(guī)程》(DL/T 5151—2014)于2014年8月1日起正式實施，替代原2001版的舊規(guī)范。新版水工混凝土砂石骨料試驗規(guī)程規(guī)定人工砂石粉含量檢測應(yīng)采用水洗法，替代舊規(guī)范中的干篩法。然而，黃登工程建設(shè)始于2009年，依照舊版水工混凝土砂石骨料試驗規(guī)程和電力行業(yè)慣例，黃登工程人工砂石粉含量指標設(shè)計和生產(chǎn)質(zhì)檢均以干篩法為基礎(chǔ)。依照舊版規(guī)范，工程碾壓混凝土用砂(以下簡稱碾壓砂)和常態(tài)混凝土用砂(以下簡稱常態(tài)砂)石粉含量設(shè)計指標分別為14%～18% 和18%～22%，采用舊版規(guī)范檢測的人工砂石粉含量干篩法檢測合格率達到90% 以上。如果按照新規(guī)程開展試驗檢測，人工砂石粉含量合格率驟降至10%，檢測結(jié)果大量超出設(shè)計上限。因此檢測標準更新后，出現(xiàn)了新方法與工程設(shè)計指標之間不匹配的問題。

為全面了解試驗方法差異對試驗結(jié)果造成的影響，第三方檢測機構(gòu)開展了人工砂石粉含量新舊檢測方法的比對試驗，對試驗結(jié)果進行系統(tǒng)分析，為調(diào)整石粉含量控制指標提供數(shù)據(jù)支撐。人工砂石粉含量比對試驗結(jié)果統(tǒng)計見表1。

表1 人工砂石粉含量比對試驗結(jié)果統(tǒng)計

由表1可知，干篩法和水洗法檢測的石粉含量結(jié)果差異較大，常態(tài)砂石粉含量水洗法結(jié)果平均高出干篩法結(jié)果6.6%，碾壓砂石粉含量水洗法結(jié)果平均高出干篩法結(jié)果5.7%。本工程用于生產(chǎn)砂石骨料的母巖質(zhì)地偏軟，強度較低，制砂時產(chǎn)生的石粉較多。采用棒磨機濕法加工過程中，石粉易發(fā)生團聚，此外，部分石粉粘附在粗顆粒表面，干燥后呈板結(jié)狀。采用搖篩機干篩試驗時，難以篩除粘附在粗顆粒表面的石粉，水洗能夠?qū)F聚的石粉顆粒分散，并洗除粗顆粒表面石粉，因此，水洗法試驗結(jié)果高于干篩法試驗結(jié)果。人工砂中的石粉對混凝土工作性能和力學(xué)性能有一定影響[7-8]，石粉含量過高會導(dǎo)致混凝土單位用水量增大，干縮率增大；石粉含量過低會使混凝土保水性降低，不利于碾壓混凝土施工。

水工混凝土施工規(guī)范和水工碾壓混凝土施工規(guī)范規(guī)定，最佳石粉含量通過試驗確定，經(jīng)過試驗論證可適當(dāng)放寬。本工程石粉含量的原設(shè)計指標是在其他工程實踐經(jīng)驗基礎(chǔ)上根據(jù)可研階段石粉含量對混凝土性能影響的試驗成果提出的，用于可研試驗的人工砂與現(xiàn)階段工程用人工砂料源、品質(zhì)相同，且黃登工程已澆筑的混凝土各項性能均滿足設(shè)計要求。因此，人工砂石粉含量水洗法設(shè)計指標可根據(jù)上述比對試驗成果確定。圖2是水洗法石粉含量檢測成果分布。由圖2可知，常態(tài)砂石粉含量主要分布區(qū)間為20%～26%，碾壓砂石粉含量主要分布區(qū)間為21%～27%?？紤]到原設(shè)計指標中允許波動范圍為中值±2%，結(jié)合工程實際，第三方檢測機構(gòu)提出的人工砂水洗法石粉含量設(shè)計指標為常態(tài)砂22%～26%、碾壓砂23%～27%，上述建議最終被設(shè)計單位采納，進行了水洗法石粉含量設(shè)計指標的變更。

圖2 水洗法石粉含量檢測成果

2.3 解決粗骨料裹粉引發(fā)的工程問題

受地形限制，黃登工程砂石系統(tǒng)成品供料點與混凝土拌合系統(tǒng)距離較遠，從骨料生產(chǎn)系統(tǒng)至工區(qū)混凝土拌合樓骨料料倉需經(jīng)歷長達11 km的水平運輸和224 m的垂直運輸，以及16次皮帶轉(zhuǎn)換。最終粗骨料表面嚴重裹粉，含量約為2%～4%，亞甲藍MB值試驗表明裹粉中微粒含量以石粉為主。施工規(guī)范和設(shè)計文件規(guī)定用于生產(chǎn)混凝土的骨料表面應(yīng)潔凈，含泥量(表面雜質(zhì))含量不得高于1%。按照此規(guī)定，表面裹粉含量>1%的粗骨料不得用于混凝土生產(chǎn)。然而受場地限制，現(xiàn)有的拌合系統(tǒng)無法再增設(shè)骨料二次篩分和沖洗系統(tǒng)，工程建設(shè)陷入僵局。

為解決粗骨料裹粉引發(fā)的工程問題，受建管單位委托，第三方檢測機構(gòu)開展了“粗骨料裹粉對黃登水電工程混凝土性能影響”專項研究，技術(shù)路線見圖3。通過試驗研究，全面了解掌握粗骨料裹粉對混凝土性能的影響規(guī)律和機理，研究確定粗骨料石粉含量允許值，供建管單位和設(shè)計單位決策，為推進工程建設(shè)、工程質(zhì)量評價以及達標創(chuàng)優(yōu)提供關(guān)鍵技術(shù)支撐。

圖3 粗骨料裹粉對黃登水電工程混凝土性能影響研究技術(shù)路線

專題研究結(jié)果表明[9]，中小石裹粉含量為3%～4%、大石裹粉含量為1.5%～2.1%時，隨著裹粉含量的增加，碾壓混凝土各齡期抗壓強度、劈拉強度呈下降趨勢，但強度滿足設(shè)計要求；C9025W12F150 Ⅱ 級配混凝土90 d齡期抗壓強度最小值為25.5 MPa，最大下降6.6 MPa，C9025W8F100Ⅲ級配混凝土90 d齡期抗壓強度最小值為28.2 MPa，最大下降3.3 MPa。當(dāng)中小石裹粉含量為3%、大石裹粉含量為1.5%時，碾壓混凝土設(shè)計齡期抗壓強度小幅降低，裹粉繼續(xù)增大時，抗壓強度、劈拉強度明顯降低。中小石裹粉含量為3%～4%時，隨著裹粉含量的逐漸增加，常態(tài)混凝土抗壓強度、劈拉強度、極限拉伸、彈性模量等指標呈下降趨勢，C25W10F50混凝土28 d抗壓強度最大值為32.3 MPa，最小值為30.5 MPa，極差為1.8 MPa，強度指標均滿足設(shè)計要求。裹粉對混凝土的耐久性能影響較小。裹粉由于顆粒細小，粘附力較強，在混凝土拌制過程中仍然大部分附著在粗骨料表面，并逐漸被砂漿包裹。隨著水泥、粉煤灰水化反應(yīng)的進行，C-S-H凝膠等水化產(chǎn)物逐漸將裹粉粗骨料包裹，并最終形成致密整體，如圖4。

圖4 裹粉量4%的Ⅱ級配碾壓混凝土粗骨料-砂漿膠結(jié)面形貌

在水化過程中，裹粉存在于粗骨料表面砂漿內(nèi)，對粗骨料-砂漿的微觀結(jié)構(gòu)影響包括：①膠結(jié)面Ca元素(CaCO3)富集，區(qū)域內(nèi)漿砂比降低；②孔結(jié)構(gòu)改變，混凝土總孔隙率增加，無害孔、少害孔占比下降，有害孔、多害孔占比上升。以上不利影響隨著裹粉含量的增多而加劇，導(dǎo)致粗骨料-砂漿膠結(jié)面力學(xué)性能顯著降低，由于膠結(jié)面占混凝土總體積比例較大，最終導(dǎo)致混凝土的力學(xué)性能發(fā)生變化。

通過對采用裹粉粗骨料拌制混凝土的宏觀性能和微觀結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)研究，第三方檢測機構(gòu)提出碾壓混凝土用粗骨料裹粉含量最大允許值可按中小石不超過2%、大石不超過1%控制；常態(tài)混凝土用粗骨料石粉含量最大允許值可按中小石不超過4%、大石不超過2.1%控制。以上建議最終被設(shè)計單位采納，進行了粗骨料裹粉含量設(shè)計指標的變更。

2.4 牽頭開展碾壓混凝土配合比優(yōu)化工作

科學(xué)合理的混凝土配合比是保障混凝土工作性能、力學(xué)性能、耐久性能和經(jīng)濟性的決定性因素。大壩混凝土澆筑方量巨大且施工周期長，受原材料品質(zhì)波動、入倉方式改變等因素的影響，需及時對混凝土配合比進行優(yōu)化，進而確保施工配合比滿足工程需求。黃登大壩碾壓混凝土自2015年開始澆筑，其施工配合比先后經(jīng)歷了2次優(yōu)化。根據(jù)建管單位安排，由第三方檢測機構(gòu)牽頭，聯(lián)合施工單位試驗室開展了第二階段、第三階段施工配合比優(yōu)化工作。導(dǎo)致黃登碾壓混凝土配合比變化的主要原因包括：①原材料品質(zhì)發(fā)生變化，例如水泥強度和比表面積改變、砂石骨料品質(zhì)改變；②原材料種類發(fā)生變化，例如粉煤灰生產(chǎn)廠家改變；③入倉方式改變，例如由汽車入倉改為布料機入倉，導(dǎo)致倉面混凝土工作性能需求改變。

經(jīng)過第三方檢測機構(gòu)和施工單位試驗室共同努力，黃登大壩碾壓混凝土配合比設(shè)計水平不斷提升，主要體現(xiàn)在用水量降低和現(xiàn)場碾壓泛漿效果優(yōu)異。表2是不同使用時間RccC9020W6F50Ⅲ級配混凝土的施工配合比。由表2可知，隨著混凝土配合比的不斷優(yōu)化，RccC9020W6F50Ⅲ級配混凝土單方用水量由92、84 kg最終降低至80 kg，單方膠凝材料由184 kg最終降低至167 kg，每方節(jié)省17 kg膠凝材料。膠凝材料的減少不僅降低了大壩混凝土溫控防裂的壓力，而且節(jié)約了投資。據(jù)統(tǒng)計，配合比優(yōu)化使得工程投資累計節(jié)約500余萬元。

表2 RccC9020W6F50Ⅲ級配混凝土配合比優(yōu)化過程

在上述工程問題的解決過程中，第三方檢測發(fā)揮技術(shù)能力優(yōu)勢，提供了優(yōu)質(zhì)的附加服務(wù)，為保證黃登大壩混凝土質(zhì)量發(fā)揮了關(guān)鍵的技術(shù)作用。

3 黃登大壩碾壓混凝土質(zhì)量評價

在解決原材料質(zhì)量波動、檢測標準更新、粗骨料裹粉等工程問題的基礎(chǔ)上對原有的混凝土配合比不斷優(yōu)化之后，第三方檢測機構(gòu)為黃登大壩混凝土質(zhì)量保障掃清了檢驗檢測方面的障礙。在其他參建單位的共同努力下，黃登工程碾壓混凝土大壩施工質(zhì)量優(yōu)異，創(chuàng)造了多項國內(nèi)外記錄。

表3是黃登大壩主體混凝土強度檢測結(jié)果統(tǒng)計，表4是混凝土全性能檢測結(jié)果。由表3和表4可知，黃登大壩主體混凝土的力學(xué)性能、耐久性能檢測結(jié)果均滿足設(shè)計要求。

表3 黃登大壩工程主體混凝土強度檢測結(jié)果統(tǒng)計

黃登大壩混凝土實體質(zhì)量創(chuàng)造了多項世界紀錄。2017年，河床8號壩段高程1 538.2—1 513.6 m二級配混凝土防滲區(qū)成功取出一根長度為24.6 m(直徑219 mm)的碾壓混凝土芯樣，打破了由我國觀音巖水電站創(chuàng)造的23.15 m長(直徑188 mm)的碾壓混凝土芯樣紀錄，成為目前世界上最長的碾壓混凝土芯樣。此外，2018年大壩蓄水后監(jiān)測數(shù)據(jù)表明，黃登大壩廊道滲漏量僅為6.0 L/s，創(chuàng)造了200 m級碾壓混凝土重力壩最小滲漏量記錄。大壩混凝土檢測成果、芯樣長度和廊道滲漏量客觀反映了包括第三方檢測在內(nèi)的參建單位對黃登水電站大壩混凝土的質(zhì)量控制達到了國內(nèi)領(lǐng)先水平。

表4 黃登大壩工程主體混凝土全性能檢測結(jié)果統(tǒng)計

4 結(jié) 語

本文介紹了黃登水電工程碾壓混凝土大壩施工期間，針對混凝土原材料及配合比引發(fā)的工程問題，第三方檢測逐一解決工程問題的全過程。與傳統(tǒng)檢測相比，第三方檢測在履行檢測義務(wù)的同時充分發(fā)揮自身的專業(yè)技術(shù)優(yōu)勢，開展技術(shù)攻關(guān)和精準管理，基于檢測數(shù)據(jù)統(tǒng)計和專業(yè)分析提出水泥品質(zhì)控制指標和新舊《水工混凝土砂石骨料試驗規(guī)程》執(zhí)行建議，根據(jù)工程科研成果解決粗骨料裹粉問題，依托第三方檢測的工區(qū)試驗檢測技術(shù)管理職能完成混凝土配合比的優(yōu)化，這4個問題的解決得到了業(yè)主方面的高度評價。與傳統(tǒng)檢測相比，第三方檢測公正的立場和良好的專業(yè)技術(shù)能力為工程質(zhì)量增加了一份保障。

隨著檢測行業(yè)的進一步開放，常規(guī)檢測市場的競爭必將日趨激烈，如何提高檢測機構(gòu)的核心競爭力是所有從業(yè)者必須面對的問題。水利部長江科學(xué)院工程質(zhì)量檢測中心自20世紀90年代至今，已承擔(dān)包括黃登工程在內(nèi)的40余項重大水利水電工程第三方檢測，經(jīng)過不斷的技術(shù)積累、技術(shù)創(chuàng)新和管理創(chuàng)新，探索出了一套為工程建設(shè)提供優(yōu)質(zhì)附加服務(wù)的創(chuàng)新服務(wù)工作方法，為檢測機構(gòu)增強核心競爭力貢獻了一條有益的思路。