氧化鎂在荒溝抽水蓄能電站上水庫面板混凝土中的應(yīng)用

陳書軍 袁永強(qiáng) 王曉紅 劉智禮

1.中國水利水電第三工程局有限公司 陜西西安 710024；2.中國水利水電建設(shè)工程咨詢西北有限公司 陜西西安 710100

水庫面板混凝土表面的開裂或使已有表面裂縫進(jìn)行擴(kuò)展現(xiàn)象普遍存在，面板混凝土一旦產(chǎn)生大量的表面裂縫甚至貫穿性裂縫，不僅會破壞結(jié)構(gòu)的整體性，影響結(jié)構(gòu)的受力狀況與穩(wěn)定，給結(jié)構(gòu)的運(yùn)行帶來不確定性，而且容易導(dǎo)致內(nèi)部鋼筋銹蝕，降低結(jié)構(gòu)的耐久性，有時(shí)還會引起滲漏變形，危及基礎(chǔ)的穩(wěn)定性。由于水利工程結(jié)構(gòu)大多處在水下，水中大量的、Cl-等會順著裂縫進(jìn)入混凝土內(nèi)部，急劇加速了鋼筋銹蝕膨脹，進(jìn)一步加劇混凝土的破壞，從而引起耐久性的下降和縮短建筑物的使用壽命。水庫面板混凝土中必須采取有效的抗裂技術(shù)控制混凝土收縮開裂與溫度開裂，盡量避免工程裂縫的產(chǎn)生，以保證水電工程的安全和工程結(jié)構(gòu)的耐久性。

1 概述

1.1 面板混凝土裂縫情況分析

水庫面板混凝土屬于典型的水工薄壁結(jié)構(gòu)混凝土，薄壁結(jié)構(gòu)混凝土的表面積與體積之比要比大壩等大體積混凝土大得多，水分散發(fā)速度和散發(fā)量相對快和大，干縮變形突出[1]。在內(nèi)部相對變形約束和結(jié)構(gòu)變形外部約束的作用下，結(jié)構(gòu)內(nèi)外變形都受到制約影響，混凝土內(nèi)會產(chǎn)生不均勻的干縮變形應(yīng)力，尤其在表面這種因干縮所產(chǎn)生的拉應(yīng)力很大，會直接導(dǎo)致混凝土表面的開裂或使已有表面裂縫進(jìn)行擴(kuò)展。這種現(xiàn)象在水工薄壁混凝土結(jié)構(gòu)中更加顯得突出，在施工期就會產(chǎn)生貫穿于結(jié)構(gòu)的裂縫。此外，在夏季高溫施工環(huán)境下混凝土澆筑后在結(jié)構(gòu)內(nèi)會產(chǎn)生較大的水化熱，導(dǎo)致混凝土內(nèi)部溫度升高。在降溫階段塊體收縮，由于外部和內(nèi)部約束的作用，會產(chǎn)生很大的溫度應(yīng)力，這些應(yīng)力一旦超過混凝土當(dāng)時(shí)齡期的抗拉強(qiáng)度，就會產(chǎn)生裂縫，這種裂縫會貫穿整個(gè)截面而對于較厚的部分，由于表面散熱快，溫度較低，內(nèi)外溫差產(chǎn)生表面拉應(yīng)力，還會產(chǎn)生表面裂縫[2]。

1.2 工程概況

黑龍江省荒溝抽水蓄能電站，位于黑龍江省牡丹江市海林市三道河子鄉(xiāng)，下水庫為已建的蓮花水電站水庫。上水庫大壩為混凝土面板壩，面板頂部高程為EL653，迎水面坡比約為1：1.4，頂部厚度為0.4m。底部最大厚度為0.56m，最大斜長約137.1m。面板共計(jì)53塊，基本寬度為14m。中部配雙層雙向鋼筋網(wǎng)。面板混凝土為二級配，C35W10F400（90），總量25733m3，鋼筋安裝約2500t。主壩面板垂直縫及水平縫、周邊縫、頂縫均設(shè)有銅止水和表層止水。

三道河子流域夏季濕熱多雨，冬季漫長嚴(yán)寒。根據(jù)牡丹江市歷年氣象資料統(tǒng)計(jì)，多年平均氣溫3.2℃，最高氣溫37.5℃，最低氣溫-45.2℃。多年平均風(fēng)速2.6m/s，最大風(fēng)速24m/s（相應(yīng)風(fēng)向?yàn)閃NW）。

2 面板混凝土制備

2.1 設(shè)計(jì)指標(biāo)

面板混凝土技術(shù)要求為C9035W10F400，其他技術(shù)指標(biāo)需滿足下表1要求：

表1 面板混凝土技術(shù)指標(biāo)

2.2 原材料

混凝土配比調(diào)整試驗(yàn)采用以下材料：①水泥：分別采用牡丹江北方水泥有限公司和撫順?biāo)嘤邢薰旧a(chǎn)的P.MH42.5水泥②粉煤灰：采用牡丹江中遠(yuǎn)實(shí)業(yè)有限公司的F類I級灰；③硅粉：采用四川郎天綜合利用有限公司生產(chǎn)的微硅粉；④膨脹劑：采用武漢三源公司生產(chǎn)的I型MgO膨脹劑；⑤骨料：采用人工破碎的碎石及金立源砂場生產(chǎn)的天然砂，滿足《水工混凝土施工規(guī)范》DL/T5144-2015對細(xì)骨料、粗骨料品質(zhì)的要求，且無堿骨料反應(yīng)；⑥外加劑：采用江蘇蘇博特公司生產(chǎn)的聚羧酸減水劑和引氣劑，滿足《水工混凝土外加劑技術(shù)規(guī)程》DL/T5100-2014中規(guī)定的要求；⑦纖維：采用廣州建克建筑有限公司生產(chǎn)的高性能聚丙烯纖維，纖維為白色長絲、直徑為48μm、密度0.91g/cm3，滿足《水泥混凝土和砂漿用合成纖維》GB/T21120-2018的要求。

2.3 試驗(yàn)配合比，見表2

表2 面板試驗(yàn)配合比

2.4 試驗(yàn)結(jié)果分析

混凝土性能試驗(yàn)按照《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》DL/T5150－2017中的有關(guān)規(guī)定進(jìn)行。

（1）拌合物工作性?；炷涟韬衔锕ぷ餍詳?shù)據(jù)見表3。

表3 混凝土拌合物工作性數(shù)據(jù)

由表3可以看出，使用撫順?biāo)嗟膬山M配比要達(dá)到設(shè)計(jì)坍落度，減水劑用量比使用北方水泥相同配比混凝土增加0.1%（膠凝材料用量），引氣劑用量增加1倍時(shí)的含氣量均小于北方水泥對應(yīng)配比。北方水泥的標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量略高于于撫順?biāo)?，但減水劑摻量較少，說明該減水劑與北方水泥的適應(yīng)性更好；在相同的條件下，使用不同水泥，混凝土中的含氣量不一定相同，可能原因是水泥品種對引氣劑的吸附作用不同而影響含氣量[3]，也可能是水泥水化產(chǎn)物的生成速率及其反應(yīng)溫度等對含氣量造成不同程度影響[4]，還與水泥中加入的摻合料用量有關(guān)。推薦使用MDJ-07配合比。建議在施工過程中根據(jù)含氣量控制值適當(dāng)調(diào)整引氣劑摻量，防止出現(xiàn)低強(qiáng)。

（2）強(qiáng)度。4種配比混凝土的抗壓基本相當(dāng)，7d達(dá)到32MPa以上，超過28d設(shè)計(jì)強(qiáng)度的90%，28d強(qiáng)度富余系數(shù)（與90d強(qiáng)度相比）為28.5%。抗拉強(qiáng)度達(dá)到3MPa或以上，抗收縮應(yīng)用性能較好。

表4 四種配比材料強(qiáng)度表

（3）自身體積變形。

由圖1可以看出，摻入氧化鎂的4個(gè)配比面板混凝土自身體積變形持續(xù)增長，28d前增長速率較快，隨齡期增長速率逐漸減緩，但在180d后仍有持續(xù)增長的趨勢，說明氧化鎂在面板混凝土中能夠持續(xù)穩(wěn)定的提供自身體積變形增量，這對長期暴露在外界環(huán)境受干燥收縮作用的面板混凝土抗裂非常有利抗?jié)B。在40℃養(yǎng)護(hù)溫度下4個(gè)配比混凝土的自身體積變形增長速率明顯加快，28d時(shí)的膨脹值已超過20℃養(yǎng)護(hù)下180d該值，而180d的膨脹值均比20℃下高出1倍以上。40℃下氧化鎂混凝土的自身體積變形增長速率下降較快，更快的進(jìn)入增長平緩階段。比較兩圖可以看出，氧化鎂在面板混凝土中有較高的溫度敏感性，在高溫環(huán)境下有更高的反應(yīng)速率，更快的提供較大的膨脹量，以補(bǔ)償溫降階段混凝土的溫度收縮。對比4組面板混凝土的自身體積變形值，使用北方水泥的兩組均大于使用撫順?biāo)嗟膬山M，其中MDJ2配比的自身體積變形數(shù)據(jù)最優(yōu)。對比相同水泥不同水膠比下的數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)水膠比從0.32增加到0.33，混凝土各齡期自身體積變形略有增大，這是因?yàn)樵谳^低水膠比的混凝土中，能提供更多水使氧化鎂水化產(chǎn)生膨脹產(chǎn)物氫氧化鎂。

圖1 面板混凝土自身體積變形曲線

（4）抗?jié)B。由表5可以看出，4組配比均滿足W10的抗?jié)B等級，滿足抗?jié)B性的設(shè)計(jì)要求。

表5 四種配比材料抗?jié)B性對比

（5）抗凍。凍融試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明：4組配比均滿足抗凍等級要求，但采用撫順?biāo)嗟腇S1、FS2凍融檢測結(jié)果不如采用牡丹江北方水泥的MDJ1和MDJ2的檢測結(jié)果。MDJ1相對動彈模量在70%以上，富余度最高，且相對質(zhì)量損失最小，加上原材料品質(zhì)會有波動，所以推薦采用MDJ1面板配合比，見圖2、圖3。

圖2 混凝土相對動彈模量變化曲線

圖3 混凝土相對質(zhì)量損失變化曲線

3 工程應(yīng)用

3.1 施工配合比

綜合第2章的試驗(yàn)結(jié)果，MDJ1配比各項(xiàng)性能最優(yōu)，施工配合比每方混凝土配合比各種材料用量見表6：

表6 MDJ1配比每方混凝土配合比各種材料用量表

3.2 施工過程控制

（1）混凝土澆筑。混凝土拌和采用雙HZS60強(qiáng)制拌和機(jī)，拌制時(shí)間不少于120s。單臺實(shí)際拌合效率為20m3/h。聚丙烯纖維、氧化鎂采用人工摻加?；炷恋倪\(yùn)輸距離約為3km以內(nèi)。兩臺站同時(shí)可滿足3.5倉施工強(qiáng)度。

混凝土運(yùn)輸采用9m3罐車，經(jīng)試驗(yàn)可滿足面板小坍落度運(yùn)輸要求。（加裝附著式振搗器入罐）共5臺罐車可滿足2倉面板同步高峰澆筑強(qiáng)度。

面板混凝土澆筑前需再次對底部周邊縫進(jìn)行檢查，清除內(nèi)部雜物?；炷敛捎没炷凉捃囘\(yùn)輸，在出機(jī)口塌落度按50mm～70mm控制，倉面塌落度按30mm～50mm控制，含氣量按5.0%～6.0%控制。滿足設(shè)計(jì)要求后方可澆筑。混凝土放料前，先將溜槽表面灑水潤濕，濕潤時(shí)將溜槽倒至倉外，嚴(yán)禁廢水進(jìn)入倉內(nèi)。

澆筑時(shí)薄層均勻平起，每層厚度不大于25～30cm。倉面采用φ50mm的插入式振搗器依次充分振搗，振搗器垂直插入澆筑層，落點(diǎn)間距不大于40cm，深度達(dá)到新澆層底部以下5cm，以混凝土不再顯著下沉、不出現(xiàn)明顯氣泡并開始泛漿為準(zhǔn)?？拷顾牟课?，用φ30mm軟管振搗器和人工輔助振搗密實(shí)。模板滑升由壩頂2臺10t慢速卷揚(yáng)機(jī)牽引拉升，兩機(jī)提升平衡、勻速、同步。升速度以不出現(xiàn)鼓包、拉傷為原則，與澆筑強(qiáng)度和脫模時(shí)間相適應(yīng)，做到“勤動、慢速、少升”。平均滑升速度為1.5m/h，最大滑升速度不超過2.5m/h。每次滑升距離不大于30cm。

（2）表面處理。脫模后的混凝土表面，及時(shí)進(jìn)行人工修整、壓平和抹面。對接縫兩側(cè)各100cm內(nèi)的混凝土表面及時(shí)平整，用2m長直尺檢查，不平整度不超過5mm。

混凝土出模后立即進(jìn)行抹面和第一次壓面，在混凝土初凝前表面泌水風(fēng)干后進(jìn)行第二次壓面，確?；炷帘砻婷軐?shí)、平整，避免面板表面形成微通道和早期裂縫。

（3）保溫養(yǎng)護(hù)?；炷琉B(yǎng)護(hù)利用左右岸蓄水池，采用φ100鋼管接引至壩頂部位，順延澆筑面頂部布設(shè)作為主養(yǎng)護(hù)管路。間隔設(shè)30m設(shè)φ30mm塑料花管布置于壩頂部位長流水養(yǎng)護(hù)?；炷炼问彰婧笤诨：蟛吭O(shè)10m長彩條布進(jìn)行覆蓋，隨滑模提升逐步上升，初凝后采用覆蓋土工布灑水養(yǎng)護(hù)。進(jìn)入低溫季節(jié)時(shí)，停止灑水養(yǎng)護(hù)，對面板采用EPE珍珠棉覆蓋保溫。

3.3 應(yīng)用效果

面板混凝土澆筑56d后進(jìn)行裂縫排查，上水庫53塊面板均未發(fā)現(xiàn)有害裂縫，抗裂效果良好。黑龍江荒溝抽水蓄能電站工程已由水電總院完成蓄水驗(yàn)收，計(jì)劃于2021年7月底進(jìn)行工程蓄水。

4 結(jié)語

在面板混凝土中摻入一定量的氧化鎂膨脹劑，其自身體積變形在180d能保持持續(xù)穩(wěn)定的增長，使面板混凝土體積穩(wěn)定在微膨脹的狀態(tài)，能有效補(bǔ)償混凝土溫度收縮和長期的干燥收縮，防止面板混凝土開裂，工程實(shí)際應(yīng)用效果明顯。但近年來，有不少學(xué)者和工程使用單位提出了在膨脹劑的應(yīng)用中應(yīng)注意氧化鎂與水泥的適應(yīng)性問題，由于不同品牌水泥中礦物組分有一定的差別，氧化鎂與不同水泥混用時(shí)的效果是不相同的，主要表現(xiàn)在凝結(jié)時(shí)間、需水量、坍落度保持值、強(qiáng)度及膨脹率上。同種膨脹劑對不同的水泥品種，膨脹效果不一樣不同的膨脹劑對相同的水泥品種，其膨脹效果差異較大。故針對不同廠家生產(chǎn)的水泥，混凝土配比需要經(jīng)過試驗(yàn)后進(jìn)行調(diào)整，以保證混凝土工作性、力學(xué)性和耐久性滿足工程要求。