氧化鎂在荒溝抽水蓄能電站上水庫面板混凝土中的應用

陳書軍 袁永強 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行擴展現(xiàn)象普遍存在，面板混凝土一旦產生大量的表面裂縫甚至貫穿性裂縫，不僅會破壞結構的整體性，影響結構的受力狀況與穩(wěn)定，給結構的運行帶來不確定性，而且容易導致內部鋼筋銹蝕，降低結構的耐久性，有時還會引起滲漏變形，危及基礎的穩(wěn)定性。由于水利工程結構大多處在水下，水中大量的、Cl-等會順著裂縫進入混凝土內部，急劇加速了鋼筋銹蝕膨脹，進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控制混凝土收縮開裂與溫度開裂，盡量避免工程裂縫的產生，以保證水電工程的安全和工程結構的耐久性。

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構混凝土，薄壁結構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]。在內部相對變形約束和結構變形外部約束的作用下，結構內外變形都受到制約影響，混凝土內會產生不均勻的干縮變形應力，尤其在表面這種因干縮所產生的拉應力很大，會直接導致混凝土表面的開裂或使已有表面裂縫進行擴展。這種現(xiàn)象在水工薄壁混凝土結構中更加顯得突出，在施工期就會產生貫穿于結構的裂縫。此外，在夏季高溫施工環(huán)境下混凝土澆筑后在結構內會產生較大的水化熱，導致混凝土內部溫度升高。在降溫階段塊體收縮，由于外部和內部約束的作用，會產生很大的溫度應力，這些應力一旦超過混凝土當時齡期的抗拉強度，就會產生裂縫，這種裂縫會貫穿整個截面而對于較厚的部分，由于表面散熱快，溫度較低，內外溫差產生表面拉應力，還會產生表面裂縫[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53塊，基本寬度為14m。中部配雙層雙向鋼筋網。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，冬季漫長嚴寒。根據(jù)牡丹江市歷年氣象資料統(tǒng)計，多年平均氣溫3.2℃，最高氣溫37.5℃，最低氣溫-45.2℃。多年平均風速2.6m/s，最大風速24m/s（相應風向為WNW）。

2 面板混凝土制備

2.1 設計指標

面板混凝土技術要求為C9035W10F400，其他技術指標需滿足下表1要求：

表1 面板混凝土技術指標

2.2 原材料

混凝土配比調整試驗采用以下材料：①水泥：分別采用牡丹江北方水泥有限公司和撫順水泥有限公司生產的P.MH42.5水泥②粉煤灰：采用牡丹江中遠實業(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的微硅粉；④膨脹劑：采用武漢三源公司生產的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的天然砂，滿足《水工混凝土施工規(guī)范》DL/T5144-2015對細骨料、粗骨料品質的要求，且無堿骨料反應；⑥外加劑：采用江蘇蘇博特公司生產的聚羧酸減水劑和引氣劑，滿足《水工混凝土外加劑技術規(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 試驗配合比，見表2

表2 面板試驗配合比

2.4 試驗結果分析

混凝土性能試驗按照《水工混凝土試驗規(guī)程》DL/T5150－2017中的有關規(guī)定進行。

（1）拌合物工作性。混凝土拌合物工作性數(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，使用撫順水泥的兩組配比要達到設計坍落度，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倍時的含氣量均小于北方水泥對應配比。北方水泥的標準稠度用水量略高于于撫順水泥，但減水劑摻量較少，說明該減水劑與北方水泥的適應性更好；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物的生成速率及其反應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。推薦使用MDJ-07配合比。建議在施工過程中根據(jù)含氣量控制值適當調整引氣劑摻量，防止出現(xiàn)低強。

（2）強度。4種配比混凝土的抗壓基本相當，7d達到32MPa以上，超過28d設計強度的90%，28d強度富余系數(shù)（與90d強度相比）為28.5%?？估瓘姸冗_到3MPa或以上，抗收縮應用性能較好。

表4 四種配比材料強度表

（3）自身體積變形。

由圖1可以看出，摻入氧化鎂的4個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)護溫度下4個配比混凝土的自身體積變形增長速率明顯加快，28d時的膨脹值已超過20℃養(yǎng)護下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)境下有更高的反應速率，更快的提供較大的膨脹量，以補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水泥的兩組，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，這是因為在較低水膠比的混凝土中，能提供更多水使氧化鎂水化產生膨脹產物氫氧化鎂。

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性的設計要求。

表5 四種配比材料抗?jié)B性對比

（5）抗凍。凍融試驗數(shù)據(jù)表明：4組配比均滿足抗凍等級要求，但采用撫順水泥的FS1、FS2凍融檢測結果不如采用牡丹江北方水泥的MDJ1和MDJ2的檢測結果。MDJ1相對動彈模量在70%以上，富余度最高，且相對質量損失最小，加上原材料品質會有波動，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 混凝土相對質量損失變化曲線

3 工程應用

3.1 施工配合比

綜合第2章的試驗結果，MDJ1配比各項性能最優(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?；炷涟韬筒捎秒pHZS60強制拌和機，拌制時間不少于120s。單臺實際拌合效率為20m3/h。聚丙烯纖維、氧化鎂采用人工摻加?；炷恋倪\輸距離約為3km以內。兩臺站同時可滿足3.5倉施工強度。

混凝土運輸采用9m3罐車，經試驗可滿足面板小坍落度運輸要求。（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度。

面板混凝土澆筑前需再次對底部周邊縫進行檢查，清除內部雜物?；炷敛捎没炷凉捃囘\輸，在出機口塌落度按50mm～70mm控制，倉面塌落度按30mm～50mm控制，含氣量按5.0%～6.0%控制。滿足設計要求后方可澆筑?；炷练帕锨?，先將溜槽表面灑水潤濕，濕潤時將溜槽倒至倉外，嚴禁廢水進入倉內。

澆筑時薄層均勻平起，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，落點間距不大于40cm，深度達到新澆層底部以下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。靠近止水的部位，用φ30mm軟管振搗器和人工輔助振搗密實。模板滑升由壩頂2臺10t慢速卷揚機牽引拉升，兩機提升平衡、勻速、同步。升速度以不出現(xiàn)鼓包、拉傷為原則，與澆筑強度和脫模時間相適應，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，及時進行人工修整、壓平和抹面。對接縫兩側各100cm內的混凝土表面及時平整，用2m長直尺檢查，不平整度不超過5mm。

混凝土出模后立即進行抹面和第一次壓面，在混凝土初凝前表面泌水風干后進行第二次壓面，確保混凝土表面密實、平整，避免面板表面形成微通道和早期裂縫。

（3）保溫養(yǎng)護?；炷琉B(yǎng)護利用左右岸蓄水池，采用φ100鋼管接引至壩頂部位，順延澆筑面頂部布設作為主養(yǎng)護管路。間隔設30m設φ30mm塑料花管布置于壩頂部位長流水養(yǎng)護?；炷炼问彰婧笤诨：蟛吭O10m長彩條布進行覆蓋，隨滑模提升逐步上升，初凝后采用覆蓋土工布灑水養(yǎng)護。進入低溫季節(jié)時，停止灑水養(yǎng)護，對面板采用EPE珍珠棉覆蓋保溫。

3.3 應用效果

面板混凝土澆筑56d后進行裂縫排查，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收，計劃于2021年7月底進行工程蓄水。

4 結語

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，工程實際應用效果明顯。但近年來，有不少學者和工程使用單位提出了在膨脹劑的應用中應注意氧化鎂與水泥的適應性問題，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的效果是不相同的，主要表現(xiàn)在凝結時間、需水量、坍落度保持值、強度及膨脹率上。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的水泥，混凝土配比需要經過試驗后進行調整，以保證混凝土工作性、力學性和耐久性滿足工程要求。