臺(tái)雄水庫(kù)四級(jí)配高摻粉煤灰混凝土筑壩技術(shù)探討

潘秋林

(貴州省弘波質(zhì)量檢測(cè)有限公司，貴陽(yáng) 550002)

1 概 況

臺(tái)雄水庫(kù)是以防洪、灌溉、供水為主，兼顧發(fā)電綜合利用的綜合水庫(kù)，水庫(kù)正常蓄水位710m，相應(yīng)庫(kù)容1938萬(wàn)m3,最大壩高64.20m。壩頂弧長(zhǎng)182.70m，大壩原設(shè)計(jì)為三級(jí)配混凝土，施工期間經(jīng)專(zhuān)家論證改為四級(jí)配混凝土(C9020)。

2 混凝土配合比試驗(yàn)研究

2.1 試驗(yàn)?zāi)康?/h3>

結(jié)合該項(xiàng)目料場(chǎng)特點(diǎn)，試驗(yàn)研究目的如下：

1)調(diào)查研究主要原材料：水泥、砂石骨料、粉煤灰以及外加劑等。目的在于檢驗(yàn)原材料的物理力學(xué)性能、礦物成分以及化學(xué)全分析，以為工程建設(shè)提供具有適用性的材料。

2)經(jīng)對(duì)大壩進(jìn)行常態(tài)混凝土配合比試驗(yàn)，以確定滿足設(shè)計(jì)與施工要求的混凝土配比。如此，就可對(duì)混凝土配比用水、水泥等材料進(jìn)行定量控制，且不會(huì)對(duì)其耐久性與抗裂性造成影響。

3)料場(chǎng)料源為寒武系下統(tǒng)薄-中厚層灰?guī)r，為早加里東構(gòu)造地臺(tái)區(qū)巖層，屬淺水碳酸鹽巖，巖質(zhì)較堅(jiān)硬，針片狀含量較高，應(yīng)注意骨料堿和性問(wèn)題。采用試驗(yàn)方法來(lái)確定采用何種措施來(lái)處理不良地質(zhì)條件問(wèn)題，如低堿水泥、高摻粉煤灰以及低堿外加劑等。初期階段，低堿水泥中的堿含量應(yīng)控制在0.45%以?xún)?nèi)；混凝土粉煤灰摻量應(yīng)保證在40%以上；混凝土總堿量應(yīng)控制在3.0kg/m3以?xún)?nèi)。

2.2 混凝土配合比試驗(yàn)內(nèi)容

1)對(duì)各種原材料的化學(xué)成分與物理力學(xué)性能進(jìn)行試驗(yàn)分析。

2)確定混凝土的容重及齡期配合比參數(shù)指標(biāo)：抗壓強(qiáng)度分別為7d、28d、90d、極限拉伸值以及抗?jié)B強(qiáng)度等級(jí)等。

3)試驗(yàn)確定壩體大體積混凝土的熱學(xué)性能，以提高施工階段混凝土的溫度控制效果。

3 混凝土配合比設(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo)

混凝土的分區(qū)根據(jù)大壩穩(wěn)定、應(yīng)力、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、耐久性和溫控防裂等要求劃分，設(shè)計(jì)指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1

4 原材料性能

4.1 水泥

根據(jù)項(xiàng)目所在位置，水泥廠家選擇的是貴州科特林水泥有限公司生產(chǎn)的復(fù)合硅酸鹽32.5水泥。其物理力學(xué)性能見(jiàn)表2。

表2

1)該廠復(fù)合硅酸鹽32.5水泥各項(xiàng)性能指標(biāo)均符合《通用硅酸鹽水泥GB175-2007》的要求。

2)該公司有水泥散裝、袋裝設(shè)施，運(yùn)輸能力可滿足工程要求。

3)為進(jìn)一步提高混凝土的耐久性和抗裂性能，在水泥各項(xiàng)指標(biāo)要求上，對(duì)本工程使用的水泥要求;C3A<7.0%,C4AF>13%,C3S應(yīng)盡量控制最低，MgO≥2.5%,比表面積﹤360m2/kg,控制水泥早期發(fā)熱量。

4.2 粉煤灰

粉煤灰，是鍋爐在1100℃-1500℃環(huán)境下燃燒燃煤電廠磨細(xì)煤粉后，經(jīng)Ⅱ電收塵系統(tǒng)回收聚集的煙道細(xì)灰。通常情況下，其呈現(xiàn)為灰白或是黑色。比重在1.9-2.8之間，容重在530-1260kg/m3之間。其化學(xué)成分主要為SiO2和Al2O3，兩者總含量一般達(dá)到60%以上。

為盡量減少水泥用量，可摻用一定量粉煤灰代替水泥，其作用主要是：

1)混凝土配比需控制水泥用量，以控制成本。

2)降低水化熱反應(yīng)導(dǎo)致的溫升影響，以實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)化溫控處理措施運(yùn)用目的，進(jìn)而規(guī)避裂縫現(xiàn)象發(fā)生。

3)減少混凝土干縮。

4)受粉煤灰形態(tài)效應(yīng)與微集料效應(yīng)影響，在開(kāi)展等量代替水泥的過(guò)程，應(yīng)考量其比重<水泥的作用狀態(tài)，通過(guò)增加槳體體積，來(lái)調(diào)整混凝土包裹的和易性、抗分離性效果。

另外，粉煤灰中的燒失量(含碳量)也需要嚴(yán)格控制，這主要是因?yàn)椋孩僭黾雍剂烤蜏p少了粉煤灰的有效成分，即減少了能起膠凝作用的和性化合物數(shù)量；②較粗的碳粒具有較大的比表面積，因而其需水量要高；③碳具有表面和性，能吸附引氣劑，使引氣劑用量增加；④細(xì)的碳粒還會(huì)對(duì)水泥的水化過(guò)程起阻凝作用。

離臺(tái)雄水庫(kù)距離較近、粉煤灰質(zhì)量較穩(wěn)定的廠家是玉屏大龍電廠，其品質(zhì)檢驗(yàn)成果見(jiàn)表3。

表3 粉煤灰檢驗(yàn)試驗(yàn)成果

表3中的粉煤灰品質(zhì)檢驗(yàn)成果表明：該廠生產(chǎn)的粉煤灰各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到《水工混凝土摻用粉煤灰技術(shù)規(guī)程DL/T5055-2007》中Ⅱ級(jí)灰要求。

4.3 砂石骨料

混凝土中砂石骨料占80%-85%，它的性能對(duì)混凝土的物理力學(xué)性能影響較大。高質(zhì)量的砂石骨料是由均勻、堅(jiān)固、耐久、潔凈、級(jí)配優(yōu)良且不含扁平或細(xì)長(zhǎng)顆粒組成，當(dāng)其受潮或烘干時(shí)不會(huì)松懈；其表面略為毛糙，并不含有干擾水泥水化或與水泥水化物起作用而產(chǎn)生過(guò)度膨脹的組分；混凝土熱膨脹系數(shù)取決于骨料的熱膨脹系數(shù)，熱膨脹系數(shù)小的骨料抗裂性能好。骨料的顆粒形狀及表面光潔度對(duì)混凝土的砂率及用水量影響很大。

本次混凝土室內(nèi)配合比試驗(yàn)用砂石骨料均為工地現(xiàn)場(chǎng)送樣，經(jīng)篩分分級(jí)為特大石(150mm-80mm)、大石(80mm-40mm)、中石(40mm-20mm)、小石(20mm-5mm)。

母巖的力學(xué)性能試驗(yàn)按照《水利水電工程巖石試驗(yàn)規(guī)程SL264-2001》鉆孔取樣，干、濕抗壓強(qiáng)度值為三組試件的平均值(其中每組試件有3塊巖石芯樣)。

母巖的力學(xué)性能試驗(yàn)成果見(jiàn)表4，巖礦鑒定成果見(jiàn)表5。

表4 母巖力學(xué)性能試驗(yàn)成果

表5 巖礦鑒定成果報(bào)告

4.4 外加劑

混凝土摻用外加劑，其作用除了降低混凝土用水量，減少水泥用量，降低水化熱外，重要的還是改善混凝土性能的作用，特別是在夏季高溫季節(jié)，由于水分蒸發(fā)快，除了強(qiáng)緩凝外，還應(yīng)加強(qiáng)層面的表面覆蓋，減少表面水分蒸發(fā)，保證層面是塑性結(jié)合。

5 混凝土配合比設(shè)計(jì)

5.1 混凝土配合比研究思路

混凝土配合比的選擇：從混凝土的強(qiáng)度、耐久性、抗?jié)B性及層面結(jié)合強(qiáng)度考慮，其灰漿的強(qiáng)度必須滿足最低要求，且盡可能富余些。但從降低壩體混凝土絕熱溫升，避免產(chǎn)生溫度裂縫和經(jīng)濟(jì)性考慮應(yīng)盡量減少水泥用量。這兩方面的要求相互矛盾，需在配合比中通盤(pán)考慮，處理恰當(dāng)。

為了滿足混凝土各項(xiàng)性能要求，具體思路如下：

5.1.1 選擇好的原材料

水泥：要求廠家提供熱強(qiáng)比低、C3A含量低、C4AF含量高、MgO含量高、比表面積小的水泥，控制水泥早期發(fā)熱量，以使混凝土溫升低、抗壓比高，抗裂性好。

粉煤灰：在有抗凍要求的部位，宜優(yōu)選燒失量低的優(yōu)質(zhì)Ⅰ級(jí)粉煤灰，壩體內(nèi)部混凝土從溫升上考慮粉煤灰摻量可適當(dāng)加大，從經(jīng)濟(jì)上考慮Ⅰ級(jí)和Ⅱ級(jí)粉煤灰均可選用。

砂子：對(duì)砂的品質(zhì)要進(jìn)行改善和調(diào)整，以滿足混凝土施工要求。

石子：選擇粒形好，級(jí)配合理的石子。

5.1.2 選擇優(yōu)的混凝土配合比

該工程需要試驗(yàn)的是大壩四級(jí)配混凝土，常態(tài)混凝土主要考慮其強(qiáng)度及抗裂性。

5.2 混凝土配合比配制強(qiáng)度的確定

根據(jù)《水工混凝土施工規(guī)范DL/T5144-2001》中“配合比選定”的有關(guān)要求，混凝土配制強(qiáng)度按下式計(jì)算：

fcu,0=fcu,k+tσ

(1)

式中：fcu,0為混凝土配制強(qiáng)度，MPa；fcu,k為混凝土設(shè)計(jì)齡期的強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，MPa；t為概率度系數(shù)，根據(jù)保證率系數(shù)確定；σ為混凝土強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)差。

6 混凝土配合比及其性能試驗(yàn)成果

6.1 混凝土抗凍耐久性

抗凍試驗(yàn)按照《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程DL/T5150-2001》中的規(guī)定，采用快凍法進(jìn)行試驗(yàn)，當(dāng)混凝土的相對(duì)動(dòng)彈模量降至60%或重量損失達(dá)到5%時(shí)，認(rèn)為混凝土已經(jīng)凍融破壞，結(jié)束試驗(yàn)。

6.2 混凝土抗?jié)B性

混凝土抗?jié)B性，顧名思義，就是混凝土能夠抵抗壓力水的滲透能力?；炷脸霈F(xiàn)滲水，是因?yàn)槠鋬?nèi)部孔隙連通形成了滲水通道。而孔道出現(xiàn)，多受振搗密實(shí)度不夠與裂縫因素影響。更多的是水泥漿環(huán)境，以多余水分蒸發(fā)形成的毛細(xì)孔，以及水泥漿因泌水而形成的孔道與骨料下截面聚積水隙。當(dāng)混凝土的抗?jié)B性不高，施工環(huán)境中的水分就會(huì)進(jìn)入其內(nèi)部。如混凝土施工環(huán)境為冰凍或是水中含有侵蝕物質(zhì)，混凝土就會(huì)發(fā)生冰凍或是侵蝕滲透破壞問(wèn)題。為解決此問(wèn)題，相關(guān)技術(shù)人員應(yīng)嚴(yán)格按照技術(shù)規(guī)范要求，采用逐級(jí)加壓法對(duì)混凝土抗?jié)B性能進(jìn)行試驗(yàn)。經(jīng)試驗(yàn)，混凝土達(dá)到預(yù)定水壓力后，應(yīng)穩(wěn)壓處理8h。如每組一共6個(gè)試件中4個(gè)沒(méi)有出現(xiàn)表面滲水問(wèn)題，即可判斷為達(dá)到設(shè)計(jì)預(yù)期。只需卸下抗?jié)B試件，劈開(kāi)后對(duì)其滲水高度進(jìn)行測(cè)量即可，具體試件高度應(yīng)為150mm。

6.3 混凝土熱學(xué)性能

水工建筑物的混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)階段，要想做好結(jié)構(gòu)溫度控制、以及因溫度引發(fā)的應(yīng)力與變形分析工作。需將混凝土熱學(xué)性能作為重要資料內(nèi)容，即混凝土導(dǎo)熱系數(shù)、比熱、熱膨脹系數(shù)以及導(dǎo)溫系數(shù)等?；炷翆?dǎo)熱系數(shù)，是對(duì)比混凝土熱量與溫度梯度之間的關(guān)系，來(lái)確定混凝土傳導(dǎo)熱能的重要參數(shù)。比熱的定義為單位質(zhì)量物質(zhì)溫度每上升1℃時(shí)所需要的熱量。混凝土的水灰比大，用水量大，比熱也大。究其原因，與水熱容量大有關(guān)?；炷翆?dǎo)溫系數(shù)，從物理角度分析，即在單位時(shí)間內(nèi)混凝土因溫度變化產(chǎn)生熱量的擴(kuò)散情況。其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：a=K/cρ(a為混凝土導(dǎo)溫系數(shù)，K為混凝土導(dǎo)熱系數(shù)，c為混凝土比熱，ρ為混凝土密度)。熱膨脹系數(shù)，混凝土受溫度而發(fā)生的線性變化。其也被稱(chēng)為線膨脹系數(shù)，單位為1×10-6/℃。

混凝土絕熱溫升，則是指，絕熱條件下混凝土中的水泥與摻合料等膠凝材料，經(jīng)水化而出現(xiàn)的溫度變化與最大溫升值。具體試驗(yàn)設(shè)備借助JR-2絕熱溫升儀測(cè)定，溫度跟蹤精度為±0.1℃，試件尺寸為Ф400mm×400mm。運(yùn)用此設(shè)備，可對(duì)混凝土進(jìn)行全級(jí)配試驗(yàn)。時(shí)間方面，絕熱溫升試驗(yàn)，要經(jīng)過(guò)28天，且運(yùn)用最小二乘法擬合處理溫升分析結(jié)果。

7 小 結(jié)

通過(guò)對(duì)臺(tái)江縣臺(tái)雄水庫(kù)工程大壩混凝土原材料及配合比試驗(yàn)研究成果，提出以下意見(jiàn)。

1)貴州大龍科特林水泥有限公司生產(chǎn)的復(fù)合硅酸鹽32.5水泥滿足國(guó)標(biāo)《通用硅酸鹽水泥GB175-2007》的要求。

同時(shí)，為進(jìn)一步提高混凝土的耐久性、抗裂性能，在水泥各項(xiàng)指標(biāo)要求上，根據(jù)水泥供應(yīng)廠家的生產(chǎn)情況，建議提供本工程使用的水泥應(yīng)盡可能滿足以下幾項(xiàng)指標(biāo)要求：C3A<7.0%，C4AF>13%，C3S指標(biāo)應(yīng)盡量控制低，MgO≥2.5%，比表面積<360m2/kg，控制水泥早期發(fā)熱量。

2)玉屏大龍電廠生產(chǎn)的粉煤灰，可達(dá)到《水工混凝土摻用粉煤灰技術(shù)規(guī)范DL/T5055-1996》Ⅱ級(jí)粉煤灰的標(biāo)準(zhǔn)。

3)貴州特普科技發(fā)展有限公司生產(chǎn)的GTA高效減水劑以及使用的DH-5型引氣劑達(dá)到《混凝土外加劑GB8076-1997》中一等品的標(biāo)準(zhǔn)，可作為臺(tái)雄水庫(kù)用外加劑。減水劑在夏季應(yīng)選用高溫、強(qiáng)緩凝型，在冬季可使用普通型緩凝減水劑。

4)由于粗骨料的粒型不好，粉煤灰的需水量比偏高，導(dǎo)致本工程中混凝土配合比的用水量相比其它工程偏高10 kg/m3以上，相應(yīng)的膠凝材料總量也增加了20-40 kg/m3，甚至更多，因此在配合比選擇上粉煤灰摻量略有增加，以控制水泥用量和混凝土早期發(fā)熱量為主。

5)從壩體大體積混凝土配合比試驗(yàn)成果來(lái)看，混凝土配合比單位用水量偏高，混凝土膠凝材料較富裕；混凝土各項(xiàng)力學(xué)性能指標(biāo)滿足設(shè)計(jì)要求。

6)本次混凝土配合比試驗(yàn)成果滿足本階段設(shè)計(jì)對(duì)壩體混凝土配合比的要求，其推薦配合比見(jiàn)表12。

本次推薦混凝土配合比，須經(jīng)使用現(xiàn)場(chǎng)大系統(tǒng)生產(chǎn)的砂石料進(jìn)行試拌，做調(diào)整后使用。

8 四級(jí)配混凝土施工質(zhì)量

臺(tái)雄水庫(kù)實(shí)際開(kāi)工日期為2008年9月6日， 實(shí)際完工日期：2014年1月16日。施工期大壩C9020混凝土共取樣243組，根據(jù)《水利水電工程施工質(zhì)量檢驗(yàn)與評(píng)定規(guī)程》(SL176-2007),普通混凝土試塊試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)方法C.O.1：n=243組≥30組，平均強(qiáng)度：R90=25.4Mpa，最大強(qiáng)度：Rmax=49.9Mpa，由：①最小強(qiáng)度：Rmin=17.8Mpa>0.85R標(biāo)=0.85×20=17Mpa，②均方差σ=3.9Mpa，離差系數(shù)Cv=Sn/Rn=3.9/25.4=0.15<0.18，③保證系數(shù)t=(Rn-R標(biāo))/Sn=(25.4-20)/3.9=1.41，保證率p=94%>85%；根據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果，工程混凝土質(zhì)量評(píng)定為合格。

9 結(jié) 論

1)采用四級(jí)配高摻粉煤灰的方法，可彌補(bǔ)砂石骨料針片狀含量高、石粉含量偏低的缺陷；

2)四級(jí)配高摻粉煤灰混凝土較三級(jí)配高摻粉煤灰混凝土節(jié)約膠材近15%。

3)四級(jí)配高摻粉煤灰混凝土物理力學(xué)性能、抗?jié)B性、抗凍性、熱學(xué)性能等能滿足現(xiàn)行規(guī)范要求，且混凝土壩體出現(xiàn)裂縫的幾率很小。