水利樞紐工程面板混凝土配合比與施工技術(shù)分析

李鳳來

(本溪市桓仁滿族自治縣水務(wù)移民服務(wù)中心，遼寧 本溪 117217)

因具有較好的適應(yīng)性、經(jīng)濟(jì)性和安全性，混凝土面板堆石壩的應(yīng)用日趨廣泛[1-2]。經(jīng)長(zhǎng)期發(fā)展，在建或已建的混凝土面板堆石壩高已達(dá)到200m，截至當(dāng)前已建成的最高混凝土面板堆石壩為湖北清江的水布埡水電站，壩高達(dá)到233m。面板混凝土耐久性、整體性與大壩的安全運(yùn)行直接相關(guān)，主要承受壩體不均勻沉陷造成的彎矩作用和水荷載作用，這也是水利工程的主要防滲結(jié)構(gòu)。

面板混凝土是一種長(zhǎng)條扮裝薄壁結(jié)構(gòu)，具有受力狀態(tài)復(fù)雜、厚度較薄、面積較大等典型特征，相對(duì)于水工大體積混凝土更易形成裂縫，由此所帶來的危害也更大。面板混凝土出現(xiàn)裂縫后會(huì)對(duì)大壩結(jié)構(gòu)的防滲性和整體性造成直接影響，加速混凝土耐久性破壞和多因素耦合劣化，大大降低水利工程的服役年限和功能效應(yīng)[3-5]。

關(guān)門山水庫位于小湯河中游，是一座以工農(nóng)業(yè)供水為主，兼有防洪、發(fā)電、水產(chǎn)養(yǎng)殖等綜合利用的水庫。樞紐工程主要有電站、有壓泄洪輸水洞、有閘正堰溢洪道和混凝土面板堆石壩組成，其中堆石壩壩頂高程379.0m，最大壩高58.5m，最大壩底寬168.45m。依據(jù)設(shè)計(jì)目標(biāo)，采用C25的二級(jí)配大壩面板混凝土，抗?jié)B要求W12，抗凍要求F200，強(qiáng)度保證率95%。文章結(jié)合北方地區(qū)氣候特點(diǎn)，試驗(yàn)研究了配合比、原材料對(duì)混凝土性能的影響，并進(jìn)一步探討面板混凝土的施工技術(shù)和養(yǎng)護(hù)方法。

1 研究方法

1.1 原材料性能

1)水泥：采用天瑞P·MH 42.5級(jí)中熱硅酸鹽水泥和P·O42.5級(jí)普通硅酸鹽水泥，水泥的物理性能，見表1。

表1 水泥的物理性能

2)粉煤灰：采用本溪電廠生產(chǎn)的Ⅰ級(jí)粉煤灰和綏中電廠生產(chǎn)的Ⅱ級(jí)，粉煤灰的品質(zhì)指標(biāo)，見表2。

表2 粉煤灰的品質(zhì)指標(biāo)

3)粗、細(xì)骨料：采用兩級(jí)配人工碎石和灰?guī)r人工砂，為了防止骨料分離小石：中石=55∶45，粉煤灰的品質(zhì)指標(biāo)，見表3；人工砂的品質(zhì)指標(biāo)，見表4。

表3 人工碎石的品質(zhì)指標(biāo)

表4 人工砂的品質(zhì)指標(biāo)

4)外加劑：采用XK-540P型聚羧酸高效減水劑和ZS-109B型引氣劑，這兩種技術(shù)成熟且質(zhì)量穩(wěn)定，已被廣泛應(yīng)用于水利工程領(lǐng)域，經(jīng)檢測(cè)兩種外加劑性能均符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

5)纖維：采用K-Ⅱ型聚乙烯醇(PVA)纖維，PVA纖維的品質(zhì)指，見表5。

表5 PVA纖維的品質(zhì)指標(biāo)

1.2 配合比設(shè)計(jì)

根據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)范利用下式計(jì)算混凝土的配制強(qiáng)度，其表達(dá)式為：

fcu,0=fcu,k+tσ

(1)

式中：fcu,0、fcu,k為配制強(qiáng)度和設(shè)計(jì)齡期抗壓強(qiáng)度，MPa；t、σ為概率度系數(shù)和強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)差，MPa，強(qiáng)度保證率取95%時(shí)t=1.645。經(jīng)計(jì)算，強(qiáng)度保證率95%條件下C25等級(jí)的混凝土配置強(qiáng)度為31.6MPa。

此外，混凝土配合比設(shè)計(jì)還要考慮耐久性能、熱學(xué)性能、力學(xué)性能及施工和易性等要求，合理選擇原材料用量，面板混凝土配合比，見表6。

表6 面板混凝土配合比

1.3 試驗(yàn)方法

依據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)程中的相關(guān)規(guī)定完成混凝土拌和、成型和養(yǎng)護(hù)工作，利用耐久性設(shè)計(jì)規(guī)范推薦的平板法完成混凝土抗裂性能試驗(yàn)[6]。首先，濕篩混凝土拌合物剔除粒徑超過20mm的粗骨料，采用平板試模完成振搗、成型、抹平等操作后立即用濕麻袋覆蓋，保持相對(duì)濕度60%±5%、環(huán)境溫度25℃±2℃。養(yǎng)護(hù)2h后，將麻袋取下并用風(fēng)扇將試樣表面吹干，記錄試樣裂縫寬度、長(zhǎng)度、裂縫條數(shù)和開裂時(shí)間。

2 結(jié)果與分析

2.1 拌合物性能

對(duì)新拌混凝土性能檢測(cè)進(jìn)行，拌合物性能，見表7。結(jié)果顯示，混凝土含氣量約為4.5%，出機(jī)口坍落度處于50～70mm之間。因此，為了有效控制骨料分離以及保證混凝土施工和易性，必須有效控制坍落度處于合理的范圍。

表7 拌合物性能

2.2 抗壓強(qiáng)度

對(duì)混凝土7d、28d、90d抗壓強(qiáng)度檢測(cè)進(jìn)行，混凝土抗壓強(qiáng)度檢測(cè)值，見表8。結(jié)果表明，各組混凝土28d抗壓強(qiáng)度均達(dá)到設(shè)計(jì)要求，其中使用普通水泥的早期強(qiáng)度具有較快的增長(zhǎng)速率，而后期增長(zhǎng)速率逐漸下降；使用中熱水泥的早期強(qiáng)度增長(zhǎng)速率稍慢，但后期具有較快的增長(zhǎng)速率。此外，混凝土抗壓強(qiáng)度受PVA纖維的影響較低[7]。

表8 混凝土抗壓強(qiáng)度檢測(cè)值

2.3 平板抗裂性

經(jīng)平板抗裂試驗(yàn)檢測(cè)，各組混凝土抗裂等級(jí)，平板開裂試驗(yàn)檢測(cè)值，見表9。結(jié)果表明，從小到大混凝土開裂時(shí)間為2#<1#<3#<4#，使用普通水泥的單位開裂面積大于中熱水泥；在混凝土中摻入纖維能夠明顯改善其抗裂性能，抗裂等級(jí)從Ⅱ級(jí)提高到Ⅰ級(jí)。

表9 平板開裂試驗(yàn)檢測(cè)值

2.4 抗?jié)B與抗凍性

對(duì)各組混凝土的抗凍性、抗?jié)B性檢測(cè)進(jìn)行，混凝土抗凍檢測(cè)值，見表10；混凝土抗?jié)B性檢測(cè)值，見表11。從表10可以看出，引氣劑能夠明顯在增強(qiáng)抗凍融性，即氣泡的引入能夠有效改善混凝土抗凍性。試驗(yàn)過程中，出機(jī)口混凝土含氣量為4%～5%，各組混凝土抗凍能均能滿足F200的設(shè)計(jì)要求，并且不同水膠比的抗凍性相差不明顯。

表10 混凝土抗凍檢測(cè)值

表11 混凝土抗?jié)B性檢測(cè)值

從表11可以看出，各組混凝土的滲水高度相差不大，總體位于4.0mm上下浮動(dòng)。在混凝土中摻入PVA纖維后，其滲水高度約為3.0mm，可見PVA纖維的摻入能夠增強(qiáng)混凝土的抗?jié)B性。

2.5 絕熱溫升

大壩施工的溫度控制與絕熱溫升關(guān)系密切相關(guān)，面板混凝土性能評(píng)價(jià)時(shí)必須考慮絕熱溫升。為降低膠凝材料水化放熱量和混凝土絕熱溫升值必須選擇合適的礦物摻合料、水泥等原材料，這也是增強(qiáng)混凝土抗裂性的重要措施[8-10]。混凝土絕熱溫升值，見圖1，結(jié)果表明使用中熱水泥的28d絕熱溫升值小于普通水泥，28d絕熱溫升值最小組為Ⅰ級(jí)粉煤灰+中熱水泥，最低值為36.5℃，混凝土絕熱溫升受PVA纖維的影響較低。

圖1 混凝土絕熱溫升值

3 施工技術(shù)分析

考慮到北方地區(qū)現(xiàn)場(chǎng)施工環(huán)境的特殊性，如晝夜溫差大、水分蒸散快、常年刮風(fēng)及氣候干燥等，必須重視面板混凝土施工受惡劣氣候環(huán)境的影響，施工過程中要做好保濕保溫工作，關(guān)鍵施工技術(shù)如下[11-15]：

1)適當(dāng)提高坍落度。為保證到達(dá)澆筑倉面時(shí)混凝土的坍落度50～70mm，可以將出機(jī)口坍落度適當(dāng)提高到90～100mm。由于特殊的氣候條件，北方地區(qū)的混凝土坍落度損失較快，當(dāng)澆筑當(dāng)面距離混凝土攪拌設(shè)備較遠(yuǎn)時(shí)必須考慮坍落度損失過快的問題。所以，在確保膠凝材料與減水劑適應(yīng)性良好的情況下，控制出機(jī)口混凝土坍落度略大于設(shè)計(jì)值，條件允許時(shí)也可以選用高效緩凝降水及。

2)保證拌合物的和易性。由于面板混凝土斜長(zhǎng)較大，若和易性較差，在長(zhǎng)距離溜槽滑行時(shí)混凝土導(dǎo)致混凝土骨料分離，從而造成離析問題。

3)有效控制結(jié)構(gòu)性裂縫。實(shí)踐表明，上游堆石體坡面變形是引起面板裂縫的主要原因，應(yīng)保持面板下臥堆石砌筑體≥20m，并最大程度地延長(zhǎng)預(yù)留沉降時(shí)間和上游堆石區(qū)域的范圍。所以，在完成關(guān)門山水利樞紐壩體填筑后，預(yù)留壩體沉降時(shí)間≥6個(gè)月，必須在填筑料沉降穩(wěn)定后才能進(jìn)行面板混凝土澆筑，盡量控制結(jié)構(gòu)性裂縫的出現(xiàn)。

4)規(guī)范使用溜槽與滑模。為避免下滑過程中混凝土出現(xiàn)骨料分離的情況，必須合理控制混凝土在溜槽中的下滑速度。滑模兩端要保持同步、均勻、平衡上升，分層澆筑面板混凝土，并安排專人振搗混凝土，以混凝土不再顯著下沉且表面不產(chǎn)生氣泡作為振搗終點(diǎn)。

5)覆土工膜養(yǎng)護(hù)。完成澆筑后，要對(duì)混凝土及時(shí)養(yǎng)護(hù)，以防水分蒸發(fā)過快而引起開裂。終凝后，在混凝土面板上覆蓋復(fù)合土工膜，用水管持續(xù)噴水養(yǎng)護(hù)，以達(dá)到抗風(fēng)、保溫保濕的作用。

6)合理確定澆筑時(shí)間。混凝土澆筑時(shí)要避開大于、低溫和高溫等極端天氣，一般選擇溫度適宜的4月份進(jìn)行混凝土澆筑。

4 結(jié) 論

1)關(guān)門山水利樞紐工程選用PVA纖維+Ⅰ級(jí)粉煤灰+中熱水泥，Ⅱ級(jí)粉煤灰+中熱水泥，Ⅰ級(jí)粉煤灰+中熱水泥，Ⅱ級(jí)粉煤灰+普通水泥，Ⅰ級(jí)粉煤灰+普通水泥的混凝土均能達(dá)到C25F200W12的設(shè)計(jì)要求，各組混凝土抗性性、抗凍性和抗壓強(qiáng)度相差不明顯。

2)采用Ⅰ級(jí)粉煤灰+中熱水泥的水灰比最大為0.46，該方案能夠降低膠凝材料用量和工程成本，并且其28d絕熱溫升值最低為26.5℃。在混凝土中摻入PVA纖維能夠增強(qiáng)其抗裂性，將抗裂等級(jí)提高到Ⅰ級(jí)。

3)采用所提供的施工配合比進(jìn)行施工生產(chǎn)性試驗(yàn)，結(jié)果顯示90d齡期后未發(fā)現(xiàn)裂縫。現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)表明，將適量的PVA纖維摻入混凝土中能夠防止裂縫的形成，尤其是對(duì)早期塑性收縮裂縫的形成具有顯著的控制作用。

4)考慮北方地區(qū)現(xiàn)場(chǎng)施工環(huán)境的特殊性，提出適當(dāng)增加出機(jī)口坍落度、延長(zhǎng)壩體沉降時(shí)間、分層澆筑、充分振搗、規(guī)范使用溜槽與滑模、及時(shí)灑水養(yǎng)護(hù)等技術(shù)要點(diǎn)。