水布埡高性能面板混凝土的研究與應(yīng)用

　　摘要: 水布埡大壩為世界最高的面板堆石壩，面板混凝土對混凝土性能要求高。通過對國內(nèi)外同類工程面板混凝土的分析及“九五”科技攻關(guān)取得的成果，設(shè)計單位大膽采用新材料，設(shè)計出具有高強度、高抗裂、低彈模、低收縮、耐久性強、工作性好的多功能的高性能混凝土。施工結(jié)果表明:各項指標能達到設(shè)計要求，澆筑的面板混凝土均未發(fā)現(xiàn)早期裂縫。

　　關(guān) 鍵 詞: 面板堆石壩;高性能混凝土;配合比;水布埡水利樞紐

　　中圖分類號: TV641.4+ 3 文獻標識碼: A

　　1 混凝土面板結(jié)構(gòu)特點

　　水布埡面板堆石壩頂部高程405.0m，底部高程176.0m，最大壩高233.0m，是世界上最高的混凝土面板堆石壩。

　　大壩混凝土面板厚度由底部1.1m漸變至頂部0.3m，面板豎向共分58個條塊。其中，兩岸壩肩受拉區(qū)設(shè)15條張性縫，縫間距8m;其余受壓區(qū)設(shè)壓性縫，縫間距16m。面板混凝土分三期澆筑，在高程278.0m及340.0m處設(shè)有兩條水平施工縫，鋼筋穿過縫面。面板面積共13.84萬m2 ，混凝土工程量8.66萬m3 。

　　水布埡大壩混凝土面板具有如下特點:①面板長，最大斜長392.0m，最大澆筑塊斜長162.0m;②要求高，面板混凝土須具有良好的工作性、抗裂性和耐久性;③應(yīng)力復(fù)雜，三維有限元計算結(jié)果表明，面板大部份區(qū)域為受壓區(qū)，受拉區(qū)分布在周邊縫處和面板頂部較小區(qū)域，最大值壓應(yīng)力為11.82～22.74MPa，拉應(yīng)力一般為2MPa（局部最大值為5～6MPa）。除采用合理的施工工藝和措施外，優(yōu)質(zhì)的混凝土配合比是滿足混凝土面板上述特點的根本保證。

　　2 面板混凝土實例及“九五”攻關(guān)成果

　　為了研制出適合水布埡工程需要的面板混凝土，設(shè)計及科研人員進行了長期的探索，并在國內(nèi)外已建工程及“九五”國家科技攻關(guān)的基礎(chǔ)上，進行了針對性的室內(nèi)及現(xiàn)場試驗。

　　2.1 國內(nèi)已建工程面板混凝土特點

　　國內(nèi)已建典型的混凝土面板堆石壩的面板混凝土配合比見表1。由表1及其它工程可知，面板混凝土配合比設(shè)計有以下特點:

　　（1）不再采用礦渣硅酸鹽水泥，而多采用42.5或32.5級普通硅酸鹽水泥，有條件時，采用中熱硅酸鹽水泥。尤其是撫順和貴州中熱硅酸鹽水泥具有微膨脹性。

　　（2）采用適宜的摻和料。現(xiàn)在已越來越重視活性材料的摻用，一般摻用粉煤灰。黑泉等工程曾研究過摻用硅粉，后因干縮性大而棄用;白溪、公伯峽及洪家渡等工程研究過摻聚丙烯纖維，并在白溪、洪家渡面板混凝土中得到應(yīng)用。

　　（3）采用較小的水膠比，一般為0.35～0.55。珊溪面板混凝土水膠比小到0.338。

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　　（4）坍落度較小。坍落度值一般為40～70mm。珊溪等近期實施工程的面板混凝土坍落度有盡量采用較小值的趨勢，最小為30mm。

　　（5）摻用減水劑和引氣劑。早期使用的減水劑為木鈣，后來使用的為萘系高效減水劑;引氣劑早期使用的為松香熱聚物，后來為DH9 等，使含氣量達到4%～6%。另外，珊溪采用了VF-Ⅱ防裂劑，洪家渡還外摻MgO。

　　（6）面板混凝土骨料一般采用二級配，最大粒徑40mm，小石∶中石=55∶45，有的甚至為60∶40;砂率范圍為27%～41%，一般在40%左右。

　　2.2 國外已建工程面板混凝土特點

　　國外已建工程面板混凝土水灰比一般為0.40～0.55，水泥用量一般為300～370kg/m3 ，坍落度一般小于80mm。

　　2.3 “九五”攻關(guān)成果

　　為了尋求高強、低彈模、低收縮、耐溶蝕的面板混凝土，中國水利水電科學(xué)研究院開展了“九五”科技攻關(guān)項目研究。采用多種原材料進行不同配合比試驗，得出如下主要結(jié)論:

　　（1）推薦水布埡面板混凝土同時摻用YM型多功能復(fù)合外加劑和優(yōu)質(zhì)粉煤灰，以達到高減水增強、降低水泥用量以及改善和提高混凝土性能的目的。

　　（2）為了保證混凝土面板具有高抗裂性、低滲透性及優(yōu)良的耐久性，建議水布埡面板混凝土采用以下各項設(shè)計指標:水灰比為0.4～0.45、含氣量4%～5%、坍落度4～7cm、28d強度等級C30或C25、抗?jié)B等級W16或W12、抗凍等級F200或F300。

　　3 面板高性能混凝土設(shè)計原則與研制對策

　　3.1 設(shè)計原則

　　混凝土面板是大壩防滲體的重要組成部分，在施工期主要產(chǎn)生溫度應(yīng)力和混凝土干縮應(yīng)力，在運行期主要承受水荷載和壩體不均勻沉陷引起的彎矩作用。此外，面板混凝土還受周圍介質(zhì)如水、大氣、溫度沖擊和干濕循環(huán)作用，因此面板混凝土不僅要有一定的強度，還要具有適應(yīng)較大變形的能力、較低的干縮率、較高的抗?jié)B性能及優(yōu)良的耐久性能，以抵抗干濕、冷熱、凍融、碳化及鋼筋銹蝕等的破壞。

　　面板混凝土應(yīng)具有高性能，確定其配合比設(shè)計原則為:①根據(jù)各期面板的特點，分期設(shè)計配合比;②配制高強度、高抗裂、低彈模、低收縮、耐久性強、工作性好的高性能混凝土。

　　3.2 研制對策

　　根據(jù)水布埡面板混凝土要求的多種功能，應(yīng)針對性地選用原材料。

　　（1）高強度。選用中熱水泥、較小水膠比及高效減水劑。

　　（2）高抗裂。選用較小水膠比及高效減水劑，以提高混凝土的抗拉強度和極限拉伸值;摻用合適的纖維材料，以提高混凝土的初裂強度和斷裂韌性;選用中熱水泥和摻用粉煤灰，以降低水化熱。

　　（3）低彈模。摻用適量粉煤灰和合適的纖維材料，以降低混凝土的彈性模量。

　　（4）低收縮。長江科學(xué)院的研究表明，摻硅粉可顯著提高混凝土強度和極限拉伸值，但也明顯增強混凝土的干縮性，所以摻用優(yōu)質(zhì)粉煤灰;同時，要求采用的水泥應(yīng)具有微膨脹性能，以補償部份收縮性;選用引氣劑和羧酸類減水劑，也能減小混凝土的收縮性。

　　（5）耐久性強。摻用優(yōu)質(zhì)減水劑和粉煤灰，以提高混凝土的抗?jié)B性、耐溶蝕能力;摻用優(yōu)質(zhì)減水劑，以提高混凝土的抗凍性。

　　（6）工作性好。選用優(yōu)質(zhì)的外加劑，以保證混凝土的坍落度損失小、抗分離能力強、觸變性好;摻用粉煤灰還能提高混凝土的和易性。

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　　4 水布埡面板高性能混凝土研究

　　根據(jù)水布埡面板混凝土的特殊性和重要性，結(jié)合混凝土配合的設(shè)計原則和研制對策，借鑒同類工程的實踐經(jīng)驗，吸取國內(nèi)外研究的新成果，針對面板混凝土的施工和運行的特點，對水布埡面板高性混凝土進行試驗研究。

　　4.1 水布埡面板混凝土性能要求

　　水布埡面板混凝土分三期施工，根據(jù)各期的施工環(huán)境、受力特點及運行條件，擬定各期面板混凝土性能要求，見表2。

　　4.2 混凝土原料

　　（1）水泥。吸取西北口面板混凝土的經(jīng)驗教訓(xùn)，選用荊門葛州壩水泥廠的42.5中熱硅酸鹽水泥，要求水泥熟料中MgO含量應(yīng)控制在3.5%～5%，以保證混凝土具有微膨脹性，使90d齡期自生體積變形大于###20×10-6 ，從而降低和補償混凝土的收縮性。

　　（2）粉煤灰。中國水利水電科學(xué)研究院的試驗表明:礦渣、火山灰、凝灰?guī)r粉及硅粉等材料的需水量較大，摻量越多，混凝土的干縮也將越大，故本工程未采用上述摻和料。

　　近年來，隨著國內(nèi)外研究的不斷深入，粉煤灰已由過去一般作為混凝土填充料使用，發(fā)展到如今作為混凝土功能材料使用，同樣，粉煤灰的需水量比也影響混凝土的干縮性。Ⅲ級粉煤灰需水量比在105%～115%范圍內(nèi)，將增加混凝土的干縮性;Ⅱ級粉煤灰需水量比在95%～105%范圍內(nèi)，與不摻粉煤灰的混凝土干縮性基本相同或稍有增減;Ⅰ級粉煤灰需水量比小于95%，且由于其含碳量低、顆粒細、球形顆粒含量高，使形態(tài)效應(yīng)、微集料效應(yīng)和火山灰效應(yīng)得以充分發(fā)揮，起到了固體減水劑的作用，不僅能降低混凝土的水化熱、彈模、滲透性，還能減少混凝土的干縮性。雖然對混凝土早期強度及極限拉伸值有一定影響，但有利于后期強度及極限拉伸值的發(fā)展，從這個意義上講，能提高混凝土的后期抗裂性。通過長江科學(xué)院室內(nèi)反復(fù)試驗，選用湖北襄樊電廠生產(chǎn)的Ⅰ級粉煤灰。

　　（3）粗、細骨料。人工骨料要求質(zhì)地堅硬、潔凈、級配良好，主要采用公山包料場的灰?guī)r制作。細骨料的細度模數(shù)控制在2.4～2.7范圍內(nèi);粗骨料采用二級配，最大粒徑為40mm，分成5～20mm和20～40mm兩級，小石∶中石=55∶45，以提高混凝土的抗分離能力。

　　（4）外加劑。根據(jù)對水布埡面板混凝土性能的基本要求，需采用具有緩凝、減水、引氣功能的外加劑。由表1可知，我國已建面板堆石壩面板混凝土所采用的外加劑由早期的普通減水劑加引氣劑，發(fā)展到20世紀90年代中后期的（萘系）高效減水劑加優(yōu)質(zhì)引氣劑，不僅降低了混凝土的單位用水量，還提高了混凝土的耐久性。水布埡工程首次將羧酸類減水劑應(yīng)用于面板混凝土中，即采用SR3減水劑和AIR202引氣劑復(fù)合使用，長江科學(xué)院的試驗表明，該混凝土除具有普通減水劑和高效減水劑所具備的優(yōu)點外，還具有如下特點:①具有良好的緩凝、減水及引氣效果;②由于羧酸類減水劑的長鏈特性，使配制的混凝土具有良好的觸變性，即混凝土靜置一段時間（0.5～1h）后再振動或翻動，混凝土就會恢復(fù)相當?shù)牧鲃有?③混凝土靜置一段時間后，坍落度及含氣量都基本無損失，有助于將混凝土坍落度以控制在3～5cm范圍;④混凝土具有良好的粘聚性，有利于長溜槽運輸過程的抗分離。以上特點對水布埡這樣的高壩、長面板尤其重要，大大地改善了面板混凝土的工作性。

　　（5）纖維。長江科學(xué)院的試驗表明，混凝土中摻適量的纖維可提高面板混凝土的抗裂性，尤其是能提高初裂強度和韌性。摻合成纖維能提高初裂強度10%，摻鋼纖維能提高初裂強度30%。

　　為降低成本，在一、二期面板混凝土中僅采用聚丙烯腈纖維（單絲型）。這種纖維彈性模量不小于15000N/mm2 ，比其它合成纖維（如聚丙烯纖維）的彈性模量高一個量級，與混凝土的彈性模量量級相當，便于和混凝土協(xié)調(diào)變形。

　　由于三期面板部份處于水位變化區(qū)，要求面板混凝土具有更高的抗裂能力，所以采用了鋼纖維（冷拉型）和聚丙烯腈纖維（單絲型）復(fù)摻的方式。

　　5 應(yīng)用情況

　　（1）根據(jù)水布埡大壩的特點，分期配制出具有高強度、高抗裂、低彈模、低收縮、耐久性強、工作性好的高性能混凝土。

　　（2）根據(jù)設(shè)計提出的要求，在多次的室內(nèi)試驗的基礎(chǔ)上，進行現(xiàn)場生產(chǎn)性試驗，最后得出各期面板混凝土施工配合比如表3。

　　（3）所采用的配合比中，首次采用了羧酸類減水劑、聚丙烯腈纖維等新材料。為了滿足需要，還對水泥中的MgO含量提出了要求，使混凝土具有一定的微膨脹性;在三期面板中，首次采用了聚丙烯腈纖維和鋼纖維復(fù)摻技術(shù)，既能提高混凝土的抗裂性，還較單摻鋼纖維混凝土具有較低的彈性模量。

　　（4）水布埡面板混凝土分三期施工。一期面板混凝土于2005年1月6日至3月27日澆筑，二期面板混凝土于2006年1月21日至4月1日澆筑，三期面板混凝土于2007年1月4日至3月28日澆筑。施工過程中發(fā)現(xiàn)，面板混凝土確實具有坍落度損失小、和易性好、粘聚性高、抗分離能力強和觸變性好等良好的工作性，各項指標能達到設(shè)計要求，澆筑的面板混凝土均未發(fā)現(xiàn)早期裂縫。

　　作者簡介: 陳勇倫，男，長江水利委員會設(shè)計院施工處，教授級高級工程師。