C50泵送HF混凝土在金盆水庫泄洪建筑物上的應用

　　1 金盆水庫泄洪洞及溢洪洞基本情況 

　　金盆水庫大壩為粘土心墻砂礫石壩，壩高130m，水庫的兩個泄洪建筑物分別為泄洪洞和溢洪洞，均為圓拱直墻式斷面。泄洪洞位于大壩左岸，總長全長729.86mm，斷面凈空10×13m，校核洪水流量2540m3/s，最大流速41.71m/s。溢洪洞位于大壩右岸，洞長471.242m，斷面凈空尺寸10×11.1m，校核泄洪流量2000 m3/s，最大流速40.9m/s。過水斷面原設計的混凝土護面為C30普通混凝土,混凝土襯砌厚度1.5～2m。這兩個泄洪建筑物的共同特點是，斷面尺寸大，流速高達40m/s以上，從水力學角度和許多工程的運行經(jīng)驗來看，這樣大的流速，水道表面容易發(fā)生空化和空蝕破壞。考慮到與兩個泄水建筑物相接的圍巖又很差，一旦發(fā)生破壞，后果將極為嚴重，為提高工程安全度，經(jīng)試驗研究后選擇了抗磨抗空蝕性能和抗裂性能好且施工簡單的C50HF高強耐磨粉煤灰混凝土作為護面材料，經(jīng)三個訊期的過水考驗，使用效果良好，達到了顯著提高抗沖耐磨性能又保證混凝土不產(chǎn)生裂縫的目的。

　　2 設計要求與抗沖磨混凝土品種的選擇：

　　使用C50硅粉混凝土或抗磨抗空蝕性能與硅粉混凝土相當?shù)腍F混凝土，采用泵送澆筑，二級配混凝土塌落度為16~18cm，混凝土的抗空蝕性能和抗磨性能要比原設計的普通C30混凝土的抗磨抗空蝕性能有顯著的提高，同時要抗裂性要求。由于泄洪洞和溢洪洞結構尺寸較大，混凝土襯砌厚度達1.5～2m，已屬大體積混凝土，為避免溫度裂縫的產(chǎn)生，要求進行溫度控制，但該工程施工工期緊，既不能避開高溫季節(jié)澆筑混凝土，又無溫控設施以控制入倉溫度，而洞內(nèi)必須采用泵送澆筑施工，又使混凝土的水泥用量較常態(tài)普通混凝土提高30%以上，該工程原澆筑的C30普通混凝土，其水泥用量已達360kg/m3，在這種情況下，澆筑C50高強度混凝土，要控制水泥用量以達到控制裂縫的目的，其難度將是很大的。因此，抗裂性能成為選擇抗沖耐磨護面材料的重要參數(shù)。硅粉混凝土是一種抗沖耐磨性能好的護面材料，但硅粉混凝土易于產(chǎn)生裂縫的缺點也是眾所周知的，采用硅粉混凝土是不可行的。 

　　HF高強耐磨粉煤灰混凝土簡稱HF混凝土，是繼硅粉混凝土之后開發(fā)出的新型抗沖耐磨材料，是由優(yōu)質(zhì)粉煤灰與HF外加劑按一定的比例一同（代替硅粉）摻入普通混凝土中配制的抗沖耐磨混凝土。該具有優(yōu)良的抗沖耐磨性能和抗空蝕性能，并且具有干縮性小，水化熱溫升小，施工簡單易行，造價低廉等許多優(yōu)點，推廣應用近60個水電工程經(jīng)12年的運行考驗，證明該材料除具有良好的抗沖耐磨性能，尤其在抗裂方面具有不俗的表現(xiàn)，在工程應用中很少出現(xiàn)裂縫。因此，本工程選用了HF混凝土作為泄水建筑物的護面材料。

　　3  HF混凝土的性能簡介

　　3.1 HF混凝土具有優(yōu)良的抗磨抗空蝕性能

　　3.1.1摻用硅粉和摻用粉煤灰來提高混凝土的抗沖耐磨性能和抗空蝕破壞性能，從機理上來講是相同的，因為二者都是發(fā)揮高活性摻合料的作用，使混凝土的結構致密，硬度和強度增加，只是粉煤灰本身的活性遠不如硅粉，在HF高強耐磨粉煤灰混凝土中，借助HF外加劑的激發(fā)作用，粉煤灰可以達到或接近硅粉的活性，發(fā)揮出與硅粉相當?shù)淖饔茫垢邚娔湍シ勖夯一炷帘裙璺刍炷辆呦喈數(shù)募夹g性能。

　　表1中列出了幾種砂漿的試驗結果，比較表中的三個配合比，可以看出，摻15%硅粉的砂漿，與摻7.5%硅粉又摻7.5%粉煤灰的砂漿以及不摻硅粉全摻15%粉煤灰的砂漿，三種砂漿除7天強度隨硅粉摻量的增加有所增加外，28天強度并沒有多大的差異，說明在HF外加劑的作用下，摻優(yōu)質(zhì)粉煤灰即可達到摻硅粉一樣的強度，換句話說，HF粉煤灰砂漿可以達到硅粉砂漿的強度。對比抗磨強度和抗空蝕性能，HF砂漿的抗空蝕性能還稍優(yōu)于硅粉砂漿，HF粉煤灰砂漿28天的抗磨強度稍低，而90天的抗磨強度又高于硅粉砂漿的抗磨強度。

　　3.1.2按水工設計規(guī)范，為減免空蝕，過水表面混凝土必須達到規(guī)定的平整度要求。由于HF 混凝土具有良好的和易性，施工中易于達到設計要求的表面平度。

　　3.1.3 HF混凝土優(yōu)良的抗裂性能，使HF混凝土的整體性能提高，內(nèi)部缺陷減少，從而也提高了其抗磨抗空蝕性能和抗高速水流沖刷破壞的性能。

　　3.2 HF混凝土的抗裂性

　　3.2.1HF混凝土具有較低的水泥用量，水化熱溫升小，不容易產(chǎn)生溫度裂縫[2]。HF混凝土較同標號的普通基準混凝土比較，其水泥用量約可減少20～35%，顯著的降低了混凝土中的發(fā)熱成分，使混凝土的絕熱溫升大大降低。與硅粉混凝土比較，HF混凝土七天強度較低，意味著有較低的水化速度，這也有利于混凝土的溫度控制。

　　3.2.2 HF混凝土塑性干縮性小?；炷撩谒俣仍叫。苄愿煽s越嚴重。HF混凝土的泌水性能介于硅粉混凝土與普通混凝土之間，既克服了硅粉混凝土幾乎不泌水易于產(chǎn)生早期塑性干縮裂縫的缺點，又克服了普通混凝土泌水率大易形成面層低強度的缺點。 

　　3.2.3 HF混凝土干縮性小。HF混凝土干縮率約為普通混凝土干縮率的95%，降低約5%。

　　3.2.4 HF混凝土均勻性好，不易出現(xiàn)低強薄弱區(qū)，低強薄弱區(qū)容易出現(xiàn)裂縫。HF混凝土施工質(zhì)量易于控制，使混凝土的強度波動變異系數(shù)減小。

　　3.2.5 與硅粉混凝土比較HF混凝土具有較高的拉壓比，見表2。

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　　4 金盆水庫HF混凝土配合比試驗

　　4.1試驗用原材料

　　4.1.1水泥和粉煤灰：采用耀縣水泥廠生產(chǎn)的秦嶺牌P.O42.5散裝普通硅酸鹽水泥，水泥的28d抗壓強度為42.5MPa，強度基本滿足標準要求。使用渭河電廠Ⅱ級粉煤灰。

　　4.1.2外加劑及骨料：普通混凝土使用CR型緩凝減水劑和CS型引氣劑，硅粉混凝土使用UNF-5高效減水劑，HF混凝土使用HF外加劑。骨料（略）。

　　4.2 配合比及試驗結果

　　由于送樣粗砂（青砂F.M=2.86）數(shù)量不足，僅成型了3個二級配高強混凝土配合比（H7~H9），其中H9為硅粉混凝土，硅粉摻量為12%，H7、H8為HF混凝土。

　　由混凝土拌合看，硅粉混凝土粘性很大，盡管用水量較HF混凝土多10kg/m3，但塌落度僅為10cm。這主要是因硅粉顆粒很細，比表面積大，對水的吸附力很強所致，而HF混凝土的塌落度均在16~22cm之間；并且HF混凝土粘聚性好，流動性大，適宜于泵送澆筑。[Page]

　　從表3可以看出，硅粉混凝土7天強度及28天強度較HF混凝土明顯的高，28天后硅粉混凝土強度發(fā)展較慢，而HF混凝土的強度仍有較大的增長，至60天齡期，HF混凝土與硅粉混凝土強度幾乎相當。由發(fā)展趨勢估計，后期HF混凝土的強度可能超過硅粉混凝土。

　　5 金盆水庫HF混凝土的抗空蝕性能及抗磨性能試驗

　　為了驗證C50HF混凝土較原設計的普通C30混凝土在抗沖磨抗空蝕方面有顯著的提高，或者說驗證摻用HF外加劑激發(fā)優(yōu)質(zhì)粉煤灰的活性，可以達到類似于混凝土中摻硅粉一樣大幅度提高混凝土的抗沖磨性能的效果，在工程中大量澆筑C50HF混凝土之前，工程業(yè)主要求在小范圍內(nèi)進行現(xiàn)場實際施工澆筑，觀察HF混凝土的實際抗裂效果和施工性能，并委托西北水科所進行現(xiàn)場隨機取樣，對取樣進行高速水流的空蝕與磨損對比試驗[1]。

　　進行抗空蝕抗沖磨對比試驗的兩種混凝土配合比如表4所示。試驗用的試塊為圓弧形的，其中C50 HF混凝土的試件是在現(xiàn)場取樣的，C30普通混凝土的試件是按黑河原泄洪洞的施工配合比（見表4）在室內(nèi)成型的。[Page]

　　試驗模擬試塊在不同的流速和含沙量的條件下，受含沙高速水流的磨損和空蝕作用下的蝕損過程和兩種材料的空蝕損失和磨蝕損失。試驗的流速和含沙量分別為含沙量為P=0 (清水)、P＝0.5kg/m3、P＝30 kg/m3，及三個流速V＝32m／s、V＝25m/s、V＝20 m／s，組合工況下的兩種混凝土對比沖磨試驗。

　　空蝕試驗的含沙量分別為清水和含沙 0.5kg／m3兩種工況，進行空蝕試驗的設備發(fā)生空蝕時對應的流速為26 m/s。部分試驗結果見表5。

　　對比表4兩個混凝土配合比及表5中的試驗結果不難看出，C50 HF高強耐磨粉煤灰混凝土較原C30普通混凝土水泥用量僅增加11.7%，而抗壓強度為C30普通混凝土的2.1倍，抗磨強度為C30普通混凝土的1.81倍，抗空蝕強度為C30普通混凝土的3.02倍，并且隨流速的提高，抗空蝕倍數(shù)有增大的趨向。西北水科所認為“HF混凝土抗沖磨性能顯著提高了，且隨流速的增大，有加大的趨勢，這一點也說明了C50HF混凝土在更惡劣的條件下，其抵抗外界沖磨破壞的能力較C30普通混凝土強”。這種摻用粉煤灰和HF外加劑顯著提高混凝土抗壓強度和抗磨抗空蝕強度的效果，與摻硅粉提高混凝土抗沖耐磨性能效果是一致的。

　　6 應用效果及經(jīng)濟比較

　　C50HF混凝土自1999年11月開始澆筑施工，至2002年12月全部結束，歷時3年，期間最高氣溫達33 OC，最低氣溫-15 OC，全部采用泵送澆筑。從使用過程看，C50 HF混凝土易于泵送施工，和易性好，不易發(fā)生堵管現(xiàn)象，表現(xiàn)出了HF混凝土較好的施工性能。

　　施工后檢查，泄洪洞和溢洪洞混凝土表面光滑，無干縮裂縫和溫度裂縫，達到了設計提出的抗裂要求。

　　2002年汛期泄洪洞開始泄洪，2003年最大來水1110m3/s，泄洪洞最大泄水流量790 m3/s，庫水位控制在581.3m的高水位，泄水流速約38.3m/s，連續(xù)泄水一個多月。 2004年泄洪洞在水位590m高程泄水，對應流速40.7m/s，泄水歷時5小時，經(jīng)三個汛期運行考驗HF混凝土完好無損。而改變設計之前澆筑的C30普通混凝土在2002年泄洪洞初次過水中即遭破壞，破壞面積達20多平方米，最大沖坑10cm，汛后采用環(huán)氧砂漿進行了修復。

　　HF混凝土比使用硅粉混凝土，每m3可降低造價48元／m3（硅粉按2500元/噸計算），同時，HF混凝土施工工藝簡單，利于控制質(zhì)量和加快工程進度，經(jīng)濟效益顯著。

　　7 結語

　　7.1金盆水庫泄洪洞C50 HF高強耐磨粉煤灰混凝土較原C30普通混凝土水泥用量僅增加11.7%，而抗壓強度為C30普通混凝土的2.1倍，抗高速水流的空蝕試驗和抗高速含沙水流的磨損試驗結果表明，抗磨強度為C30普通混凝土的1.8倍，抗空蝕強度為C30普通混凝土的3倍，并且隨水流流速的提高，抗空蝕倍數(shù)有增大的趨向，說明C50 HF混凝土更宜于在更惡劣（流速更高、含沙量更大）的條件下使用。

　　7.2 C50HF混凝土施工簡單，質(zhì)量易于控制，澆筑好的混凝土表面光滑平整，在澆筑塊尺寸大且無溫控措施的情況下無裂縫產(chǎn)生，表明HF混凝土具有良好的施工性能和抗裂性能。

　　7.3該工程設計最大流速41.6m/s，經(jīng)過三個汛期最大40.7m/s流速的過水考驗, HF混凝土未發(fā)生破壞，說明HF混凝土在該工程的應用是成功的。