面板混凝土配合比設計探討

易永軍 趙繼成

（中國水電十五局科研設計院，陜西咸陽市 712000）

近幾年隨著面板堆石壩的快速發展，面板混凝土的防裂成為研究的關鍵課題。由于混凝土面板產生裂縫的原因是多方面的，出現了各種各樣的模型計算和研究方法，面板混凝土由于其外形的幾何尺寸和外部環境的作用容易出現橫向收縮裂縫，混凝土配合比的選擇也是其中主要因素之一。這里從原材料的控制入手，結合試驗結果和抗裂分析，提出在各個階段混凝土面板在防裂方面應注意的問題。減少面板裂縫產生的幾率。

1 面板混凝土用原材料選擇

混凝土原材料的質量,對其抗裂性能有較大影響,應嚴格控制。

(1)要降低混凝土絕熱溫升，就必須使用低水化熱的水泥，降低混凝土水化熱；因此在選擇水泥廠家時，要考慮生產廠家的水泥礦物成份，嚴格控制鋁酸三鈣的含量，鋁酸三鈣水化速度最快、水化熱最大，而且干縮變形也最大；其次水泥的品種和質量對面板混凝土的抗拉強度和極限拉伸有較大影響，因此除了水泥熟料的化學、礦物成分及物理力學性能應符合國家標準外,還應重視其膨脹性和堿含量。

(2)摻用性能較好的粉煤灰，特別是摻入Ⅰ級粉煤灰，可以降低單方混凝土的用水量，從而降低單方混凝土的水泥用量。并在滿足規范要求和設計指標的前提下，在面板混凝土中摻用一定量的粉煤灰，降低水泥用量、改善混凝土熱學性能和變形性能、減少混凝土收縮，從而使混凝土的內部溫升得到控制，減小因溫度變化產生的裂縫。

(3)砂石骨料的吸水率、含泥量對混凝土的收縮及抗拉性能有較大的影響，因此骨料應選用質地堅硬、清潔、級配良好的砂料，采用人工砂時，面板等薄壁結構用砂的石粉含量應控制在10%以內，從而減少因干縮變形引起的裂縫；選擇適宜的砂率，增加混凝土的可施工性能。

(4)應用外加劑是節省水泥用量使用優質外加劑（減水劑、防裂劑等），改善混凝土和易性，降低混凝土單位用水量和能源消耗，降低混凝土干縮變形，提高混凝土性能的有效措施。外加劑已成為除水泥、骨料(砂、石)和水、摻和料以外混凝土的第五種必不可少的組成材料。

近幾年我國的外加劑生產廠家較多，而且質量穩定性也有很大的波動，因此每個工程一般應選用2～3家、生產規模大、質量穩定、多個工程使用后 效果較好廠家的外加劑進行對比試驗，依據試驗結果選擇1～2家、各項指標符合行業標準和國家標準的外加劑。

其次主要從摻高效減水劑、引氣劑和防裂劑等來考慮。特別是最近幾年以性能優良的聚羧酸鹽減水劑，代替原來的萘系高效減水劑后，混凝土拌合物的塌落度損失較小，單方混凝土用水量也相對減小，從而達到減少單方混凝土膠凝材料用量的目的。

表1 積石峽混凝土配合比C25F200W12結果

(5)增強密實劑已在多個工程的面板混凝土中使用了混凝土增強密實（抗裂）劑、減縮劑等，面板混凝土的裂縫很少。2009年在青海積石峽水電站工程、2010年在湖北潘口面板堆石壩工程，面板配合比設計試驗中，也摻加混凝土增強密實（抗裂）劑，根據目前現場面板裂縫情況看，摻混凝土增強密實劑效果很好。壩頂經溜槽至倉面的坍落度損失約為1～3cm，滿足倉面混凝土3～5cm的要求?；炷猎诹锊壑邢禄樌?，入倉后易于振搗密實和收面工作。由于混凝土具有較好的施工性能，從而提高了面板混凝土的施工速度。

2 混凝土面板配合比設計及性能研究

目前國內面板混凝土防裂技術在配合比設計方面，主要有摻用聚丙烯纖維、鋼釬維、防裂劑、增強密實劑、減縮劑等方法。由于混凝土面板系薄板結構，為了盡可能的減少混凝土裂縫的產生，在配合比設計時，應從以下幾個方面進行考慮。

2.1 混凝土配合比設計方面

(1)根據混凝土的配制強度和水泥的強度等級、骨料特性，首先在保證使混凝土具有較高的抗拉強度和極限拉伸值的前提下，采用相應規范中的公式初步計算基準水膠比，參照工程技術條款要求和相應規范、規程中對混凝土的水膠比限制、以往同類型配合比設計研究的經驗，確定出基準水膠比，然后采用系列配合比（一般最少采用三個水膠比）的設計方法，進行混凝土配合比設計試驗研究工作。

表2 積石峽配合比C25F200W12試驗結果匯總

(2)在面板配合比設計試驗研究中，首先對所選的外加劑與工程中采用的水泥、摻合料進行適應性試驗；其次除進行混凝土的常規試驗外，還應增加在本地施工自然環境下的對比試驗包括；混凝土熱學、變形性能等試驗項目，為混凝土的抗裂計算提供依據，主要試驗項目有，不同摻和料摻量的混凝土的絕熱溫升、極限拉伸值、自生體積變形、干縮（濕脹）、線脹系數、靜力抗壓彈摸及必要時進行混凝土的徐變試驗等。

(3)一些工程面板混凝土配合比設計中使用了混凝土增強密實（抗裂）劑，增強密實（抗裂）劑摻入，混凝土在變形性能方面有明顯的優勢，混凝土增強密實（抗裂）劑是一種提高混凝土抗裂及耐久性的外加劑，其主要特點是：通過促進水泥水化程度、優化水化產物、協同激發混凝土中活性混合料與Ca（OH）2進行二次水化結晶等作用，提高混凝土中凝膠量、降低孔隙率、改善級配和水泥石及其與骨料界面結構，增強凝膠的粘結力，使混凝土具有良好的抗裂和耐久性。這里是青海積石峽面板、湖北潘口面板配合比摻入增強密實劑前后混凝土配合比的力學、熱學及變形性能的實測數據，見表1、表4。

表3 潘口混凝土配合比C25F150W12結果

表4 潘口試驗配合比C25F150W12結果匯總

通過表1～4可以看出，摻入增強密實劑后，混凝土的抗壓強度略有降低，但抗拉強度提高、極限拉伸值明顯提高，混凝土的彈摸降低，混凝土干縮和自生體積變形性能明顯減小。

2.2 混凝土抗裂能力分析

混凝土的抗裂性能是混凝土的一項綜合指標，與抗拉強度、極限拉伸變形能力、抗拉彈性模量、自生體積變形和干縮、混凝土的絕熱溫升、徐變度、熱學性能等有關。根據混凝土力學、變形和熱學性能試驗結果，對初選的混凝土配合比進行抗裂性綜合分析，推薦出施工混凝土配合比。

在進行混凝土的抗裂分析時，沒有一個直接的物理參數能夠完全表征混凝土材料的抗裂性，這里提出兩種分析方法，供參考。

2.2.1 第一種抗裂分析方法

采用極限抗拉強度、熱強比、抗裂系數等指標，從不同的側面反映混凝土的抗裂性能。

（1）極限抗拉強度。在大壩溫度控制設計中，最直觀的評價是以混凝土的抗拉強度作為抗裂能力的評價。極限抗拉強度與極限拉伸變形成正比，極限拉伸變形越大，抗裂性能越好。

（2）熱強比。在某一齡期時每立方米混凝土的發熱量與抗拉強度之比，熱強比越低混凝土的抗裂性越好。

（3）抗裂系數。混凝土的抗裂系數越大，混凝土的抗裂性越好。

（4）面板配合比抗裂計算實例。

采用以上三個指標和表4中的數據，對青海積石峽水電站工程的面板配合比成果進行了計算。從計算結果看，摻入增強密實劑后，混凝土的極限抗拉強度平均提高了20%以上；熱強比平均降低了8%；抗裂系數較未摻增密劑增加了25%以上。通過以上數據分析可以看出，摻增強密實劑的混凝土的抗裂性能優于未摻的增強密實劑的混凝土。

2.2.2 混凝土抗裂指數分析法

混凝土抗裂指數大于等于1時，表明混凝土自身應變能力可抵抗在所處環境中混凝土的收縮應變，但也應注意保溫、保濕或內部溫控等措施；混凝土抗裂指數小于1時，則提示需加強保溫、保濕或內部溫控等措施，預防混凝土面板開裂。

影響混凝土抗裂指數的主要有開裂應力系數、溫差控制系數、濕度保證系數、混凝土表面溫度變化計算值及混凝土抗拉強度、軸拉彈摸、混凝土徐變度、自生體積變形、線脹系數、絕熱溫升、干縮變形等試驗指標。

3 配合比在施工中的應用控制

積石峽水電站面板混凝土施工采用具有良好抗裂性能的防裂混凝土技術，使面板取得預期的防裂效果，現場良好的施工質量是重要的保證?，F場管理嚴格，精心施工，特別控制好了配制、澆筑和養護等各個環節，切實把好了面板混凝土施工質量關。

為了確保面板混凝土的施工質量，除了應遵守普通混凝土施工的有關規定以外，針對摻加防裂劑、聚羧酸類材料混凝土的特點，還應特別注意以下事項。

（1）面板使用的原材料，要滿足規范及設計技術要求，主要是粗細骨料的質量要保證。

（2）由于面板系薄板結構，成品混凝土稍不均勻，就會造成面板物理力學性能的差異，而影響面板的整體質量甚至出現局部應力集中而產生裂縫，因此，混凝土的配料和拌合，要求嚴格按規程執行。配料計量要精準，各種計量器具要按時檢定，特別是外加劑、水泥和用水量更要嚴格控制。

（3）由于面板混凝土不泌水，當氣溫較高、混凝土凝結時間縮短時，應及時進行抹面和整修作業。增加面板二次壓面作業，以提高防裂效果。

（4）為了充分發揮防裂混凝土的效果，混凝土澆筑后的適時、充分保濕養護十分重要。面板澆筑后，初凝前覆蓋塑料薄膜，初凝后去掉塑料薄膜（塑料薄膜可覆蓋在保溫層上方）覆蓋草袋灑水養護（整塊面板無論表面、側面均需覆蓋灑水養護），養護時間不少于90天，有條件最好能保濕養護至水庫蓄水。

4 結 語

混凝土面板堆石壩設計理論的進一步完善和施工技術的逐步提高，混凝土面板產生裂縫的因素是多種多樣的。在面板整個施工階段和后期養生階段都應進行有效控制。筆者僅從面板混凝土配合比設計角度來考慮，即嚴把原材料選擇關、選用新型的防裂型外加劑，使配合比在滿足各種指標要求的前提下，可施工性能良好；選用高性能和保塌性好的減水劑，降低混凝土出機口塌落度，采用中（低）熱水泥，已降低水泥水化熱及水泥堿含量，達到降低混凝土內絕熱溫升的目的。只要將面板裂縫控制作為一個系統性工程加以考慮，面板混凝土的裂縫是完全可以控制和防止的。