黑泉水庫混凝土面板配合比設計及試驗

高青寧

摘要 本文通過對面板混凝土原材料優選、混凝土配合比優化及性能試驗，制備用于面板的高性能混凝土，達到了減少混凝土面板裂縫發生的目的。這對國內在建或未建同類工程面板混凝土配合比設計有一定的借鑒意義。

關鍵詞 黑泉水庫；混凝土面板；配合比；設計；試驗

中圖分類號 TV544 文獻標識碼 A 文章編號 1007-5739（2017）23-0130-03

1 工程概況

黑泉水庫面板堆砂礫石壩，位于青海省大通縣境內湟水河二級支流寶庫河上，是引大濟湟的前期工程，是一座大（Ⅱ）型水利樞紐工程，以灌溉和城市供水為主，兼顧防洪、發電、環保等綜合效益。工程主要組成為面板堆石壩、溢洪道、導流放水洞、灌溉發電洞、送變電工程。水庫壩高123.5 m，庫容1.82億m3，為多年調節水庫。壩頂高程2 894.5 m，面板底部最低高程為2 771 m，壩頂長435 m。工程位于高寒地區，全年寒冷期長，氣溫變化大，年平均氣溫2.8 ℃，極端最低溫度-33.1 ℃，極端最高溫度29.3 ℃，平均風速2.4 m/s，最大風速17 m/s，最大凍土深度1.06 m，年降水量在400～600 mm以上，年平均蒸發量1 273 mm。

黑泉水庫混凝土面板總面積71 136 m2，共41條塊，分3期澆筑。面板采用單層雙向配筋，配筋率為0.4%～0.5%，鋼筋層位于面板中間靠上部，面板厚度從底部2 771 m高程66.3 cm漸變至壩頂2 891 m高程30 cm。面板基礎面為8 cm厚碾壓砂漿，在其上澆筑混凝土面板。

混凝土面板是堆石壩的防滲結構，它承受著比其他壩型更大的滲透比降。對面板混凝土的抗滲性和耐久性的要求要高于對強度的要求，見表1。防止面板開裂是混凝土面板壩設計的重要內容，這是因為裂縫滲水是影響混凝土和鋼筋的耐久性和大壩正常運行的重要因子。

2 面板混凝土配合比原材料的優選

科學進行混凝土配合比設計來保證面板混凝土設計指標。混凝土耐久性（主要是抗滲性）較低的問題通過摻用高效減水劑、引氣劑和降低水灰比來解決的。其次為降低混凝土的絕熱溫升，考慮摻適量粉煤灰等量取代部分水泥，降低混凝土絕熱溫升，以減少混凝土冷縮率。要結合面板混凝土的設計指標和當地材料的實際情況，盡量選用可增大抗裂性能的原材料，以使面板混凝土達到較高的抗裂性能。

2.1 水泥

硅酸鹽水泥和普通硅酸鹽水泥拌制的混凝土保水性好，泌水性小，粘聚性好，適用于澆筑面板混凝土。《混凝土面板堆石壩施工規范》（SL49—94）[1]也規定面板混凝土的水泥品種“宜優先選用硅酸鹽水泥和普通硅酸鹽水泥，其標號不低于425號”。另外，比較水泥的物理性能、化學性能與經濟性，同時結合實踐，最后決定采用甘肅永登水泥廠生產的祁連山牌525#散裝中熱硅酸鹽水泥（物理性能、力學性能、化學性能穩定，經抽樣檢測富裕系數在1.05～1.15之間，每批產品均有產品合格證）。對所采用水泥進行化學分析及物理力學性能檢測，結果見表2、3。

2.2 砂、石骨料

混凝土砂、石骨料采用陽山大灣和大河壩料場的天然砂礫石料，經篩分系統篩分沖洗后，按砂、石骨料篩逐級堆放在儲料場內，并測試其物理性能和堅固性，試驗結果按《水工混凝土施工規范》（SDJ207-82）進行評定，分別見表4～8。試驗結果表明各項指標符合技術要求。

砂的細度模數F.M=3.3，屬粗砂。其中P<0.3 mm的顆粒含量在0.2%左右，采用硫酸鈉飽和溶液浸烘法進行砂石骨料的堅固性試驗，經過5次循序，其重量損失率不超過設計要求，粗骨料為卵石，針片狀含量相對偏多，對混凝土的強度有所影響，但未超過15%的指標規定。

2.3 骨料級配

粗骨料級配采用連續級配，按照骨料最大粒徑進行了二級配、三級配試驗，2種級配分別進行了幾種不同比例的組合，從中選出最優級配，即容重較大的級配。根據混凝土試拌情況及和易性的要求經調整為小石∶中石=55∶45。

2.4 粉煤灰

黑泉面板混凝土中選用山西神頭二電廠的粉煤灰，依據《水工混凝土摻用粉煤灰技術規范》（DL/T5055-1996）[2]進行粉煤灰的品質指標檢驗和等級評定，粉煤灰為優質一級灰，其成果見表9。粉煤灰膠砂強度比試驗按《水工混凝土試驗規程》（SO/05-82）進行，強度比試驗結果均符合設計和施工技術要求。

2.5 硅粉

硅粉由青海民和硅鐵廠生產，品質檢驗按《水工混凝土硅粉品質標準暫行規定》進行，硅粉中二氧化硫的含量>85%，燒失量<6%，符合標準，其成果見表10。

2.6 外加劑

外加劑選用江蘇江都外加劑廠生產的高效減水劑FDN及石家莊外加劑廠生產的DH9引氣劑。FDN是非引氣型減水劑，主要成分為萘磺酸甲醛高縮合物和多元醇合成物。按《混凝土外加劑》（GB 8076—1997）[3]進行混凝土外加劑性能試驗，FDN摻量按廠家推薦摻量，FDN摻量為0.5%～0.8%時，減水率為18.9%～25.4%，抗壓強度比：3 d為159.0%～162.5%，7 d為122%～133%，符合高效減水劑一等品指標。

2.7 水

將寶庫河水作為施工用水，經取樣分析，符合設計要求。

3 面板混凝土配合比設計與試驗

3.1 混凝土配合比設計

混凝土的質量與生產成本的直接影響因子是混凝土配合比，它決定了混凝土的各種性能，是混凝土質量控制的重要依據。大壩最重要的防滲工程是混凝土面板，鑒于大壩所處地理位置的重要性，以及必須在較惡劣的氣候環境條件下完成施工，對面板要達到抗凍標號D250、抗壓強度C30、抗滲S8、VC0.13、P95%、極限拉伸1.0×10-4等較高的技術要求，承建單位曾用通過摻外加劑、粉煤灰以及硅粉摻和料，對混凝土的要求和施工控制水平進行10種不同配合比反復試驗比較，經過優化最后篩選出能相對滿足面板混凝土具有良好的和易性、較高的抗裂性、較強的防滲性和良好的耐久性，以適應壩體安全運行的配合比[4]，將其列于表11。

3.2 混凝土拌合物性能試驗

混凝土拌和物性能試驗采用自落式攪拌機拌和，含氣量測定采用水氣混合式含氣量測定儀測定，混凝土配合比采用容重法計算。按面板混凝土設計要求，選用水灰比為：摻外加劑混凝土0.38～0.40、摻硅粉混凝土0.35～0.45、摻粉煤灰混凝土0.35～0.38，塌落度控制在4～6 cm之間。由于黑泉工地天然砂較粗，F.M=3.3，面板采用滑模澆筑，溜槽入倉，其砂率選用比普通混凝土增加3%～6%，故砂率選用36%～40%，考慮到黑泉工程混凝土抗凍指標要求高為D300，混凝土中必須摻入引氣劑，含氣量控制在4.5%～5.5%之間。

水灰比的選定對混凝土的抗凍、抗裂影響較大，混凝土水灰比低，可降低混凝土中凍結水數量，提高混凝土抗拉強度，且混凝土密實性好，不透水性高，吸水率和飽水程度低，比高水灰比的混凝土耐凍[5]。根據水工混凝土施工規范和室內試驗，確定水灰比為0.35。

3.3 極限拉伸與靜力抗壓彈性模數試驗

極限拉伸與彈性模數反映混凝土的變形能力，特別是極限拉伸值直接反映了混凝土抗裂性能。試驗結果見表12。

3.4 抗滲、抗凍性能試驗

黑泉工程由于所處的特殊環境，對混凝土的耐久性指標要求特別高，在同類工程中是少有的。故抗凍性不是單純表示混凝土抗凍性能的指標，而是表示耐久性能的重要指標，為了滿足要求，采用摻入性能優良的引氣劑DH9（已應用于三峽工程），控制含氣量在4.5%～5.5%之間，并結合施工經驗及實際效果，采用了摻入硅粉方案，極大地提高了抗凍性，試驗結果見表12。抗滲試驗采用一次加壓法，一次加壓至0.8 MPa并在次此壓力下恒壓24 h，計算相對滲透系數，由表13可知，抗滲標號均大于設計要求[6]。

3.5 混凝土凝結時間試驗

凝結時間為混凝土拌和物的一個重要特性，凝結時間與水灰比大小、塌落度、外加劑、氣溫等因素有關，試驗結果見表14。可以看出，摻入粉煤灰的混凝土凝結時間較其他種類混凝土凝結時間偏長。

3.6 混凝土干縮性能試驗

混凝土干縮試件尺寸為100 mm×100 mm×500 mm，成型后養護2 d測定基長，不同齡期測定其長度相比得出不同混凝土的干縮值，其結果見表15。從試驗可以看出，隨著水灰比的降低，混凝土的干縮值增加，摻入硅粉的混凝土干縮值偏大一些，摻入粉煤灰的混凝土干縮值較小[7]。

3.7 砂漿配合比試驗

砂漿的流動性用沉入度表示，面板混凝土用砂漿的稠度要求為4～6 cm，并且具有良好的流動性，試驗結果見表16，可以看出，選用的3組砂漿配合比均滿足設計要求。

4 結論

通過在混凝土中摻入粉煤灰、硅粉等量取代部分水泥，摻加外加劑，進行了混凝土拌和物性能試驗，優選出混凝土減水率高，和易性好，泌水率小，塌落度、含氣量合適且損失相對較小的FDN高效減水劑與DH9引氣劑。

通過混凝土性能試驗，優化出的混凝土配合比為水灰比0.35、砂率37%、外加劑摻量為FDN 0.6%、DH9 0.008%，塌落度4～6 cm/m3混凝土材料用量為水123 kg、水泥289 kg、粉煤灰53 kg、砂719 kg、小石674 kg、中石551 kg。優良的混凝土配合比只是混凝土抗裂的關鍵措施之一，為了減少混凝土面板的裂縫發生，還須通過良好的施工工藝、嚴格的施工質量控制和對混凝土進行科學的養護等綜合措施才能實現。

5 參考文獻

[1] 中華人民共和國水利部.混凝土面板堆石壩施工規范：SL49—94[S].北京：水利電力出版社，1994.

[2] 中華人民共和國電力工業部.水工混凝土摻用粉煤灰技術規范：DL/T5055-1996[S].北京：中國電力出版社，1996.

[3] 國家技術監督局.混凝土外加劑：GB8076-1997[S].北京：中國標準出版社，1997.

[4] 袁永強.混凝土面板堆石壩擠壓邊墻混凝土配合比設計[J].水利水電施工，2014（5）：19-20.

[5] 宮經偉，李雙喜，葛毅雄，等.混凝土面板堆石壩面板混凝土配合比優化設計[J].粉煤灰綜合利用，2015（3）：36-41.

[6] 桂顯歌.高寒地區混凝土面板堆石壩趾板混凝土配合比的試驗研究[J].楊凌職院技術學校學報，2011，11（2）：8-10.

[7] 李運福，陽運青.砌石重力壩防滲混凝土面板配合比的設計[J].湖南水利水電，2016（4）：17-19.