新疆阿爾塔什水利樞紐工程混凝土的抗凍性能研究

代興艷，王曉軍，李明德

（中國葛洲壩集團第三工程有限公司，陜西 西安 710065）

1 引言

阿爾塔什水利樞紐工程位于喀什地區莎車縣和克孜勒蘇柯爾克孜自治州阿克陶縣交界處，是葉爾羌河干流山區下游河段的控制性水利樞紐工程，主要由攔河壩、泄水建筑物、發電引水系統、電站廠房、生態基流放水洞等組成，規劃水庫正常蓄水位1820 m，最大壩高164.8 m，水庫總庫容22.49 億m3，電站總裝機容量755 MW，設計年發電量22.6 億kW·h，是目前新疆最大的水利工程。因在設計、施工等方面存在諸多技術難題，被稱為“新疆的三峽工程”[1]。該工程所處地區氣溫年變化較大，日溫差大，冬季天氣干燥寒冷。針對該地氣候特點及工程的具體要求，本工程設計采用具有高抗凍性的高性能混凝土。

基于此，本文在前期大量配合比優化調整試驗的基礎上，對滿足阿爾塔什水利樞紐工程C50W6F200 和C40W6F200 高性能混凝土要求的最優配合比進行抗滲和抗凍性能試驗研究。

2 試驗部分

2.1 原材料

水泥：克州青松水泥有限責任公司生產的P.O.42.5 水泥，比表面積358 m2/kg，標準稠度用水量26.4%，3 d 和28 d 抗壓強度分別為28.8 MPa 和48.7 MPa。

細骨料：新疆阿爾塔什C3 料場河砂，細度模數2.6，表觀密度為2690 kg/m3，石粉含量14.1%，堅固性5%，硫化物及硫酸鹽含量0.2%，14d 膨脹率0.25%。

粗骨料：新疆阿爾塔什C3 料場5 mm～20 mm、20 mm～40 mm 碎石，表觀密度2700 kg/m3，堅固性1%，針片狀含量分別為10%、5%，含泥量分別為0.8%、0.4%；14 d 膨脹率均為0.21%。粗細骨料均存在堿活性潛在危害。

粉煤灰：新疆華電喀什二期發電有限責任公司的II 級粉煤灰，細度19.2%，燒失量4.5%，需水量比102%，含水量0.4%。

外加劑：北京首領科技發展有限公司生產的XJ-A/B 型高性能混凝土改性劑，由液體組分A 和粉體組分B 所組成。液體組分XJ-A 的減水率為29%，含氣量4.2%，28d 抗壓強度比156%。粉體組分XJ-B 的含水量0.1%，氯離子含量0.05%，比表面積92 m2/kg。

2.2 配合比設計

參照《水工混凝土試驗規程》（SL 352-2006）中規定的方法進行配合比設計。

（1）較低的水膠比。為了達到混凝土強度、抗凍及抗滲等級技術指標，參考《水工建筑物抗冰凍設計規范》（SL 211-2006）的相關規定，并查閱相似工程資料，通過試驗確定C50 和C40混凝土的水膠比分別采用0.29 和0.35。

（2）適量的粉煤灰摻量。粉煤灰有利改善混凝土的工作性能、后期強度及耐久性等。根據試驗結果確定C40 和C50 混凝土的粉煤灰摻量為22.1%和25.1%。

（3）合理的單位用水量。根據SL 352-2006 規程中表A.5.2用水量初選表進行用水量初選，泵送混凝土按坍落度每增大20 mm，相應增加5 kg/m3用水量計算。通過試驗選定C40 和C50 混凝土的用水量分別為145 kg/m3和140 kg/m3。

（4）確定最優砂率。砂率參考SL 352-2006 規程附錄A 中表A.5.4 的規定初選砂率，并在大量試驗的基礎上，確定C40和C50 混凝土的最優砂率分別為38%和37%。

（5）控制適宜的外加劑摻量。根據減水效果、引氣效果等確定高性能混凝土改性劑中液體組分和粉體組分的摻量。

（6）調控合理的粗骨料級配。最優的骨料級配應是不同級別的粗骨料按合適的比例搭配。如此，骨料的孔隙率及比表面積均相對較小，可使拌合混凝土的水泥用量少且質量好[5]。根據當地粗骨料的基本物理性質，采用5 mm～20 mm、20 mm～40 mm碎石二級配，通過試驗確定了這兩種粒徑碎石的比例。

（7）確定含氣量。根據SL 211-2006 規范，普通混凝土的含氣量由抗凍設計等級確定，依據規范對混凝土含氣量的要求，控制在4.2%～4.7%。

通過大量試驗，并通過配合比現場論證試驗（見圖1），確定了適合阿爾塔什水利樞紐工程的高性能混凝土推薦配合比，見表1。

表1 混凝土的推薦配合比

2.3 試驗方法

2.3.1 抗凍試驗

按照SL 352-2006 規程中規定的抗凍試驗方法執行，相對動彈性模量按式（1）計算：

式中：Pn為n 次凍融循環后試件相對動彈性模量，%；f0為試件凍融循環前的自振頻率，Hz；fn為試件凍融n 次循環后的自振頻率，Hz。

質量損失率按式（2）計算，以三個試件試驗結果的平均值作為測定值：

式中：Wn為n 次凍融循環后試件質量損失率，%；G0為凍融前的試件質量，g；Gn為n 次凍融循環后的試件質量，g。

2.3.2 抗滲試驗

按SL 352-2006 規程中規定的抗滲試驗方法（逐級加壓法）執行。抗滲等級以每組六個試件中四個未出現滲水時的最大水壓力表示。抗滲等級按式（3）計算：

式中：W 為混凝土抗滲等級；H 為六個試件中有兩個滲水時的水壓力，MPa。

3 結果與分析

混凝土一旦發生凍融破壞，會嚴重影響建（構）筑物的安全性和耐久性，這成為寒冷地區混凝土結構耐久性方面的主要問題之一。抗凍性是評價寒冷地區混凝土結構耐久性的重要指標。基于所獲得的抗凍試驗數據，根據式（1）和式（2）計算獲得混凝土相對動彈性模量和質量損失，試驗結果列于表3。分析表3 中的數據可知，試件經過100 次凍融循環試驗之前，C50 和C40 混凝土的質量均有所增加；經過150 次時，質量均有所損失；當進行到200 次試驗時，C50 混凝土的動彈性模量僅降低了4.2%，而C40 混凝土的動彈模降低了38%。這是因為C50 混凝土水膠比更低，通常水膠比越低，孔隙率越小，抗凍性越好[2]。添加適量粉煤灰有利于細化混凝土內部孔隙，從而有效提高混凝土的抗凍性能[3-5]。此外，通過添加引氣劑引入均勻細小的氣泡，其能有效降低混凝土受凍破壞的風險，還可有效阻隔混凝土中的毛細孔通道，防止水分滲透[6]。

表3 混凝土抗凍試驗結果

混凝土的抗滲性和抗凍性能檢測及評定結果匯總于表4。由表4 可知，C50 和C40 混凝土的抗滲水壓實測值均為0.7MPa，根據式（3）計算可知混凝土的抗滲等級均為W6。經過200 次凍融循環試驗后，C50 和C40 混凝土的相對東彈性模量分別為95.8%和62.0%，均高于標準規定的不低于60%的要求，說明混凝土的抗凍等級均達到了F200 等級。由此可見，所研制的混凝土分別達到了C50W6F200 和C40W6F200 等級，滿足工程的設計要求。此外，還在攪拌站和施工現場對所研制的混凝土工作性能和保塌性能進行檢測和驗證，見圖1 和2，其均滿足施工要求。

表4 混凝土耐久性試驗結果匯總

圖1 在攪拌站對拌制好的高性能混凝土進行工作性能檢測

圖2 在工地對高性能混凝土的保塌性能進行現場驗證

4 結論

針對新疆阿爾塔什水利樞紐工程的環境特點及工程要求，通過采用摻加高性能復合型混凝土改性劑來優化水工混凝土中膠凝材料的水化進程，改善水泥石的孔結構，在前期大量的配合比優化試驗的基礎上，研制出適合該工程施工要求并滿足高耐久性的C40 和C50 的高性能混凝土。經過強度、抗滲和抗凍性能檢測，這種優化后的高性能混凝土滿足該工程設計的C40W6F200 和C50W6F200 混凝土要求，且它們均具有良好的施工性能。