水電站中自密實低強混凝土的應用研究

趙大鵬

(遼寧省水資源管理集團有限責任公司，沈陽 110166)

一般地，水工混凝土相對于其它混凝土具有兩個突出的特征：水工大體積混凝土面臨著突出的溫度裂縫和水化熱溫升問題，受水文條件影響水工混凝土具有更嚴格的耐久性要求。研究認為[1-2]，大中型水工結構的耐久性使用年限應為100a，而中小型水工結構安全運行年限應≥50a，結構耐久性發揮著重要作用。美國等許多國家立項重點研究了混凝土耐久性，旨在延長水利工程的使用年限，保證已建工程的安全運行以及改善新建工程的耐久性能[3]。

針對混凝土密實成型而引起的耐久性不足問題，學者Okamura定義了自密實的概念，經長期研究已取得一系列研究成果，但其應用僅局限于公路、民用建筑及工業等基礎工程[4-6]。考慮到水工結構的特殊性，如異形、鋼筋密集等難以振搗密實結構，泄水航道、窩殼等施工質量問題，自密實混凝土具有較好的實用性，而現有適用于水電站自密實低強度等級的混凝土技術尚不成熟。因此，試驗研究和探討水電站中自密實低強度混凝土性能極其必要。鑒于實際工程需求和以上考慮，文章研究了自密實低強度水工混凝土的耐久性能和力學性能，并分析了渾江干流回龍山水電站除險加固工程的應用效果。

1 原材料性能

1)水泥。回龍山水電站除險加固工程所用水泥為渾河P·O42.5硅酸鹽水泥，經試驗檢測其抗壓強度、抗折強度、凝結時間和水泥安定性等指標均符合標準要求。水泥物理力學性能指標，見表1。

表1 水泥物理力學性能指標

2)粉煤灰。工程現場所用粉煤灰會綏中電廠生產的Ⅱ級粉煤灰，經試驗檢測其燒失量、比表面積、含水量、需水量比和細度等指標均符合相關標準要求。粉煤灰性能指標，見表2。

表2 粉煤灰性能指標

3)外加劑。回龍山水電站除險加固工程所用引氣劑為ZS-109B型引氣劑，減水劑選用XK-540P型聚羧酸減水劑，經試驗檢測兩種外加劑性能均符合標準要求。摻外加劑性能指標，見表3。

4)砂石骨料。回龍山水電站除險加固工程選用人工砂石料，砂細度模數為2.80，碎石級配連續，粒徑5-25mm，經檢測砂石料品質均符合標準要求。砂石骨料性能指標，見表4。

表3 摻外加劑性能指標

表4 砂石骨料性能指標

2 試驗研究

2.1 配合比設計

回龍山水電站除險加固工程自密實混凝土為C25強度等級，采用技術規程推薦的設計方法確定實驗室配合比，經進一步調整、試配確定施工配合比。自密實低強度混凝土配合比，見表5。

2.2 混凝土配制

自密實混凝土的配制主要有攪拌時間、投料順序、原材料計量等過程，依據施工配合比精準稱量原材料后開始投料，投料順序為先骨料再凝膠材料，最后投放水和外加劑。考慮到組分較多的實際情況，攪拌時間與方式是保證混凝土質量及攪拌均勻的關鍵環節[7]。試驗選用攪拌機配制自密實混凝土，一般控制攪拌時間150s以上，以拌合均勻作為終止拌制的標準。

表5 自密實低強度混凝土配合比

2.3 試驗方法

2.3.1 拌和物工作性

自密實混凝土的U型箱流動度、擴展度及坍落度按照JGJ/T 283-2012測定，以目測的方式觀察混凝土是否板結、是否有水分或水泥漿析出，在此基礎上合理判定工作性能。此外，自密實混凝土的工作性對外加劑的摻量較為敏感，外加劑等原材料用量的稍微減少或增加都會顯著影響混凝土的工作性能[8-9]。所以，對試驗所用的各種原材料用電子設備計量，計量允許偏差為外加劑、水、礦物摻合料、水泥為±1%，粗細骨料為±2%。現場應從多個部位適時測定砂、石材料的含水率，并考慮含水量情況適當調整施工配合比。混凝土拌合物工作性能，見表6。

表6 混凝土拌合物工作性能

結果顯示，自密實混凝土的擴展度處于500-700mm之間，目測拌合物保水性和黏聚性發現，混凝土配合比能夠滿足保水性、黏聚性及施工和易性要求。

2.3.2 力學性能試驗

依據《水工混凝土試驗規程》(SL 352-2020)測定自密實混凝土力學性能，機口取樣抽檢和試驗檢測結果，機口取樣抽檢與試驗檢測結果，見表7。

表7 機口取樣抽檢與試驗檢測結果

結果表明，自密實混凝土28d靜力抗壓彈性模量、28d極限拉伸值、抗折強度和抗壓強度均符合水工混凝土設計要求。

2.3.3 干縮試驗

干燥收縮是指混凝土處于不飽和空氣中內部存在的毛細孔、凝膠孔失水而引起的不可逆收縮。試驗將自密實混凝土制成515mm×100mm×100mm的試件，參照SL 352-2020規程測定自密實混凝土3d、7d、14d、28d、60d、90d齡期的干縮率，如表8。結合相關統計數據，純水泥漿體完全干燥時的收縮量達到100×10-4，Lee F M實測數據表明完全干燥時普通混凝土的收縮值為-40×10-4。干縮性能指標，見表8。

表8 干縮性能指標

從表8可以看出，90d齡期時自密實混凝土的干縮值只有完全干燥時普通混凝土的2.41%，實測值為-0.9637×10-4。這是由于自密實混凝土摻入了適量的引氣劑、高效減水劑和30%的粉煤灰，在一定程度上改善混凝土的內部結構，從而有效降低了其早期干縮性能。因此，對于水工結構自密實混凝土具有較好的適用性，有利于提高結構的整體耐久性。

2.3.4 自生體積變形

自生體積變形是指絕濕恒溫條件下因膠凝材料水化而造成的體積變化，參照SL 352-2020規程測試自密實混凝土自生體積變形(一般處于-50-50×10-6之間)，自生體積變形曲線，見圖1。結果顯示，自密實混凝土在齡期達到28d后以收縮變形為主，收縮變形最大達到-5.1×10-4，在齡期達到60d后整體處于問題。因此，該自密實混凝土可以有效改善水工結構整體耐久性，具有較小的自生體積變形。

圖1 自生體積變形曲線

2.3.5 抗裂性試驗

混凝土裂縫在很大程度上決定了其耐久性，裂縫的存在為外界環境中的水分、離子滲透至混凝土內部提供了通道，加速了混凝土的裂化過程和外界侵蝕性介質的遷移速率，混凝土結構的服役壽命和耐久性明顯下降。因此，裂縫控制對處于水環境中的水工結構而言就顯得更為重要。文章利用圓環抗裂法和平板法試驗研究了自密實混凝土的抗裂性能，詳細方法見文獻[10]。在相對濕度(60±5)%和環境溫度(20±2)℃的室內成型、觀察試驗，抗裂性試驗結果，見圖2。

(a)平板法 (b)圓環法

結果顯示，采用兩種檢測方法均未發現混凝土裂縫，即平板法和圓環法測試的試樣抗裂性保持一致。該水工自密實混凝土的抗裂性良好，摻礦物摻合料的普通混凝土與自密實C25低強度水工混凝土的抗裂性無明顯差異。

2.4 應用效果

為進一步驗證自密實低強度高耐久性水工混凝土的性能，在渾江干流回龍山水電站除險加固工程中開展了現場生產性試驗，通過倉面抽樣檢測了其主要性能。從外觀質量上，施工部位未發現混凝土泌水現象，在無須振搗的情況下混凝土無漿體與骨料分離現象，黏聚性好且可自流平；混凝土拆模后外觀美觀、密實、表面光滑、邊角平整，未發現裂縫，混凝土的耐久性優異且填充效果良好[11-15]。此外，考慮到外界條件易對自密實混凝土性能造成影響，實際使用過程中為保證混凝土施工性能，應嚴格控制拌合物的工作性、攪拌時間與方式、原材料計量及其品質等。

3 結 論

1)自密實低強度混凝土的流動性良好，歷時90min的擴展度損失率只有5.16%，對振搗器無法使用且施工斷面較大、鋼筋較密的部位具有較好的填充性能，其彈性模量、劈拉強度、抗壓強度和極限拉伸值等指標均符合設計要求。

2)自密實低強度混凝土的后期自生體積變形和干縮收縮較小，抗裂性能良好，可以有效改善水工結構的耐久性。在渾江干流回龍山水電站除險加固工程中該自密實低強度混凝土得到成功應用，為配制與應用自密實高耐久性中低強度混凝土提供了一定參考。