臺雄水庫四級配高摻粉煤灰混凝土筑壩技術探討

潘秋林

(貴州省弘波質量檢測有限公司，貴陽 550002)

1 概 況

臺雄水庫是以防洪、灌溉、供水為主，兼顧發電綜合利用的綜合水庫，水庫正常蓄水位710m，相應庫容1938萬m3,最大壩高64.20m。壩頂弧長182.70m，大壩原設計為三級配混凝土，施工期間經專家論證改為四級配混凝土(C9020)。

2 混凝土配合比試驗研究

2.1 試驗目的

結合該項目料場特點，試驗研究目的如下：

1)調查研究主要原材料：水泥、砂石骨料、粉煤灰以及外加劑等。目的在于檢驗原材料的物理力學性能、礦物成分以及化學全分析，以為工程建設提供具有適用性的材料。

2)經對大壩進行常態混凝土配合比試驗，以確定滿足設計與施工要求的混凝土配比。如此，就可對混凝土配比用水、水泥等材料進行定量控制，且不會對其耐久性與抗裂性造成影響。

3)料場料源為寒武系下統薄-中厚層灰巖，為早加里東構造地臺區巖層，屬淺水碳酸鹽巖，巖質較堅硬，針片狀含量較高，應注意骨料堿和性問題。采用試驗方法來確定采用何種措施來處理不良地質條件問題，如低堿水泥、高摻粉煤灰以及低堿外加劑等。初期階段，低堿水泥中的堿含量應控制在0.45%以內；混凝土粉煤灰摻量應保證在40%以上；混凝土總堿量應控制在3.0kg/m3以內。

2.2 混凝土配合比試驗內容

1)對各種原材料的化學成分與物理力學性能進行試驗分析。

2)確定混凝土的容重及齡期配合比參數指標：抗壓強度分別為7d、28d、90d、極限拉伸值以及抗滲強度等級等。

3)試驗確定壩體大體積混凝土的熱學性能，以提高施工階段混凝土的溫度控制效果。

3 混凝土配合比設計技術指標

混凝土的分區根據大壩穩定、應力、結構強度、耐久性和溫控防裂等要求劃分，設計指標見表1。

表1

4 原材料性能

4.1 水泥

根據項目所在位置，水泥廠家選擇的是貴州科特林水泥有限公司生產的復合硅酸鹽32.5水泥。其物理力學性能見表2。

表2

1)該廠復合硅酸鹽32.5水泥各項性能指標均符合《通用硅酸鹽水泥GB175-2007》的要求。

2)該公司有水泥散裝、袋裝設施，運輸能力可滿足工程要求。

3)為進一步提高混凝土的耐久性和抗裂性能，在水泥各項指標要求上，對本工程使用的水泥要求;C3A<7.0%,C4AF>13%,C3S應盡量控制最低，MgO≥2.5%,比表面積﹤360m2/kg,控制水泥早期發熱量。

4.2 粉煤灰

粉煤灰，是鍋爐在1100℃-1500℃環境下燃燒燃煤電廠磨細煤粉后，經Ⅱ電收塵系統回收聚集的煙道細灰。通常情況下，其呈現為灰白或是黑色。比重在1.9-2.8之間，容重在530-1260kg/m3之間。其化學成分主要為SiO2和Al2O3，兩者總含量一般達到60%以上。

為盡量減少水泥用量，可摻用一定量粉煤灰代替水泥，其作用主要是：

1)混凝土配比需控制水泥用量，以控制成本。

2)降低水化熱反應導致的溫升影響，以實現簡化溫控處理措施運用目的，進而規避裂縫現象發生。

3)減少混凝土干縮。

4)受粉煤灰形態效應與微集料效應影響，在開展等量代替水泥的過程，應考量其比重<水泥的作用狀態，通過增加槳體體積，來調整混凝土包裹的和易性、抗分離性效果。

另外，粉煤灰中的燒失量(含碳量)也需要嚴格控制，這主要是因為：①增加含碳量就減少了粉煤灰的有效成分，即減少了能起膠凝作用的和性化合物數量；②較粗的碳粒具有較大的比表面積，因而其需水量要高；③碳具有表面和性，能吸附引氣劑，使引氣劑用量增加；④細的碳粒還會對水泥的水化過程起阻凝作用。

離臺雄水庫距離較近、粉煤灰質量較穩定的廠家是玉屏大龍電廠，其品質檢驗成果見表3。

表3 粉煤灰檢驗試驗成果

表3中的粉煤灰品質檢驗成果表明：該廠生產的粉煤灰各項指標均達到《水工混凝土摻用粉煤灰技術規程DL/T5055-2007》中Ⅱ級灰要求。

4.3 砂石骨料

混凝土中砂石骨料占80%-85%，它的性能對混凝土的物理力學性能影響較大。高質量的砂石骨料是由均勻、堅固、耐久、潔凈、級配優良且不含扁平或細長顆粒組成，當其受潮或烘干時不會松懈；其表面略為毛糙，并不含有干擾水泥水化或與水泥水化物起作用而產生過度膨脹的組分；混凝土熱膨脹系數取決于骨料的熱膨脹系數，熱膨脹系數小的骨料抗裂性能好。骨料的顆粒形狀及表面光潔度對混凝土的砂率及用水量影響很大。

本次混凝土室內配合比試驗用砂石骨料均為工地現場送樣，經篩分分級為特大石(150mm-80mm)、大石(80mm-40mm)、中石(40mm-20mm)、小石(20mm-5mm)。

母巖的力學性能試驗按照《水利水電工程巖石試驗規程SL264-2001》鉆孔取樣，干、濕抗壓強度值為三組試件的平均值(其中每組試件有3塊巖石芯樣)。

母巖的力學性能試驗成果見表4，巖礦鑒定成果見表5。

表4 母巖力學性能試驗成果

表5 巖礦鑒定成果報告

4.4 外加劑

混凝土摻用外加劑，其作用除了降低混凝土用水量，減少水泥用量，降低水化熱外，重要的還是改善混凝土性能的作用，特別是在夏季高溫季節，由于水分蒸發快，除了強緩凝外，還應加強層面的表面覆蓋，減少表面水分蒸發，保證層面是塑性結合。

5 混凝土配合比設計

5.1 混凝土配合比研究思路

混凝土配合比的選擇：從混凝土的強度、耐久性、抗滲性及層面結合強度考慮，其灰漿的強度必須滿足最低要求，且盡可能富余些。但從降低壩體混凝土絕熱溫升，避免產生溫度裂縫和經濟性考慮應盡量減少水泥用量。這兩方面的要求相互矛盾，需在配合比中通盤考慮，處理恰當。

為了滿足混凝土各項性能要求，具體思路如下：

5.1.1 選擇好的原材料

水泥：要求廠家提供熱強比低、C3A含量低、C4AF含量高、MgO含量高、比表面積小的水泥，控制水泥早期發熱量，以使混凝土溫升低、抗壓比高，抗裂性好。

粉煤灰：在有抗凍要求的部位，宜優選燒失量低的優質Ⅰ級粉煤灰，壩體內部混凝土從溫升上考慮粉煤灰摻量可適當加大，從經濟上考慮Ⅰ級和Ⅱ級粉煤灰均可選用。

砂子：對砂的品質要進行改善和調整，以滿足混凝土施工要求。

石子：選擇粒形好，級配合理的石子。

5.1.2 選擇優的混凝土配合比

該工程需要試驗的是大壩四級配混凝土，常態混凝土主要考慮其強度及抗裂性。

5.2 混凝土配合比配制強度的確定

根據《水工混凝土施工規范DL/T5144-2001》中“配合比選定”的有關要求，混凝土配制強度按下式計算：

fcu,0=fcu,k+tσ

(1)

式中：fcu,0為混凝土配制強度，MPa；fcu,k為混凝土設計齡期的強度標準值，MPa；t為概率度系數，根據保證率系數確定；σ為混凝土強度標準差。

6 混凝土配合比及其性能試驗成果

6.1 混凝土抗凍耐久性

抗凍試驗按照《水工混凝土試驗規程DL/T5150-2001》中的規定，采用快凍法進行試驗，當混凝土的相對動彈模量降至60%或重量損失達到5%時，認為混凝土已經凍融破壞，結束試驗。

6.2 混凝土抗滲性

混凝土抗滲性，顧名思義，就是混凝土能夠抵抗壓力水的滲透能力?；炷脸霈F滲水，是因為其內部孔隙連通形成了滲水通道。而孔道出現，多受振搗密實度不夠與裂縫因素影響。更多的是水泥漿環境，以多余水分蒸發形成的毛細孔，以及水泥漿因泌水而形成的孔道與骨料下截面聚積水隙。當混凝土的抗滲性不高，施工環境中的水分就會進入其內部。如混凝土施工環境為冰凍或是水中含有侵蝕物質，混凝土就會發生冰凍或是侵蝕滲透破壞問題。為解決此問題，相關技術人員應嚴格按照技術規范要求，采用逐級加壓法對混凝土抗滲性能進行試驗。經試驗，混凝土達到預定水壓力后，應穩壓處理8h。如每組一共6個試件中4個沒有出現表面滲水問題，即可判斷為達到設計預期。只需卸下抗滲試件，劈開后對其滲水高度進行測量即可，具體試件高度應為150mm。

6.3 混凝土熱學性能

水工建筑物的混凝土結構設計階段，要想做好結構溫度控制、以及因溫度引發的應力與變形分析工作。需將混凝土熱學性能作為重要資料內容，即混凝土導熱系數、比熱、熱膨脹系數以及導溫系數等。混凝土導熱系數，是對比混凝土熱量與溫度梯度之間的關系，來確定混凝土傳導熱能的重要參數。比熱的定義為單位質量物質溫度每上升1℃時所需要的熱量?；炷恋乃冶却螅盟看螅葻嵋泊?。究其原因，與水熱容量大有關?；炷翆叵禂担瑥奈锢斫嵌确治觯丛趩挝粫r間內混凝土因溫度變化產生熱量的擴散情況。其數學表達式為：a=K/cρ(a為混凝土導溫系數，K為混凝土導熱系數，c為混凝土比熱，ρ為混凝土密度)。熱膨脹系數，混凝土受溫度而發生的線性變化。其也被稱為線膨脹系數，單位為1×10-6/℃。

混凝土絕熱溫升，則是指，絕熱條件下混凝土中的水泥與摻合料等膠凝材料，經水化而出現的溫度變化與最大溫升值。具體試驗設備借助JR-2絕熱溫升儀測定，溫度跟蹤精度為±0.1℃，試件尺寸為Ф400mm×400mm。運用此設備，可對混凝土進行全級配試驗。時間方面，絕熱溫升試驗，要經過28天，且運用最小二乘法擬合處理溫升分析結果。

7 小 結

通過對臺江縣臺雄水庫工程大壩混凝土原材料及配合比試驗研究成果，提出以下意見。

1)貴州大龍科特林水泥有限公司生產的復合硅酸鹽32.5水泥滿足國標《通用硅酸鹽水泥GB175-2007》的要求。

同時，為進一步提高混凝土的耐久性、抗裂性能，在水泥各項指標要求上，根據水泥供應廠家的生產情況，建議提供本工程使用的水泥應盡可能滿足以下幾項指標要求：C3A<7.0%，C4AF>13%，C3S指標應盡量控制低，MgO≥2.5%，比表面積<360m2/kg，控制水泥早期發熱量。

2)玉屏大龍電廠生產的粉煤灰，可達到《水工混凝土摻用粉煤灰技術規范DL/T5055-1996》Ⅱ級粉煤灰的標準。

3)貴州特普科技發展有限公司生產的GTA高效減水劑以及使用的DH-5型引氣劑達到《混凝土外加劑GB8076-1997》中一等品的標準，可作為臺雄水庫用外加劑。減水劑在夏季應選用高溫、強緩凝型，在冬季可使用普通型緩凝減水劑。

4)由于粗骨料的粒型不好，粉煤灰的需水量比偏高，導致本工程中混凝土配合比的用水量相比其它工程偏高10 kg/m3以上，相應的膠凝材料總量也增加了20-40 kg/m3，甚至更多，因此在配合比選擇上粉煤灰摻量略有增加，以控制水泥用量和混凝土早期發熱量為主。

5)從壩體大體積混凝土配合比試驗成果來看，混凝土配合比單位用水量偏高，混凝土膠凝材料較富裕；混凝土各項力學性能指標滿足設計要求。

6)本次混凝土配合比試驗成果滿足本階段設計對壩體混凝土配合比的要求，其推薦配合比見表12。

本次推薦混凝土配合比，須經使用現場大系統生產的砂石料進行試拌，做調整后使用。

8 四級配混凝土施工質量

臺雄水庫實際開工日期為2008年9月6日， 實際完工日期：2014年1月16日。施工期大壩C9020混凝土共取樣243組，根據《水利水電工程施工質量檢驗與評定規程》(SL176-2007),普通混凝土試塊試驗數據統計方法C.O.1：n=243組≥30組，平均強度：R90=25.4Mpa，最大強度：Rmax=49.9Mpa，由：①最小強度：Rmin=17.8Mpa>0.85R標=0.85×20=17Mpa，②均方差σ=3.9Mpa，離差系數Cv=Sn/Rn=3.9/25.4=0.15<0.18，③保證系數t=(Rn-R標)/Sn=(25.4-20)/3.9=1.41，保證率p=94%>85%；根據統計結果，工程混凝土質量評定為合格。

9 結 論

1)采用四級配高摻粉煤灰的方法，可彌補砂石骨料針片狀含量高、石粉含量偏低的缺陷；

2)四級配高摻粉煤灰混凝土較三級配高摻粉煤灰混凝土節約膠材近15%。

3)四級配高摻粉煤灰混凝土物理力學性能、抗滲性、抗凍性、熱學性能等能滿足現行規范要求，且混凝土壩體出現裂縫的幾率很小。