陈书军 袁永强 王晓红 刘智礼

1.中国水利水电第三工程局有限公司 陕西西安 710024；2.中国水利水电建设工程咨询西北有限公司 陕西西安 710100

水库面板混凝土表面的开裂或使已有表面裂缝进行扩展现象普遍存在，面板混凝土一旦产生大量的表面裂缝甚至贯穿性裂缝，不仅会破坏结构的整体性，影响结构的受力状况与稳定，给结构的运行带来不确定性，而且容易导致内部钢筋锈蚀，降低结构的耐久性，有时还会引起渗漏变形，危及基础的稳定性。由于水利工程结构大多处在水下，水中大量的、Cl-等会顺着裂缝进入混凝土内部，急剧加速了钢筋锈蚀膨胀，进一步加剧混凝土的破坏，从而引起耐久性的下降和缩短建筑物的使用寿命。水库面板混凝土中必须采取有效的抗裂技术控制混凝土收缩开裂与温度开裂，尽量避免工程裂缝的产生，以保证水电工程的安全和工程结构的耐久性。

1 概述

1.1 面板混凝土裂缝情况分析

水库面板混凝土属于典型的水工薄壁结构混凝土，薄壁结构混凝土的表面积与体积之比要比大坝等大体积混凝土大得多，水分散发速度和散发量相对快和大，干缩变形突出[1]。在内部相对变形约束和结构变形外部约束的作用下，结构内外变形都受到制约影响，混凝土内会产生不均匀的干缩变形应力，尤其在表面这种因干缩所产生的拉应力很大，会直接导致混凝土表面的开裂或使已有表面裂缝进行扩展。这种现象在水工薄壁混凝土结构中更加显得突出，在施工期就会产生贯穿于结构的裂缝。此外，在夏季高温施工环境下混凝土浇筑后在结构内会产生较大的水化热，导致混凝土内部温度升高。在降温阶段块体收缩，由于外部和内部约束的作用，会产生很大的温度应力，这些应力一旦超过混凝土当时龄期的抗拉强度，就会产生裂缝，这种裂缝会贯穿整个截面而对于较厚的部分，由于表面散热快，温度较低，内外温差产生表面拉应力，还会产生表面裂缝[2]。

1.2 工程概况

黑龙江省荒沟抽水蓄能电站，位于黑龙江省牡丹江市海林市三道河子乡，下水库为已建的莲花水电站水库。上水库大坝为混凝土面板坝，面板顶部高程为EL653，迎水面坡比约为1：1.4，顶部厚度为0.4m。底部最大厚度为0.56m，最大斜长约137.1m。面板共计53块，基本宽度为14m。中部配双层双向钢筋网。面板混凝土为二级配，C35W10F400（90），总量25733m³，钢筋安装约2500t。主坝面板垂直缝及水平缝、周边缝、顶缝均设有铜止水和表层止水。

三道河子流域夏季湿热多雨，冬季漫长严寒。根据牡丹江市历年气象资料统计，多年平均气温3.2℃，最高气温37.5℃，最低气温-45.2℃。多年平均风速2.6m/s，最大风速24m/s（相应风向为WNW）。

2 面板混凝土制备

2.1 设计指标

面板混凝土技术要求为C9035W10F400，其他技术指标需满足下表1要求：

表1 面板混凝土技术指标

2.2 原材料

混凝土配比调整试验采用以下材料：①水泥：分别采用牡丹江北方水泥有限公司和抚顺水泥有限公司生产的P.MH42.5水泥②粉煤灰：采用牡丹江中远实业有限公司的F类I级灰；③硅粉：采用四川郎天综合利用有限公司生产的微硅粉；④膨胀剂：采用武汉三源公司生产的I型MgO膨胀剂；⑤骨料：采用人工破碎的碎石及金立源砂场生产的天然砂，满足《水工混凝土施工规范》DL/T5144-2015对细骨料、粗骨料品质的要求，且无碱骨料反应；⑥外加剂：采用江苏苏博特公司生产的聚羧酸减水剂和引气剂，满足《水工混凝土外加剂技术规程》DL/T5100-2014中规定的要求；⑦纤维：采用广州建克建筑有限公司生产的高性能聚丙烯纤维，纤维为白色长丝、直径为48μm、密度0.91g/cm3，满足《水泥混凝土和砂浆用合成纤维》GB/T21120-2018的要求。

2.3 试验配合比，见表2

表2 面板试验配合比

2.4 试验结果分析

混凝土性能试验按照《水工混凝土试验规程》DL/T5150－2017中的有关规定进行。

（1）拌合物工作性。混凝土拌合物工作性数据见表3。

表3 混凝土拌合物工作性数据

由表3可以看出，使用抚顺水泥的两组配比要达到设计坍落度，减水剂用量比使用北方水泥相同配比混凝土增加0.1%（胶凝材料用量），引气剂用量增加1倍时的含气量均小于北方水泥对应配比。北方水泥的标准稠度用水量略高于于抚顺水泥，但减水剂掺量较少，说明该减水剂与北方水泥的适应性更好；在相同的条件下，使用不同水泥，混凝土中的含气量不一定相同，可能原因是水泥品种对引气剂的吸附作用不同而影响含气量[3]，也可能是水泥水化产物的生成速率及其反应温度等对含气量造成不同程度影响[4]，还与水泥中加入的掺合料用量有关。推荐使用MDJ-07配合比。建议在施工过程中根据含气量控制值适当调整引气剂掺量，防止出现低强。

（2）强度。4种配比混凝土的抗压基本相当，7d达到32MPa以上，超过28d设计强度的90%，28d强度富余系数（与90d强度相比）为28.5%。抗拉强度达到3MPa或以上，抗收缩应用性能较好。

表4 四种配比材料强度表

（3）自身体积变形。

由图1可以看出，掺入氧化镁的4个配比面板混凝土自身体积变形持续增长，28d前增长速率较快，随龄期增长速率逐渐减缓，但在180d后仍有持续增长的趋势，说明氧化镁在面板混凝土中能够持续稳定的提供自身体积变形增量，这对长期暴露在外界环境受干燥收缩作用的面板混凝土抗裂非常有利抗渗。在40℃养护温度下4个配比混凝土的自身体积变形增长速率明显加快，28d时的膨胀值已超过20℃养护下180d该值，而180d的膨胀值均比20℃下高出1倍以上。40℃下氧化镁混凝土的自身体积变形增长速率下降较快，更快的进入增长平缓阶段。比较两图可以看出，氧化镁在面板混凝土中有较高的温度敏感性，在高温环境下有更高的反应速率，更快的提供较大的膨胀量，以补偿温降阶段混凝土的温度收缩。对比4组面板混凝土的自身体积变形值，使用北方水泥的两组均大于使用抚顺水泥的两组，其中MDJ2配比的自身体积变形数据最优。对比相同水泥不同水胶比下的数据，发现水胶比从0.32增加到0.33，混凝土各龄期自身体积变形略有增大，这是因为在较低水胶比的混凝土中，能提供更多水使氧化镁水化产生膨胀产物氢氧化镁。

图1 面板混凝土自身体积变形曲线

（4）抗渗。由表5可以看出，4组配比均满足W10的抗渗等级，满足抗渗性的设计要求。

表5 四种配比材料抗渗性对比

（5）抗冻。冻融试验数据表明：4组配比均满足抗冻等级要求，但采用抚顺水泥的FS1、FS2冻融检测结果不如采用牡丹江北方水泥的MDJ1和MDJ2的检测结果。MDJ1相对动弹模量在70%以上，富余度最高，且相对质量损失最小，加上原材料品质会有波动，所以推荐采用MDJ1面板配合比，见图2、图3。

图2 混凝土相对动弹模量变化曲线

图3 混凝土相对质量损失变化曲线

3 工程应用

3.1 施工配合比

综合第2章的试验结果，MDJ1配比各项性能最优，施工配合比每方混凝土配合比各种材料用量见表6：

表6 MDJ1配比每方混凝土配合比各种材料用量表

3.2 施工过程控制

（1）混凝土浇筑。混凝土拌和采用双HZS60强制拌和机，拌制时间不少于120s。单台实际拌合效率为20m³/h。聚丙烯纤维、氧化镁采用人工掺加。混凝土的运输距离约为3km以内。两台站同时可满足3.5仓施工强度。

混凝土运输采用9m³罐车，经试验可满足面板小坍落度运输要求。（加装附着式振捣器入罐）共5台罐车可满足2仓面板同步高峰浇筑强度。

面板混凝土浇筑前需再次对底部周边缝进行检查，清除内部杂物。混凝土采用混凝土罐车运输，在出机口塌落度按50mm～70mm控制，仓面塌落度按30mm～50mm控制，含气量按5.0%～6.0%控制。满足设计要求后方可浇筑。混凝土放料前，先将溜槽表面洒水润湿，湿润时将溜槽倒至仓外，严禁废水进入仓内。

浇筑时薄层均匀平起，每层厚度不大于25～30cm。仓面采用φ50mm的插入式振捣器依次充分振捣，振捣器垂直插入浇筑层，落点间距不大于40cm，深度达到新浇层底部以下5cm，以混凝土不再显著下沉、不出现明显气泡并开始泛浆为准。靠近止水的部位，用φ30mm软管振捣器和人工辅助振捣密实。模板滑升由坝顶2台10t慢速卷扬机牵引拉升，两机提升平衡、匀速、同步。升速度以不出现鼓包、拉伤为原则，与浇筑强度和脱模时间相适应，做到“勤动、慢速、少升”。平均滑升速度为1.5m/h，最大滑升速度不超过2.5m/h。每次滑升距离不大于30cm。

（2）表面处理。脱模后的混凝土表面，及时进行人工修整、压平和抹面。对接缝两侧各100cm内的混凝土表面及时平整，用2m长直尺检查，不平整度不超过5mm。

混凝土出模后立即进行抹面和第一次压面，在混凝土初凝前表面泌水风干后进行第二次压面，确保混凝土表面密实、平整，避免面板表面形成微通道和早期裂缝。

（3）保温养护。混凝土养护利用左右岸蓄水池，采用φ100钢管接引至坝顶部位，顺延浇筑面顶部布设作为主养护管路。间隔设30m设φ30mm塑料花管布置于坝顶部位长流水养护。混凝土二次收面后在滑模后部设10m长彩条布进行覆盖，随滑模提升逐步上升，初凝后采用覆盖土工布洒水养护。进入低温季节时，停止洒水养护，对面板采用EPE珍珠棉覆盖保温。

3.3 应用效果

面板混凝土浇筑56d后进行裂缝排查，上水库53块面板均未发现有害裂缝，抗裂效果良好。黑龙江荒沟抽水蓄能电站工程已由水电总院完成蓄水验收，计划于2021年7月底进行工程蓄水。

4 结语

在面板混凝土中掺入一定量的氧化镁膨胀剂，其自身体积变形在180d能保持持续稳定的增长，使面板混凝土体积稳定在微膨胀的状态，能有效补偿混凝土温度收缩和长期的干燥收缩，防止面板混凝土开裂，工程实际应用效果明显。但近年来，有不少学者和工程使用单位提出了在膨胀剂的应用中应注意氧化镁与水泥的适应性问题，由于不同品牌水泥中矿物组分有一定的差别，氧化镁与不同水泥混用时的效果是不相同的，主要表现在凝结时间、需水量、坍落度保持值、强度及膨胀率上。同种膨胀剂对不同的水泥品种，膨胀效果不一样不同的膨胀剂对相同的水泥品种，其膨胀效果差异较大。故针对不同厂家生产的水泥，混凝土配比需要经过试验后进行调整，以保证混凝土工作性、力学性和耐久性满足工程要求。