潘秋林

(贵州省弘波质量检测有限公司，贵阳 550002)

1 概 况

台雄水库是以防洪、灌溉、供水为主，兼顾发电综合利用的综合水库，水库正常蓄水位710m，相应库容1938万m3,最大坝高64.20m。坝顶弧长182.70m，大坝原设计为三级配混凝土，施工期间经专家论证改为四级配混凝土(C9020)。

2 混凝土配合比试验研究

2.1 试验目的

结合该项目料场特点，试验研究目的如下：

1)调查研究主要原材料：水泥、砂石骨料、粉煤灰以及外加剂等。目的在于检验原材料的物理力学性能、矿物成分以及化学全分析，以为工程建设提供具有适用性的材料。

2)经对大坝进行常态混凝土配合比试验，以确定满足设计与施工要求的混凝土配比。如此，就可对混凝土配比用水、水泥等材料进行定量控制，且不会对其耐久性与抗裂性造成影响。

3)料场料源为寒武系下统薄-中厚层灰岩，为早加里东构造地台区岩层，属浅水碳酸盐岩，岩质较坚硬，针片状含量较高，应注意骨料碱和性问题。采用试验方法来确定采用何种措施来处理不良地质条件问题，如低碱水泥、高掺粉煤灰以及低碱外加剂等。初期阶段，低碱水泥中的碱含量应控制在0.45%以内；混凝土粉煤灰掺量应保证在40%以上；混凝土总碱量应控制在3.0kg/m3以内。

2.2 混凝土配合比试验内容

1)对各种原材料的化学成分与物理力学性能进行试验分析。

2)确定混凝土的容重及龄期配合比参数指标：抗压强度分别为7d、28d、90d、极限拉伸值以及抗渗强度等级等。

3)试验确定坝体大体积混凝土的热学性能，以提高施工阶段混凝土的温度控制效果。

3 混凝土配合比设计技术指标

混凝土的分区根据大坝稳定、应力、结构强度、耐久性和温控防裂等要求划分，设计指标见表1。

表1

4 原材料性能

4.1 水泥

根据项目所在位置，水泥厂家选择的是贵州科特林水泥有限公司生产的复合硅酸盐32.5水泥。其物理力学性能见表2。

表2

1)该厂复合硅酸盐32.5水泥各项性能指标均符合《通用硅酸盐水泥GB175-2007》的要求。

2)该公司有水泥散装、袋装设施，运输能力可满足工程要求。

3)为进一步提高混凝土的耐久性和抗裂性能，在水泥各项指标要求上，对本工程使用的水泥要求;C3A<7.0%,C4AF>13%,C3S应尽量控制最低，MgO≥2.5%,比表面积﹤360m2/kg,控制水泥早期发热量。

4.2 粉煤灰

粉煤灰，是锅炉在1100℃-1500℃环境下燃烧燃煤电厂磨细煤粉后，经Ⅱ电收尘系统回收聚集的烟道细灰。通常情况下，其呈现为灰白或是黑色。比重在1.9-2.8之间，容重在530-1260kg/m3之间。其化学成分主要为SiO2和Al2O3，两者总含量一般达到60%以上。

为尽量减少水泥用量，可掺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)降低水化热反应导致的温升影响，以实现简化温控处理措施运用目的，进而规避裂缝现象发生。

3)减少混凝土干缩。

4)受粉煤灰形态效应与微集料效应影响，在开展等量代替水泥的过程，应考量其比重<水泥的作用状态，通过增加桨体体积，来调整混凝土包裹的和易性、抗分离性效果。

另外，粉煤灰中的烧失量(含碳量)也需要严格控制，这主要是因为：①增加含碳量就减少了粉煤灰的有效成分，即减少了能起胶凝作用的和性化合物数量；②较粗的碳粒具有较大的比表面积，因而其需水量要高；③碳具有表面和性，能吸附引气剂，使引气剂用量增加；④细的碳粒还会对水泥的水化过程起阻凝作用。

离台雄水库距离较近、粉煤灰质量较稳定的厂家是玉屏大龙电厂，其品质检验成果见表3。

表3 粉煤灰检验试验成果

表3中的粉煤灰品质检验成果表明：该厂生产的粉煤灰各项指标均达到《水工混凝土掺用粉煤灰技术规程DL/T5055-2007》中Ⅱ级灰要求。

4.3 砂石骨料

混凝土中砂石骨料占80%-85%，它的性能对混凝土的物理力学性能影响较大。高质量的砂石骨料是由均匀、坚固、耐久、洁净、级配优良且不含扁平或细长颗粒组成，当其受潮或烘干时不会松懈；其表面略为毛糙，并不含有干扰水泥水化或与水泥水化物起作用而产生过度膨胀的组分；混凝土热膨胀系数取决于骨料的热膨胀系数，热膨胀系数小的骨料抗裂性能好。骨料的颗粒形状及表面光洁度对混凝土的砂率及用水量影响很大。

本次混凝土室内配合比试验用砂石骨料均为工地现场送样，经筛分分级为特大石(150mm-80mm)、大石(80mm-40mm)、中石(40mm-20mm)、小石(20mm-5mm)。

母岩的力学性能试验按照《水利水电工程岩石试验规程SL264-2001》钻孔取样，干、湿抗压强度值为三组试件的平均值(其中每组试件有3块岩石芯样)。

母岩的力学性能试验成果见表4，岩矿鉴定成果见表5。

表4 母岩力学性能试验成果

表5 岩矿鉴定成果报告

4.4 外加剂

混凝土掺用外加剂，其作用除了降低混凝土用水量，减少水泥用量，降低水化热外，重要的还是改善混凝土性能的作用，特别是在夏季高温季节，由于水分蒸发快，除了强缓凝外，还应加强层面的表面覆盖，减少表面水分蒸发，保证层面是塑性结合。

5 混凝土配合比设计

5.1 混凝土配合比研究思路

混凝土配合比的选择：从混凝土的强度、耐久性、抗渗性及层面结合强度考虑，其灰浆的强度必须满足最低要求，且尽可能富余些。但从降低坝体混凝土绝热温升，避免产生温度裂缝和经济性考虑应尽量减少水泥用量。这两方面的要求相互矛盾，需在配合比中通盘考虑，处理恰当。

为了满足混凝土各项性能要求，具体思路如下：

5.1.1 选择好的原材料

水泥：要求厂家提供热强比低、C3A含量低、C4AF含量高、MgO含量高、比表面积小的水泥，控制水泥早期发热量，以使混凝土温升低、抗压比高，抗裂性好。

粉煤灰：在有抗冻要求的部位，宜优选烧失量低的优质Ⅰ级粉煤灰，坝体内部混凝土从温升上考虑粉煤灰掺量可适当加大，从经济上考虑Ⅰ级和Ⅱ级粉煤灰均可选用。

砂子：对砂的品质要进行改善和调整，以满足混凝土施工要求。

石子：选择粒形好，级配合理的石子。

5.1.2 选择优的混凝土配合比

该工程需要试验的是大坝四级配混凝土，常态混凝土主要考虑其强度及抗裂性。

5.2 混凝土配合比配制强度的确定

根据《水工混凝土施工规范DL/T5144-2001》中“配合比选定”的有关要求，混凝土配制强度按下式计算：

fcu,0=fcu,k+tσ

(1)

式中：fcu,0为混凝土配制强度，MPa；fcu,k为混凝土设计龄期的强度标准值，MPa；t为概率度系数，根据保证率系数确定；σ为混凝土强度标准差。

6 混凝土配合比及其性能试验成果

6.1 混凝土抗冻耐久性

抗冻试验按照《水工混凝土试验规程DL/T5150-2001》中的规定，采用快冻法进行试验，当混凝土的相对动弹模量降至60%或重量损失达到5%时，认为混凝土已经冻融破坏，结束试验。

6.2 混凝土抗渗性

混凝土抗渗性，顾名思义，就是混凝土能够抵抗压力水的渗透能力。混凝土出现渗水，是因为其内部孔隙连通形成了渗水通道。而孔道出现，多受振捣密实度不够与裂缝因素影响。更多的是水泥浆环境，以多余水分蒸发形成的毛细孔，以及水泥浆因泌水而形成的孔道与骨料下截面聚积水隙。当混凝土的抗渗性不高，施工环境中的水分就会进入其内部。如混凝土施工环境为冰冻或是水中含有侵蚀物质，混凝土就会发生冰冻或是侵蚀渗透破坏问题。为解决此问题，相关技术人员应严格按照技术规范要求，采用逐级加压法对混凝土抗渗性能进行试验。经试验，混凝土达到预定水压力后，应稳压处理8h。如每组一共6个试件中4个没有出现表面渗水问题，即可判断为达到设计预期。只需卸下抗渗试件，劈开后对其渗水高度进行测量即可，具体试件高度应为150mm。

6.3 混凝土热学性能

水工建筑物的混凝土结构设计阶段，要想做好结构温度控制、以及因温度引发的应力与变形分析工作。需将混凝土热学性能作为重要资料内容，即混凝土导热系数、比热、热膨胀系数以及导温系数等。混凝土导热系数，是对比混凝土热量与温度梯度之间的关系，来确定混凝土传导热能的重要参数。比热的定义为单位质量物质温度每上升1℃时所需要的热量。混凝土的水灰比大，用水量大，比热也大。究其原因，与水热容量大有关。混凝土导温系数，从物理角度分析，即在单位时间内混凝土因温度变化产生热量的扩散情况。其数学表达式为：a=K/cρ(a为混凝土导温系数，K为混凝土导热系数，c为混凝土比热，ρ为混凝土密度)。热膨胀系数，混凝土受温度而发生的线性变化。其也被称为线膨胀系数，单位为1×10-6/℃。

混凝土绝热温升，则是指，绝热条件下混凝土中的水泥与掺合料等胶凝材料，经水化而出现的温度变化与最大温升值。具体试验设备借助JR-2绝热温升仪测定，温度跟踪精度为±0.1℃，试件尺寸为Ф400mm×400mm。运用此设备，可对混凝土进行全级配试验。时间方面，绝热温升试验，要经过28天，且运用最小二乘法拟合处理温升分析结果。

7 小 结

通过对台江县台雄水库工程大坝混凝土原材料及配合比试验研究成果，提出以下意见。

1)贵州大龙科特林水泥有限公司生产的复合硅酸盐32.5水泥满足国标《通用硅酸盐水泥GB175-2007》的要求。

同时，为进一步提高混凝土的耐久性、抗裂性能，在水泥各项指标要求上，根据水泥供应厂家的生产情况，建议提供本工程使用的水泥应尽可能满足以下几项指标要求：C3A<7.0%，C4AF>13%，C3S指标应尽量控制低，MgO≥2.5%，比表面积<360m2/kg，控制水泥早期发热量。

2)玉屏大龙电厂生产的粉煤灰，可达到《水工混凝土掺用粉煤灰技术规范DL/T5055-1996》Ⅱ级粉煤灰的标准。

3)贵州特普科技发展有限公司生产的GTA高效减水剂以及使用的DH-5型引气剂达到《混凝土外加剂GB8076-1997》中一等品的标准，可作为台雄水库用外加剂。减水剂在夏季应选用高温、强缓凝型，在冬季可使用普通型缓凝减水剂。

4)由于粗骨料的粒型不好，粉煤灰的需水量比偏高，导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，相应的胶凝材料总量也增加了20-40 kg/m3，甚至更多，因此在配合比选择上粉煤灰掺量略有增加，以控制水泥用量和混凝土早期发热量为主。

5)从坝体大体积混凝土配合比试验成果来看，混凝土配合比单位用水量偏高，混凝土胶凝材料较富裕；混凝土各项力学性能指标满足设计要求。

6)本次混凝土配合比试验成果满足本阶段设计对坝体混凝土配合比的要求，其推荐配合比见表12。

本次推荐混凝土配合比，须经使用现场大系统生产的砂石料进行试拌，做调整后使用。

8 四级配混凝土施工质量

台雄水库实际开工日期为2008年9月6日， 实际完工日期：2014年1月16日。施工期大坝C9020混凝土共取样243组，根据《水利水电工程施工质量检验与评定规程》(SL176-2007),普通混凝土试块试验数据统计方法C.O.1：n=243组≥30组，平均强度：R90=25.4Mpa，最大强度：Rmax=49.9Mpa，由：①最小强度：Rmin=17.8Mpa>0.85R标=0.85×20=17Mpa，②均方差σ=3.9Mpa，离差系数Cv=Sn/Rn=3.9/25.4=0.15<0.18，③保证系数t=(Rn-R标)/Sn=(25.4-20)/3.9=1.41，保证率p=94%>85%；根据统计结果，工程混凝土质量评定为合格。

9 结 论

1)采用四级配高掺粉煤灰的方法，可弥补砂石骨料针片状含量高、石粉含量偏低的缺陷；

2)四级配高掺粉煤灰混凝土较三级配高掺粉煤灰混凝土节约胶材近15%。

3)四级配高掺粉煤灰混凝土物理力学性能、抗渗性、抗冻性、热学性能等能满足现行规范要求，且混凝土坝体出现裂缝的几率很小。