抗冲耐磨混凝土在福建洪口水电站工程的应用

邢兰英

（中国华电集团公司福建分公司，福建 福州 350013）

1 工程概况

洪口水电站位于福建宁德市洪口乡境内的霍童溪干流上，坝址控制流域面积1 701 km2，水库总库容4.497亿m3，装机容量200 MW。拦河坝为碾压混凝土重力坝，最大坝高130 m，坝顶中部设4孔单孔宽15 m的开敞式溢流表孔，设计洪水最大下泄流量9 140 m3/s。

洪口水电站溢洪道过流流速较大、空化数较低，高速水流问题较突出。流速一般在40 m/s左右、最大达43 m/s；陡槽段和反弧段部分水流空化数较低，在校核、设计工况及当闸门开启3 m以上时，空化数多数小于0.3。过流面混凝土的抗冲耐磨能力对确保溢洪道安全泄洪十分重要，开展抗冲耐磨混凝土的专项研究试验是必要的。

2 抗冲耐磨混凝土试验研究

2.1 抗冲耐磨混凝土设计要求及研究技术路线

设计单位根据结构计算和水工模型试验，要求洪口水电站溢洪道陡坡段溢流面混凝土为C25 W6 F100常态混凝土，反弧段溢流面混凝土为常态C30 W6 F100抗冲耐磨混凝土。

抗冲耐磨混凝土试验研究的工作依据为：DL/T 5207-2005《水工建筑物抗冲磨防空蚀混凝土技术规范》；DL 5108-1999、SL 319-2005《混凝土重力坝设计规范》；DL/T 5151-2001《水工混凝土砂石骨料试验规程》；DL/T 5150-2001《水工混凝土试验规程》；DL/T 5193-2004《环氧树脂砂浆技术规程》。

研究工作考虑目前抗冲磨材料的发展及其优缺点，结合工程实际，拟选HF抗冲磨混凝土作为研究重点，并进行其它高性能混凝土、硅粉混凝土、多元（凝胶）粉体混凝土及NE-II型环氧砂浆的对比试验研究，综合比较其技术性和经济性，从中优选方案，推荐抗冲磨混凝土方案，提供用于指导施工的抗冲磨混凝土配合比。

2.2 试验用主要原材料及性能

（1）水泥：采用福建富屯水泥有限公司生产的“万年青”P.O 42.5R水泥，水泥的不溶物含量为16.18%，碱含量为1.03%。28 d抗压强度49.0 MPa；标准稠度用水量27.6。

（2）粉煤灰：采用邵武华英粉煤灰有限公司生产的“富屯”II级灰，细度5.6%，烧失量7.7%，活性指数 86.0%，SiO2含量 56.11%，MgO 含量 1.55%，Al2O3含量25.82%。

（3）骨料：选用本工程大坝混凝土所使用的天然砂石料，砂细度模数为3.1，干密度为2.57 g/cm3、吸水率为2.1%。

（4）减水剂：利用江苏博特新材料有限公司研发生产的JM-II缓凝高效减水剂，在掺粉剂0.6%（推荐掺量）时减水率为15.1%，3 d、7 d、28 d抗压强度比分别为142%、145%和128%。

（5）其它外加剂：选用甘肃省电力科学研究院研制的HF高强耐磨粉煤灰混凝土专用外加剂，掺2.5%时减水率为29.2%，3 d、7 d、28 d抗压强度比分别为228%、187%和178%。

2.3 抗冲耐磨混凝土配合比设计

2.3.1 室内试验成果

采用相同水泥用量、不同粉煤灰用量（序号1～3），相同胶凝材料总量、不同粉煤灰掺量（序号3～5），复合掺硅粉（8%）或矿渣（20%）的多元凝胶粉体（序号6～10）等组合混凝土进行试验，试验成果见表1、图1和图2。

表1 混凝土室内试验成果汇总表Table 1:Laboratory result of the concrete

图1 混凝土强度与水胶比关系曲线图Fig.1 Relation between concrete strength and water-binder ratio

图表数据表明：HF外加剂有很好的减水效果，对抗压强度增强效果明显（掺HF外加剂时混凝土用水量仅约102 kg/m3，而掺其它普通减水剂，经验用水量约120 kg/m3）；粉煤灰掺量在18%左右时，HF激发粉煤灰活性效果较好；水胶比、胶凝材料总量不变，粉煤灰掺量在一定范围内变化时，抗压强度变化较小；复合掺入矿渣或硅粉，在粉煤灰掺量小时其抗压强度有一定程度增加；在粉煤灰掺量大时抗压HF混凝土是合

图2 混凝土强度与水泥用量关系曲线图Fig.2 Relation between concrete strength and cement content

2.3.2 配合比参数调整

为了取得除抗压强度外的良好的抗冲磨性能，按有关规范和工程经验（高流速区的溢流面混凝土等级多数取C40以上），结合室内试验成果、混凝土和易性、本工程的施工工艺等因素，对拟配制的混凝土的配合比参数进行了调整，水泥用量宜调整至250～270 kg/m3左右，粉煤灰掺量取16%左右，砂率为32%～34%为宜。调整后再进行5种方案的抗冲耐磨混凝土配合比计算，并进行二次试拌与调整。

2.3.3 配合比设计

根据二次试拌情况，拟选5种方案的抗冲耐磨混凝土（5种方案详见表2）分别进行抗压强度、抗冲磨强度、磨损率、抗压弹模、抗渗等级、轴拉强度、极限拉伸值、干缩变形、性能等对比试验，在配合比设计时混凝土强度保证率取95%。

2.4 抗冲耐磨混凝土试验成果

2.4.1 抗冲耐磨混凝土拌和物物理性能

实验室对抗冲耐磨混凝土拌和物进行了凝结时间、坍落、泌水率凝结时间等试验，成果见表3及图3。

表2 抗冲耐磨混凝土设计配合比方案Table 2:Designed mix proportion of the abrasion-resistant concrete

表3 混凝土拌和物物理性能Table 3:Physical properties of the concrete mixture

图3 混凝土拌和物坍落度损失过程图Fig.3 Slump loss of the concrete mixture

2.4.2 抗冲耐磨混凝土力学性能

（1）物理力学性能：5种方案的抗冲耐磨混凝土物理力学试验结果详见表4。试验表明（28 d），胶凝材料总量一定情况下，JM-II高性能基准混凝土的抗压强度相对较低，为45.3 MPa；HF混凝土和硅粉混凝土抗压强度相当，约55 MPa，约是基准混凝土的1.2倍；同时掺粉煤灰和硅粉的多元粉体抗冲耐磨混凝土的抗压强度最高，为58.2 MPa。

（2）变形性能：几种抗冲耐磨混凝土的60 d干缩值基本在260×10-6～330×10-6之间，其中硅粉混凝土干缩值相对大一些，达330×10-6；其它干缩值接近，约270×10-6；HF混凝土14 d干缩值仅为硅粉混凝土的65%，28 d干缩值约为硅粉混凝土的77%，60 d干缩值（268×10-6）为硅粉混凝土的81%，见图4。

表4 抗冲耐磨混凝土物理力学试验结果（28 d）Table 4:Physical and mechanical properties of the abrasion-resistant concrete(28 d)

图4 混凝土干缩曲线图Fig. 4 Graph of drying shrinkage of the concrete

（3）绝热温升：试验表明HF混凝土（HF-1）的绝热温升值（60 d）为33℃，其他各组混凝土的绝热温升值（60 d）为32℃～34℃。

（4）抗冲耐磨性能：进行了5种方案的抗冲耐磨混凝土和NE-II型环氧砂浆的抗冲耐磨对比试验研究。试验采用水下钢球法，试验设备为GB-YX混凝土抗冲耐磨仪，转轴转速1 200 r/min。试件尺寸为ϕ300 mm×100 mm，饱和试件累计冲磨72 h后测试抗冲耐磨强度和磨损率。试验结果表明，从抗冲耐磨试验结果来看，掺JM高效减水剂的基准高性能混凝土的抗冲耐磨性能相对差，掺硅粉混凝土（同时掺JM高效减水剂）的抗冲耐磨性能也不太理想，掺HF混凝土及掺HF的多元粉体混凝土的抗冲耐磨性能较好，而用NE-II型环氧砂浆质变抹面（厚1 cm）的抗冲耐磨能力强，磨损量极小，表面平整如初，抗冲耐磨性能最好。试验成果见表5、图5。

2.5 试验研究成果分析及方案选择

2.5.1 试验研究成果分析

对上述5种混凝土拌和物性能、物理力学性能、干缩变形性能、抗冲耐磨性能等试验数据对比分析表明：

（1）上述混凝土均具较好的抗磨及抗空蚀性能，胶材结构致密坚硬、骨料硬度大，骨料与胶材之间结合好；整体强度高，要求干缩性小、水化温升小、抗拉强度和极限拉伸值较高。

表5 混凝抗冲耐磨试验成果表（28 d）Table 5:Result of abrasion resistance test(28 d)

图5 混凝土抗冲耐磨强度与抗压强度关系曲线图Fig.5 Relation between abrasion resistance and compressive strength

（2）HF混凝土的抗冲耐磨性能相对较好，其它各项指标较优；HF外加剂有很好的减水、增强效果，在粉煤灰掺量18%左右时HF激发粉煤灰活性效果最好；掺HF外加剂的混凝土拌和物比较粘，有缓慢自流动现象，自密实、和易性好，对过流面容易达到设计要求的平整度，混凝土质量易于控制；HF混凝土的配置不需另掺入其它外加剂，施工也简单、对节省混凝土造价有利。

2.5.2 方案选择

从经济上分析，初步测算洪口水电站工程使用硅粉混凝土需增加费用约为140元/m3，HF混凝土需增加约60元/m3，多元粉体混凝土需增加约160元/m3，由此可见，使用HF混凝土造价最为经济。

综合技术经济分析结果，洪口工程采用HF混凝土方案是所研究几种抗冲耐磨材料中的最优方案。

3 工程应用

3.1 施工配合比

根据试验研究结果，洪口工程施工前进行了多次现场浇筑试验，对设计配合比进行了优化，得到表6所示C50抗冲耐磨混凝土施工配合比。

3.2 工程应用情况

根据项目试验研究成果，设计对洪口水电站溢流面及导墙迎水面表层的抗冲耐磨混凝土标号及其它参数进行调整和优化：陡槽及反弧段面层混凝土（桩号坝下0+051.471～坝下0+105.8）由原设计C30耐磨、防冲常态混凝土（28 d W6 F100厚1.0 m）改为C50 HF抗冲耐磨混凝土（90 d W6 F100、厚0.8 m）；溢流面抗磨层下部混凝土由原设计C25常态混凝土（28 d W6F100）改为C35常态混凝土（90 d W6 F100）；导墙迎水面表层混凝土（坝下0+051.471～坝下 0+105.8）由原设计 C30 常态混凝土（28 d W6 F100、厚1.0 m）改为C50 HF 抗冲耐磨混凝土（90 d W6 F100、厚0.8 m）。共浇筑HF抗冲耐磨混凝土1.5万 m3。

表6 C50 HF抗冲磨混凝土施工配合比Table 6:Mix proportion of the C50 HF abrasion-resistant concrete in construction

4 结 语

洪口水电站碾压混凝土重力坝溢洪道反弧段流速大、对混凝土的抗冲耐磨性能要求高，采用经试验研究所配制的HF混凝土具有抗冲耐磨及抗压强度高、干缩值小、自密实性能好、造价低、施工方便等特点，且干缩性、经济性、实用性等性能指标优于硅粉混凝土。2008年下闸蓄水后经泄洪考验，溢流面表面光滑平整、无任何损坏。

洪口水电站溢洪道采用HF抗冲耐磨混凝土是在福建水电工程上的首次应用，其技术可行性和良好的经济性使得该材料具有良好的应用价值，可广泛应用于有溢洪道、泄洪洞等承受高速水流冲磨部位的在建项目和除险加固项目。该项研究获2008年福建省水利水电科技成果三等奖。

由于洪口水电站工程投运以来未经历大洪水的考验，HF抗冲耐磨混凝土工程尚有待进一步考验。