北疆严寒地区某双曲拱坝混凝土配合比实验研究

朱国建 李 新

(新疆额尔齐斯河流域开发工程建设管理局 乌鲁木齐 830000)

1 概述

北疆某水库总库容2.22亿m3，属大(2)型Ⅱ等工程，大坝为常态混凝土双曲拱坝，最大坝高94m，混凝土总方量为31.16万m3。坝址区多年平均气温5℃，极端最高气温39.4℃，极端最低气温－41.2℃;最大积雪深46cm，最大冻土深127cm，属大陆性北温及寒温带气候。呈现出空气干燥、年气温差较悬殊、寒潮次数多、日温差大等气候特点，对筑坝混凝土材料提出了很高要求。因此，提高大坝混凝土抗冻耐久性、高抗渗性和抗裂性是保证工程质量的关键。

2 设计指标

该大坝混凝土材料分区见图1，混凝土双曲拱坝每隔15m设置一条横缝，共分为21个坝段，不设纵缝通仓浇筑。坝体各部位混凝土设计指标见表1。

图1 拱坝材料分区示意图

表1 大坝各部位混凝土配制强度及设计要求

3 实验研究方案

大坝混凝土的主要控制指标为“强度、抗渗、抗冻、抗裂”，抗冲磨混凝土还提出“抗冲磨、抗空蚀”要求。严寒地区水工大体积混凝土强度要求水胶比不宜过大，掺合材比例和胶材用量应适宜;混凝土耐久性与含气量、强度等级有较好的相关性，特别是目前工程界提倡的混凝土高性能化要求对抗冻和含气量指标提出了更严格要求，因此混凝土含气量不能低;混凝土抗裂性能要求尽量降低水泥用量和用水量，适当增加掺合材用量以减少混凝土发热量和收缩变形，同时还应保证混凝土的极限拉伸方面的变形能力。而抗冲磨、抗空蚀方面主要要求混凝土高强度、较低掺合材用量比例以及相应施工工艺。因此，大坝混凝土配合比设计试验的技术路线为:双掺减水剂和引气剂、高掺粉煤灰、低水胶比、较低用水量、高含气、较低坍落度控制，达到适宜强度、较好施工性、高性能化和较好抗裂的目的。实验方案拟定试验的水胶比变化为0.38、0.43和0.48，胶材总量中粉煤灰掺量变化为35%、45%和55%。试验采用三级配混凝土进行不同水胶比、不同胶材组合的试验。再参照三级配试验结果选定四级配的水胶比、掺合料掺量进行试验。

2009年7月中旬，配合比试验自开始进行。考虑90天设计龄期、抗冻等级F300约需时50天(若F400则需65天)，为了加快进度、节约时间，首先开展原材料主要指标检测，特别是细度、级配、吸水性、密度、空隙等检测，在此基础上进行了骨料级配混合比例选择试验和用水量、砂率调试选择试验;结合调试拌和情况，从8月起开展三级配各水胶比、粉煤灰掺量的强度、极拉、弹模、抗冻、抗渗等关系成型试验;从9月起根据早期强度和其他工程参数规律初选了四级配、三级配混凝土配合比参数进行调试试验。

4 混凝土配合比实验

4.1 三级配混凝土比例参数试验

混凝土比例参数试验采用三级配进行试验，水胶比选择0.38、0.43、0.48三组，粉煤灰掺量选择35%、45%、55%三组，实验参数见表2。混凝土拌和物出机后约30min按坍落度30～60mm、含气量4.5% ～5.5%控制，骨料比例 20∶30∶50。

试验原材料为:P.Ⅰ42.5型硅酸盐水泥，5～20mm小碎石，20～40mm混合石，40～80mm天然卵石，天然砂40%与人工砂60%的混合砂，细度模数2.65，外加剂NF—2型缓凝高效减水剂和PMS—NEA3型引气剂，具体试验参数见表2。三级配混凝土水胶比与抗压强度关系曲线见图2，三级配混凝土粉煤灰掺量与抗压强度关系曲线见图3。

表2 大坝混凝土三级配水胶比、胶材组合关系试验参数

图2 三级配混凝土水胶比与抗压强度关系曲线

图3 三级配混凝土粉煤灰掺量与抗压强度关系曲线

实验表明:凝结时间随粉煤灰掺量、出机坍落度和含气量情况有一定变化，但均大于14h。水胶比0.38与0.43时，混凝土28天和90天抗压强度变化不大，0.48水胶比的混凝土28天和90天抗压强度下降明显。水胶比越小，混凝土强度发展越快，后期强度增长幅度越小。拌和物试验结果表明:所测结果符合配合比设计控制目标。

各组试验参数90天劈拉强度和轴心抗拉强度均大于2.0MPa，弹模适中，90天极限拉伸值均在85×10－4以上。

各组试验参数的28天和90天、180天龄期抗渗均满足W10要求，粉煤灰掺量35%和45%时渗水高度较小，而粉煤灰掺量55%时渗水高度较大。各组试验参数抗冻成果均达到F400级要求，说明水胶比0.38～0.48、粉煤灰掺35% ～45%、含气量4.5% ～5.5%范围时，可以满足耐久性和强度要求。这与其他工程研究成果有一定差异，充分说明含气量在抗冻中起到了关键作用。

4.2 三级配混凝土配合比试验

《水工混凝土施工规范》(DL/T 5122—2001)规定:严寒地区坝体外部水位变化区最大水胶比为0.45，严寒地区坝体外部其他高程部位最大水胶比0.50，有环境水侵蚀时水胶比应减小0.05;《水工混凝土掺用粉煤灰技术规范》(DL/T 5055—2007)规定:严寒地区采用硅酸盐水泥，外部混凝土粉煤灰最大掺量45%。根据设计和规范要求结合三级配水胶比、胶材组合关系试验成果，初步选定的三级配混凝土配合比试验成果表明:混凝土各项指标满足设计要求。力学与变形性能实验成果见表3。

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4.3 四级配混凝土配合比试验

参照三级配水胶比、胶材组合关系试验情况，结合掺粉煤灰胶砂试验结果和其他工程配合比参数，四级配混凝土按掺45%粉煤灰设计。四级配混凝土配合比试验结果表明:混凝土拌和物出机后约30min坍落度在30～60mm左右，含气量在5.0% ～5.5%，绝热温升值在24～26℃，成型试件的各项混凝土性能指标均满足设计要求。力学与变形性能实验成果见表4。

4.4 抗冲磨混凝土配合比试验

抗冲磨混凝土的抗冲磨要求，规范中未规定控制指标，一般强度高的混凝土抗冲磨性能较好。抗冲蚀要求主要体现在施工工艺上，要求混凝土表面平整无气孔、避免空蚀。本工程抗冲磨混凝土设计指标为28天龄期C40W6F300级三级配混凝土，试验成果表明:水胶比0.28、粉煤灰掺量20%的抗冲磨混凝土配合比28天各项指标均满足设计施工要求。力学与变形性能实验成果见表5。

4.6 推荐配合比

根据上述试验成果，推荐的某水库大坝混凝土施工基本配合比见表6。

5 结语

a.实验表明:NF—2型缓凝高效减水剂和PMS—NEA3型引气剂与本工程材料(特别是水泥)适应性较好，满足施工使用要求，FDN型缓凝高效减水剂和AER型引气剂性能与其相当，未发现不良反应，由于试验任务紧，未进行大范围试验。如需更换外加剂品种，建议在正式施工材料生产后进行复核试验。

b.本次配合比试验时间紧、任务重，为及早提出可行的配合比参数，边进行原材料检测边进行配合比设计试验，仅按计划完成了掺粉煤灰的一整套混凝土配合比试验。根据试验成果，推荐的混凝土配合比各项指标满足设计施工要求。

c.配合比高性能化的设计要求，决定了混凝土含气量是关键控制参数，试验成果也反应了这个问题，成型含气量4.5%～5.5%时可满足F400以上抗冻要求。施工中必须严格控制混凝土含气量，出机混凝土测值可略大，现场入仓施工时(出机约30min)F200混凝土含气量按4% ～5%控制、F300混凝土按4.5% ～5.5%控制、F400混凝土按5% ～5.5%控制，引气剂掺量根据含气量要求调整。