面板混凝土配合比设计探讨

易永军 赵继成

（中国水电十五局科研设计院，陕西咸阳市 712000）

近几年随着面板堆石坝的快速发展，面板混凝土的防裂成为研究的关键课题。由于混凝土面板产生裂缝的原因是多方面的，出现了各种各样的模型计算和研究方法，面板混凝土由于其外形的几何尺寸和外部环境的作用容易出现横向收缩裂缝，混凝土配合比的选择也是其中主要因素之一。这里从原材料的控制入手，结合试验结果和抗裂分析，提出在各个阶段混凝土面板在防裂方面应注意的问题。减少面板裂缝产生的几率。

1 面板混凝土用原材料选择

混凝土原材料的质量,对其抗裂性能有较大影响,应严格控制。

(1)要降低混凝土绝热温升，就必须使用低水化热的水泥，降低混凝土水化热；因此在选择水泥厂家时，要考虑生产厂家的水泥矿物成份，严格控制铝酸三钙的含量，铝酸三钙水化速度最快、水化热最大，而且干缩变形也最大；其次水泥的品种和质量对面板混凝土的抗拉强度和极限拉伸有较大影响，因此除了水泥熟料的化学、矿物成分及物理力学性能应符合国家标准外,还应重视其膨胀性和碱含量。

(2)掺用性能较好的粉煤灰，特别是掺入Ⅰ级粉煤灰，可以降低单方混凝土的用水量，从而降低单方混凝土的水泥用量。并在满足规范要求和设计指标的前提下，在面板混凝土中掺用一定量的粉煤灰，降低水泥用量、改善混凝土热学性能和变形性能、减少混凝土收缩，从而使混凝土的内部温升得到控制，减小因温度变化产生的裂缝。

(3)砂石骨料的吸水率、含泥量对混凝土的收缩及抗拉性能有较大的影响，因此骨料应选用质地坚硬、清洁、级配良好的砂料，采用人工砂时，面板等薄壁结构用砂的石粉含量应控制在10%以内，从而减少因干缩变形引起的裂缝；选择适宜的砂率，增加混凝土的可施工性能。

(4)应用外加剂是节省水泥用量使用优质外加剂（减水剂、防裂剂等），改善混凝土和易性，降低混凝土单位用水量和能源消耗，降低混凝土干缩变形，提高混凝土性能的有效措施。外加剂已成为除水泥、骨料(砂、石)和水、掺和料以外混凝土的第五种必不可少的组成材料。

近几年我国的外加剂生产厂家较多，而且质量稳定性也有很大的波动，因此每个工程一般应选用2～3家、生产规模大、质量稳定、多个工程使用后 效果较好厂家的外加剂进行对比试验，依据试验结果选择1～2家、各项指标符合行业标准和国家标准的外加剂。

其次主要从掺高效减水剂、引气剂和防裂剂等来考虑。特别是最近几年以性能优良的聚羧酸盐减水剂，代替原来的萘系高效减水剂后，混凝土拌合物的塌落度损失较小，单方混凝土用水量也相对减小，从而达到减少单方混凝土胶凝材料用量的目的。

表1 积石峡混凝土配合比C25F200W12结果

(5)增强密实剂已在多个工程的面板混凝土中使用了混凝土增强密实（抗裂）剂、减缩剂等，面板混凝土的裂缝很少。2009年在青海积石峡水电站工程、2010年在湖北潘口面板堆石坝工程，面板配合比设计试验中，也掺加混凝土增强密实（抗裂）剂，根据目前现场面板裂缝情况看，掺混凝土增强密实剂效果很好。坝顶经溜槽至仓面的坍落度损失约为1～3cm，满足仓面混凝土3～5cm的要求。混凝土在溜槽中下滑顺利，入仓后易于振捣密实和收面工作。由于混凝土具有较好的施工性能，从而提高了面板混凝土的施工速度。

2 混凝土面板配合比设计及性能研究

目前国内面板混凝土防裂技术在配合比设计方面，主要有掺用聚丙烯纤维、钢钎维、防裂剂、增强密实剂、减缩剂等方法。由于混凝土面板系薄板结构，为了尽可能的减少混凝土裂缝的产生，在配合比设计时，应从以下几个方面进行考虑。

2.1 混凝土配合比设计方面

(1)根据混凝土的配制强度和水泥的强度等级、骨料特性，首先在保证使混凝土具有较高的抗拉强度和极限拉伸值的前提下，采用相应规范中的公式初步计算基准水胶比，参照工程技术条款要求和相应规范、规程中对混凝土的水胶比限制、以往同类型配合比设计研究的经验，确定出基准水胶比，然后采用系列配合比（一般最少采用三个水胶比）的设计方法，进行混凝土配合比设计试验研究工作。

表2 积石峡配合比C25F200W12试验结果汇总

(2)在面板配合比设计试验研究中，首先对所选的外加剂与工程中采用的水泥、掺合料进行适应性试验；其次除进行混凝土的常规试验外，还应增加在本地施工自然环境下的对比试验包括；混凝土热学、变形性能等试验项目，为混凝土的抗裂计算提供依据，主要试验项目有，不同掺和料掺量的混凝土的绝热温升、极限拉伸值、自生体积变形、干缩（湿胀）、线胀系数、静力抗压弹摸及必要时进行混凝土的徐变试验等。

(3)一些工程面板混凝土配合比设计中使用了混凝土增强密实（抗裂）剂，增强密实（抗裂）剂掺入，混凝土在变形性能方面有明显的优势，混凝土增强密实（抗裂）剂是一种提高混凝土抗裂及耐久性的外加剂，其主要特点是：通过促进水泥水化程度、优化水化产物、协同激发混凝土中活性混合料与Ca（OH）2进行二次水化结晶等作用，提高混凝土中凝胶量、降低孔隙率、改善级配和水泥石及其与骨料界面结构，增强凝胶的粘结力，使混凝土具有良好的抗裂和耐久性。这里是青海积石峡面板、湖北潘口面板配合比掺入增强密实剂前后混凝土配合比的力学、热学及变形性能的实测数据，见表1、表4。

表3 潘口混凝土配合比C25F150W12结果

表4 潘口试验配合比C25F150W12结果汇总

通过表1～4可以看出，掺入增强密实剂后，混凝土的抗压强度略有降低，但抗拉强度提高、极限拉伸值明显提高，混凝土的弹摸降低，混凝土干缩和自生体积变形性能明显减小。

2.2 混凝土抗裂能力分析

混凝土的抗裂性能是混凝土的一项综合指标，与抗拉强度、极限拉伸变形能力、抗拉弹性模量、自生体积变形和干缩、混凝土的绝热温升、徐变度、热学性能等有关。根据混凝土力学、变形和热学性能试验结果，对初选的混凝土配合比进行抗裂性综合分析，推荐出施工混凝土配合比。

在进行混凝土的抗裂分析时，没有一个直接的物理参数能够完全表征混凝土材料的抗裂性，这里提出两种分析方法，供参考。

2.2.1 第一种抗裂分析方法

采用极限抗拉强度、热强比、抗裂系数等指标，从不同的侧面反映混凝土的抗裂性能。

（1）极限抗拉强度。在大坝温度控制设计中，最直观的评价是以混凝土的抗拉强度作为抗裂能力的评价。极限抗拉强度与极限拉伸变形成正比，极限拉伸变形越大，抗裂性能越好。

（2）热强比。在某一龄期时每立方米混凝土的发热量与抗拉强度之比，热强比越低混凝土的抗裂性越好。

（3）抗裂系数。混凝土的抗裂系数越大，混凝土的抗裂性越好。

（4）面板配合比抗裂计算实例。

采用以上三个指标和表4中的数据，对青海积石峡水电站工程的面板配合比成果进行了计算。从计算结果看，掺入增强密实剂后，混凝土的极限抗拉强度平均提高了20%以上；热强比平均降低了8%；抗裂系数较未掺增密剂增加了25%以上。通过以上数据分析可以看出，掺增强密实剂的混凝土的抗裂性能优于未掺的增强密实剂的混凝土。

2.2.2 混凝土抗裂指数分析法

混凝土抗裂指数大于等于1时，表明混凝土自身应变能力可抵抗在所处环境中混凝土的收缩应变，但也应注意保温、保湿或内部温控等措施；混凝土抗裂指数小于1时，则提示需加强保温、保湿或内部温控等措施，预防混凝土面板开裂。

影响混凝土抗裂指数的主要有开裂应力系数、温差控制系数、湿度保证系数、混凝土表面温度变化计算值及混凝土抗拉强度、轴拉弹摸、混凝土徐变度、自生体积变形、线胀系数、绝热温升、干缩变形等试验指标。

3 配合比在施工中的应用控制

积石峡水电站面板混凝土施工采用具有良好抗裂性能的防裂混凝土技术，使面板取得预期的防裂效果，现场良好的施工质量是重要的保证。现场管理严格，精心施工，特别控制好了配制、浇筑和养护等各个环节，切实把好了面板混凝土施工质量关。

为了确保面板混凝土的施工质量，除了应遵守普通混凝土施工的有关规定以外，针对掺加防裂剂、聚羧酸类材料混凝土的特点，还应特别注意以下事项。

（1）面板使用的原材料，要满足规范及设计技术要求，主要是粗细骨料的质量要保证。

（2）由于面板系薄板结构，成品混凝土稍不均匀，就会造成面板物理力学性能的差异，而影响面板的整体质量甚至出现局部应力集中而产生裂缝，因此，混凝土的配料和拌合，要求严格按规程执行。配料计量要精准，各种计量器具要按时检定，特别是外加剂、水泥和用水量更要严格控制。

（3）由于面板混凝土不泌水，当气温较高、混凝土凝结时间缩短时，应及时进行抹面和整修作业。增加面板二次压面作业，以提高防裂效果。

（4）为了充分发挥防裂混凝土的效果，混凝土浇筑后的适时、充分保湿养护十分重要。面板浇筑后，初凝前覆盖塑料薄膜，初凝后去掉塑料薄膜（塑料薄膜可覆盖在保温层上方）覆盖草袋洒水养护（整块面板无论表面、侧面均需覆盖洒水养护），养护时间不少于90天，有条件最好能保湿养护至水库蓄水。

4 结 语

混凝土面板堆石坝设计理论的进一步完善和施工技术的逐步提高，混凝土面板产生裂缝的因素是多种多样的。在面板整个施工阶段和后期养生阶段都应进行有效控制。笔者仅从面板混凝土配合比设计角度来考虑，即严把原材料选择关、选用新型的防裂型外加剂，使配合比在满足各种指标要求的前提下，可施工性能良好；选用高性能和保塌性好的减水剂，降低混凝土出机口塌落度，采用中（低）热水泥，已降低水泥水化热及水泥碱含量，达到降低混凝土内绝热温升的目的。只要将面板裂缝控制作为一个系统性工程加以考虑，面板混凝土的裂缝是完全可以控制和防止的。