混凝土面板堆石坝面板混凝土配合比优化设计*

宫经伟，李双喜，葛毅雄，何建新，凤家骥

(新疆农业大学水利与土木工程学院，新疆 乌鲁木齐830052)

面板是混凝土面板堆石坝的防渗体，由于面板混凝土自身特点及工作条件，极易产生有害性裂缝，有害性裂缝是影响混凝土面板的耐久性和大坝安全性的重要因素［1－2］。控制混凝土早龄期裂缝的产生对控制混凝土有害裂缝的产生、发展是至关重要的［3］。混凝土早期裂缝主要有塑性沉降裂缝、塑性收缩裂缝、水化收缩及自身干缩裂缝［4］。因此面板混凝土不仅要有一定的强度，还要具有较强的抗裂能力和较高的抗渗、抗冻融性能。大量研究表明［5－6］:提高混凝土自身抗裂能力主要是提高其抗拉强度和极限拉伸值，而优化混凝土配比、矿物掺合料和外加剂对改善面板混凝土的早期抗裂性能以及耐久性均有较好的效果。

肯斯瓦特水利枢纽工程是流域规划推荐的一期工程，具有防洪、灌溉、发电等综合利用功能。枢纽工程由混凝土面板砂砾石坝、坝肩式溢洪道、泄洪冲砂洞、发电系统等组成。水库正常蓄水位990m，最大坝高129.4m，总库容1.88 亿m3，控制灌溉面积316.30 万亩，电站装机容量100MW，设计年发电量2.723 亿千瓦时，属大(2)型II 等工程。本文针对该工程二期面板混凝土，在前期面板混凝土配合比研究基础上［7］，确定粉煤灰掺量、增密剂掺量为两个试验因素，采用在正交试验方案，以抗压强度、轴向抗拉强度、极限拉伸值、抗拉弹性模量、单位面积上的总开裂面积为考核指标，对二期面板混凝土配合比展开试验研究，使面板混凝土不仅具有较好的施工性能，还具有较强的抗裂性能及抗冻、抗渗等耐久性能。优化后的混凝土配合比在现场施工后，面板混凝土裂缝明显减少。

1 试验原材料

肯斯瓦特二期面板混凝土的主要技术要求见表1。试验用原材料为:(1)水泥:选用屯河水泥股份有限公司(沙湾)产屯河P.O 42.5 水泥，其物理力学性能见表2。(2)粉煤灰:玛纳斯电厂Ⅰ级粉煤灰，需水量比95%。(3)细骨料:肯斯瓦特料场中砂，含泥量0.9%，细度模数为2.7。(4)粗骨料:肯斯瓦特料场5mm～20mm 和20mm～40mm 连续级配卵石。由试验确定小石(5mm～20mm)与中石(20mm～40mm)质量比为45:55。(5)外加剂:高效减水剂和引气剂采用株洲中铁桥梁外加剂有限责任公司生产的萘系高效减水剂和引气剂，增密剂采用武汉某公司生产的增密剂。(6)水:实验室自来水。

表1 面板混凝土的技术要求

表2 屯河P.O42.5 水泥性能指标

2 混凝土配合比试验方案

由前期配合比设计试验研究成果，综合分析可知，当水胶比取0.34 时，混凝土的抗压强度、抗折强度、劈裂强度等力学性能指标均达较高值，可满足面板混凝土设计的力学性能要求，其抗渗、抗冻等耐久性估计也能满足设计要求。与国内和疆内类似混凝土相比较，该水胶比的取值是适宜的。但就混凝土抗裂性能而言，除水胶比因素外，混凝土中粉煤灰掺量、增密剂掺量等因素均有一定的影响，本研究采用正交设计方法，进一步通过试验研究，探索规律，确定出合理的掺量，以使配制的混凝土具有较好的抗裂性能。

确定粉煤灰掺量、增密剂掺量为2 个试验因素，根据前期试验成果，对2 个试验因素各选2 个水平，选择L4(23)正交表来安排试验方案，如表3 所示。

表3 L4(23)试验方案

3 混凝土配合比试验

3.1 混凝土拌合物试验

按《水工混凝土试验规程》SL352－2006 的有关规定进行，经试拌调整后的混凝土配合比见表4。混凝土拌合物技术性能见表5。

表4 推荐配合比

表5 混凝土拌合物的技术性能

由试验观察到:掺入增密剂的混凝土拌合物(Ks－2 组、Ks－4 组)的黏聚性优于掺入增密剂的混凝土拌合物(Ks－1 组、Ks－3 组)的黏聚性，混凝土拌合物中各种物料分布均匀、不泌水、不离析、结构粘度大

3.2 硬化混凝土的试验

(1)混凝土抗压强度试验 按《水工混凝土试验规程》SL352－ 2006 的有关规定进行，试验结果见表9。

(2)混凝土轴向拉伸试验 按照《水工混凝土试验规程》SL352－2006 的有关规定进行混凝土轴向拉伸试验，试验结果见表9。

(3)混凝土抗裂试验 按照《普通混凝土长期性能和耐久性试验方法标准》GB/T50082－2009 规定，以单位面积上的总开裂面积为考核指标，比较粉煤灰掺量和增密剂掺量对相同水胶比条件下混凝土早期抗裂性能的影响，试验结果见表6。

表6 混凝土抗裂试验结果

(4)混凝土抗渗、抗冻性能试验

按照《水工混凝土试验规程》SL352－2006 的有关规定进行混凝土抗渗和抗冻试验，试验结果见表7 和表8。

表7 混凝土抗渗试验结果

表8 混凝土抗冻试验结果

4 混凝土试验结果分析

对混凝土正交设计试验方案的试验结果，以3d、7d 和28d 龄期的抗压强度、7d 和28d 龄期轴向抗拉强度、7d 和28d 龄期极限拉伸值、7d 和28d 龄期抗拉弹性模量以及单位面积上总开裂面积等为考核指标，分别进行极差分析和方差分析。

4.1 极差分析

极差分析结果如表9 所示，由此可以得出:

(1)以抗压强度为考核指标，粉煤灰掺量和增密剂掺量两因素对各龄期抗压强度都稍有影响，主次相当。其中7d 龄期抗压强度对粉煤灰掺量较为敏感，粉煤灰掺量大，7d 龄期抗压强度较高;3d 龄期抗压强度随两掺量的增加而降低;28d 龄期抗压强度随两掺量的增加而提高。3d、7d、28d 龄期抗压强度的试验误差估计值分别为:0.3MPa、0.1MPa 和1.0MPa。

(2)以轴向抗拉强度为考核指标，粉煤灰掺量和增密剂掺量两因素对各龄期轴向抗拉强度影响不大。对7d 龄期混凝土轴向抗拉强度而言:两因素影响程度相当;随着粉煤灰掺量、增密剂掺量的增加，轴向抗拉强度降低;对28d 龄期混凝土轴向抗拉强度而言:粉煤灰掺量的影响程度大于增密剂掺量的影响程度，随粉煤灰掺量、增密剂掺量的增加，轴向抗拉强度提高。7d、28d 龄期混凝土轴向抗拉强度的试验误差估计值分别为:0.10MPa、0.17MPa。

表9 试验极差分析计算表

(3)以极限拉伸值为考核指标，两因素对7d 龄期混凝土极限拉伸值的影响程度相当，随粉煤灰掺量、增密剂掺量的增加，7d 龄期混凝土极限拉伸值减小;对28d 龄期混凝土极限拉伸值而言:增密剂掺量的影响大于粉煤灰掺量的影响，随增密剂掺量的增加，28d 龄期混凝土极限拉伸值增大，随粉煤灰掺量的变化，28d龄期混凝土极限拉伸值变化甚微。7d、28d 龄期混凝土极限拉伸值的试验误差估计值分别为:11.4 ×10－6、3.65 ×10－6。

(4)以抗拉弹性模量为考核指标，两因素对7d 龄期混凝土的抗拉弹性模量的影响程度相当，随粉煤灰掺量、增密剂掺量的增加，7d 龄期混凝土抗拉弹性模量增大;对28d 龄期混凝土抗拉弹性模量而言:增密剂掺量的影响大于粉煤灰掺量的影响，随增密剂掺量的增加，28d 龄期混凝土抗拉弹性模量增大，随粉煤灰掺量的变化，28d 龄期混凝土抗拉弹性模量变化不大。7d、28d 龄期混凝土抗拉弹性模量的试验误差估计值分别为:2.65GPa、0.25GPa。

(5)以单位面积上的总开裂面积为考核指标，粉煤灰掺量对其的影响明显大于增密剂掺量的影响。随粉煤灰掺量的增加，单位面积上的总开裂面积减少;是否掺加增密剂对单位面积上的总开裂面积影响甚微。单位面积上的总开裂面积的试验误差估计值为36mm2/mm2。

4.2 方差分析

方差分析结果见表11 所示，由方差分析结果得出:

(1)粉煤灰掺量对7d 龄期混凝土抗压强度有特别显著影响，掺量增大，强度提高，看不出粉煤灰掺量对其余测定的力学指标和早龄期混凝土抗裂指标有较大的影响。

(2)增密剂掺量对7d 龄期混凝土抗压强度有特别显著影响，掺量增大，混凝土强度下降;增密剂掺量对28d 龄期混凝土抗拉弹性模量有显著影响，掺量增大，混凝土抗拉弹性模量增大;看不出增密剂对其余测定的力学指标和早龄期混凝土抗裂指标有较大的影响。

表10 试验误差表

(3)各项考核指标的试验误差如表10 所示，其中，各龄期抗压强度、7d 龄期轴向抗拉强度、28d 龄期极限拉伸值、28d 龄期抗拉弹性模量等的试验水平为优良;28d 龄期轴向抗拉强度、7d 龄期抗拉弹性模量等的试验水平为一般;7d 龄期极限拉伸值、单位面积上的总开裂面积的试验水平不良。

表11 方差分析表

5 结 论

(1)4 个试验组混凝土的抗压强度都达到C30 强度等级的要求。其中2#(Ks－2)试验组的28d 龄期抗压强度值最高，达到45.4MPa。虽然该试验组3d 龄期抗压强度值最低，但是随着龄期的增长，粉煤灰的火山灰作用的发挥，强度发展速率递增较快，致使混凝土抗压强度在28d 龄期时跃居4 个试验组前列。

(2)4 个试验组混凝土的28d 龄期的极限拉伸值均大于85 ×10－6。其中2#(Ks－2)试验组的28d 龄期极限拉伸值最大，达到98.5 ×10－6。

(3)4 个试验组混凝土的早龄期抗裂性能都很好，单位面积上的总开裂面积都＜100mm2/m2，达到L－Ⅴ等级。其中2#(Ks－2)试验组混凝土单位面积上的总开裂面积仅为3 mm2/m2，表明该混凝土早龄期抗裂性能较好，这是掺入占胶凝材料用量的25%的粉煤灰和2%的增密剂共同作用的效果，粉煤灰的抗裂作用尤为明显。

(4)4 个试验组混凝土的抗渗、抗冻耐久性能试验结果都满足混凝土面板设计技术的要求，抗渗等级大于W12，抗冻等级大于F300。

(5)增密剂作用的诠释:由试验观察到掺入增密剂的混凝土拌合物的黏聚性大大改善，混凝土拌合物中各种物料分布均匀、不泌水、不离析、结构粘度大，这样的混凝土拌合物不仅便于使用溜槽输送，而且不易发生塑性沉降开裂。试验结果表明，增密剂具有较强的增稠作用和保水作用，这些作用减慢了混凝土内部水分蒸发速度，也阻滞了水分迁移，混凝土因失水产生塑性收缩的现象得以缓解，因此塑性收缩开裂的几率降低;保水作用增加了水泥石毛细孔中的自由水，缓解了混凝土内部的自干燥收缩，使混凝土自生干燥裂缝得以部分抑制。

(6)推荐2#(Ks－2)试验组配合比为现场施工配合比。

需要指出的是，早龄期混凝土各力学性能测定值波动性较大，是由于水泥水化程度低，粉煤灰二次水化作用不充分等原因造成混凝土内部结构不稳定、不均匀，进而影响到测定数值的准确性和稳定性;由于试验次数少，因素水平取值甚窄，试验误差自由度小，一些试验误差偏大，所以使得F 检验的灵敏度很低，甚至会出现F 检验对因素影响判断的失误。所以，因结合实践对检验结论作进一步的研究分析。

致谢:本文部分试验得到了新疆水利水电科学研究院结构材料所贺传卿所长和王怀义副所长的支持，在此，对他们一并表示感谢。

［1］梁文泉，何芸，何金荣，等.高掺粉煤灰面板混凝土耐久性的研究［J］.混凝土与水泥制品.2009(02):14－16.

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