拱坝混凝土自生体积变形试验研究

李行星 李维炳

(新疆额尔齐斯河流域开发工程建设管理局，新疆乌鲁木齐 830000)

1 前言

混凝土的自生体积变形是指混凝土在恒温绝湿和无外荷载的条件下，仅仅由于胶凝材料的水化引起的体积变形。为了防止混凝土发生裂缝，许多坝工等大体积混凝土在设计中都提出抗裂要求，自生体积变形是混凝土抗裂能力的一个重要指标［1］。自生体积变形的试验方法，目前我国按《水工混凝土试验规程》(SL 352—2006)进行，以下提及相关试验均按该规程进行。新疆布尔津山口拱坝为常态混凝土双曲拱坝，最大坝高94m，坝底最大宽度27m，坝顶弧长311.5m，坝顶厚度10m，横缝间距15m，混凝土总方量31.2万m3。坝址区多年平均气温为5℃，坝址极端最高气温39.4℃，极端最低气温－41.2℃;当地气候具有冬季较长且多严寒，年气温差较悬殊，寒潮次数多，日温差大等特点。该拱坝混凝土的设计等级为C9030F400W10，设计抗拉强度2.0MPa，抗压弹模30GPa，极限拉伸 85 ×10－6，强度保证率80%。根据该拱坝温控设计，封拱温度约为6℃，控制浇筑温度最大12℃，温控难度较大，初选拱坝主体混凝土配合比为粗骨料最大粒径150mm的四级配混凝土，胶材为布尔津县水泥和玛纳斯火电厂的粉煤灰。在初选定四级配混凝土配合比后，经复核试验湿筛(直径40mm)的自生体积变形达到－130μ(μ表示1×10－6)，试验结果约是国内其他拱坝混凝土试验结果的5～10倍［2］。本文结合布尔津山口拱坝四级配混凝土试验，主要从控制混凝土自生体积变形的角度，探讨如何在满足设计指标要求的前提下，合理选定水泥品种及水胶比、粉煤灰掺量等参数，最大限度地降低混凝土的自生体积变形，从而降低混凝土施工过程中温控防裂的难度。

2 初选配合比试验

2.1 混凝土试验用原材料和初选配合比

混凝土试验用原材料和主要参数见表1，在初选配合比试验时，考虑到就近取材，选用了距坝址50km的布尔津县水泥厂的硅酸盐水泥。初选配合比见表2。

表1 混凝土试验用原材料

表2 混凝土配合比参数和材料用量

2.2 初选配合比试验结果

2.2.1 力学试验

初期配合比力学试验结果见表3。

表3 初期配合比力学试验结果

从表3看出，初选配合比湿筛试验结果满足设计指标，且有一定的富余。90d原级配抗压强度为湿筛的81.3%，达到设计抗压强度。90d弹模基本符合设计要求。

2.2.2 自生体积变形试验

自生体积变形试验结果见图1。

图1 自生体积变形试验结果

由图1知，初选配合比自生体积变形，湿筛达到－130μ，原级配达到 －66μ，原级配是湿筛数值的50.8%，按一般混凝土热膨胀率10μ/℃计，－66μ相当于混凝土增加了6.6℃的温差变形，不利于温控防裂。

2.2.3 绝热温升试验

绝热温升试验结果见表4。由表4知，初选配合比虽然掺粉煤灰45%，胶材总量216kg/m3，但28d温升达25.6℃，推算最终温度达26.1℃，增加了温控难度。

表4 初选配合比绝热温升试验结果

3 调整配合比的试验

在决定进行调整配合比试验时，布尔津县水泥厂与屯河水泥厂重组，产品技术质量完全由屯河水泥厂控制，并增加了中热水泥品种。所以调整配合比决定用该厂生产的中热水泥，据有关研究，大坝混凝土采用中热水泥+粉煤灰，其自生体积变形的最终收缩值，随水胶比降低而增加［3］，因此调整配合比的自生体积变形试验须进行变化水胶比和粉煤灰掺量的研究。

3.1 混凝土原材料

调整试验选择了屯河P.MH42.5硅酸盐水泥作为试验和施工用水泥，厂家虽承诺均按中热水泥指标控制，但经检测试验用水泥7d水化热为319kJ/kg，略高于GB 200—2003对中热硅酸盐水泥水化热的限制要求。外加剂增加了JM—II缓凝高效减水剂与GYQ引气剂，其余原材料与表1同。

3.2 试验配合比

试验配合比变化了2种水胶比、2种粉煤灰掺量、2组外加剂，详见表5。

表5 调整后的混凝土配合比

3.3 试验结果

调整配合比试验结果见图2。由图2可知，采用了中热水泥的混凝土自生体积变形，初凝后均发生了膨胀，且最大膨胀量持续约10d后开始收缩，膨胀量越大最终收缩值越小，由于混凝土在初凝后开始短龄期内弹模较小，产生的膨胀对防裂起不到大的作用，一般将最大膨胀值作为0点值计算最终收缩值(以下用εmax表示)。其中XB1配合比采用NF—2外加剂、粉煤灰掺量为35%、水胶比为0.43的膨胀量最大为59μ(μ表示1 ×10－6)，收缩最小值为 －19μ，εmax为 －78μ。采用JM—Ⅱ粉煤灰掺量40%，水胶比0.38，最大膨胀量29μ，最小收缩量 －67μ，εmax为 －95μ，其余配合比均在上述两者范围内。调整配合比与初选配合比相比εmax减少了(130－78)/130=40%。调整配合比试验表明:ⓐ粉煤灰掺量大而水胶比小的配合比自生体积变形的收缩值较大;ⓑ外加剂品种的影响小;ⓒ水泥品种影响最大。调整配合比试验未进行原级配试验，但根据初选配合比试验时原级配大约是湿筛的50%估算，XB1原级配的自生体积变形约为－39μ，比初选配合比减少 27μ。

图2 调整配合比自生体积变形试验结果

3.4 绝热温升试验

绝热温升试验用调整配合比见表6。试验结果见表7。从表7知，调整配合比的绝热温升比初选配合比推定最终绝热温升降低6℃，实测28d数值降低6.3℃。

表6 绝热温升试验用调整配合比

表7 混凝土绝热温升试验结果

3.5 力学试验

调整配合比的混凝土力学试验结果见表8。由表8可知，调整配合比的力学性能满足设计指标，而且弹性模量较小，抗拉强度大，极限拉升值较大，有利于混凝土温控防裂。

表8 调整配合比混凝土力学性能试验结果

4 选定配合比

根据调整配合比试验结果，选定了εmax绝对值为较小值和绝热温升较小的XB1配合比作为拱坝混凝土施工用配合比，见表9。

表9 选定配比的混凝土配合比参数和单位材料用量

5 选定配合比施工质量和防裂情况

5.1 施工质量

2011年9月—2014年11月施工的拱坝四级配混凝土，经第三方检测(非施工企业检测)，抗压强度、含气量、坍落度统计见表10。从表10可知，对设计C9030的强度湿筛检测抗压强度89组统计，均方差3.4MPa，均值35.4MPa，设计C9030的保证率为95%，龄期180d的平均抗压强度相对90d约增长17.7%。混凝土的强度保证率远大于其80%的要求，施工质量优良。

表10 施工质量统计

5.2 防裂检查与统计

拱坝于2011年9月开工，至2104年11月，大多数坝段的混凝土浇筑达到坝顶，导流洞已封堵，大坝底孔已过水，从底部观测廊道排水孔看仅有湿痕，无明显渗水。经2013年底统计，拱坝在强约束区低坝段的观测廊道以下部位产生了23条浅层纵向裂缝，缝宽0.1～0.4mm，深度0.1～0.9m，裂缝长度合计194.38m。可以认为在严寒地区该拱坝混凝土产生裂缝较少，其原因除了严格控制混凝土温度和施工质量外，所选配合比的绝热温升小和自生体积变形较小也是一个重要因素。

6 结论

a.最大粒径为150mm的拱坝四级配混凝土，虽然总胶材量仅200kg/m3左右，在配合比设计时混凝土的自生体积变形是一个必须考虑的参数。

b.通过自生体积变形试验研究，选定了布尔津山口拱坝四级配混凝土配合比的参数，降低了混凝土自生体积变形的最终收缩应变。

c.经实际施工应用，该配合比防裂效果较好。

d.选定的配合比虽然相对降低了自生体积变形，但较国内其他工程收缩值仍较大，以后还需对原级配和湿筛数据的关系及合理采用进一步研究。■

［1］ 刘数华，方坤河．混凝土的自生体积变形的影响因素分析［J］．湖北水力发电，2007.2．

［2］ 李维炳．大坝混凝土的自生体积变形研究与探讨［J］．生态建材，2012．2．

［3］ 佐藤英明．各種セメントを用いたダムコンクリートの自己収縮，コンクリート工学年次論文集，Vol.31，No.1，2009(1531—1536)［EB/OL］．［2014-05-06］．http://data．jcinet．or．jp/data_pdf/31/031-01-1249．pdf