三峡工程大坝混凝土长龄期耐久性能试验研究

杨富亮，熊祖云，黄寿良

（中国水利水电第三工程局有限公司勘测设计研究院，陕西西安710000）

三峡工程大坝混凝土长龄期耐久性能试验研究

杨富亮，熊祖云，黄寿良

（中国水利水电第三工程局有限公司勘测设计研究院，陕西西安710000）

混凝土的耐久性能直接影响混凝土结构的使用寿命。本文通过对三峡工程大坝混凝土进行龄期长达10年的耐久性能试验研究，分析了混凝土抗冻性能、抗渗性能以及混凝土碳化深度，抗冻性能随龄期的变化规律，不同养护条件对混凝土耐久性能随龄期发展规律的影响。研究表明，自然养护对混凝土长龄期耐久性能不利。研究结论可为长期工作条件下大坝混凝土的真实性能和结构安全性评价提供参考。

混凝土；长龄期；耐久性能；三峡工程

1 研究背景

三峡大坝为混凝土重力坝，是世界第一的特大型水利枢纽工程，混凝土总量约2 800万m3，大坝混凝土约1 600万m3。工程包括混凝土重力式大坝、泄水闸、坝后式水电站、永久性通航船闸和升船机。三峡工程建筑由大坝、水电站厂房和通航建筑物三大部分组成。大坝坝顶总长3 035 m，坝高185 m。三峡工程水电站机组布置在大坝的后侧，共安装32台70万kW水轮发电机组，其中左岸14台，右岸12台，地下6台，另外还有2台5万kW的电源机组，总装机容量2 250万kW，远远超过位居世界第二的巴西伊泰普水电站。通航建筑物位于左岸，永久通航建筑物为双线五级连续船闸及单线一级垂直升船机。

大坝混凝土在凝结硬化过程中受自然环境条件的影响，使其性能与标准养护条件下的试验结果有较大区别。为了解三峡地区自然环境对三峡工程混凝土耐久性能的影响，采用三峡工程主要施工配合比参数，工程部位分别为内部、外部、水位变化区、结构和抗冲磨不同强度等级的混凝土，以3种不同养护条件养护，开展混凝土耐久性能研究试验，分析混凝土随龄期发展的规律以及不同养护条件对混凝土耐久性能的影响，为掌握大坝混凝土的真实性能和结构安全性评价提供参考。

2 试验条件

2.1 试验原材料试验采用葛洲坝水泥厂生产的52.5中热水泥，河南鸭河口电厂生产的Ⅰ级粉煤灰，浙江龙游外加剂厂生产的ZB-1A减水剂（泵送混凝土采用江苏建筑材料科学研究院外加剂厂生产的JM-Ⅱ减水剂），青岛科力有限公司生产的PC-2引气剂，三峡下岸溪人工砂和石骨料。

2.2 试验养护条件养护条件分以下3种：（1）标准养护：试件成型48 h脱模，将试件放置在养护室养护至规定龄期；（2）自然养护：试件成型48 h脱模，将试件放置在露天自然养护至规定龄期；（3）标准+自然养护：试件成型48 h脱模，将试件放置在养护室养护至28 d龄期后移至室外露天自然养护至规定龄期。

2.3 试验配合比及拌和物试验结果试验采用二级配，三峡工程施工配合比参数，工程部位分别为内部、外部、水位变化区、结构和抗冲磨不同强度等级的混凝土。试验编号5为泵送混凝土，坍落度按160～180 mm控制，其余均为常态混凝土，坍落度按30～50 mm控制，含气量（除抗冲磨混凝土按3.0%～4.0%外）均按4.5%～5.5%控制。混凝土配合比参数及拌和物试验结果见表1。

表1 混凝土配合比参数与拌和物性能试验结果

3 养护条件对混凝土耐久性的影响

3.1 抗冻性能在混凝土配合比设计阶段，通过降低混凝土水胶比、掺用引气剂、掺用I级粉煤灰和降低混凝土单位用水量等综合措施来提高混凝土的抗冻耐久性能［1，2］，分别对6种强度等级的混凝土进行了混凝土冻融试验，试验结果见表2、表3。

表2 不同养护条件混凝土抗冻试验结果（28 d～365 d）

从表2、表3可知，不同养护条件下的混凝土抗冻性能随混凝土试件龄期增长而降低，标准养护的混凝土抗冻性能明显好于其他养护方式。在10 a龄期时，标准养护条件下，除试验编号1的内部混凝土冻融循环200次，相对动弹性模量为62.28%，其余抗冻性能均满足F300技术要求。而相对于标准养护而言，自然养护或标准+自然养护的混凝土抗冻性能明显降低，除试验编号5的泵送混凝土外，自90 d龄期始，各龄期混凝土的抗冻性能均达不到F300技术要求。这说明混凝土抗冻性能受外界环境条件影响比较明显，可能由于自然养护条件下的干湿循环交替作用，使混凝土表面出现微细裂缝，以及微细裂缝的扩展［3］，导致抗冻耐久性明显降低。标准养护28 d的试件再放到自然环境中，环境湿度的变化对试件的损害更加剧烈，Burrows试验表明［4］，较长期养护的混凝土干燥时抗冻融性较差，是由于内部收缩产生微裂缝使混凝土可透水所造成的，当干燥的混凝土长期饱水时，可产生远大于初始吸水时的膨胀，而这无疑是因为微裂缝增大了渗透性，使混凝土易受冻融破坏［5］。因此，对水工混凝土结构中暴露于结构表面的混凝土的耐久性应给予广泛重视。

表3 不同养护条件混凝土抗冻试验结果（3 a～10 a）

3.1.1 抗冻融试件外观弯曲变形检测混凝土结构因开裂而劣化，从而影响建筑物外观整体性能。抗冻融试件外观弯曲变形试验结果见表4。从表4可知，10 a龄期自然养护或标准+自然养护试件经冻融结束后，采用水平尺和塞尺检测试件弯曲变形，在标准+自然养护下有部分试件产生弯曲变形，弯曲变形主要集中在成型面和底面，最大变形1.5 mm。

众所周知，混凝土经反复多次冻融循环后，开始从砂浆表层剥落，表面露出骨料后，微裂缝进一步向内部发展，冻融膨胀压力逐步导致试件裂缝增多、增大，从而引起试件的体积变化，即混凝土试件产生微小的弯曲变形，间接的反映出混凝土结构自然环境中经长期冻融破坏及各种侵蚀破坏叠加作用下，极易产生破坏性裂缝而导致混凝土结构开裂变形等，导致建筑物的外观整体性能变差、剥蚀等破坏。单从混凝土冻融后试件变形检测结果，难以反映出混凝土建筑物经自然环境条件下各种侵蚀破坏的程度大小，需进一步深入细致的研究。

表4 自然养护或标准+自然养护混凝土经冻融循环后外观弯曲变形试验结果

3.1.2 混凝土经冻融循环后强度与强度损失率不同养护条件混凝土强度损失率试验，每组试件编号均为两组100 mm×100 mm×400 mm试件，其中一组进行抗折强度试验，再利用残余试块进行抗压试验；另一组首先进行混凝土抗冻性试验，当相对动弹性模量降至80%时，立即终止试验；进行抗折和抗压强度试验时，经冻融循环后的试件受压面应进行找平并且呈饱和吸水状态，利用抗折试验后的残余试块，采用100 mm×100 mm抗压夹具进行抗压强度试验。

相同配合比不同养护条件混凝土强度和强度损失率结果见表5，其中剩余强度为经冻融循环后的试件强度，对比强度为未经冻融循环的试件强度。

从表5可知，不同养护条件对比抗折强度均基本相当，标准养护抗压强度均高于自然和标准+自然养护。通过对10 a龄期混凝土经冻融循环后强度与强度损失率试验，相对动弹性模量按降至80%左右控制，虽然自然养护和标准+自然养护相对动弹性模量随冻融循环次数增长而下降过快，但抗压强度损失率在20%～30%之间，抗折强度损失率在40%～50%之间。依据GB/T58002-2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》中“慢冻法”规定，“N”次冻融循环后的混凝土抗压强度损失率达到25%时，即为相应的抗冻等级，说明混凝土的内部结构并没有严重破坏。

混凝土冻融破坏一般是从表层开始、由表及里缓慢发展的，混凝土表层破坏最敏感的反映便是抗折强度损失较快［6］，而表层的破坏对抗压强度与相对动弹性模量的影响相对较小。如果破坏刚刚出现在表层，则此时的破坏可以由抗折强度损失率反映出来，但未必能被抗压强度损失率和相对动弹性模量损失率体现出来。因此，对于耐久性好的混凝土，以抗折强度损失率来评价其冻融耐久性劣化更为准确、及时。

表5 不同养护条件混凝土经冻融循环后强度与强度损失率试验结果（10 a龄期）

3.2抗渗性能混凝土试件在不同养护条件下，1a龄期抗渗结果尽管都满足抗渗标号W10技术要求，但渗透高度随养护条件的改变而变化，标准养护试件渗透高度相对最小，约21.5 mm。自然养护相对最大，约50～80 mm。标准+自然养护居中，约37～43 mm。说明混凝土即使在标准养护28 d后移至室外，环境条件仍然对混凝土抗渗产生不利影响，所以现场施工混凝土应在有条件情况下注意长期养护。

3.3 碳化深度碳化是影响混凝土结构耐久性的重要因素之一［7-8］。三峡工程混凝土部分为结构混凝土，配合比设计阶段在结构混凝土中可掺不超过20%的I级粉煤灰，水胶比控制在0.45，设计上提出C25、C9030两种设计指标，为了简化混凝土配合比，便于施工，可合并为C9030F250W10，主要应用于大坝闸墩、电站厂房以及通航建筑物的梁、板、柱等结构工程上。结构混凝土必须考虑混凝土的碳化深度和钢筋锈蚀问题。本文利用折断后的抗折试件测量混凝土的碳化深度，试验结果见表6。从表6可知，在标准养护条件下，不同强度等级的混凝土均未出现碳化现象；在自然养护或标准+自然养护条件下，均出现不同程度的碳化现象，碳化深度随养护龄期、水胶比增大而增大，内部混凝土10 a龄期碳化深度最大达到10.6 mm。

表6 混凝土碳化深度试验结果（单位：mm）

4 结语

（1）养护条件对混凝土耐久性能有不同程度的影响，尤以混凝土抗冻性影响十分显著，不同养护条件下混凝土抗冻性随养护龄期增长而降低。标准养护的混凝土试件抗冻性能明显好于其它两种养护方式的混凝土试件。这可能是由于自然环境的干湿交替作用，使混凝土表面产生微细裂缝，在冻融循环的严酷条件下进一步损害试件的内部结构。混凝土的抗冻性亦不因早期的标准养护而提高，反而会不利于抗冻性。因此，水工结构中暴露于结构表面的混凝土的耐久性能［9］应给予广泛重视。（2）经冻融循环后的抗折强度损失率明显大于抗压强度损失率。因此，对于耐久性好的混凝土，以抗折强度损失率来评价其冻融耐久性的劣化程度更为准确、及时。（3）不同强度等级混凝土在标准养护条件下均未出现碳化现象，而试件在自然养护或标准+自然养护条件下均出现不同程度的碳化现象，碳化深度随养护龄期、水胶比增大而增大。混凝土碳化在某种程度上可以提高混凝土强度，但会大大降低混凝土的耐久性。

参考文献：

［1］李文伟，陈文耀.三峡工程混凝土的耐久性［J］.中国三峡建设，2001，72（7）：15-17.

［2］马锋玲，李舜才，高曙光，等.SKH混凝土高性耐引气剂研制［J］.中国水利水电科学研究院学报，2008，6（2）：119-122.

［3］陈改新.混凝土耐久性的研究、应用和发展趋势［J］.中国水利水电科研究学院学报，2009，7（2）：120-125.

［4］理查德·W·伯罗斯.混凝土的可见与不可见裂缝［M］.廉慧珍，覃维祖，李文伟译.北京：中国水利水电出版社，2013.

［5］赵明，王怀义.混凝土在硫酸盐侵蚀及冻融环境下的耐久性试验研究［J］.粉煤灰，2014，26（3）：29-32.

［6］苏昊林，王立久.混凝土冻融耐久性量化分析［J］.混凝土，2010，247（5）：1-2，6.

［7］郑薇薇，高建明，祁兵，等.高掺量粉煤灰混凝土在干湿循环—碳化耦合作用下的耐久性研究［J］.混凝土与水泥制品，2014，224（12）：23-27.

［8］朱伯芳.论混凝土坝的使用寿命及实现混凝土坝超长期服役的可能性［J］.水利学报，2012，43（1）：1-9.

［9］黄国兴，鲁一晖.水工混凝土结构的材料研究创成果综述［J］.中国水利水电科学研究院学报，2008，6（4）：279-286.

Experimental study on durability of dam concrete in the Three Gorges Project

YANG Fuliang，XIONG Zuyun，HUANG Shouliang
（Sinohydro Engineering Bureau3Co.，Ltd Survey Design Institute for Research，Xi’an710000，China）

The durability of concrete directly affects the service life of concrete structures.Through 10 years of experimental study on durability of concrete in Three Gorges dam，this paper analyzes the frost re⁃sistance，impermeability of concrete，and variation of the frost resistance and carbonation depth with con⁃crete age changing，effects of different curing conditions on the durability of the concrete with age chang⁃ing，which shows that the natural curing is detrimental for the durability of long age concrete.The re⁃search results can be a reference for the real performance and structural safety evaluation of long-term working conditions of dam concrete.

concrete；long age；durability；Three Gorges Project

TV431

A

10.13244/j.cnki.jiwhr.2016.04.008

1672-3031（2016）04-0285-06

（责任编辑：王冰伟）

2015-05-28

杨富亮（1965-），男，河南滑县人，高级工程师，主要从事混凝土试验研究。E-mail：xld_yfl@163.com