黑泉水库混凝土面板配合比设计及试验

高青宁

摘要 本文通过对面板混凝土原材料优选、混凝土配合比优化及性能试验，制备用于面板的高性能混凝土，达到了减少混凝土面板裂缝发生的目的。这对国内在建或未建同类工程面板混凝土配合比设计有一定的借鉴意义。

关键词 黑泉水库；混凝土面板；配合比；设计；试验

中图分类号 TV544 文献标识码 A 文章编号 1007-5739（2017）23-0130-03

1 工程概况

黑泉水库面板堆砂砾石坝，位于青海省大通县境内湟水河二级支流宝库河上，是引大济湟的前期工程，是一座大（Ⅱ）型水利枢纽工程，以灌溉和城市供水为主，兼顾防洪、发电、环保等综合效益。工程主要组成为面板堆石坝、溢洪道、导流放水洞、灌溉发电洞、送变电工程。水库坝高123.5 m，库容1.82亿m3，为多年调节水库。坝顶高程2 894.5 m，面板底部最低高程为2 771 m，坝顶长435 m。工程位于高寒地区，全年寒冷期长，气温变化大，年平均气温2.8 ℃，极端最低温度-33.1 ℃，极端最高温度29.3 ℃，平均风速2.4 m/s，最大风速17 m/s，最大冻土深度1.06 m，年降水量在400～600 mm以上，年平均蒸发量1 273 mm。

黑泉水库混凝土面板总面积71 136 m2，共41条块，分3期浇筑。面板采用单层双向配筋，配筋率为0.4%～0.5%，钢筋层位于面板中间靠上部，面板厚度从底部2 771 m高程66.3 cm渐变至坝顶2 891 m高程30 cm。面板基础面为8 cm厚碾压砂浆，在其上浇筑混凝土面板。

混凝土面板是堆石坝的防渗结构，它承受着比其他坝型更大的渗透比降。对面板混凝土的抗渗性和耐久性的要求要高于对强度的要求，见表1。防止面板开裂是混凝土面板坝设计的重要内容，这是因为裂缝渗水是影响混凝土和钢筋的耐久性和大坝正常运行的重要因子。

2 面板混凝土配合比原材料的优选

科学进行混凝土配合比设计来保证面板混凝土设计指标。混凝土耐久性（主要是抗渗性）较低的问题通过掺用高效减水剂、引气剂和降低水灰比来解决的。其次为降低混凝土的绝热温升，考虑掺适量粉煤灰等量取代部分水泥，降低混凝土绝热温升，以减少混凝土冷缩率。要结合面板混凝土的设计指标和当地材料的实际情况，尽量选用可增大抗裂性能的原材料，以使面板混凝土达到较高的抗裂性能。

2.1 水泥

硅酸盐水泥和普通硅酸盐水泥拌制的混凝土保水性好，泌水性小，粘聚性好，适用于浇筑面板混凝土。《混凝土面板堆石坝施工规范》（SL49—94）[1]也规定面板混凝土的水泥品种“宜优先选用硅酸盐水泥和普通硅酸盐水泥，其标号不低于425号”。另外，比较水泥的物理性能、化学性能与经济性，同时结合实践，最后决定采用甘肃永登水泥厂生产的祁连山牌525#散装中热硅酸盐水泥（物理性能、力学性能、化学性能稳定，经抽样检测富裕系数在1.05～1.15之间，每批产品均有产品合格证）。对所采用水泥进行化学分析及物理力学性能检测，结果见表2、3。

2.2 砂、石骨料

混凝土砂、石骨料采用陽山大湾和大河坝料场的天然砂砾石料，经筛分系统筛分冲洗后，按砂、石骨料筛逐级堆放在储料场内，并测试其物理性能和坚固性，试验结果按《水工混凝土施工规范》（SDJ207-82）进行评定，分别见表4～8。试验结果表明各项指标符合技术要求。

砂的细度模数F.M=3.3，属粗砂。其中P<0.3 mm的颗粒含量在0.2%左右，采用硫酸钠饱和溶液浸烘法进行砂石骨料的坚固性试验，经过5次循序，其重量损失率不超过设计要求，粗骨料为卵石，针片状含量相对偏多，对混凝土的强度有所影响，但未超过15%的指标规定。

2.3 骨料级配

粗骨料级配采用连续级配，按照骨料最大粒径进行了二级配、三级配试验，2种级配分别进行了几种不同比例的组合，从中选出最优级配，即容重较大的级配。根据混凝土试拌情况及和易性的要求经调整为小石∶中石=55∶45。

2.4 粉煤灰

黑泉面板混凝土中选用山西神头二电厂的粉煤灰，依据《水工混凝土掺用粉煤灰技术规范》（DL/T5055-1996）[2]进行粉煤灰的品质指标检验和等级评定，粉煤灰为优质一级灰，其成果见表9。粉煤灰胶砂强度比试验按《水工混凝土试验规程》（SO/05-82）进行，强度比试验结果均符合设计和施工技术要求。

2.5 硅粉

硅粉由青海民和硅铁厂生产，品质检验按《水工混凝土硅粉品质标准暂行规定》进行，硅粉中二氧化硫的含量>85%，烧失量<6%，符合标准，其成果见表10。

2.6 外加剂

外加剂选用江苏江都外加剂厂生产的高效减水剂FDN及石家庄外加剂厂生产的DH9引气剂。FDN是非引气型减水剂，主要成分为萘磺酸甲醛高缩合物和多元醇合成物。按《混凝土外加剂》（GB 8076—1997）[3]进行混凝土外加剂性能试验，FDN掺量按厂家推荐掺量，FDN掺量为0.5%～0.8%时，减水率为18.9%～25.4%，抗压强度比：3 d为159.0%～162.5%，7 d为122%～133%，符合高效减水剂一等品指标。

2.7 水

将宝库河水作为施工用水，经取样分析，符合设计要求。

3 面板混凝土配合比设计与试验

3.1 混凝土配合比设计

混凝土的质量与生产成本的直接影响因子是混凝土配合比，它决定了混凝土的各种性能，是混凝土质量控制的重要依据。大坝最重要的防渗工程是混凝土面板，鉴于大坝所处地理位置的重要性，以及必须在较恶劣的气候环境条件下完成施工，对面板要达到抗冻标号D250、抗压强度C30、抗渗S8、VC0.13、P95%、极限拉伸1.0×10-4等较高的技术要求，承建单位曾用通过掺外加剂、粉煤灰以及硅粉掺和料，对混凝土的要求和施工控制水平进行10种不同配合比反复试验比较，经过优化最后筛选出能相对满足面板混凝土具有良好的和易性、较高的抗裂性、较强的防渗性和良好的耐久性，以适应坝体安全运行的配合比[4]，将其列于表11。

3.2 混凝土拌合物性能试验

混凝土拌和物性能试验采用自落式搅拌机拌和，含气量测定采用水气混合式含气量测定仪测定，混凝土配合比采用容重法计算。按面板混凝土设计要求，选用水灰比为：掺外加剂混凝土0.38～0.40、掺硅粉混凝土0.35～0.45、掺粉煤灰混凝土0.35～0.38，塌落度控制在4～6 cm之间。由于黑泉工地天然砂较粗，F.M=3.3，面板采用滑模浇筑，溜槽入仓，其砂率选用比普通混凝土增加3%～6%，故砂率选用36%～40%，考虑到黑泉工程混凝土抗冻指标要求高为D300，混凝土中必须掺入引气剂，含气量控制在4.5%～5.5%之间。

水灰比的选定对混凝土的抗冻、抗裂影响较大，混凝土水灰比低，可降低混凝土中冻结水数量，提高混凝土抗拉强度，且混凝土密实性好，不透水性高，吸水率和饱水程度低，比高水灰比的混凝土耐冻[5]。根据水工混凝土施工规范和室内试验，确定水灰比为0.35。

3.3 极限拉伸与静力抗压弹性模数试验

极限拉伸与弹性模数反映混凝土的变形能力，特别是极限拉伸值直接反映了混凝土抗裂性能。试验结果见表12。

3.4 抗渗、抗冻性能试验

黑泉工程由于所处的特殊环境，对混凝土的耐久性指标要求特别高，在同类工程中是少有的。故抗冻性不是单纯表示混凝土抗冻性能的指标，而是表示耐久性能的重要指标，为了满足要求，采用掺入性能优良的引气剂DH9（已应用于三峡工程），控制含气量在4.5%～5.5%之间，并结合施工经验及实际效果，采用了掺入硅粉方案，极大地提高了抗冻性，试验结果见表12。抗渗试验采用一次加压法，一次加压至0.8 MPa并在次此压力下恒压24 h，计算相对渗透系数，由表13可知，抗渗标号均大于设计要求[6]。

3.5 混凝土凝结时间试验

凝结时间为混凝土拌和物的一个重要特性，凝结时间与水灰比大小、塌落度、外加剂、气温等因素有关，试验结果见表14。可以看出，掺入粉煤灰的混凝土凝结时间较其他种类混凝土凝结时间偏长。

3.6 混凝土干缩性能试验

混凝土干缩试件尺寸为100 mm×100 mm×500 mm，成型后养护2 d测定基长，不同龄期测定其长度相比得出不同混凝土的干缩值，其结果见表15。从试验可以看出，隨着水灰比的降低，混凝土的干缩值增加，掺入硅粉的混凝土干缩值偏大一些，掺入粉煤灰的混凝土干缩值较小[7]。

3.7 砂浆配合比试验

砂浆的流动性用沉入度表示，面板混凝土用砂浆的稠度要求为4～6 cm，并且具有良好的流动性，试验结果见表16，可以看出，选用的3组砂浆配合比均满足设计要求。

4 结论

通过在混凝土中掺入粉煤灰、硅粉等量取代部分水泥，掺加外加剂，进行了混凝土拌和物性能试验，优选出混凝土减水率高，和易性好，泌水率小，塌落度、含气量合适且损失相对较小的FDN高效减水剂与DH9引气剂。

通过混凝土性能试验，优化出的混凝土配合比为水灰比0.35、砂率37%、外加剂掺量为FDN 0.6%、DH9 0.008%，塌落度4～6 cm/m3混凝土材料用量为水123 kg、水泥289 kg、粉煤灰53 kg、砂719 kg、小石674 kg、中石551 kg。优良的混凝土配合比只是混凝土抗裂的关键措施之一，为了减少混凝土面板的裂缝发生，还须通过良好的施工工艺、严格的施工质量控制和对混凝土进行科学的养护等综合措施才能实现。

5 参考文献

[1] 中华人民共和国水利部.混凝土面板堆石坝施工规范：SL49—94[S].北京：水利电力出版社，1994.

[2] 中华人民共和国电力工业部.水工混凝土掺用粉煤灰技术规范：DL/T5055-1996[S].北京：中国电力出版社，1996.

[3] 国家技术监督局.混凝土外加剂：GB8076-1997[S].北京：中国标准出版社，1997.

[4] 袁永强.混凝土面板堆石坝挤压边墙混凝土配合比设计[J].水利水电施工，2014（5）：19-20.

[5] 宫经伟，李双喜，葛毅雄，等.混凝土面板堆石坝面板混凝土配合比优化设计[J].粉煤灰综合利用，2015（3）：36-41.

[6] 桂显歌.高寒地区混凝土面板堆石坝趾板混凝土配合比的试验研究[J].杨凌职院技术学校学报，2011，11（2）：8-10.

[7] 李运福，阳运青.砌石重力坝防渗混凝土面板配合比的设计[J].湖南水利水电，2016（4）：17-19.