板涧河调蓄水库面板混凝土试验研究

(山西省水利水电科学研究院，山西 太原 030002)

1 工程概述

板涧河调蓄水库为山西省小浪底引黄工程引水干线中的重要组成部分，水库位于山西省运城市垣曲县板涧河村下游约1.5km处。水库设计总库容为3336万m3，属于中型水库；工程主体建筑物由大坝、溢洪道、泄洪洞等组成。

根据初步设计要求，大坝为2级建筑物，溢洪道和泄洪洞为3级建筑物；水库大坝的设计方案采用混凝土面板堆石坝，最大坝高85.0m，坝顶宽8.0m，坝顶高程540.0m，上下游坝坡比均设计为1∶1.4；大坝的面板为钢筋混凝土，强度等级C30，抗冻等级F150，抗渗等级W10，面板厚度30～60cm，大坝面板分块宽为8.5～12m。

2 原材料的选用

面板混凝土配合比的原材料中，水泥选用P·O 42.5普通硅酸盐水泥；掺和料选择当地的Ⅱ级粉煤灰，为提高面板混凝土的防裂性能，还掺用了19mm规格的聚丙烯纤维；细骨料选用当地砂厂的天然中砂，细度模数为2.86，含泥量为2.2%；碎石选用当地石料厂的二级配碎石(小石5～20mm粒径、中石20～40mm粒径)；混凝土外加剂选用DH3G型高效减水剂和DH9型引气剂。

3 面板混凝土的配合比试验

3.1 面板混凝土配合比的试配组合方案

面板混凝土配合比的主要参数有水胶比、用水量、砂率、减水剂掺量、引气剂掺量等。其中，水胶比的变化主要用于研究混凝土强度变化和建立水胶比与混凝土强度的关系曲线，用水量的变化用于研究对混凝土拌和物性能影响，粉煤灰、减水剂、引气剂的变化用于研究对混凝土拌和物性能、强度和后期混凝土耐久性能的影响，粉煤灰、砂及石子的变化用于研究对混凝土拌和物性能、混凝土强度性能的影响。基于以上考虑，初步确定面板混凝土的试配组合方案。

3.2 面板混凝土配合比基本参数的确定

面板混凝土的设计指标为C30F150W10，根据前期的试验结果和拟定的面板混凝土配合比设计方案，初步设定配合比的基本参数及其变化范围。

a.水胶比、坍落度、用水量及含气量：水胶比变化范围为0.34～0.43，分别按照0.34、0.37、0.40、0.43的水胶比进行试验；面板混凝土的拌和物坍落度范围为30～70mm，单位体积用水量为140～150kg/m3，分别按照140kg/m3、145kg/m3、150kg/m3的变化进行试验；含气量控制范围为3%～6%。

b.水泥：水泥选用42.5级的普通硅酸盐水泥，水泥用量范围为300～350kg/m3。

c.掺和料：主要掺和料为粉煤灰，辅助掺和料为聚丙烯纤维。首选的粉煤灰要求质量等级为Ⅱ级，掺量范围为15%～18%，分别按照15%、16%、17%、18%的掺量进行试验，每平方米混凝土中，粉煤灰用量范围60～70kg/m3；考虑到面板混凝土要求具有一定的早期防裂性和延展性，还选用聚丙烯纤维作为掺和料进行试验，选用19mm规格的聚丙烯纤维，掺量范围0.7～0.9kg/m3，分别按照0.7kg/m3、0.8kg/m3、0.9kg/m3的变化进行试验。

d.粗细骨料：细骨料选用天然中砂，砂率范围为35%～39%，分别按照35%、37%、39%的变化进行试验；粗骨料采用二级配，为5～20mm粒径、20～40mm粒径。通过级配的组合试验，初步确定小石∶中石比例组合为 1∶1。

e.外加剂：混凝土高效减水剂的掺量范围为0.70%～0.85%，分别按照0.70、0.75、0.80、0.85的变化进行试验；混凝土引气剂的掺量范围为1.00/万～1.30/万，分别按照1.00/万、1.10/万、1.20/万、1.30/万的变化进行试验。

根据以上考虑，初步设定面板混凝土配合比的主要参数,见表1。

表1 面板混凝土配合比的主要参数

面板混凝土的试验分别按照A1～A6系列组合进行，其中试验编号A1～A4为基本系列组合，试验编号A5～A6为参照比对系列组合。依据面板混凝土配合比的主要参数，给出面板混凝土的单方混凝土配合比材料用量表，随后进行成型混凝土试件的各项性能试验。

3.3 面板混凝土的试验结果分析

面板混凝土的试验包括混凝土拌和性能试验、抗压强度性能试验、抗渗性能试验、抗冻性能试验等，随后对各项试验结果进行数据处理和研究分析，对初步拟定的面板混凝土配合比参数进一步调整优化，以确定满足工程设计及施工要求的配合比基本参数。面板混凝土配合比的各项性能试验结果见表2。

3.3.1 面板混凝土拌和性能的各项试验结果分析

通过对A1～A6配合比组合系列各项试验结果的分析和比较，可以观察到编号A2、A5、A6面板混凝土配合比系列中，拌和性能的试验结果整体适中，基本可满足设计及施工要求。

表2 面板混凝土配合比的各项性能试验结果

其中，在混凝土拌和物的和易性指标中，编号A2、A3、A5、A6试件的和易性试验结果相对较好；混凝土拌和物坍落度实际测值波动范围为39～72mm，满足设计试验要求，A2、A5试件的坍落度试验结果相对适中；混凝土拌和物含气量测值的波动范围为3.1%～5.8%，A3、A4、A5、A6配合比的含气量试验结果相对较好。

根据面板混凝土配合比系列的拌和性能试验结果，得到混凝土拌和物含气量与聚丙烯纤维掺量的关系曲线，见图1。随着聚丙烯纤维掺量的增大，含气量指标有增大的趋势，二者同方向变化。在A1～A6配合比系列中，通过对混凝土拌和物含气量指标波动趋势的观察，发现随着引气剂和聚丙烯纤维掺量的增加，混凝土拌和物的和易性变好，但同时混凝土拌和物的含气量指标有增大的趋势,考虑到含气量指标的要求限制和对和易性的影响，根据目前的试验结果，聚丙烯纤维在本项试验面板混凝土中的掺量不宜过大，其中A5、A6试件聚丙烯纤维掺量适中，其对应的混凝土含气量测值适中，同时和易性较好且其坍落度指标也能够满足设计要求，对应的聚丙烯纤维掺量和引气剂掺量分别为0.7kg/m3和1.30/万。

图1 含气量与聚丙烯纤维掺量关系曲线

综合分析以上面板混凝土配合比拌和性能的试验结果，编号A2、A5、A6试件的试验结果相对较好。

3.3.2 面板混凝土抗压强度的试验结果分析

在面板混凝土的抗压强度试验结果中，混凝土试件的3天抗压强度均大于20MPa，7天抗压强度均大于25MPa，28天抗压强度均大于33MPa，配合比的试验组合系列基本满足面板混凝土的抗压强度等级要求，其中，编号A1试件的3天、7天、28天的抗压强度试验测值最高，编号A2、A5、A6试件的3天、7天、28天的抗压强度试验结果相对适中。

图2 水胶比与28天抗压强度关系曲线

根据面板混凝土配合比系列的抗压强度试验结果，得到混凝土水胶比与28天的混凝土抗压强度关系曲线，见图2。从图2中可知，混凝土的抗压强度随着水胶比的增大而呈现下降趋势，二者反方向变化。通过水胶比与28天的混凝土强度关系曲线发展趋势分析，认为面板混凝土配合比的水胶比数值在0.35～0.40之间较为适宜。

3.3.3 面板混凝土耐久性试验结果分析

面板混凝土的耐久性试验项目包括抗渗性能和抗冻性能检测。

混凝土的抗渗性试验结果表明，面板混凝土配合比总体系列的抗渗性能试验结果较好，抗渗等级大于设计要求。其中，编号A1、A2、A3、A5、A6试验结果抗渗等级均大于W10。

依据《水工混凝土试验规程》(SL 352—2006)，在要求规定的冻融循环次数内，混凝土试件的相对动弹性模量下降至初始值的60%或质量损失率达5%时，即可认为试件已达破坏，并以相应的冻融循环次数作为该混凝土的抗冻等级。从混凝土的抗冻性试验结果来看，试件抗冻性能结果较好。其中对A2、A3试件进行了混凝土的快速冻融试验，试件历经150次快速冻融循环后相对动弹性模量值分别为97.1%、95.6%，高于相对动弹性模量60%的要求；混凝土质量损失率分别为0.1%、0.2%，低于质量损失率5%的要求。试验结果表明其抗冻性能在历经150次快速冻融循环之后，其抗冻测值的富裕系数较大，保证率较高。

综合以上试验结果分析，试件的抗渗及抗冻试验结果基本满足要求，其中编号A2、A5、A6配合比相对较好，在满足面板混凝土的技术要求下，以此配合比系列为基础参数，提出推荐的大坝面板混凝土配合比。

4 配合比在工地现场的适应性调整及后期混凝土的养护

实验室的配合比能否与工地情况相适应，是混凝土浇筑能否顺利实施的前提和关键。由于工地现场的施工条件和环境条件的变化，实验室配合比经常需要调整和优化，工地现场试验过程中，遇到的主要问题包括混凝土拌和物的和易性变差、含气量值不稳定、坍落度值需要分时段调整等。

a.施工搅拌设备及运输车辆情况。施工使用的混凝土搅拌设备为SXJS1000型混凝土搅拌机，出料容量1000L，进料容量1600L，生产率为40～50m3/h，最大骨料粒径80mm，搅拌轴转速26.2r/min。现场配备30型装载机一台，作为加装原材料的设备。混凝土搅拌站到上坝距离约为300m，施工场地狭小，上坝道路狭窄，大型车辆展开运送较为困难，因此施工单位采用2m3的自卸翻斗三轮车作为混凝土运输的车辆进行施工作业。

b.工地现场试验拌和过程中，观察到混凝土的和易性时好时差，拌和物时稀时稠，坍落度值也忽高忽低，很不稳定。分析原因发现堆料场砂子其表面和内部的含水率不一致，造成砂子含水率的波动。为此在砂子使用前，将砂子充分拌和均匀后装料，随后的观察表明混凝土拌和物性能基本保持稳定。

c.现场发现混凝土拌和物的含气量指标不稳定，通过逐项排查，最后发现是施工操作人员在准备引气剂溶液时，没能充分溶解和稀释原液，造成溶液浓度不稳定、波动较大，于是安排专人负责混凝土的引气剂配制，并对混凝土含气量值加强频次检测，使含气量基本稳定在4%～6%范围之内。

d.坍落度的调整。由于工程所在地为峡谷地带，昼夜温差较大，且大坝坝体地段正面处于峡谷风口，白天风速相对较大，而夜间风速相对较小，工程地形和气候环境不利于施工拌和及后期的混凝土养护。尤其是在面板混凝土的施工过程中，较大的风速对混凝土拌和物的坍落度影响较大，对此通过分时段调整混凝土拌和物的坍落度值，满足混凝土的施工要求。在白天风速较大时施工，将混凝土坍落度调整为50～70mm，在夜间风速相对较小时施工，将混凝土坍落度调整为40～50mm，可确保面板混凝土浇筑的顺利施工。

e.混凝土面板的养护措施。根据面板混凝土的养护要求，要求施工单位在成型后的面板混凝土养护中采取保温和保湿措施。在需要养护的大坝面板顶部安装PP塑料管洒水，沿塑料管表面扎一排微小的洒水孔，将塑料管引入水源，通过这排微小的洒水孔不间断且均匀地在大坝混凝土面板上进行洒水保湿；保温措施是将一种黑色绒毛毡类保温被覆盖在面板混凝土上，混凝土面板的养护时间为90天。

5 结 语

板涧河调蓄水库面板混凝土的试验研究，包括室内试验和工地现场试验两部分。在混凝土各项性能试验的基础上，通过对影响混凝土性能的各项因素进行分析，研究了有关参数的变化趋势并得到其变化关系曲线，提出了面板混凝土配合比方案；同时结合实验室配合比与工地情况的不适应等问题，及时调整和优化面板混凝土配合比，为工程的顺利实施提供保障。