亭子口水利枢纽大坝Ⅱ标碾压混凝土配合比设计

李建平，向尚君

(中国安能集团第三工程局有限公司，成都，611135)

1 概述

1.1 工程概况

亭子口水利枢纽位于四川省广元市苍溪县境内，是嘉陵江干流开发中唯一的控制性工程，是以防洪、灌溉及城乡供水、发电为主，兼顾航运，并具有拦沙减淤等效益的综合利用工程。枢纽大坝采用碾压混凝土重力坝，分两个标段进行施工，其中大坝Ⅱ标包括27#-35#表孔坝段、44#-50#右岸非溢流坝段及消力池，设计碾压混凝土84.36万m3，常态混凝土45.38万m3。

1.2 设计要求

碾压混凝土配合主要包括大坝大体积混凝土、富胶混凝土、廊道及电梯井周边50cm范围内变态混凝土、迎水面变态混凝土、接缝砂浆等类型混凝土及砂浆，其具体技术要求见表1所示。

表1 碾压混凝土强度等级及主要设计指标

1.3 原材料选择结果

通过对大坝Ⅱ标混凝土所用的水泥、外加剂、粉煤灰、骨料及水的现场检测和对比试验，初步确定了水泥、外加剂、粉煤灰、骨料及水品种及品质要求，相关结论如下[1]：

(1)所采用的双枪、双马、华新、三峡等四种品牌的P·MH42.5中热硅酸盐水泥符合规范要求，各项性能相差很小，在配制混凝土配合比时可以互换。后期再更换水泥品牌时，可根据水泥性能试验，重点对水泥与外加剂的适应性进行试验，经试验检测后可互相替代。

(2)采用的粉煤灰有华珞、巴蜀、达电等三种品牌，试验中采用了华珞粉煤灰，通过试验比较，只要粉煤灰与外加剂适应性，性能相当，可以实现相互之间代换。

(3)外加剂采用了江苏博特新材料有限公司生产的JM-Ⅱ(C)缓凝高效减水剂和JM-2000引气剂，缓凝高效减水剂为奈系缓凝高效减水剂，引气剂为改性松香酸盐类，主要成分为非离子型树脂表面活性剂。三种外加剂的品质均符合规范要求，品质基本相当，具有较高的减水效果。施工过程中，应根据天气的变化，外加剂各成分也要做适当调整，建议缓凝高效减水剂分冬季型和夏季型进行现场施工供货。

(4)混凝土骨料由左岸砂石加工系统生产，左岸砂石加工系统生产的细骨料为中砂，满足混凝土用砂的要求，但石粉含量偏低，远低于碾压混凝土用砂质量要求，在配置碾压混凝土时需人工添加石粉，以提高碾压混凝土的可碾性和抗分离性，增加混凝土的密实度。骨料级配以振实容重最大、振实空隙率最小为优选原则，其中二级配碾压混凝土骨料级配比例为中石∶小石为55∶45；三级配碾压混凝土骨料级配比例为大石∶中石∶小石为30∶40∶30。

(5)混凝土拌和用水采用右岸水厂供水，右岸水厂所提供的水符合国家生活饮用水标准。

2 配合比参数选择

2.1 基准用水量及砂率选择

混凝土砂率与级配、水胶比、粉煤灰掺量等因素有关。砂率选择是否恰当直接影响混凝土用水量、拌和物和易性及混凝土的各项性能。通过试验选取粘聚性和和易性好，单位用水量最少时的砂率。根据现场环境条件，碾压混凝土控制VC值在4s～7s范围，水灰比为0.50，粉煤灰掺量为50%，缓凝高效减水剂JM-Ⅱ(C)掺量为0.6%，引气剂JM-2000掺量按混凝土含气量3%～5%控制，选择石粉掺量控制在14%～20%范围内。混凝土基准砂率选择试验结果如表2所示，在试验范围内变动砂率，混凝土抗压强度基本接近，主要差异表现在混凝土拌合物性能上。结合工程经验，根据试验成果，二级配碾压混凝土基准配合比的合适砂率为34%，三级配碾压混凝土基准配合比的合适砂率为30%。

表2 混凝土基准砂率选择试验成果

2.2 外加剂掺量确定

JM-Ⅱ(C)缓凝高效减水剂已在三峡等大型水电工程建设中得到了成功的应用，对拟选的双枪、双马、三峡、华新等四种中热水泥和珞璜粉煤灰均有较好的适应性，一般掺量在0.4%～0.7%[1]。由于混凝土单位用水量随着减水剂掺量的增加而递减，对碾压混凝土而言，减水剂掺量过高，胶凝材料用量过少使混凝土可碾性变差，极限拉伸值也难以达到设计技术要求。因而根据大型工程的应用经验，选择缓凝高效减水剂JM-Ⅱ(C)掺量为0.6%，引气剂JM-200掺量按混凝土含气量3%～5%确定。

2.3 碾压混凝土拌和物VC值及含气量经时损失试验

为摸清混凝土在选定的水泥、外加剂、粗细骨料和亭子口当地环境条件下，碾压混凝土工作性能，以及混凝土拌和物VC值及含气量随时间损失情况，以便更好控制混凝土拌和质量，确保入仓混凝土具有合适的VC值和满足设计要求。试验采用二级配混凝土，水胶比为0.50，粉煤灰掺量为50%，缓凝高效减水剂JM-Ⅱ(C)掺量0.6%、引气剂JM-2000掺量为6/万，混凝土VC值控制在4s～7s范围，石粉掺量控制在14%～20%范围。采用双枪、双马、华新及三峡水泥的碾压混凝土VC值及含气量损失试验成果如表3所示，VC值及含气量随时间变化曲线如图1所示，从试验结果可以看出，四种水泥的VC值及含气量损失基本一致，其关系曲线为后期混凝土拌和及运输质量控制提供了依据。

表3 VC值及含气量损失试验成果

图1 VC值及含气量损失关系曲线

2.4 碾压混凝土拌和物凝结时间与环境温度关系

碾压混凝土拌和物凝结时间试验分别采用三级及二级配混凝土进行试验，其中三级配混凝土的水胶比为0.55，粉煤灰掺量为60%；二级配混凝土的水胶比为0.50，粉煤灰掺量为50%，缓凝高效减水剂JM-Ⅱ(C)掺量均为0.60%，引气剂JM-2000的掺量均为6/万，VC值控制在4s～7s，含气量控制3%～5%，石粉掺量控制在14%～20%范围。在不同环境下测定其凝结时间，测试分别在养护室、自然条件下进行，其试验成果见表4。无论是三级配混凝土还是二级配混凝土，自然条件下初凝及终凝时间均小于试验室标准养护条件下的凝结时间。通过对自然条件下混凝土凝结时间的测定，为后期碾压混凝土施工起到较好指导作用。

表4 碾压混凝土拌和物凝结时间与环境关系试验成果

2.5 混凝土水胶比与强度的关系

水胶比是决定混凝土强度的主要因素，针对不同强度等级选择水胶比之前，须进行水胶比与强度关系的试验。在混凝土原材料、拌和工艺以及施工方法已确定情况下，水胶比越大，混凝土强度越高，反之混凝土强度越低。试验采用二、三级配混凝土，粉煤灰掺量分别为50%、60%，JM-Ⅱ(C)缓凝高效减水剂掺量掺为0.6%，JM-2000引气剂掺量为6/万，VC值控制在4s～7s，石粉掺量按14%～20%控制，取水胶比0.45、0.50、0.55三个点进行抗压强度试验，同时还进行了相应的其它力学性能试验，以利于分析选择，试验成果如表5所示。

表5 碾压混凝土水胶比与强度关系试验成果

2.6 接缝砂浆性能试验

接缝砂浆用于碾压混凝土施工缝以及冷升层之间的结合，以提高混凝土的整体性，确保混凝土具有较好的防渗效果。接缝砂浆需通过试验确定，其性能应与碾压混凝土相近。试验控制砂浆稠度50cm～70cm，减水剂掺量为混凝土的70%，引气剂掺量通过试验掺量为2/万时砂浆的含气量达到7%左右，粉煤灰掺量分别为50%和60%的水胶比与强度关系试验成果见表6。

表6 接缝砂浆性能试验成果一览

3 变态混凝土配合比设计

变态混凝土是在碾压混凝土母体中加入一定量的胶材浆液后形成的一种混凝土，在工程实际施工中，浆液的加入有多种方法，室内试验采用的方法是在碾压混凝土搅拌120s后加入胶材浆液再搅拌60s。试验用三峡P·MH42.5水泥，二级配变态混凝土采用0.50水胶比、50%粉煤灰掺量的母体混凝土；三级配变态混凝土采用0.50水胶比，60%粉煤灰掺量的母体混凝土，JM-Ⅱ(C)型缓凝高效减水剂掺量0.6%，JM-2000型引起剂掺量6/万。浆液的水胶比比母体小0.05，粉煤灰掺量降低5%，减水剂掺量为母体的1/2；要求加浆量应使变态混凝土坍落度达到1cm～3cm。选择了净浆掺量为母体碾压混凝土体积的4%、6%、8%三个加浆量，变态混凝土试验成果见表7。由表7变态混凝土拌合性能结果，可以看出净浆掺量为母体碾压混凝土体积的6%时，变态混凝土满足设计要求的工作性能较好。

表7 变态混凝土配合比试验

4 碾压混凝土配合比设计

4.1 混凝土配置强度的选定

碾压混凝土配制强度计算方法与常态混凝土一样，没有现场实测混凝土强度资料时，混凝土配制强度根据《水工混凝土施工规范》(DL/T 5144)的相关规定，按下式计算：

fcu，o=fcu，k+tσ

式中：t根据强度保证率而定，σ按相应规范确定，配制强度见表8所示。

表8 碾压混凝土配制强度一览

4.2 水胶比选择

根据混凝土配制强度，通过不同品牌水泥混凝土的水胶比强度关系试验成果，计算出初步水胶比，再考虑原材料变化及各部位混凝土全面设计技术指标要求，综合选择确定各强度等级的混凝土水胶比。确定后的水胶比不超出《水工混凝土施工规范》(DL/T 5144)规定及设计要求的各部位混凝土极限水灰比。

4.3 推荐施工配合比

根据上述设计原则及本次试验成果分析，推荐亭子口水电站大坝Ⅱ标碾压混凝土、变态混凝土母体配比及变态混凝土净浆施工配合比见表9、表10，变态混凝土推荐采用60L/m3的加浆量。

表9 推荐碾压混凝土施工配合比

表10 推荐变态混凝土浆液施工配合比

5 碾压混凝土性能试验

5.1 极限拉伸试验

根据推荐的配合比进行了碾压混凝土性能的校核试验，试验采用三峡P·MH42.5水泥，珞璜Ⅰ级粉煤灰，JM-Ⅱ(C)性缓凝高效减水剂、JM-2000引气剂，左岸砂石骨料加工场骨料，根据推荐的碾压混凝土及变态混凝土施工配合比进行校核试验，其试验结果如表11。

表11 碾压混凝土及变态混凝土拉伸性能试验成果

5.2 抗冻抗渗试验

混凝土抗冻试件规格为100mm×100mm×400mm，成型时用方孔筛筛除大于30mm骨料颗粒。混凝土抗渗试件为上口直径175mm、下口直径185mm、高150mm的截头圆锥体试件，成型时用方孔筛筛除大于30mm骨料颗粒。试验检测按《水工碾压混凝土试验规程》(DL/T 5433)进行。检测结果表明，抗冻、抗渗等级均满足设计要求[2]。

5.3 干缩、自生体积变形试验

混凝土的干缩变形是由混凝土中的水分损失引起的，在其他条件相同的情况下，混凝土用水量越小，它在干燥过程中所失去的水分也越少，因而干缩也越小。配比设计中缓凝高效减水剂、引气剂和Ⅰ级粉煤灰，三种外掺剂均有良好的减水效果，这对减少混凝土的干缩性十分有利。从成果表中的结果可以看出，混凝土的干缩值并不大，且混凝土的干缩随胶凝材料用量的增加而增大。混凝土自生体积变形对大坝混凝土的抗裂性能有着不可忽视的影响，从防止大体积混凝土裂缝出发，利用微膨胀产生的预压应力，以补偿混凝土降温时的收缩，防止或减少大体积混凝土产生的裂缝。碾压混凝土干缩及自生体积变形性能试验成果见表12。

表12 碾压混凝土干缩及自生体积变形性能试验成果

5.4 热学性能试验

混凝土的热物理性能包括混凝土的绝热温升、比热、导热系数、线膨胀系数。热物理性能对大体积混凝土十分重要，是坝体温度应力和裂缝控制计算的重要参数。混凝土绝热温升与配合比关系很大，其他热物理性能与混凝土所用材料性能有关，特别是与用量占混凝土80%左右的骨料关系很大。其试验成果见表13。

表13 混凝土热学性能试验成果

5.5 混凝土总碱含量

为了防止发生碱活性反应的破坏，严格控制原材料的碱含量和混凝土配合比的总碱含量，中热水泥的碱含量不得超过0.6%，根据招标文件要求“混凝土中碱含量不大于2.5kg/m3” ，配合比中掺用了性能较好的Ⅰ级粉煤灰，而粉煤灰是抑制碱骨料反应的特效药。混凝土配合比的总碱含量计算见表14。

表14 碾压混凝土总碱含量

6 结语

嘉陵江亭子口水利枢纽采用碾压混凝土坝，大坝分两个标段进行施工，其中大坝Ⅱ标包括27#-35#表孔坝段、44#-50#右岸非溢流坝段及消力池，设计碾压混凝土84.36万m3。大坝Ⅱ标最终选定NPB-02作为三级碾压混凝土配比、NPB-05作为二级配碾压混凝土配比，在试验阶段针对三级配碾压混凝土提供了另外三种配比以供选择。配合比应用施工后，碾压混凝土施工质量良好，与工区内其他单位相比，配合比参数选择合理，取出天然骨料碾压混凝土最长芯样，蓄水运行以来大坝运行良好，施工质量得到各方好评。