某水电站大坝混凝土配合比设计影响因素研究

林 胜

(福建省水利建设中心，福州 350000)

0 引 言

大坝混凝土本身水化放热大，容易导致温度裂缝出现，因此，在配合比设计过程中应充分考虑到和易性能、热学性能、力学性能等综合要求，在优化胶凝材料总量的同时要适当引入矿物掺合料，等比例替代水泥后，延缓早期水化放热，同时引入具有球形颗粒的矿物掺合料，在改善和易性能的同时也可改善力学性能以及耐久性能等。同时由于原材料配合比选取不恰当，将会严重影响混凝土内部结构，形成质量安全隐患[1]。

大坝混凝土在配合比设计过程中要求混凝土具有良好的和易性能、较低的水化热性能、优秀的力学性能等，针对复杂密集钢筋结构仍能顺利通过。引入优质的粉煤灰、矿粉以及硅灰，优化混凝土配合比、优化矿物掺合料取代率，针对工程存在的频繁堵管以及无法振捣等质量问题，通过测试和易性能以及力学性能等关键指标，开展混凝土配合比设计及性能研究。

1 工程概况

某大坝为混凝土重力坝，坝顶长度为521.6m，坝高最高为67.1m，相应的挡水位为59.5m，按大坝尺寸算，该工程混凝土为大体积混凝土，但在该工程浇筑过程中，由于坝体钢筋结构密集复杂，异形腔较多，混凝土流动性无法满足顺利通过钢筋的要求，导致局部堆积，同时由于混凝土和易性能差，频繁堵管，并且泵送后无法振捣，凝结快。

2 试验原材料

试验水泥为P·O42.5级水泥，测试标准稠度需水量27.2%，水泥胶砂3d抗压强度27.6MPa，28d抗压强度54.6MPa；试验粉煤灰为I级粉煤灰，细度5.1%，烧失量2.1%，需水量比93%；试验矿粉比表面积429m2/kg，胶砂7d活性指数85%，28d活性指数100%；试验硅灰需水量比115%，胶砂7d活性指数达106%；试验中粗河砂，细度模数2.5-2.6，含泥量1.6%，碎石5-16mm连续级配，含泥量0.8%；外加剂为聚羧酸高效外加剂，固含量19.2%，减水率22%；水为饮用水[2]。

3 大坝混凝土配合比设计

大坝混凝土要求混凝土和易性良好，混凝土不分层、不离析、不泌水，泵送过程无损失，易于振捣。针对项目存在的问题，调整体系砂率，优化矿物掺合料搭配比例，降低黏度，提升混凝土整体和易性，施工过程无泵送损失。粉料总用量为520kg/m3，粉煤灰取代范围0-20%，硅灰取代范围0%-6.1%，矿粉取代范围0%-30%，通过调整聚羧酸减水剂不同组分的搭配比例，达到调整混凝土和易性的目的。不同砂率混凝土配合比设计，见表1。

表1 不同砂率混凝土配合比设计 kg/m3

由表1知，固定水泥用量不变，研究不同砂率对混凝土和易性的影响，当砂率为45%时，达到最佳值，混凝土出机扩展度610mm，1h扩展度600mm，2h扩展度605mm，整体黏度较大，倒筒时间4.9s，施工性能稍差。接下来将固定砂率研究不同矿物掺合料取代率对混凝土性能的影响。不同矿物掺合料取代率混凝土配合比，见表2。

表2 不同矿物掺合料取代率混凝土配合比 kg/m3

4 实验结果分析

4.1 不同因素对大坝混凝土和易性的影响

对矿物掺合料中粉煤灰、硅灰、矿粉取代率对于混凝土扩展度、倒筒时间等和易性关键指标的影响进行研究。不同因素对大坝混凝土扩展度的影响，见图1。

图1 不同因素对大坝混凝土扩展度的影响

研究结果表明，粉煤灰、硅灰对于改善混凝土扩展度具有积极作用，矿粉基本无作用。随着粉煤灰掺量的增加，混凝土扩展度呈现先增加后基本不变的趋势，由于粉煤灰本身的球形颗粒，发挥滚珠效应；随着硅灰掺量的增加，混凝土扩展度呈现逐渐增加的趋势，但单一使用硅灰改善效果并不显著；随着矿粉掺量的增加，混凝土扩展度并未有显著改善，表明矿粉对提升扩展度无作用。当粉煤灰掺量为30%时，当硅灰掺量为3.8%时，混凝土整体黏度下降明显，倒筒时间明显降低，为3.3s[3]。

4.2 不同因素对大坝混凝土抗压强度的影响

对矿物掺合料中不同取代率对于混凝土不同龄期抗压强度的影响进行研究。混凝土不同龄期抗压强度，见图2。

图2 混凝土不同龄期抗压强度

由图2知，矿物掺合料对于改善不同龄期混凝土抗压强度具有积极作用。硅灰由于活性高，参与早期水化，提供早期强度；矿粉、粉煤灰水化时间较慢，主要提供中后期强度。当粉煤灰掺量为30%时，当硅灰掺量为3.8%时，矿粉掺量为20%时，混凝土各个龄期抗压强度达到最佳值，3d抗压强度24.8MPa，7d抗压强度40.1MPa，28d抗压强度55.9MPa，60d抗压强度61.9MPa。

4.3 大坝混凝土水化热研究

开展混凝土内部水化温升变化规律模拟实验，提供理论依据，避免由于局部温升过高导致的裂缝出现。选取部位点温差测试结果，见图3。

图3 选取部位点温差测试结果

由监测结果知，选取部位点在不同龄期均可以保持较好的温差，矿物掺合料的合理搭配可以有效避免内部局部温度过高导致的温度应力，防止温度裂缝的形成。通过监测，优化配合比良好，满足施工要求[4]。

5 结 论

1)矿物掺合料中粉煤灰、硅灰对于混凝土和易性改善具有重要作用。粉煤灰的加入，流动度呈现先增加后不变的趋势，黏度呈现先下降后不变的趋势。当粉煤灰掺量30%、硅灰掺量3.8%时，混凝土流动性、黏度基本达到最优值。

2)矿物掺合料中矿粉、粉煤灰对改善混凝土中后期强度具有重要作用。由于发生二次水化反应，因此，可显著改善混凝土中期抗压强度，密实整体结构，当矿粉掺量达到20%、粉煤灰掺量达到30%时，混凝土28d抗压强度达到最优值。

3)开展模拟实验，监测混凝土内部水化温升情况，通过对选取点进行温度监测，模拟实体情况。基于监测数据，水化过程中较好的控制温差变化，有效避免局部温升过快。优选后确定矿物掺合料最佳搭配比例为：粉煤灰掺量30%、硅灰掺量3.8%、矿粉掺量20%。