卡拉贝利工程高性能混凝土的研究与应用

曹 力

(新疆卡拉贝利水利枢纽工程建设管理局，新疆 喀什 844000)

1 概述

卡拉贝利工程处于新疆乌恰县境内，是克孜河上出山口段上的一座控制性水利枢纽工程，以防洪和灌溉为主、兼顾发电。该工程是Ⅱ等大(2)型的水利枢纽工程，水库的总库容2.62亿m3，主要建筑有砂砾石混凝土面板坝、2个泄洪排沙放空洞、溢洪道及电站等。

对工程坝址区的河水、河床内的潜水、钻孔内基岩的裂隙水进行了取样，根据水质分析试验成果，坝址区河水、河床内潜水及基岩裂隙水中的硫酸根离子含量分别是356.3～499.5mg/L、413.1～614.8mg/L及399.6～999.6mg/L，pH值为71.9～8.64，对混凝土有结晶类硫酸盐型的中等—强腐蚀性。

通过普通水泥高性能混凝土研究，以达到对抑制硫酸盐的侵蚀、骨料的碱活性、设计等级与施工性等方面的要求，改善混凝土的性能，节省水泥，从而实现经济合理，进一步为高性能混凝土推广积累了宝贵的经验。

2 研究目的和设计思路

2.1 研究目的

利用符合工程实际情况及技术要求的原材料，在满足和易性与设计指标要求的前提下，通过试验研究，确定了混凝土原材料之间的比例关系，选取合适的混凝土外加剂，达到改善混凝土性能和节省水泥，实现经济合理，满足设计要求，施工性能良好，保证质量最佳的混凝土配合比。通过试验研究，采用普通硅酸盐水泥配制的高性能混凝土，满足对抑制硫酸盐的侵蚀、骨料的碱活性、设计等级与施工性的要求。

2.2 设计思路

高性能混凝土以耐久性作为试验设计的主要指标，依据不同用途的要求，重点保证混凝土的耐久性、工作性、适用性、强度、 体积稳定性和经济性。主要配置的特点是采取低水胶比，选择优质原材料，掺加足够数量的矿物细掺料及高效外加剂。

本试验研究参考了中国土木工程学会标准CCES 01—2004《混凝土结构耐久性设计与施工指南》，并结合工程所处的气候和地理特点，高性能混凝土配制主要基本原则如下。

(1)水泥采用质量稳定、低水化热和含碱量偏低水泥。

(2)骨料采用耐久坚固、合格级配、良好粒形、洁净的骨料。

(3)采用优质的粉煤灰、矿渣等矿物掺和料或者复合矿物掺和料。

(4)采用优质的高效减水剂，减小混凝土的水胶比，以尽量降低拌和水用量；有抗冻渗要求的混凝土，需要掺加优质的引气剂，作为配制耐久混凝土常用手段。

(5)对混凝土的胶凝材料最低与最高用量做出限制，并尽量减少硅酸盐水泥用量。

3 高性能混凝土配合比研究

3.1 混凝土配合比、拌合物性能及抗压强度试验

混凝土配合比、拌合物性能及 3、7、28d 抗压强度结果见表2。根据表2试验结果，其中配制C30F200W6泵送时，当AX-1掺量为 1%，混凝土有轻度泌水，故又增加了两组 AX-1掺量 0.8%的配合比，减少高效减水率掺量后，基本无泌水现象。分析对于不同强度等级、级配与粉煤灰掺量的混凝土抗压强度试验结果，其结果见表1。混凝土配合比试拌时，胶凝材料中粉煤灰的掺量是以内掺法，即按重量的粉煤灰等量替代水泥。从表 1结果中可以看出，28d 相关系数均大于 0.99，表明相关性较好，规律性较强。

表1 不同强度等级混凝土 28d 抗压强度与胶水比相关分析结果

表2 新疆卡拉贝利水利枢纽工程普通水泥高性能混凝土配合比试验结果

(续表2)

3.2 混凝土抗冻试验

混凝土抗冻性能试验按SL 352—2006《水工混凝土试验规程》中混凝土抗冻试验方法进行，检验结果见表3。

表3 混凝土抗冻性试验结果 单位：%

本次研究进行的抗冻试验，其试件选择水灰(胶)比较大的配合比进行抗冻融试验，试验结果均符合抗冻等级为 F200或 F300设计的要求，因此推荐的混凝土配合比也均符合抗冻设计的要求，并且还有较多的富余量。

同时， 我们采用丹麦产 RapidAir 气孔结构分析仪对部分抗冻试件，依据SL 352—2006中硬化混凝土气泡参数试验(直线导线法)，对硬化混凝土28d龄期进行气孔结构的测试，结果见表4。由表4中的结果可知，各配合比气孔间距系数均小于 200μm，满足CCES 01-2004中在最严酷盐冻条件下对气泡间距系数要求，即满足抗冻耐久性要求，KL-28气孔照片如图1所示。

表4 硬化混凝土配合比 28d后气孔结构测试结果

图1 气孔照片

3.3 混凝土抗渗试验

按照SL 352—2006中逐级加压法进行混凝土抗渗等级分别为W6和W4的试验。通过各抗渗设计等级不同试件试验结果表明，当压力分别加至规范规定压力时，各种配合比成型后的6个试件均没有出现渗水现象。经对试件劈裂后检验，其中W4试件渗水高度为10～50mm，W6试件的渗水高度是15～55mm，充分说明混凝土的抗渗性能较好。即所检验试件的混凝土抗渗等级均大于相应的设计等级，符合各种抗渗等级设计的要求。

4 研究结果

(1)本项目采用浸泡K法和干湿循环法分别模拟了混凝土结构的两种工况，即长期完全浸泡于含硫酸盐的环境水中和有时处于含硫酸盐环境水中。这两种试验论证的结果均表明：采用普通水泥加粉煤灰的高性能混凝土，是能够完全达到抑制硫酸盐侵蚀目标。

(2)综合浸泡法抗侵蚀的试验结果：在不同侵蚀溶液中，本项目试验的抗蚀系数均大于0.90，规范要求28d抗侵蚀系数大于0.8，充分说明抗硫酸盐侵蚀能力合格。同时，本次试验的误差分析结果标明，不同试验龄期抗折强度的试验误差σ在试验变差系数Cv小于5%时试验水平达到优良；Cv在5%～10%之间，试验水平达到一般。本次试验水平均属于优良。本项目提出以普通水泥加粉煤灰的高性能混凝土抑制硫酸盐侵蚀的方案是可行的。

(3) 在混凝土中通过掺加30%左右，甚至更多Ⅱ级以上粉煤灰，能够明显改善混凝土水泥石的孔结构，提高混凝土的抗渗性能，即使水胶比0.45，抗侵蚀系数均大于规范要求的0.8。同时，参考抗折强度指标进行3个因素的正交极差分析，粉煤灰的掺量因素，随着龄期延长，其影响程序愈来愈大。经过微观对水泥石进行了电子扫描显微镜(SEM)和能谱分析，得出掺加一定量粉煤灰，可大大改善水泥石孔结构，改善水泥石的水化反应，减少了侵蚀产物产生，从而提高了抗硫酸盐侵蚀的性能。

(4) 本项目提高的普通水泥加粉煤灰的高性能混凝土方案，经过大量的试验研究论证结果表明，其抑制硫酸盐侵蚀的能力是符合要求的，且大于抗硫酸盐水泥混凝土，基本与抗硫酸盐水泥加粉煤灰混凝土性能相当，且在经济上有比较大的优势。

5 试验结果分析

混凝土配合比试验过程中，首先应考虑混凝土拌合物和易性、坍落度及粘聚性等指标是否满足技术指标的要求，在此基础上测定含气量是否符合技术要求。待上述技术指标均符合技术要求后，再成型混凝土抗压强度试件，对面板趾板则需成型其它力学性能试件，否则需要重新调整用水量或砂率、以及外加剂的掺量。初步选取满足设计强度等级要求的最合理混凝土配合比，在成型的抗冻、抗渗和抗裂试件中进行试验。根据试验结果分析，最后选择满足设计要求、技术可靠且经济合理的混凝土配合比。

本工程地处寒冷地区，混凝土抗冻要求较高。针对以上对混凝土耐久性的要求，采取高性能混凝土的理念，进行配合比的优化，在混凝土配合比优化试验过程中，主要优化选择的有如下几个方面：

(1)水胶比的优选

本混凝土配合比试验研究主要以试验结果为依据，同时根据相应的规范、规程对最大水胶比的要求来优选水胶比。本试验中推荐有耐久性要求混凝土配合比的水胶比均较小。对于设计强度等级较低，且具有较高耐久性要求，本试验则选择相对规范要求的水胶比偏大，但通过试验验证均能符合设计要求。

(2)粉煤灰掺量的优选

掺粉煤灰能有效改善混凝土的工作性能及混凝土的孔结构，使孔径得以细化和匀化，提高了混凝土密实度，而且提高了混凝土的抗渗、抗冻、抗侵蚀和抑制骨料:碱活性等主要耐久性指标，并且减少混凝土的泌水与离析现象，同时减少了温度应力，进而抑制温差产生的裂缝等。

(3)外加剂的效应

对外加剂性能影响最大的是水泥，不同品种的外加剂对水泥的分散、减水与增强效益不同，水泥适应性好的外加剂，可以显著改善混凝土的毛细孔结构，进而提高混凝土密实度，提高混凝土的力学强度与抗渗等耐久性，并改善新拌混凝土的和易性，增大流动度，减少泌水和离析现象，根据混凝土力学性能与耐久性的试验结果，选取了技术可靠且经济合理的外加剂掺量。

一是高效减水剂。水泥水化所需用水量基本相当于水泥质量的1/4，即理想的水胶比是0.25。但使用该用水量拌制的混凝土如同一盘散沙，无法施工。为满足施工需要，只有增加水量以增大混凝土的流动度。由于混凝土用水量过大，水泥水化剩余的水较多，蒸发以后，混凝土内部形成了较多孔隙，导致混凝土干缩大和裂缝多，强度与耐久性降低，混凝土质量变劣。要解决这个问题，只有采用掺减水剂的办法。它能在相同流动度的情况下减水8%～15%，最高可达30%以上。减水剂是一种表面活性剂，能溶解于水溶液中，并在液面定向排列，从而降低界面能。这种物质的表面活性能使其具有湿润、乳化、分散、起泡、润滑作用，能够大幅度地降低混凝土用水量。经试验检测，由于本试验所用缓凝减水剂坍落度损失较快，因此，我们建议施工前应由厂家调整其中的缓凝成份，以避免坍落度损失过快。

二是引气剂。引气剂是一种表面活性剂，能降低溶液表面张力，引入大量互不贯通的微细气泡，有引气、分散、润湿作用。气泡直径在25～250μm之间，能够均匀地分布在混凝土中，切断毛细管之间的通道，从而提高了混凝土抗渗性；缓和了自由水因受冻结产生的膨胀应力，并且能够提高混凝土抗冻性和改善新拌混凝土和易性，依据SL 191—2008《水工混凝土结构设计规范》4.4.7规定：“抗冻混凝土必须掺引气剂”；SL 211—2006《水工混凝土抗冰冻设计规范》4.1.4规定“抗冻混凝土必须使用有引气作用的外加剂”的要求。混凝土中掺入引气减水剂，由于含气量增大，导致混凝土强度降低。但可利用减水剂的增强作用，可弥补因含气量增大所降低的强度损失。通过试配混凝土配合比，根据抗冻设计等级及规范对不同级配混凝土含气量的要求，选取合适引气剂的掺量。根据试验结果表明，推荐混凝土配合比的力学性能、抗冻及抗渗等耐久性都满足设计的要求。

6 结论

(1)不同强度等级、不同级配和不同粉煤灰掺量的高性能混凝土的28d相关系数均大于0.99，抗压性能高且相关性较好，规律性较强。

(2)高性能混凝土硬化混凝土28d龄期的气孔结构测试，各配合比气孔间距系数均小于200μm，符合抗冻耐久性要求。

(3)通过劈裂后的检验，W4试件渗水高度为10～50mm，W6试件渗水高度为15～55mm，具有较好的抗渗性能。

(4)通过浸泡K法和干湿循环法分别模拟了混凝土结构的两种工况，高性能混凝土完全可以达到抑制硫酸盐侵蚀的目标。

(5)高性能混凝土在溢洪道泄槽段挡墙溢0+110—溢0+138范围进行应用，施工过程中高性能混凝土混凝土拌合物具有较高流动性，在成型的过程中不分层和不离析，同时具有较高体积稳定性。说明高性能混凝土具有良好的工作性，抑制硫酸盐侵蚀能力大于抗硫酸盐水泥混凝土，与抗硫酸盐水泥加粉煤灰混凝土性能基本相当，且在经济上有比较大的优势。为同类工程的运用提供了一定参考价值。