抗沖耐磨混凝土在福建洪口水電站工程的應(yīng)用

邢蘭英

（中國華電集團(tuán)公司福建分公司，福建 福州 350013）

1 工程概況

洪口水電站位于福建寧德市洪口鄉(xiāng)境內(nèi)的霍童溪干流上，壩址控制流域面積1 701 km2，水庫總庫容4.497億m3，裝機(jī)容量200 MW。攔河壩為碾壓混凝土重力壩，最大壩高130 m，壩頂中部設(shè)4孔單孔寬15 m的開敞式溢流表孔，設(shè)計(jì)洪水最大下泄流量9 140 m3/s。

洪口水電站溢洪道過流流速較大、空化數(shù)較低，高速水流問題較突出。流速一般在40 m/s左右、最大達(dá)43 m/s；陡槽段和反弧段部分水流空化數(shù)較低，在校核、設(shè)計(jì)工況及當(dāng)閘門開啟3 m以上時(shí)，空化數(shù)多數(shù)小于0.3。過流面混凝土的抗沖耐磨能力對確保溢洪道安全泄洪十分重要，開展抗沖耐磨混凝土的專項(xiàng)研究試驗(yàn)是必要的。

2 抗沖耐磨混凝土試驗(yàn)研究

2.1 抗沖耐磨混凝土設(shè)計(jì)要求及研究技術(shù)路線

設(shè)計(jì)單位根據(jù)結(jié)構(gòu)計(jì)算和水工模型試驗(yàn)，要求洪口水電站溢洪道陡坡段溢流面混凝土為C25 W6 F100常態(tài)混凝土，反弧段溢流面混凝土為常態(tài)C30 W6 F100抗沖耐磨混凝土。

抗沖耐磨混凝土試驗(yàn)研究的工作依據(jù)為：DL/T 5207-2005《水工建筑物抗沖磨防空蝕混凝土技術(shù)規(guī)范》；DL 5108-1999、SL 319-2005《混凝土重力壩設(shè)計(jì)規(guī)范》；DL/T 5151-2001《水工混凝土砂石骨料試驗(yàn)規(guī)程》；DL/T 5150-2001《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》；DL/T 5193-2004《環(huán)氧樹脂砂漿技術(shù)規(guī)程》。

研究工作考慮目前抗沖磨材料的發(fā)展及其優(yōu)缺點(diǎn)，結(jié)合工程實(shí)際，擬選HF抗沖磨混凝土作為研究重點(diǎn)，并進(jìn)行其它高性能混凝土、硅粉混凝土、多元（凝膠）粉體混凝土及NE-II型環(huán)氧砂漿的對比試驗(yàn)研究，綜合比較其技術(shù)性和經(jīng)濟(jì)性，從中優(yōu)選方案，推薦抗沖磨混凝土方案，提供用于指導(dǎo)施工的抗沖磨混凝土配合比。

2.2 試驗(yàn)用主要原材料及性能

（1）水泥：采用福建富屯水泥有限公司生產(chǎn)的“萬年青”P.O 42.5R水泥，水泥的不溶物含量為16.18%，堿含量為1.03%。28 d抗壓強(qiáng)度49.0 MPa；標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量27.6。

（2）粉煤灰：采用邵武華英粉煤灰有限公司生產(chǎn)的“富屯”II級灰，細(xì)度5.6%，燒失量7.7%，活性指數(shù) 86.0%，SiO2含量 56.11%，MgO 含量 1.55%，Al2O3含量25.82%。

（3）骨料：選用本工程大壩混凝土所使用的天然砂石料，砂細(xì)度模數(shù)為3.1，干密度為2.57 g/cm3、吸水率為2.1%。

（4）減水劑：利用江蘇博特新材料有限公司研發(fā)生產(chǎn)的JM-II緩凝高效減水劑，在摻粉劑0.6%（推薦摻量）時(shí)減水率為15.1%，3 d、7 d、28 d抗壓強(qiáng)度比分別為142%、145%和128%。

（5）其它外加劑：選用甘肅省電力科學(xué)研究院研制的HF高強(qiáng)耐磨粉煤灰混凝土專用外加劑，摻2.5%時(shí)減水率為29.2%，3 d、7 d、28 d抗壓強(qiáng)度比分別為228%、187%和178%。

2.3 抗沖耐磨混凝土配合比設(shè)計(jì)

2.3.1 室內(nèi)試驗(yàn)成果

采用相同水泥用量、不同粉煤灰用量（序號1～3），相同膠凝材料總量、不同粉煤灰摻量（序號3～5），復(fù)合摻硅粉（8%）或礦渣（20%）的多元凝膠粉體（序號6～10）等組合混凝土進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)成果見表1、圖1和圖2。

表1 混凝土室內(nèi)試驗(yàn)成果匯總表Table 1:Laboratory result of the concrete

圖1 混凝土強(qiáng)度與水膠比關(guān)系曲線圖Fig.1 Relation between concrete strength and water-binder ratio

圖表數(shù)據(jù)表明：HF外加劑有很好的減水效果，對抗壓強(qiáng)度增強(qiáng)效果明顯（摻HF外加劑時(shí)混凝土用水量僅約102 kg/m3，而摻其它普通減水劑，經(jīng)驗(yàn)用水量約120 kg/m3）；粉煤灰摻量在18%左右時(shí)，HF激發(fā)粉煤灰活性效果較好；水膠比、膠凝材料總量不變，粉煤灰摻量在一定范圍內(nèi)變化時(shí)，抗壓強(qiáng)度變化較?。粡?fù)合摻入礦渣或硅粉，在粉煤灰摻量小時(shí)其抗壓強(qiáng)度有一定程度增加；在粉煤灰摻量大時(shí)抗壓HF混凝土是合

圖2 混凝土強(qiáng)度與水泥用量關(guān)系曲線圖Fig.2 Relation between concrete strength and cement content

2.3.2 配合比參數(shù)調(diào)整

為了取得除抗壓強(qiáng)度外的良好的抗沖磨性能，按有關(guān)規(guī)范和工程經(jīng)驗(yàn)（高流速區(qū)的溢流面混凝土等級多數(shù)取C40以上），結(jié)合室內(nèi)試驗(yàn)成果、混凝土和易性、本工程的施工工藝等因素，對擬配制的混凝土的配合比參數(shù)進(jìn)行了調(diào)整，水泥用量宜調(diào)整至250～270 kg/m3左右，粉煤灰摻量取16%左右，砂率為32%～34%為宜。調(diào)整后再進(jìn)行5種方案的抗沖耐磨混凝土配合比計(jì)算，并進(jìn)行二次試拌與調(diào)整。

2.3.3 配合比設(shè)計(jì)

根據(jù)二次試拌情況，擬選5種方案的抗沖耐磨混凝土（5種方案詳見表2）分別進(jìn)行抗壓強(qiáng)度、抗沖磨強(qiáng)度、磨損率、抗壓彈模、抗?jié)B等級、軸拉強(qiáng)度、極限拉伸值、干縮變形、性能等對比試驗(yàn)，在配合比設(shè)計(jì)時(shí)混凝土強(qiáng)度保證率取95%。

2.4 抗沖耐磨混凝土試驗(yàn)成果

2.4.1 抗沖耐磨混凝土拌和物物理性能

實(shí)驗(yàn)室對抗沖耐磨混凝土拌和物進(jìn)行了凝結(jié)時(shí)間、坍落、泌水率凝結(jié)時(shí)間等試驗(yàn)，成果見表3及圖3。

表2 抗沖耐磨混凝土設(shè)計(jì)配合比方案Table 2:Designed mix proportion of the abrasion-resistant concrete

表3 混凝土拌和物物理性能Table 3:Physical properties of the concrete mixture

圖3 混凝土拌和物坍落度損失過程圖Fig.3 Slump loss of the concrete mixture

2.4.2 抗沖耐磨混凝土力學(xué)性能

（1）物理力學(xué)性能：5種方案的抗沖耐磨混凝土物理力學(xué)試驗(yàn)結(jié)果詳見表4。試驗(yàn)表明（28 d），膠凝材料總量一定情況下，JM-II高性能基準(zhǔn)混凝土的抗壓強(qiáng)度相對較低，為45.3 MPa；HF混凝土和硅粉混凝土抗壓強(qiáng)度相當(dāng)，約55 MPa，約是基準(zhǔn)混凝土的1.2倍；同時(shí)摻粉煤灰和硅粉的多元粉體抗沖耐磨混凝土的抗壓強(qiáng)度最高，為58.2 MPa。

（2）變形性能：幾種抗沖耐磨混凝土的60 d干縮值基本在260×10-6～330×10-6之間，其中硅粉混凝土干縮值相對大一些，達(dá)330×10-6；其它干縮值接近，約270×10-6；HF混凝土14 d干縮值僅為硅粉混凝土的65%，28 d干縮值約為硅粉混凝土的77%，60 d干縮值（268×10-6）為硅粉混凝土的81%，見圖4。

表4 抗沖耐磨混凝土物理力學(xué)試驗(yàn)結(jié)果（28 d）Table 4:Physical and mechanical properties of the abrasion-resistant concrete(28 d)

圖4 混凝土干縮曲線圖Fig. 4 Graph of drying shrinkage of the concrete

（3）絕熱溫升：試驗(yàn)表明HF混凝土（HF-1）的絕熱溫升值（60 d）為33℃，其他各組混凝土的絕熱溫升值（60 d）為32℃～34℃。

（4）抗沖耐磨性能：進(jìn)行了5種方案的抗沖耐磨混凝土和NE-II型環(huán)氧砂漿的抗沖耐磨對比試驗(yàn)研究。試驗(yàn)采用水下鋼球法，試驗(yàn)設(shè)備為GB-YX混凝土抗沖耐磨儀，轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速1 200 r/min。試件尺寸為?300 mm×100 mm，飽和試件累計(jì)沖磨72 h后測試抗沖耐磨強(qiáng)度和磨損率。試驗(yàn)結(jié)果表明，從抗沖耐磨試驗(yàn)結(jié)果來看，摻JM高效減水劑的基準(zhǔn)高性能混凝土的抗沖耐磨性能相對差，摻硅粉混凝土（同時(shí)摻JM高效減水劑）的抗沖耐磨性能也不太理想，摻HF混凝土及摻HF的多元粉體混凝土的抗沖耐磨性能較好，而用NE-II型環(huán)氧砂漿質(zhì)變抹面（厚1 cm）的抗沖耐磨能力強(qiáng)，磨損量極小，表面平整如初，抗沖耐磨性能最好。試驗(yàn)成果見表5、圖5。

2.5 試驗(yàn)研究成果分析及方案選擇

2.5.1 試驗(yàn)研究成果分析

對上述5種混凝土拌和物性能、物理力學(xué)性能、干縮變形性能、抗沖耐磨性能等試驗(yàn)數(shù)據(jù)對比分析表明：

（1）上述混凝土均具較好的抗磨及抗空蝕性能，膠材結(jié)構(gòu)致密堅(jiān)硬、骨料硬度大，骨料與膠材之間結(jié)合好；整體強(qiáng)度高，要求干縮性小、水化溫升小、抗拉強(qiáng)度和極限拉伸值較高。

表5 混凝抗沖耐磨試驗(yàn)成果表（28 d）Table 5:Result of abrasion resistance test(28 d)

圖5 混凝土抗沖耐磨強(qiáng)度與抗壓強(qiáng)度關(guān)系曲線圖Fig.5 Relation between abrasion resistance and compressive strength

（2）HF混凝土的抗沖耐磨性能相對較好，其它各項(xiàng)指標(biāo)較優(yōu)；HF外加劑有很好的減水、增強(qiáng)效果，在粉煤灰摻量18%左右時(shí)HF激發(fā)粉煤灰活性效果最好；摻HF外加劑的混凝土拌和物比較粘，有緩慢自流動(dòng)現(xiàn)象，自密實(shí)、和易性好，對過流面容易達(dá)到設(shè)計(jì)要求的平整度，混凝土質(zhì)量易于控制；HF混凝土的配置不需另摻入其它外加劑，施工也簡單、對節(jié)省混凝土造價(jià)有利。

2.5.2 方案選擇

從經(jīng)濟(jì)上分析，初步測算洪口水電站工程使用硅粉混凝土需增加費(fèi)用約為140元/m3，HF混凝土需增加約60元/m3，多元粉體混凝土需增加約160元/m3，由此可見，使用HF混凝土造價(jià)最為經(jīng)濟(jì)。

綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析結(jié)果，洪口工程采用HF混凝土方案是所研究幾種抗沖耐磨材料中的最優(yōu)方案。

3 工程應(yīng)用

3.1 施工配合比

根據(jù)試驗(yàn)研究結(jié)果，洪口工程施工前進(jìn)行了多次現(xiàn)場澆筑試驗(yàn)，對設(shè)計(jì)配合比進(jìn)行了優(yōu)化，得到表6所示C50抗沖耐磨混凝土施工配合比。

3.2 工程應(yīng)用情況

根據(jù)項(xiàng)目試驗(yàn)研究成果，設(shè)計(jì)對洪口水電站溢流面及導(dǎo)墻迎水面表層的抗沖耐磨混凝土標(biāo)號及其它參數(shù)進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化：陡槽及反弧段面層混凝土（樁號壩下0+051.471～壩下0+105.8）由原設(shè)計(jì)C30耐磨、防沖常態(tài)混凝土（28 d W6 F100厚1.0 m）改為C50 HF抗沖耐磨混凝土（90 d W6 F100、厚0.8 m）；溢流面抗磨層下部混凝土由原設(shè)計(jì)C25常態(tài)混凝土（28 d W6F100）改為C35常態(tài)混凝土（90 d W6 F100）；導(dǎo)墻迎水面表層混凝土（壩下0+051.471～壩下 0+105.8）由原設(shè)計(jì) C30 常態(tài)混凝土（28 d W6 F100、厚1.0 m）改為C50 HF 抗沖耐磨混凝土（90 d W6 F100、厚0.8 m）。共澆筑HF抗沖耐磨混凝土1.5萬 m3。

表6 C50 HF抗沖磨混凝土施工配合比Table 6:Mix proportion of the C50 HF abrasion-resistant concrete in construction

4 結(jié) 語

洪口水電站碾壓混凝土重力壩溢洪道反弧段流速大、對混凝土的抗沖耐磨性能要求高，采用經(jīng)試驗(yàn)研究所配制的HF混凝土具有抗沖耐磨及抗壓強(qiáng)度高、干縮值小、自密實(shí)性能好、造價(jià)低、施工方便等特點(diǎn)，且干縮性、經(jīng)濟(jì)性、實(shí)用性等性能指標(biāo)優(yōu)于硅粉混凝土。2008年下閘蓄水后經(jīng)泄洪考驗(yàn)，溢流面表面光滑平整、無任何損壞。

洪口水電站溢洪道采用HF抗沖耐磨混凝土是在福建水電工程上的首次應(yīng)用，其技術(shù)可行性和良好的經(jīng)濟(jì)性使得該材料具有良好的應(yīng)用價(jià)值，可廣泛應(yīng)用于有溢洪道、泄洪洞等承受高速水流沖磨部位的在建項(xiàng)目和除險(xiǎn)加固項(xiàng)目。該項(xiàng)研究獲2008年福建省水利水電科技成果三等獎(jiǎng)。

由于洪口水電站工程投運(yùn)以來未經(jīng)歷大洪水的考驗(yàn)，HF抗沖耐磨混凝土工程尚有待進(jìn)一步考驗(yàn)。