沙牌水電站高拱壩碾壓混凝土芯樣長齡期性能試驗研究

李光偉 ， 詹侯全， 劉宇欣， 王海波

(1.中國電建集團(tuán)成都勘測設(shè)計研究院有限公司， 四川 成都 610072; 2.中國水利水電科學(xué)院， 北京 100038)

沙牌水電站高拱壩碾壓混凝土芯樣長齡期性能試驗研究

李光偉1， 詹侯全1， 劉宇欣1， 王海波2

(1.中國電建集團(tuán)成都勘測設(shè)計研究院有限公司， 四川 成都 610072; 2.中國水利水電科學(xué)院， 北京 100038)

對沙牌水電站拱壩高摻50%粉煤灰碾壓混凝土芯樣進(jìn)行的長齡期性能試驗研究結(jié)果表明：拱壩碾壓混凝土的力學(xué)性能以及耐久性能仍在持續(xù)發(fā)展。與設(shè)計齡期的碾壓混凝土相比，12年齡期的芯樣抗壓強(qiáng)度增加了58%，抗拉強(qiáng)度提高了7.4%，未出現(xiàn)拱壩碾壓混凝土強(qiáng)度倒縮現(xiàn)象。其10年齡期的彈性模量提高了14.7%，極限拉伸值提高了22.2%，與國內(nèi)其他工程碾壓混凝土芯樣的性能指標(biāo)相比，沙牌水電站拱壩碾壓混凝土具有彈性模量較低、極限拉伸值較高的特性。

沙牌水電站； 拱壩； 碾壓混凝土； 芯樣； 長齡期

0 前 言

碾壓混凝土筑壩是20世紀(jì)80年代興起的施工新技術(shù)，以其施工速度快、工期短、投資省、質(zhì)量安全可靠、機(jī)械化程度高、施工簡單、適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)勢，特別是建壩周期比同類的常態(tài)混凝土壩可以縮短工期三分之一以上，從而備受世界壩工界的青睞[1]。但由于碾壓混凝土的粉煤灰摻量較高，其長齡期的性能也是工程界十分關(guān)注的問題。

沙牌水電站位于四川省阿壩州汶川縣境內(nèi), 是岷江支流草坡河上游的龍頭電站。該電站由碾壓混凝土拱壩、泄洪閘、引水系統(tǒng)和地面廠房組成。拱壩高132 m , 是我國上世紀(jì)末建設(shè)的世界最高碾壓混凝土拱壩, 壩型為三心圓單曲拱壩 , 底寬28 m ,頂寬9.5 m, 碾壓混凝土設(shè)計方量為36.5萬m3。電站分兩期建設(shè): 一期工程采用引水式開發(fā)，于1995年11月開始施工,1997年5月發(fā)電; 二期工程為高拱壩建設(shè),于1997年6月開工建設(shè), 2003年6月全面竣工。拱壩壩體主要采用三級配碾壓混凝土，因壩體防滲的需要，在壩體上游部位采用二級配碾壓混凝土，壩體碾壓混凝土的設(shè)計強(qiáng)度等級均為90 d齡期的20 MPa[2]。

為了監(jiān)測和研究沙牌水電站拱壩碾壓混凝土長齡期性能及耐久特性，確保拱壩的安全運行，于2011年1月對沙牌水電站拱壩三級配碾壓混凝土取芯進(jìn)行長齡期性能試驗研究。

1 拱壩混凝土原材料及配合比

沙牌水電站拱壩混凝土采用四川阿壩州白花水泥廠生產(chǎn)的中熱水泥，該水泥采用高鐵和低鋁配方，具有低脆性、高抗裂性的特點。粉煤灰為宜賓黃桷樁電廠及成都關(guān)口電廠的Ⅱ級粉煤灰。骨料采用距離壩址3 km處的長河壩料場的花崗巖加工的人工骨料。該巖石受擠壓動力作用產(chǎn)生變形，有局部碎裂或隱裂隙，裂縫被次生石英和綠泥石充填，屬花崗巖變晶結(jié)構(gòu)，礦物較為完整。其濕抗壓強(qiáng)度為129～152 MPa，彈性模量為40.9～44.7 GPa，具有高強(qiáng)低彈的特性。

沙牌水電站拱壩碾壓混凝土施工過程中，除溫度較低時采用冬季施工配合比適當(dāng)增加膠凝材料用量外，主要采用如表1所示配合比，其中粉煤灰摻量為50%，碾壓混凝土的出機(jī)VC值控制在10 s左右,機(jī)口碾壓混凝土的含氣量控制在2.5%～3.5%[3]。

表1 拱壩碾壓混凝土主要配合比

2 拱壩混凝土芯樣性能試驗研究

鉆孔取芯是碾壓混凝土質(zhì)量檢查的綜合方法之一，長芯樣的鉆取能完全揭示碾壓混凝土原狀，真實地反映碾壓混凝土的質(zhì)量情況。為了研究沙牌水電站拱壩碾壓混凝土長齡期性能及耐久特性，對沙牌水電站拱壩不同高程、不同時段澆筑的三級配碾壓混凝土取芯進(jìn)行芯樣性能試驗研究。取芯工作累計造孔深度為150.23 m，芯樣直徑為20 cm，合計取芯長度為134.57 m。

2.1 拱壩混凝土芯樣物理性能

在所加工的238塊芯樣試件中，表面光滑的占80%以上，基本光滑的占15%以上；表面致密的占90%左右，表面稍有孔的占5%以上；骨料分布均勻占75%以上，骨料分布基本均勻的占20%以上。表明沙牌水電站拱壩碾壓混凝土芯樣的表面光滑程度、表面致密程度、骨料分布的均勻性均較好，且層間接觸面結(jié)合良好。

按照《水工混凝土試驗規(guī)程》(SL352-2006)[4]中“碾壓混凝土表觀密度測定”的規(guī)定，對拱壩碾壓混凝土芯樣的表觀密度進(jìn)行了測定，芯樣的表觀密度為2 450～2 509 kg/m3，平均值為2 478 kg/m3，滿足設(shè)計要求，表明拱壩碾壓混凝土的壓實質(zhì)量較好。

2.2 拱壩混凝土芯樣強(qiáng)度性能

芯樣的抗壓強(qiáng)度和劈拉強(qiáng)度依據(jù)《水工混凝土試驗規(guī)程》(SL352-2006)中規(guī)定的試驗方法進(jìn)行，采用1 ∶1高徑比的試件，試件直徑和高度均為20 cm。不同時段澆筑的碾壓混凝土芯樣強(qiáng)度性能(已折算成標(biāo)準(zhǔn)試件強(qiáng)度)見表2，不同齡期拱壩碾壓混凝土強(qiáng)度性能見圖1。

表2 拱壩碾壓混凝土芯樣強(qiáng)度性能

圖1 拱壩碾壓混凝土的強(qiáng)度性能

由圖1可以看出：與90 d設(shè)計齡期的強(qiáng)度相比，拱壩碾壓混凝土9年、10年、12年各齡期的抗壓強(qiáng)度分別增長了28%、47%和58%，各齡期的抗拉強(qiáng)度增長了5.1%～7.4%。表明沙牌水電站拱壩高摻50%粉煤灰的碾壓混凝土的強(qiáng)度是隨著齡期的增加而增長，未出現(xiàn)混凝土強(qiáng)度“倒縮”的現(xiàn)象。

2.3 拱壩混凝土芯樣變形性能

芯樣的彈性模量及極限拉伸試驗均依據(jù)《水工混凝土試驗規(guī)程》(SL352-2006)中規(guī)定的試驗方法進(jìn)行，采用2 ∶1高徑比的試件，試件直徑為20 cm，高度為40 cm。其中極限拉伸試件兩端采用粘接方式與試驗機(jī)加載裝置相連接，芯樣彈性模量及極限拉伸試驗的裝置及試件的測量見圖2。

圖2 拱壩碾壓混凝土芯樣變形性能試驗

不同時段澆筑的碾壓混凝土芯樣彈性模量及極限拉伸試驗結(jié)果見表3，其中芯樣的極限拉伸值按照濕篩碾壓混凝土與全級配碾壓混凝土極限拉伸的比值進(jìn)行了換算[5]，不同齡期拱壩碾壓混凝土變形性能見圖3。

表3 拱壩碾壓混凝土芯樣變形性能

圖3 拱壩碾壓混凝土的變形性能

由試驗結(jié)果可以看出：隨著齡期的增長，拱壩碾壓混凝土的彈性模量與極限拉伸值都有所提高。其9年和10年齡期的彈性模量較90 d設(shè)計齡期的彈性模量分別提高了4.9%和14.7%，9年和10年齡期的極限拉伸值較90 d設(shè)計齡期的極限拉伸值分別提高了4.6%和22.2%。與國內(nèi)其他工程碾壓混凝土芯樣的性能指標(biāo)相比[1]，沙牌水電站拱壩10年齡期芯樣具有彈性模量較低，極限拉伸值較高的特點，這是由于當(dāng)?shù)鼗◢弾r具有的特性所致。

2.4 拱壩混凝土芯樣耐久性能

將芯樣經(jīng)二次加工為直徑150 mm，高150 mm的圓柱體，然后將試件放入混凝土抗?jié)B試模中，周圍澆筑高標(biāo)號砂漿，試件與砂漿接觸的縫隙用環(huán)氧砂漿膠結(jié)，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)至28 d齡期，依據(jù)《水工混凝土試驗規(guī)程》(SL352-2006)中規(guī)定的試驗方法進(jìn)行抗?jié)B性能試驗。芯樣的抗?jié)B試驗結(jié)果見表4。

由試驗結(jié)果可以看出：拱壩碾壓混凝土9年、10年和12年芯樣的抗?jié)B等級均大于W12，與90 d設(shè)計齡期W8的設(shè)計要求相比，拱壩碾壓混凝土的抗?jié)B能力有所提高。

表4 拱壩碾壓混凝土芯樣抗?jié)B性能

2.5 拱壩混凝土芯樣動態(tài)性能

混凝土材料具有率敏感性，其力學(xué)特性與加載速率相關(guān)，混凝土結(jié)構(gòu)在動載荷作用下其動態(tài)強(qiáng)度、動態(tài)彈性模量以及動態(tài)極限拉伸等物理參數(shù)均與靜態(tài)力學(xué)參數(shù)有較大差異。沙牌水電站地處汶川地震中心區(qū)域，研究沙牌水電站拱壩碾壓混凝土的動態(tài)性能對評估汶川地震對沙牌水電站拱壩的影響，揭示沙牌水電站拱壩真實抗震性能十分必要。

分別選擇0.2×10-3/s、1.2×10-3/s、5.0×10-3/s和10.0×10-3/s等四種應(yīng)變速率，采用中國水利水電科學(xué)研究院的15 MN動、靜態(tài)材料試驗機(jī)，開展拱壩碾壓混凝土芯樣的動態(tài)性能試驗。試驗結(jié)果表明：動態(tài)荷載作用下拱壩碾壓混凝土芯樣的抗壓強(qiáng)度和劈拉強(qiáng)度均隨應(yīng)變率有明顯增加的趨勢，較靜態(tài)對應(yīng)的強(qiáng)度均有所提高，其中抗壓強(qiáng)度增加25%～60%，劈拉強(qiáng)度增加32.0%～52.0%。動態(tài)荷載作用下拱壩碾壓混凝土芯樣的彈性模量較靜態(tài)對應(yīng)的值變化不大。動態(tài)荷載作用下拱壩碾壓混凝土芯樣的極限拉伸值隨應(yīng)變率有明顯增加的趨勢，較靜態(tài)對應(yīng)的值增加3%～22%。

3 分析與討論

摻入碾壓混凝土中的粉煤灰在早期發(fā)揮形態(tài)效應(yīng)和微集料效應(yīng)，在混凝土凝結(jié)硬化的中后期，粉煤灰中的活性氧化物與水泥的水化產(chǎn)物發(fā)生“二次水化反應(yīng)”，生成穩(wěn)定的水化產(chǎn)物。通過XRD和SEM法的微觀分析證明[6]:碾壓混凝土中的水化反應(yīng)主要水化產(chǎn)物為水化硅酸鈣、水化硫鋁酸鈣、水化碳鋁酸鈣以及少量的氫氧化鈣，與常態(tài)混凝土基本一致，主要水化產(chǎn)物是穩(wěn)定的，混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)是致密的。

試驗研究表明[7-8]：碾壓混凝土中的膠凝材料經(jīng)過6年和9年齡期后，仍然具有一定的殘余水化能力。高摻70%粉煤灰的10年碾壓混凝土芯樣中仍存在有少量的氫氧化鈣，碾壓混凝土中的粉煤灰“二次水化反應(yīng)”仍在繼續(xù)。對8年齡期碾壓混凝土芯樣微觀分析結(jié)果顯示(見圖4)[7]，芯樣中的主要水化產(chǎn)物與短齡期的碾壓混凝土主要水化產(chǎn)物品種和形貌并無明顯的不同，原狀粉煤灰已很少發(fā)現(xiàn)，說明粉煤灰的水化反應(yīng)已經(jīng)比較充分，未水化的粉煤灰已被水化產(chǎn)物所包裹和覆蓋，以微集料的形式存在與水化產(chǎn)物粘結(jié)成整體，形成均勻密實的結(jié)構(gòu)。

圖4 8年齡期碾壓混凝土芯樣微觀結(jié)構(gòu)

混凝土的性能與其水化產(chǎn)物的穩(wěn)定性和混凝土的孔隙構(gòu)造直接相關(guān)，高摻粉煤灰碾壓混凝土的水化產(chǎn)物穩(wěn)定，混凝土的孔結(jié)構(gòu)致密，因此碾壓混凝土的性能在一定的年限內(nèi)，會隨著齡期的延長而增長。

4 結(jié) 語

為降低拱壩大體積混凝土的溫升，提高拱壩混凝土的抗裂能力，沙牌水電站拱壩碾壓混凝土采用高摻50%粉煤灰的工程措施。對沙牌水電站拱壩高摻50%粉煤灰碾壓混凝土芯樣進(jìn)行的長齡期性能試驗研究結(jié)果表明：拱壩碾壓混凝土的力學(xué)性能以及耐久性能仍在持續(xù)發(fā)展，與設(shè)計齡期的碾壓混凝土相比，12年齡期的芯樣抗壓強(qiáng)度增加了58%，抗拉強(qiáng)度提高了7.4%，拱壩碾壓混凝土未出現(xiàn)強(qiáng)度倒縮現(xiàn)象。其10年齡期的彈性模量提高了14.7%，極限拉伸值提高了22.2%，與國內(nèi)其他工程碾壓混凝土芯樣的性能指標(biāo)相比，沙牌水電站拱壩碾壓混凝土具有彈性模量較低、極限拉伸值較高的特性。

[1] 田育功. 碾壓混凝土快速筑壩技術(shù)[M].北京：中國水利水電出版社，2010.

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2017- 03- 29

李光偉(1962-)，男，湖北武漢人，教授級高級工程師，從事水工混凝土原材料及混凝土性能試驗研究。

TV642；TV431

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