水分蒸發(fā)抑制劑對(duì)烏東德水電站混凝土強(qiáng)度的影響研究

鹿永久，王瑞，王偉，李明，李磊

（1.中國(guó)長(zhǎng)江三峽集團(tuán)公司試驗(yàn)中心烏東德工程分中心，湖北 宜昌 443133；2.高性能土木工程材料國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇省建筑科學(xué)研究院有限公司，江蘇 南京 210008；3.江蘇蘇博特新材料股份有限公司，江蘇 南京 211103）

0 引言

烏東德水電站位于金沙江干流下游四川省和云南省的界河上，右岸隸屬云南省昆明市祿勸縣，左岸隸屬四川省涼山州會(huì)東縣，是金沙江下游河段烏東德、白鶴灘、溪洛渡、向家壩4座水電站中最上游的梯級(jí)電站。工程區(qū)屬低緯度高原季風(fēng)氣候，主要特征是高溫、干旱和少雨，降水量少，蒸發(fā)量大。工程主體大壩采用低熱水泥和大摻量粉煤灰配制的四級(jí)配混凝土澆筑，膠材用量少、用水量低，坍落度較小。主體大壩施工方式為分層澆筑，每層澆筑完畢后覆蓋保溫棉被進(jìn)行養(yǎng)護(hù)和保溫，盡管施工中采取“噴霧”制造“微環(huán)境”和覆蓋保溫棉被等措施，由于夏季高溫、大風(fēng)，冬季低濕、大風(fēng)，潛在的混凝土水分蒸發(fā)問題依然突出。尤其是分層澆筑過程中坯層覆蓋間隔時(shí)間太長(zhǎng)的情況下，混凝土硬化前水分蒸發(fā)量大導(dǎo)致“料頭”和骨料表面變干等現(xiàn)象，會(huì)增加坯層之間界面作用力降低的風(fēng)險(xiǎn)。因此，加強(qiáng)烏東德大壩混凝土分層澆筑過程中的水分保持、減少混凝土塑性階段表層的水分蒸發(fā)，對(duì)提高水電站混凝土大壩耐久性和結(jié)構(gòu)安全具有重要的意義[1-4]。

混凝土塑性階段水分蒸發(fā)抑制劑是一種新型外加劑，具有有效抑制混凝土水分蒸發(fā)，解決塑性混凝土因失水引起的表面結(jié)殼、塑性開裂等現(xiàn)象，提升混凝土的結(jié)構(gòu)抗裂性、耐久性以及外觀形貌等特點(diǎn)。該產(chǎn)品惰性、不具有反應(yīng)活性，不會(huì)給混凝土帶來引氣和耐久性下降等問題[5-11]。在水工混凝土分層澆筑的條件下，不會(huì)對(duì)混凝土性能產(chǎn)生副作用，不存在安全隱患。研究顯示，水分蒸發(fā)抑制劑具有降低二級(jí)配和三級(jí)配水工混凝土塑性階段水分蒸發(fā)的作用，且對(duì)凝結(jié)時(shí)間、軸向抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度和耐久性無負(fù)面影響[12]。但是對(duì)水工大壩使用量最大的四級(jí)配混凝土的影響未見報(bào)道。

鑒于此，本文利用烏東德水電站工程現(xiàn)場(chǎng)原材料，開展了水分蒸發(fā)抑制劑對(duì)不同間隔時(shí)間分層澆筑的四級(jí)配混凝土水分蒸發(fā)抑制率、抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度及抗剪斷強(qiáng)度的研究，為水分蒸發(fā)抑制劑在水電工程中的應(yīng)用提供依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 原材料

（1）水泥：東川華新P·MH42.5水泥，物理力學(xué)性能見表1，水化熱及化學(xué)成分見表2。

表1 水泥的物理力學(xué)性能

表2 水泥的水化熱及化學(xué)成分

（2）粉煤灰：武漢沐青園的F類Ⅰ級(jí)粉煤灰，主要性能指標(biāo)見表3。

表3 粉煤灰的主要性能指標(biāo)

（3）細(xì)骨料：水電七局下白灘砂石加工系統(tǒng)生產(chǎn)的人工砂，細(xì)度模數(shù)2.84，表觀密度2760 kg/m3。

（4）粗骨料：水電七局下白灘砂石加工系統(tǒng)生產(chǎn)的碎石，5～20 mm 小石、20～40 mm 中石、40～80 mm 大石和 80～120 mm特大石，表觀密度分別為 2780、2790、2785、2780 kg/m3。

（5）減水劑：SBTJM-II萘磺酸鹽甲醛縮合物高效減水劑，減水率為21%，江蘇蘇博特新材料股份有限公司生產(chǎn)。

（6）引氣劑：GYQ（Ⅰ）混凝土引氣劑，江蘇蘇博特新材料股份有限公司生產(chǎn)。

（7）水分蒸發(fā)抑制劑：Ereducer-101塑性混凝土高效水分蒸發(fā)抑制劑，江蘇蘇博特新材料股份有限公司生產(chǎn)，使用前與水按1∶4的質(zhì)量比進(jìn)行稀釋。

1.2 混凝土配合比

混凝土采用C18035四級(jí)配配合比（見表4），坍落度按30～50 mm控制，引氣劑摻量按混凝土含氣量4.0%～5.0%控制，使用自落式攪拌機(jī)攪拌。

表4 四級(jí)配大壩混凝土配合比 kg/m3

1.3 高溫實(shí)驗(yàn)環(huán)境

在獨(dú)立的實(shí)驗(yàn)室通過4臺(tái)強(qiáng)力吹風(fēng)機(jī)和鎢燈，控制溫度為（38±2）℃、相對(duì)濕度為 40%、風(fēng)速為（10±1）m/s。高溫實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)場(chǎng)見圖1。

圖1 高溫實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)場(chǎng)

1.4 實(shí)驗(yàn)步驟

1.4.1 混凝土水分蒸發(fā)抑制率

混凝土成型于150 mm×150 mm×150 mm模具中，成型后噴灑水分蒸發(fā)抑制劑稀釋液，立刻放入高溫實(shí)驗(yàn)室，測(cè)試2 h和4 h的水分蒸發(fā)抑制率；2次噴灑實(shí)驗(yàn)中，噴灑時(shí)間間隔為0.5 h，每次噴灑量均為（200±20）g/m2，每組測(cè)試 3 個(gè)試塊并取平均值。水分蒸發(fā)抑制率試驗(yàn)按照J(rèn)G/T 477—2015《混凝土塑性階段水分蒸發(fā)抑制劑》的相關(guān)規(guī)定進(jìn)行。

1.4.2 混凝土抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度和抗剪斷強(qiáng)度

混凝土攪拌后，成型于150 mm×150 mm×150 mm的模具中，第1層混凝土高度為75 mm，噴灑水分蒸發(fā)抑制劑稀釋液后立刻放入高溫實(shí)驗(yàn)室，噴灑量為（200±20）g/m2，一定間隔時(shí)間后從高溫室取出，澆筑第2層混凝土，24 h后脫模，放入標(biāo)養(yǎng)室進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，一定齡期后按照DL/T 5150—2001《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》的相關(guān)規(guī)定測(cè)試抗壓強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度和抗剪斷強(qiáng)度，測(cè)試時(shí)加載方向?yàn)槠叫杏诜謱用妫拷M測(cè)試3塊并取平均值。

2 結(jié)果與討論

2.1 水分蒸發(fā)抑制率

根據(jù)JG/T 477—2015，在高溫和大風(fēng)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)開展了水分蒸發(fā)抑制率試驗(yàn)，測(cè)試了1∶4稀釋液噴灑1次和2次的水分蒸發(fā)抑制率，結(jié)果如表5所示。

表5 四級(jí)配混凝土的水分蒸發(fā)抑制率

由表5可見，在高溫大風(fēng)環(huán)境下，以1∶4稀釋的水分蒸發(fā)抑制劑具有顯著的減少四級(jí)配混凝土水分蒸發(fā)的作用。噴灑1次時(shí)，2 h和4 h水分蒸發(fā)抑制率分別為51.1%和33.6%；噴灑2次時(shí)，水分蒸發(fā)抑制率有明顯的增大，2 h和4 h水分蒸發(fā)抑制率分別為62.3%和42.5%。

2.2 抗壓強(qiáng)度

依據(jù)DL/T 5150—2001，不同分層間隔時(shí)間的四級(jí)配大壩混凝土28 d和180 d抗壓強(qiáng)度如表6所示。實(shí)際工程澆筑中，坯層施工時(shí)的覆蓋間隔時(shí)間一般不超過3 h，為突出極端情況作為對(duì)比，本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)了0 h、3 h和6 h的分層間隔時(shí)間。

表6 不同分層間隔時(shí)間的四級(jí)配混凝土抗壓強(qiáng)度

表6結(jié)果表明：（1）隨著分層間隔時(shí)間的延長(zhǎng)，基準(zhǔn)混凝土的抗壓強(qiáng)度逐漸降低，28 d抗壓強(qiáng)度由25.9 MPa分別下降至23.4、17.5 MPa，180 d抗壓強(qiáng)度由46.1 MPa分別下降至41.8、34.1 MPa，這主要是由于分層情況下，水分蒸發(fā)過多導(dǎo)致在層間形成薄弱面，造成抗壓強(qiáng)度下降；（2）相比于基準(zhǔn)混凝土，噴灑水分蒸發(fā)抑制劑的混凝土在不同的分層間隔時(shí)間下總體上對(duì)混凝土的強(qiáng)度無負(fù)面影響，甚至有所提高，主要原因在于水分蒸發(fā)抑制劑具有減少水分蒸發(fā)避免分層界面干燥的作用。

2.3 劈裂抗拉強(qiáng)度

依據(jù)DL/T 5150—2001，不同分層間隔時(shí)間的四級(jí)配大壩混凝土28 d和180 d劈裂抗拉強(qiáng)度如表7所示。

表7 不同分層間隔時(shí)間四級(jí)配混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度

由表7可見：（1）與抗壓強(qiáng)度結(jié)果類似，由于水分蒸發(fā)導(dǎo)致層間出現(xiàn)薄弱，造成劈裂抗拉強(qiáng)度下降，隨著分層間隔時(shí)間的延長(zhǎng)，基準(zhǔn)混凝土28d和180d劈裂抗拉強(qiáng)度逐漸降低，28d劈裂抗拉強(qiáng)度由1.36 MPa分別下降至1.05、1.04 MPa，180 d劈裂抗拉強(qiáng)度由3.25 MPa分別下降至2.89、2.43 MPa；（2）相同分層間隔時(shí)間情況下，與基準(zhǔn)混凝土相比，噴灑水分蒸發(fā)抑制劑對(duì)劈裂抗拉強(qiáng)度無負(fù)面影響，甚至還有提升，意味著水分蒸發(fā)抑制劑有助于改善分層澆筑時(shí)層間因水分蒸發(fā)導(dǎo)致的劈裂抗拉強(qiáng)度的降低。

2.4 抗剪斷強(qiáng)度

依據(jù) DL/T 5150—2001，依次施加 3.0、2.5、2.0、1.5 和 1.0 MPa的法向應(yīng)力并計(jì)算獲得相應(yīng)的剪應(yīng)力，計(jì)算得到相應(yīng)的抗剪參數(shù)。不同分層間隔時(shí)間的四級(jí)配大壩混凝土180 d抗剪斷強(qiáng)度參數(shù)如表8所示。

表8 不同分層條件下大壩混凝土的抗剪斷強(qiáng)度參數(shù)

由表8可見：（1）總體上，隨著分層間隔時(shí)間的延長(zhǎng)，混凝土內(nèi)摩擦角基本接近（45±3）°，黏聚力逐漸降低，原因同樣是水分蒸發(fā)導(dǎo)致在層間結(jié)合面薄弱，造成抗剪斷強(qiáng)度下降；（2）相同分層條件下的對(duì)比中，0 h分層時(shí)內(nèi)摩擦角和黏聚力基本一致，基準(zhǔn)混凝土內(nèi)摩擦角為47.57°，黏聚力為4.14 MPa，噴灑水分蒸發(fā)抑制劑的混凝土內(nèi)摩擦角為47.73°，黏聚力為4.21 MPa；3 h和6 h分層條件下，二者的內(nèi)黏聚力比較接近（<5%），噴灑水分蒸發(fā)抑制劑后的內(nèi)摩擦角基本接近（45±3）°。結(jié)果表明，水分蒸發(fā)抑制劑對(duì)大壩混凝土的劈裂抗剪強(qiáng)度無影響。

3 結(jié)論

（1）在高溫大風(fēng)環(huán)境下，以1∶4稀釋的水分蒸發(fā)抑制劑具有顯著的減少烏東德大壩四級(jí)配混凝土水分蒸發(fā)的效果，2 h水分蒸發(fā)抑制率可達(dá)62.3%。

（2）隨著分層澆筑間隔時(shí)間的延長(zhǎng)，烏東德大壩四級(jí)配混凝土抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度逐漸降低，噴灑水分蒸發(fā)抑制劑對(duì)抗壓強(qiáng)度和劈裂抗拉強(qiáng)度無負(fù)面影響，由于其水分蒸發(fā)抑制作用，強(qiáng)度甚至表現(xiàn)出一定程度的提升。

（3）相同分層澆筑時(shí)間間隔條件下，噴灑水分蒸發(fā)抑制劑對(duì)四級(jí)配大壩混凝土抗剪斷強(qiáng)度無影響。