板澗河調(diào)蓄水庫面板混凝土試驗研究

(山西省水利水電科學(xué)研究院，山西 太原 030002)

1 工程概述

板澗河調(diào)蓄水庫為山西省小浪底引黃工程引水干線中的重要組成部分，水庫位于山西省運城市垣曲縣板澗河村下游約1.5km處。水庫設(shè)計總庫容為3336萬m3，屬于中型水庫；工程主體建筑物由大壩、溢洪道、泄洪洞等組成。

根據(jù)初步設(shè)計要求，大壩為2級建筑物，溢洪道和泄洪洞為3級建筑物；水庫大壩的設(shè)計方案采用混凝土面板堆石壩，最大壩高85.0m，壩頂寬8.0m，壩頂高程540.0m，上下游壩坡比均設(shè)計為1∶1.4；大壩的面板為鋼筋混凝土，強度等級C30，抗凍等級F150，抗?jié)B等級W10，面板厚度30～60cm，大壩面板分塊寬為8.5～12m。

2 原材料的選用

面板混凝土配合比的原材料中，水泥選用P·O 42.5普通硅酸鹽水泥；摻和料選擇當(dāng)?shù)氐蘑蚣壏勖夯?，為提高面板混凝土的防裂性能，還摻用了19mm規(guī)格的聚丙烯纖維；細骨料選用當(dāng)?shù)厣皬S的天然中砂，細度模數(shù)為2.86，含泥量為2.2%；碎石選用當(dāng)?shù)厥蠌S的二級配碎石(小石5～20mm粒徑、中石20～40mm粒徑)；混凝土外加劑選用DH3G型高效減水劑和DH9型引氣劑。

3 面板混凝土的配合比試驗

3.1 面板混凝土配合比的試配組合方案

面板混凝土配合比的主要參數(shù)有水膠比、用水量、砂率、減水劑摻量、引氣劑摻量等。其中，水膠比的變化主要用于研究混凝土強度變化和建立水膠比與混凝土強度的關(guān)系曲線，用水量的變化用于研究對混凝土拌和物性能影響，粉煤灰、減水劑、引氣劑的變化用于研究對混凝土拌和物性能、強度和后期混凝土耐久性能的影響，粉煤灰、砂及石子的變化用于研究對混凝土拌和物性能、混凝土強度性能的影響。基于以上考慮，初步確定面板混凝土的試配組合方案。

3.2 面板混凝土配合比基本參數(shù)的確定

面板混凝土的設(shè)計指標(biāo)為C30F150W10，根據(jù)前期的試驗結(jié)果和擬定的面板混凝土配合比設(shè)計方案，初步設(shè)定配合比的基本參數(shù)及其變化范圍。

a.水膠比、坍落度、用水量及含氣量：水膠比變化范圍為0.34～0.43，分別按照0.34、0.37、0.40、0.43的水膠比進行試驗；面板混凝土的拌和物坍落度范圍為30～70mm，單位體積用水量為140～150kg/m3，分別按照140kg/m3、145kg/m3、150kg/m3的變化進行試驗；含氣量控制范圍為3%～6%。

b.水泥：水泥選用42.5級的普通硅酸鹽水泥，水泥用量范圍為300～350kg/m3。

c.摻和料：主要摻和料為粉煤灰，輔助摻和料為聚丙烯纖維。首選的粉煤灰要求質(zhì)量等級為Ⅱ級，摻量范圍為15%～18%，分別按照15%、16%、17%、18%的摻量進行試驗，每平方米混凝土中，粉煤灰用量范圍60～70kg/m3；考慮到面板混凝土要求具有一定的早期防裂性和延展性，還選用聚丙烯纖維作為摻和料進行試驗，選用19mm規(guī)格的聚丙烯纖維，摻量范圍0.7～0.9kg/m3，分別按照0.7kg/m3、0.8kg/m3、0.9kg/m3的變化進行試驗。

d.粗細骨料：細骨料選用天然中砂，砂率范圍為35%～39%，分別按照35%、37%、39%的變化進行試驗；粗骨料采用二級配，為5～20mm粒徑、20～40mm粒徑。通過級配的組合試驗，初步確定小石∶中石比例組合為 1∶1。

e.外加劑：混凝土高效減水劑的摻量范圍為0.70%～0.85%，分別按照0.70、0.75、0.80、0.85的變化進行試驗；混凝土引氣劑的摻量范圍為1.00/萬～1.30/萬，分別按照1.00/萬、1.10/萬、1.20/萬、1.30/萬的變化進行試驗。

根據(jù)以上考慮，初步設(shè)定面板混凝土配合比的主要參數(shù),見表1。

表1 面板混凝土配合比的主要參數(shù)

面板混凝土的試驗分別按照A1～A6系列組合進行，其中試驗編號A1～A4為基本系列組合，試驗編號A5～A6為參照比對系列組合。依據(jù)面板混凝土配合比的主要參數(shù)，給出面板混凝土的單方混凝土配合比材料用量表，隨后進行成型混凝土試件的各項性能試驗。

3.3 面板混凝土的試驗結(jié)果分析

面板混凝土的試驗包括混凝土拌和性能試驗、抗壓強度性能試驗、抗?jié)B性能試驗、抗凍性能試驗等，隨后對各項試驗結(jié)果進行數(shù)據(jù)處理和研究分析，對初步擬定的面板混凝土配合比參數(shù)進一步調(diào)整優(yōu)化，以確定滿足工程設(shè)計及施工要求的配合比基本參數(shù)。面板混凝土配合比的各項性能試驗結(jié)果見表2。

3.3.1 面板混凝土拌和性能的各項試驗結(jié)果分析

通過對A1～A6配合比組合系列各項試驗結(jié)果的分析和比較，可以觀察到編號A2、A5、A6面板混凝土配合比系列中，拌和性能的試驗結(jié)果整體適中，基本可滿足設(shè)計及施工要求。

表2 面板混凝土配合比的各項性能試驗結(jié)果

其中，在混凝土拌和物的和易性指標(biāo)中，編號A2、A3、A5、A6試件的和易性試驗結(jié)果相對較好；混凝土拌和物坍落度實際測值波動范圍為39～72mm，滿足設(shè)計試驗要求，A2、A5試件的坍落度試驗結(jié)果相對適中；混凝土拌和物含氣量測值的波動范圍為3.1%～5.8%，A3、A4、A5、A6配合比的含氣量試驗結(jié)果相對較好。

根據(jù)面板混凝土配合比系列的拌和性能試驗結(jié)果，得到混凝土拌和物含氣量與聚丙烯纖維摻量的關(guān)系曲線，見圖1。隨著聚丙烯纖維摻量的增大，含氣量指標(biāo)有增大的趨勢，二者同方向變化。在A1～A6配合比系列中，通過對混凝土拌和物含氣量指標(biāo)波動趨勢的觀察，發(fā)現(xiàn)隨著引氣劑和聚丙烯纖維摻量的增加，混凝土拌和物的和易性變好，但同時混凝土拌和物的含氣量指標(biāo)有增大的趨勢,考慮到含氣量指標(biāo)的要求限制和對和易性的影響，根據(jù)目前的試驗結(jié)果，聚丙烯纖維在本項試驗面板混凝土中的摻量不宜過大，其中A5、A6試件聚丙烯纖維摻量適中，其對應(yīng)的混凝土含氣量測值適中，同時和易性較好且其坍落度指標(biāo)也能夠滿足設(shè)計要求，對應(yīng)的聚丙烯纖維摻量和引氣劑摻量分別為0.7kg/m3和1.30/萬。

圖1 含氣量與聚丙烯纖維摻量關(guān)系曲線

綜合分析以上面板混凝土配合比拌和性能的試驗結(jié)果，編號A2、A5、A6試件的試驗結(jié)果相對較好。

3.3.2 面板混凝土抗壓強度的試驗結(jié)果分析

在面板混凝土的抗壓強度試驗結(jié)果中，混凝土試件的3天抗壓強度均大于20MPa，7天抗壓強度均大于25MPa，28天抗壓強度均大于33MPa，配合比的試驗組合系列基本滿足面板混凝土的抗壓強度等級要求，其中，編號A1試件的3天、7天、28天的抗壓強度試驗測值最高，編號A2、A5、A6試件的3天、7天、28天的抗壓強度試驗結(jié)果相對適中。

圖2 水膠比與28天抗壓強度關(guān)系曲線

根據(jù)面板混凝土配合比系列的抗壓強度試驗結(jié)果，得到混凝土水膠比與28天的混凝土抗壓強度關(guān)系曲線，見圖2。從圖2中可知，混凝土的抗壓強度隨著水膠比的增大而呈現(xiàn)下降趨勢，二者反方向變化。通過水膠比與28天的混凝土強度關(guān)系曲線發(fā)展趨勢分析，認為面板混凝土配合比的水膠比數(shù)值在0.35～0.40之間較為適宜。

3.3.3 面板混凝土耐久性試驗結(jié)果分析

面板混凝土的耐久性試驗項目包括抗?jié)B性能和抗凍性能檢測。

混凝土的抗?jié)B性試驗結(jié)果表明，面板混凝土配合比總體系列的抗?jié)B性能試驗結(jié)果較好，抗?jié)B等級大于設(shè)計要求。其中，編號A1、A2、A3、A5、A6試驗結(jié)果抗?jié)B等級均大于W10。

依據(jù)《水工混凝土試驗規(guī)程》(SL 352—2006)，在要求規(guī)定的凍融循環(huán)次數(shù)內(nèi)，混凝土試件的相對動彈性模量下降至初始值的60%或質(zhì)量損失率達5%時，即可認為試件已達破壞，并以相應(yīng)的凍融循環(huán)次數(shù)作為該混凝土的抗凍等級。從混凝土的抗凍性試驗結(jié)果來看，試件抗凍性能結(jié)果較好。其中對A2、A3試件進行了混凝土的快速凍融試驗，試件歷經(jīng)150次快速凍融循環(huán)后相對動彈性模量值分別為97.1%、95.6%，高于相對動彈性模量60%的要求；混凝土質(zhì)量損失率分別為0.1%、0.2%，低于質(zhì)量損失率5%的要求。試驗結(jié)果表明其抗凍性能在歷經(jīng)150次快速凍融循環(huán)之后，其抗凍測值的富裕系數(shù)較大，保證率較高。

綜合以上試驗結(jié)果分析，試件的抗?jié)B及抗凍試驗結(jié)果基本滿足要求，其中編號A2、A5、A6配合比相對較好，在滿足面板混凝土的技術(shù)要求下，以此配合比系列為基礎(chǔ)參數(shù)，提出推薦的大壩面板混凝土配合比。

4 配合比在工地現(xiàn)場的適應(yīng)性調(diào)整及后期混凝土的養(yǎng)護

實驗室的配合比能否與工地情況相適應(yīng)，是混凝土澆筑能否順利實施的前提和關(guān)鍵。由于工地現(xiàn)場的施工條件和環(huán)境條件的變化，實驗室配合比經(jīng)常需要調(diào)整和優(yōu)化，工地現(xiàn)場試驗過程中，遇到的主要問題包括混凝土拌和物的和易性變差、含氣量值不穩(wěn)定、坍落度值需要分時段調(diào)整等。

a.施工攪拌設(shè)備及運輸車輛情況。施工使用的混凝土攪拌設(shè)備為SXJS1000型混凝土攪拌機，出料容量1000L，進料容量1600L，生產(chǎn)率為40～50m3/h，最大骨料粒徑80mm，攪拌軸轉(zhuǎn)速26.2r/min?，F(xiàn)場配備30型裝載機一臺，作為加裝原材料的設(shè)備?；炷翑嚢枵镜缴蠅尉嚯x約為300m，施工場地狹小，上壩道路狹窄，大型車輛展開運送較為困難，因此施工單位采用2m3的自卸翻斗三輪車作為混凝土運輸?shù)能囕v進行施工作業(yè)。

b.工地現(xiàn)場試驗拌和過程中，觀察到混凝土的和易性時好時差，拌和物時稀時稠，坍落度值也忽高忽低，很不穩(wěn)定。分析原因發(fā)現(xiàn)堆料場砂子其表面和內(nèi)部的含水率不一致，造成砂子含水率的波動。為此在砂子使用前，將砂子充分拌和均勻后裝料，隨后的觀察表明混凝土拌和物性能基本保持穩(wěn)定。

c.現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)混凝土拌和物的含氣量指標(biāo)不穩(wěn)定，通過逐項排查，最后發(fā)現(xiàn)是施工操作人員在準(zhǔn)備引氣劑溶液時，沒能充分溶解和稀釋原液，造成溶液濃度不穩(wěn)定、波動較大，于是安排專人負責(zé)混凝土的引氣劑配制，并對混凝土含氣量值加強頻次檢測，使含氣量基本穩(wěn)定在4%～6%范圍之內(nèi)。

d.坍落度的調(diào)整。由于工程所在地為峽谷地帶，晝夜溫差較大，且大壩壩體地段正面處于峽谷風(fēng)口，白天風(fēng)速相對較大，而夜間風(fēng)速相對較小，工程地形和氣候環(huán)境不利于施工拌和及后期的混凝土養(yǎng)護。尤其是在面板混凝土的施工過程中，較大的風(fēng)速對混凝土拌和物的坍落度影響較大，對此通過分時段調(diào)整混凝土拌和物的坍落度值，滿足混凝土的施工要求。在白天風(fēng)速較大時施工，將混凝土坍落度調(diào)整為50～70mm，在夜間風(fēng)速相對較小時施工，將混凝土坍落度調(diào)整為40～50mm，可確保面板混凝土澆筑的順利施工。

e.混凝土面板的養(yǎng)護措施。根據(jù)面板混凝土的養(yǎng)護要求，要求施工單位在成型后的面板混凝土養(yǎng)護中采取保溫和保濕措施。在需要養(yǎng)護的大壩面板頂部安裝PP塑料管灑水，沿塑料管表面扎一排微小的灑水孔，將塑料管引入水源，通過這排微小的灑水孔不間斷且均勻地在大壩混凝土面板上進行灑水保濕；保溫措施是將一種黑色絨毛氈類保溫被覆蓋在面板混凝土上，混凝土面板的養(yǎng)護時間為90天。

5 結(jié) 語

板澗河調(diào)蓄水庫面板混凝土的試驗研究，包括室內(nèi)試驗和工地現(xiàn)場試驗兩部分。在混凝土各項性能試驗的基礎(chǔ)上，通過對影響混凝土性能的各項因素進行分析，研究了有關(guān)參數(shù)的變化趨勢并得到其變化關(guān)系曲線，提出了面板混凝土配合比方案；同時結(jié)合實驗室配合比與工地情況的不適應(yīng)等問題，及時調(diào)整和優(yōu)化面板混凝土配合比，為工程的順利實施提供保障。