淺談高海拔地區(qū)碾壓混凝土含氣量影響因素

路 明，周興朝

(中國水利水電第九工程局有限公司，貴州 貴陽 550081)

華電西藏公司所屬電站為二等大(2)型工程，開發(fā)任務以發(fā)電為主，相應庫容0.552 8億m3，電站壩址控制流域面積15.74萬km2。電站裝機容量為660 MW，多年平均發(fā)電量32.045億kW·h，保證出力(P=5%)173.43 MW。

電站樞紐建筑物由擋水建筑物、泄洪消能建筑物、引水發(fā)電系統(tǒng)及升壓站等組成。攔河壩為碾壓混凝土重力壩。發(fā)電廠房采用壩后式布置，主要由主廠房、副廠房、變電站等組成，主廠房尺寸163.00 m×29.50 m×63.50 m(長×寬×高)，安裝4臺單機容量165 MW的混流式水輪發(fā)電機組。

1 工程特點

華電西藏公司所屬電站是西藏目前在建的最大水電站，也是目前國內海拔最高的碾壓混凝土重力壩。盡管我國內地已有較為成熟的碾壓混凝土施工及質量控制經(jīng)驗，也有一些寒冷地區(qū)碾壓混凝土質量控制經(jīng)驗可以借鑒，但由于西藏高海拔地區(qū)特有的強日照、低氣壓、晝夜溫差大、強蒸發(fā)等屬性，其他地區(qū)的工程經(jīng)驗也不能完全借鑒到本工程中。華電西藏公司所屬電站所處地區(qū)氣候屬高原溫帶季風半濕潤氣候，每年11月～次年4月為旱季，5月～10月為雨季。

加查氣象站(壩址下游約35 km，測站高程3 260 m)多年平均氣溫9.3℃，極端最高、最低氣溫分別為32.5℃和-16.6℃，多年平均降水量527.4 mm，多年平均蒸發(fā)量為2 084.1 mm，多年平均相對濕度為51%，多年平均氣壓為685.5 hPa，多年平均風速為1.6 m/s，歷年最大定時風速為19.0 m/s，多年平均日照時數(shù)為2 605.7 h，歷年最大凍土深度為19 cm。倉面實測氣溫見表1。

表1 倉面實測氣溫統(tǒng)計表 ℃

基于以上氣候條件，華電西藏公司所屬電站水電九局項目試驗室對高海拔地區(qū)碾壓混凝土含氣量影響因素進行研究。

2 高海拔地區(qū)碾壓混凝土含氣量影響因素

大量研究表明，引入微小的氣泡是提高混凝土抗凍性能的有效方法，具體措施是在混凝土中摻入一定量的引氣劑。引氣劑是具有憎水作用的表面活性物，可以明顯降低混凝土拌合水的表面張力，使混凝土內部產生大量微小穩(wěn)定的氣泡。這些氣泡切斷了混凝土內部的部分毛細管通路，在混凝土結冰時產生的壓力得到緩解，不使混凝土遭到破壞，起到緩沖減壓作用。這些氣泡也可以阻斷混凝土內部毛細管與外界的通路，使外界水分不能滲入，提高混凝土的抗?jié)B性能。同時適量的氣泡還起到潤滑作用，可以改善混凝土的和易性。因此混凝土中摻入引氣劑，使混凝土內部有足夠的氣泡，能夠大大提升混凝土的耐久性能及施工性能。

但碾壓混凝土即使在內地低海拔地區(qū)引氣效果也不理想，在西藏高海拔地區(qū)特有的強日照、低氣壓、晝夜溫差大、強蒸發(fā)的條件下，碾壓混凝土的含氣量問題越加顯著?，F(xiàn)從以下幾方面通過試驗對高海拔地區(qū)碾壓混凝土的含氣量影響因素進行研究：

本工程施工配合比主要用砂石為西藏DG主砂系統(tǒng)生產的砂石，水泥為華新堡壘水泥有限公司生產的P·MH42.5水泥，粉煤灰為寧夏錦鑫環(huán)?？萍加邢薰旧a的Ⅱ級粉煤灰，外加劑為山西恒泰偉業(yè)建材有限公司生產的HT-5/奈系高效減水劑和HT-11/引氣劑，拌和用水為華電西藏公司所屬電站營地生活飲用水，配合比使用《大壩及廠房混凝土配合比(山西恒泰外加劑)成果評審會會議紀要》(專題紀要{2018}096號)附表1中的C9015W6F100三級配碾壓混凝土，拌和時間為65 s。配合比具體參數(shù)及每方材料用量見表2。

表2 C9015W6F100三級配碾壓混凝土配合比參數(shù)及每方材料用量表

2.1 高海拔地區(qū)低氣壓對碾壓混凝土含氣量的影響

本次試驗主要是通過使用相同的原材料、配合比、拌和時間、VC值，分別在貴州省貴陽市水電九局中心試驗室(海拔約1 100 m)和西藏DG項目試驗室(海拔約3 400 m)兩個不同海拔高度的地區(qū)進行10組對比試驗，研究碾壓混凝土在不同海拔高度及氣壓的條件下，含氣量與海拔高度的關系。為保證碾壓混凝土試驗除海拔高度外其他條件均相同，在試驗時保證所有砂石骨料均為飽和面干狀態(tài)，通過相同的用水量控制兩地試驗的VC值也保持一致，溫濕度均符合《水工混凝土試驗規(guī)程》DL/T5150中對混凝土拌和時的溫濕度要求。表3為兩個不同海拔地區(qū)含氣量試驗的檢測結果。

表3 兩地含氣量試驗結果統(tǒng)計表

通過試驗對比發(fā)現(xiàn)，在除了海拔和氣壓外其他試驗條件相同的情況下，由于海拔的升高導致碾壓混凝土的含氣量有所削減，也有研究表明，當拌和氣壓在50 kPa時，含氣量相較于標準大氣壓下下降20%～49%[1]。通常情況下造成混凝土含氣量較低的原因主要有兩方面：①引氣劑氣泡能力弱，引入氣泡能力有限；②引入的氣泡穩(wěn)定性差，氣泡強度低，容易破裂。引氣劑作為一種表面活性劑，是通過降低液體表面的張力形成氣泡的，由于表面張力是由液體表面分子引力不均衡而產生的作用于任何一界線上的張力。海拔的升高導致大氣壓的降低，空氣中的分子間距增大，吸引力減弱，而液體密度受氣壓的影響很小，此時處于液-氣界面上的分子明顯受液體分子的引力要高于標準大氣壓下的引力，即高海拔低大氣壓時液體的表面張力值偏大，這樣就相當于削弱了引氣劑的引氣能力，從而導致碾壓混凝土在高海拔地區(qū)引氣難度要大于低海拔地區(qū)。因此在高海拔低氣壓地區(qū)澆筑有含氣要求的混凝土時，要根據(jù)當?shù)貧鈮簵l件，因地制宜，通過適當提高引氣劑摻量來引入足夠的氣泡，以達到碾壓混凝土的耐久性能要求。

2.2 高海拔地區(qū)VC值對碾壓混凝土含氣量的影響

2019年3月華電西藏公司所屬電站碾壓混凝土澆筑正式拉開帷幕，進入澆筑高峰期。試驗室嚴格按照《水工碾壓混凝土施工規(guī)范》DL/T5112-2009中對碾壓混凝土VC值、含氣量的檢測要求進行檢測和數(shù)據(jù)收集，通過對檢測數(shù)據(jù)整理分析不難發(fā)現(xiàn)碾壓混凝土含氣量與VC值存在一定的關系，表4為試驗室收集整理有關碾壓混凝土VC值和含氣量的數(shù)據(jù)。

表4 碾壓混凝土VC值和含氣量的數(shù)據(jù)統(tǒng)計表

注：表中含氣量數(shù)據(jù)為在相同VC值時所檢測含氣量的平均值。

通過摻加引氣劑引入碾壓混凝土拌和物中的氣泡并不是一成不變的。在碾壓混凝土的拌和、運輸、攤鋪和碾壓的過程中，隨著碾壓混凝土VC值的損失，碾壓混凝土拌合物中的氣泡也在發(fā)生遷徙、合并、潰滅等變化。如圖1所示VC變大的宏觀反應就是碾壓混凝土含氣量的不斷下降。

圖1 含氣量隨VC值變化的關系圖

氣泡存在的條件是氣相和液相的邊界。碾壓混凝土作為干硬性混凝土，拌和物中存在液相有限。拌制完成的碾壓混凝土如果沒有及時完成鋪筑碾壓，在西藏高海拔地區(qū)特有的強日照、低氣壓、晝夜溫差大、強蒸發(fā)等特有的氣候條件下，暴露在外的碾壓混凝土VC損失較快，碾壓混凝土中的液相也相繼損失， 導致氣泡破裂，碾壓混凝土含氣量降低，無法保證碾壓混凝土的耐久性能。因此在西藏高海拔地區(qū)特有的氣候條件下施工，首先需要控制好碾壓混凝土出機口VC值，其次是在施工的過程中需要及時攤鋪和碾壓，以保證碾壓混凝土在攤鋪碾壓完成前有足夠的含氣量來保證碾壓混凝土的耐久性。

2.3 高海拔地區(qū)人工砂中石粉含量對碾壓混凝土含氣量的影響

石粉是指細骨料中粒徑小于0.16 mm的顆粒，其貌為不規(guī)則多菱體，屬于惰性材料，但適量的石粉含量有利于提高碾壓混凝土各項性能，人工砂中石粉含量有較好的顆粒形態(tài)及顆粒效應，能填充骨料間空隙，包裹骨料表面，提高碾壓混凝土的黏聚性、抗分離性、可碾性，降低碾壓混凝土的空隙率，可提高混凝土的密實性，有利于碾壓混凝土的泛漿和增強其抗?jié)B性能。然而人工砂中石粉含量并非越高越好，當人工砂中石粉含量增大時其細微的石粉對引氣劑有一定的吸附作用，導致引氣效果不佳，繼而影響碾壓混凝土的耐久性(抗凍性能、抗?jié)B性能等)，研究表明，石粉含量提高1%，含氣量就降低0.1%[2]。

在西藏高寒地區(qū)由于強日照、低氣壓、晝夜溫差大、強蒸發(fā)等因素，對碾壓混凝土的拌和物性能和耐久性能都具有較高的要求。因而需要根據(jù)當?shù)丨h(huán)境及工程特點尋找最佳石粉含量，既能保證碾壓混凝土拌和物的施工性能，也能保證碾壓混凝土的含氣量要求。表5為西藏DG項目試驗室通過收集整理石粉含量與含氣量及碾壓n遍后全面翻漿數(shù)據(jù)統(tǒng)計表。

表5 石粉含量與含氣量及碾壓n遍后全面翻漿數(shù)據(jù)統(tǒng)計表

注：以上含氣量、碾壓遍數(shù)為在相同石粉含量時所收集所有數(shù)據(jù)的平均值。

圖2 含氣量隨石粉含量變化關系圖

圖3 碾壓遍數(shù)隨石粉含量變化關系圖

當石粉含量增大時，含氣量持續(xù)減?。划擵C值適宜，石粉含量≤17%時，有振碾壓5遍后才能全面翻漿，當石粉含量>20%時，有振碾壓2遍后均能全面翻漿。通過對以上數(shù)據(jù)綜合分析，確定最佳石粉含量為20%,既能保證碾壓混凝土拌合物的施工性能也能保證碾壓混凝土的含氣量要求。

3 結 語

通過以上三點研究，對西藏高海拔地區(qū)影響碾壓混凝土含氣量問題作出以下總結并提供相應的解決方案：

海拔的升高導致大氣壓的降低，從而導致碾壓混凝土在高海拔地區(qū)引氣難度要大于低海拔地區(qū)。因此在高海拔低氣壓地區(qū)澆筑有含氣要求的混凝土時，要根據(jù)當?shù)貧鈮簵l件，因地制宜，通過適當提高引氣劑摻量來引入足夠的氣泡，以達到碾壓混凝土的耐久性能要求。

在西藏高海拔地區(qū)特有的強日照、低氣壓、晝夜溫差大、強蒸發(fā)等特有的氣候條件下，暴露在外的碾壓混凝土VC值損失較快，碾壓混凝土中的液相也相繼損失， 導致氣泡破裂，碾壓混凝土含氣量降低，無法保證碾壓混凝土的耐久性能。因此在西藏高海拔地區(qū)特有的氣候條件下施工，首先需要控制好碾壓混凝土出機口VC值，其次是在施工的過程中需要及時攤鋪和碾壓，以保證碾壓混凝土在攤鋪碾壓完成前有足夠的含氣量來保證碾壓混凝土的耐久性。

對碾壓混凝土的拌和物性能和耐久性都具有較高要求西藏高海拔地區(qū)。需要根據(jù)當?shù)丨h(huán)境及工程特點尋找最佳石粉含量，既能保證碾壓混凝土拌和物施工性能也能保證碾壓混凝土的含氣量要求，通過研究和分析確定華電西藏公司所屬電站碾壓混凝土最佳石粉含量為20%。

本文針對西藏等高海拔地區(qū)碾壓混凝土含氣量的影響因素進行了研究，并給出了相應的解決方案，為進一步提高高原地區(qū)碾壓混凝土的質量做出了相應貢獻，旨在為未來高寒地區(qū)碾壓混凝土質量控制時能夠能夠提供相應的借鑒方案，改善碾壓混凝土的性能，為工程經(jīng)濟建設做出微薄的貢獻。