亭子口水利樞紐大壩Ⅱ標碾壓混凝土配合比設計

李建平，向尚君

(中國安能集團第三工程局有限公司，成都，611135)

1 概述

1.1 工程概況

亭子口水利樞紐位于四川省廣元市蒼溪縣境內(nèi)，是嘉陵江干流開發(fā)中唯一的控制性工程，是以防洪、灌溉及城鄉(xiāng)供水、發(fā)電為主，兼顧航運，并具有攔沙減淤等效益的綜合利用工程。樞紐大壩采用碾壓混凝土重力壩，分兩個標段進行施工，其中大壩Ⅱ標包括27#-35#表孔壩段、44#-50#右岸非溢流壩段及消力池，設計碾壓混凝土84.36萬m3，常態(tài)混凝土45.38萬m3。

1.2 設計要求

碾壓混凝土配合主要包括大壩大體積混凝土、富膠混凝土、廊道及電梯井周邊50cm范圍內(nèi)變態(tài)混凝土、迎水面變態(tài)混凝土、接縫砂漿等類型混凝土及砂漿，其具體技術要求見表1所示。

表1 碾壓混凝土強度等級及主要設計指標

1.3 原材料選擇結果

通過對大壩Ⅱ標混凝土所用的水泥、外加劑、粉煤灰、骨料及水的現(xiàn)場檢測和對比試驗，初步確定了水泥、外加劑、粉煤灰、骨料及水品種及品質要求，相關結論如下[1]：

(1)所采用的雙槍、雙馬、華新、三峽等四種品牌的P·MH42.5中熱硅酸鹽水泥符合規(guī)范要求，各項性能相差很小，在配制混凝土配合比時可以互換。后期再更換水泥品牌時，可根據(jù)水泥性能試驗，重點對水泥與外加劑的適應性進行試驗，經(jīng)試驗檢測后可互相替代。

(2)采用的粉煤灰有華珞、巴蜀、達電等三種品牌，試驗中采用了華珞粉煤灰，通過試驗比較，只要粉煤灰與外加劑適應性，性能相當，可以實現(xiàn)相互之間代換。

(3)外加劑采用了江蘇博特新材料有限公司生產(chǎn)的JM-Ⅱ(C)緩凝高效減水劑和JM-2000引氣劑，緩凝高效減水劑為奈系緩凝高效減水劑，引氣劑為改性松香酸鹽類，主要成分為非離子型樹脂表面活性劑。三種外加劑的品質均符合規(guī)范要求，品質基本相當，具有較高的減水效果。施工過程中，應根據(jù)天氣的變化，外加劑各成分也要做適當調(diào)整，建議緩凝高效減水劑分冬季型和夏季型進行現(xiàn)場施工供貨。

(4)混凝土骨料由左岸砂石加工系統(tǒng)生產(chǎn)，左岸砂石加工系統(tǒng)生產(chǎn)的細骨料為中砂，滿足混凝土用砂的要求，但石粉含量偏低，遠低于碾壓混凝土用砂質量要求，在配置碾壓混凝土時需人工添加石粉，以提高碾壓混凝土的可碾性和抗分離性，增加混凝土的密實度。骨料級配以振實容重最大、振實空隙率最小為優(yōu)選原則，其中二級配碾壓混凝土骨料級配比例為中石∶小石為55∶45；三級配碾壓混凝土骨料級配比例為大石∶中石∶小石為30∶40∶30。

(5)混凝土拌和用水采用右岸水廠供水，右岸水廠所提供的水符合國家生活飲用水標準。

2 配合比參數(shù)選擇

2.1 基準用水量及砂率選擇

混凝土砂率與級配、水膠比、粉煤灰摻量等因素有關。砂率選擇是否恰當直接影響混凝土用水量、拌和物和易性及混凝土的各項性能。通過試驗選取粘聚性和和易性好，單位用水量最少時的砂率。根據(jù)現(xiàn)場環(huán)境條件，碾壓混凝土控制VC值在4s～7s范圍，水灰比為0.50，粉煤灰摻量為50%，緩凝高效減水劑JM-Ⅱ(C)摻量為0.6%，引氣劑JM-2000摻量按混凝土含氣量3%～5%控制，選擇石粉摻量控制在14%～20%范圍內(nèi)?；炷粱鶞噬奥蔬x擇試驗結果如表2所示，在試驗范圍內(nèi)變動砂率，混凝土抗壓強度基本接近，主要差異表現(xiàn)在混凝土拌合物性能上。結合工程經(jīng)驗，根據(jù)試驗成果，二級配碾壓混凝土基準配合比的合適砂率為34%，三級配碾壓混凝土基準配合比的合適砂率為30%。

表2 混凝土基準砂率選擇試驗成果

2.2 外加劑摻量確定

JM-Ⅱ(C)緩凝高效減水劑已在三峽等大型水電工程建設中得到了成功的應用，對擬選的雙槍、雙馬、三峽、華新等四種中熱水泥和珞璜粉煤灰均有較好的適應性，一般摻量在0.4%～0.7%[1]。由于混凝土單位用水量隨著減水劑摻量的增加而遞減，對碾壓混凝土而言，減水劑摻量過高，膠凝材料用量過少使混凝土可碾性變差，極限拉伸值也難以達到設計技術要求。因而根據(jù)大型工程的應用經(jīng)驗，選擇緩凝高效減水劑JM-Ⅱ(C)摻量為0.6%，引氣劑JM-200摻量按混凝土含氣量3%～5%確定。

2.3 碾壓混凝土拌和物VC值及含氣量經(jīng)時損失試驗

為摸清混凝土在選定的水泥、外加劑、粗細骨料和亭子口當?shù)丨h(huán)境條件下，碾壓混凝土工作性能，以及混凝土拌和物VC值及含氣量隨時間損失情況，以便更好控制混凝土拌和質量，確保入倉混凝土具有合適的VC值和滿足設計要求。試驗采用二級配混凝土，水膠比為0.50，粉煤灰摻量為50%，緩凝高效減水劑JM-Ⅱ(C)摻量0.6%、引氣劑JM-2000摻量為6/萬，混凝土VC值控制在4s～7s范圍，石粉摻量控制在14%～20%范圍。采用雙槍、雙馬、華新及三峽水泥的碾壓混凝土VC值及含氣量損失試驗成果如表3所示，VC值及含氣量隨時間變化曲線如圖1所示，從試驗結果可以看出，四種水泥的VC值及含氣量損失基本一致，其關系曲線為后期混凝土拌和及運輸質量控制提供了依據(jù)。

表3 VC值及含氣量損失試驗成果

圖1 VC值及含氣量損失關系曲線

2.4 碾壓混凝土拌和物凝結時間與環(huán)境溫度關系

碾壓混凝土拌和物凝結時間試驗分別采用三級及二級配混凝土進行試驗，其中三級配混凝土的水膠比為0.55，粉煤灰摻量為60%；二級配混凝土的水膠比為0.50，粉煤灰摻量為50%，緩凝高效減水劑JM-Ⅱ(C)摻量均為0.60%，引氣劑JM-2000的摻量均為6/萬，VC值控制在4s～7s，含氣量控制3%～5%，石粉摻量控制在14%～20%范圍。在不同環(huán)境下測定其凝結時間，測試分別在養(yǎng)護室、自然條件下進行，其試驗成果見表4。無論是三級配混凝土還是二級配混凝土，自然條件下初凝及終凝時間均小于試驗室標準養(yǎng)護條件下的凝結時間。通過對自然條件下混凝土凝結時間的測定，為后期碾壓混凝土施工起到較好指導作用。

表4 碾壓混凝土拌和物凝結時間與環(huán)境關系試驗成果

2.5 混凝土水膠比與強度的關系

水膠比是決定混凝土強度的主要因素，針對不同強度等級選擇水膠比之前，須進行水膠比與強度關系的試驗。在混凝土原材料、拌和工藝以及施工方法已確定情況下，水膠比越大，混凝土強度越高，反之混凝土強度越低。試驗采用二、三級配混凝土，粉煤灰摻量分別為50%、60%，JM-Ⅱ(C)緩凝高效減水劑摻量摻為0.6%，JM-2000引氣劑摻量為6/萬，VC值控制在4s～7s，石粉摻量按14%～20%控制，取水膠比0.45、0.50、0.55三個點進行抗壓強度試驗，同時還進行了相應的其它力學性能試驗，以利于分析選擇，試驗成果如表5所示。

表5 碾壓混凝土水膠比與強度關系試驗成果

2.6 接縫砂漿性能試驗

接縫砂漿用于碾壓混凝土施工縫以及冷升層之間的結合，以提高混凝土的整體性，確?；炷辆哂休^好的防滲效果。接縫砂漿需通過試驗確定，其性能應與碾壓混凝土相近。試驗控制砂漿稠度50cm～70cm，減水劑摻量為混凝土的70%，引氣劑摻量通過試驗摻量為2/萬時砂漿的含氣量達到7%左右，粉煤灰摻量分別為50%和60%的水膠比與強度關系試驗成果見表6。

表6 接縫砂漿性能試驗成果一覽

3 變態(tài)混凝土配合比設計

變態(tài)混凝土是在碾壓混凝土母體中加入一定量的膠材漿液后形成的一種混凝土，在工程實際施工中，漿液的加入有多種方法，室內(nèi)試驗采用的方法是在碾壓混凝土攪拌120s后加入膠材漿液再攪拌60s。試驗用三峽P·MH42.5水泥，二級配變態(tài)混凝土采用0.50水膠比、50%粉煤灰摻量的母體混凝土；三級配變態(tài)混凝土采用0.50水膠比，60%粉煤灰摻量的母體混凝土，JM-Ⅱ(C)型緩凝高效減水劑摻量0.6%，JM-2000型引起劑摻量6/萬。漿液的水膠比比母體小0.05，粉煤灰摻量降低5%，減水劑摻量為母體的1/2；要求加漿量應使變態(tài)混凝土坍落度達到1cm～3cm。選擇了凈漿摻量為母體碾壓混凝土體積的4%、6%、8%三個加漿量，變態(tài)混凝土試驗成果見表7。由表7變態(tài)混凝土拌合性能結果，可以看出凈漿摻量為母體碾壓混凝土體積的6%時，變態(tài)混凝土滿足設計要求的工作性能較好。

表7 變態(tài)混凝土配合比試驗

4 碾壓混凝土配合比設計

4.1 混凝土配置強度的選定

碾壓混凝土配制強度計算方法與常態(tài)混凝土一樣，沒有現(xiàn)場實測混凝土強度資料時，混凝土配制強度根據(jù)《水工混凝土施工規(guī)范》(DL/T 5144)的相關規(guī)定，按下式計算：

fcu，o=fcu，k+tσ

式中：t根據(jù)強度保證率而定，σ按相應規(guī)范確定，配制強度見表8所示。

表8 碾壓混凝土配制強度一覽

4.2 水膠比選擇

根據(jù)混凝土配制強度，通過不同品牌水泥混凝土的水膠比強度關系試驗成果，計算出初步水膠比，再考慮原材料變化及各部位混凝土全面設計技術指標要求，綜合選擇確定各強度等級的混凝土水膠比。確定后的水膠比不超出《水工混凝土施工規(guī)范》(DL/T 5144)規(guī)定及設計要求的各部位混凝土極限水灰比。

4.3 推薦施工配合比

根據(jù)上述設計原則及本次試驗成果分析，推薦亭子口水電站大壩Ⅱ標碾壓混凝土、變態(tài)混凝土母體配比及變態(tài)混凝土凈漿施工配合比見表9、表10，變態(tài)混凝土推薦采用60L/m3的加漿量。

表9 推薦碾壓混凝土施工配合比

表10 推薦變態(tài)混凝土漿液施工配合比

5 碾壓混凝土性能試驗

5.1 極限拉伸試驗

根據(jù)推薦的配合比進行了碾壓混凝土性能的校核試驗，試驗采用三峽P·MH42.5水泥，珞璜Ⅰ級粉煤灰，JM-Ⅱ(C)性緩凝高效減水劑、JM-2000引氣劑，左岸砂石骨料加工場骨料，根據(jù)推薦的碾壓混凝土及變態(tài)混凝土施工配合比進行校核試驗，其試驗結果如表11。

表11 碾壓混凝土及變態(tài)混凝土拉伸性能試驗成果

5.2 抗凍抗?jié)B試驗

混凝土抗凍試件規(guī)格為100mm×100mm×400mm，成型時用方孔篩篩除大于30mm骨料顆粒?；炷量?jié)B試件為上口直徑175mm、下口直徑185mm、高150mm的截頭圓錐體試件，成型時用方孔篩篩除大于30mm骨料顆粒。試驗檢測按《水工碾壓混凝土試驗規(guī)程》(DL/T 5433)進行。檢測結果表明，抗凍、抗?jié)B等級均滿足設計要求[2]。

5.3 干縮、自生體積變形試驗

混凝土的干縮變形是由混凝土中的水分損失引起的，在其他條件相同的情況下，混凝土用水量越小，它在干燥過程中所失去的水分也越少，因而干縮也越小。配比設計中緩凝高效減水劑、引氣劑和Ⅰ級粉煤灰，三種外摻劑均有良好的減水效果，這對減少混凝土的干縮性十分有利。從成果表中的結果可以看出，混凝土的干縮值并不大，且混凝土的干縮隨膠凝材料用量的增加而增大?；炷磷陨w積變形對大壩混凝土的抗裂性能有著不可忽視的影響，從防止大體積混凝土裂縫出發(fā)，利用微膨脹產(chǎn)生的預壓應力，以補償混凝土降溫時的收縮，防止或減少大體積混凝土產(chǎn)生的裂縫。碾壓混凝土干縮及自生體積變形性能試驗成果見表12。

表12 碾壓混凝土干縮及自生體積變形性能試驗成果

5.4 熱學性能試驗

混凝土的熱物理性能包括混凝土的絕熱溫升、比熱、導熱系數(shù)、線膨脹系數(shù)。熱物理性能對大體積混凝土十分重要，是壩體溫度應力和裂縫控制計算的重要參數(shù)。混凝土絕熱溫升與配合比關系很大，其他熱物理性能與混凝土所用材料性能有關，特別是與用量占混凝土80%左右的骨料關系很大。其試驗成果見表13。

表13 混凝土熱學性能試驗成果

5.5 混凝土總堿含量

為了防止發(fā)生堿活性反應的破壞，嚴格控制原材料的堿含量和混凝土配合比的總堿含量，中熱水泥的堿含量不得超過0.6%，根據(jù)招標文件要求“混凝土中堿含量不大于2.5kg/m3” ，配合比中摻用了性能較好的Ⅰ級粉煤灰，而粉煤灰是抑制堿骨料反應的特效藥?；炷僚浜媳鹊目倝A含量計算見表14。

表14 碾壓混凝土總堿含量

6 結語

嘉陵江亭子口水利樞紐采用碾壓混凝土壩，大壩分兩個標段進行施工，其中大壩Ⅱ標包括27#-35#表孔壩段、44#-50#右岸非溢流壩段及消力池，設計碾壓混凝土84.36萬m3。大壩Ⅱ標最終選定NPB-02作為三級碾壓混凝土配比、NPB-05作為二級配碾壓混凝土配比，在試驗階段針對三級配碾壓混凝土提供了另外三種配比以供選擇。配合比應用施工后，碾壓混凝土施工質量良好，與工區(qū)內(nèi)其他單位相比，配合比參數(shù)選擇合理，取出天然骨料碾壓混凝土最長芯樣，蓄水運行以來大壩運行良好，施工質量得到各方好評。