凝灰?guī)r粉摻和料在西部高海拔嚴寒地區(qū)水電工程中的應用

蔣懷宇，李 楊，陶 坤,李家正,林育強

(1.華電西藏能源有限公司大古水電分公司，四川 成都 856200；2.長江水利委員會長江科學院 材料與結(jié)構(gòu)研究所，湖北 武漢 430010)

西部地區(qū)是我國重要的水電能源基地。隨著川滇水電工程建設(shè)的相繼完成，西部地區(qū)水電開發(fā)速度不斷加快，“十四五”規(guī)劃明確提出“要加快雅魯藏布江下游的水電工程建設(shè)”[1]。但西部地區(qū)特別是西藏境內(nèi)普遍面臨混凝土摻和料短缺問題[2]，大量的粉煤灰摻和料需要從甘肅、寧夏、云南和四川等周邊省份外購[3]，不僅增加了工程投資和經(jīng)濟成本，長途運輸也導致施工進度難以保障。因此，結(jié)合地緣性材料的性能與特點，利用當?shù)夭牧献鳛榛炷翐胶土暇唢@著的經(jīng)濟效益和社會價值，并可減少混凝土制備的碳足跡，提升工程建設(shè)的綠色化水平，符合集約型社會的發(fā)展策略。

目前，不少學者圍繞西部地區(qū)儲量豐富的天然火山灰材料開展了大量研究[4-5]，其中成果較多的主要是凝灰?guī)r粉摻和料[6-8]。本課題組在前期系統(tǒng)探討了凝灰?guī)r粉摻和料對水工混凝土宏觀性能、微觀結(jié)構(gòu)和耐久性能的影響[9]，掌握了摻凝灰?guī)r粉混凝土性能的發(fā)展趨勢和演化規(guī)律，后續(xù)又進一步結(jié)合實際工程開展現(xiàn)場試驗和應用探索，深入考察了凝灰?guī)r粉混凝土的施工性能，明確了現(xiàn)有施工技術(shù)和工藝對摻凝灰?guī)r粉混凝土的作用效果，總結(jié)這些工作和經(jīng)驗對加快凝灰?guī)r粉摻和料在西部地區(qū)的推廣應用很有意義，也可為流域其他工程建設(shè)提供參考和指導。

1 工程概況

1.1 總體布置與需求

西部某水電站工程位于雅魯藏布江中游，采用RCC重力壩壩型和壩后式廠房設(shè)計，混凝土澆筑總量為332萬m3，壩址處控制流域面積為15.74萬km2，多年平均流量為1010m3/s，大壩壩頂長113m，最大壩高為124m，總裝機容量為660MW。

電站位于高海拔嚴寒地區(qū)，壩址區(qū)氣候呈明顯的“日溫差大、氣壓低、日照強輻射”等高原特征[10]，其中晝夜溫差最高可達25℃，每年發(fā)生凍融循環(huán)天數(shù)多達一百余天?；炷列阅芤筝^高，服役環(huán)境比較嚴酷。

前期原材料調(diào)研表明，工程區(qū)附近無粉煤灰、礦渣等摻和料供應，需借助青藏鐵路從甘肅、寧夏等省份外購，運輸距離近2000km，粉煤灰需求得不到有效保障，并且大幅增加了工程投資。因此，需結(jié)合工程區(qū)附近地緣性材料的性能和特點，使用天然火山灰質(zhì)凝灰?guī)r粉作為摻和料替代粉煤灰。

1.2 應用情況

選擇大壩下游左岸靠邊坡的消力池邊墻作為凝灰?guī)r粉摻和料應用示范區(qū)?；炷翝仓偭拷?.1萬m3，最大澆筑面積為965m2，澆筑時間為冬季12月份，混凝土類型包括二級配RCC、三級配RCC和三級配常態(tài)混凝土?；炷恋募夹g(shù)指標和摻和料類型見表1。

表1 混凝土技術(shù)指標和摻和料類型

2 原材料與配合比

2.1 原材料

為降低混凝土絕熱溫升和溫度裂縫的發(fā)生風險，使用中熱硅酸鹽(P·MH)水泥制備混凝土，水泥強度等級為42.5級，細度為4.0%，密度為3.12g/cm3，標準稠度用水量為24.1%。水泥性能檢測結(jié)果見表2。

表2 水泥性能檢測結(jié)果

使用工程附近的凝灰?guī)r粉作為摻和料替代部分或全部粉煤灰進行試驗。凝灰?guī)r塊石經(jīng)開采和破碎后，進一步使用輥磨機對毛料磨細加工。凝灰?guī)r粉火山灰活性試驗結(jié)果符合要求，巖相分析表明主要由晶屑、巖屑和變質(zhì)火山灰組成，含有斜長石、輝石、玄武巖和絹云母等物質(zhì)?；瘜W分析表明凝灰?guī)r粉主要以SiO2、Al2O3、Fe2O3和CaO組成，其中SiO2、Al2O3和Fe2O3的總含量超過70%。凝灰?guī)r粉性能檢測結(jié)果見表3。

為比較凝灰?guī)r粉和粉煤灰對混凝土施工性能的影響，現(xiàn)場同時使用凝灰?guī)r粉和粉煤灰復摻的技術(shù)方案。選用的粉煤灰為F類Ⅱ級灰，密度為2.32g/cm3，細度為8.7%，28d齡期的活性指數(shù)為80%。粉煤灰性能檢測結(jié)果見表4。

比較表3和表4中凝灰?guī)r粉、粉煤灰的活性指數(shù)可看出，凝灰?guī)r粉的水化活性低于粉煤灰，前者約為后者的86%，這主要與2種材料的形成過程、化學成分、礦物組成、顆粒形貌等性能存在較大差異有關(guān)。粉煤灰形成經(jīng)歷了高溫煅燒和極冷降溫過程，非結(jié)晶相和玻璃體含量較高；而凝灰?guī)r粉屬天然火山灰材料，形成過程中雖經(jīng)歷了高溫階段，但噴發(fā)后又經(jīng)歷了漫長的風化過程，同時含有多孔沸石相組分[7]，使得凝灰?guī)r粉的水化活性較低。

表3 凝灰?guī)r粉性能檢測結(jié)果

表4 粉煤灰性能檢測結(jié)果 單位:%

2.2 混凝土配合比

混凝土的配合比見表5，凝灰?guī)r粉和粉煤灰采用內(nèi)摻法等質(zhì)量取代水泥。二級配RCC的水泥總?cè)〈繛?0%，其中凝灰?guī)r粉單摻時的摻量為50%，凝灰?guī)r粉和粉煤灰復摻時的摻量均為25%。三級配RCC中的水泥總?cè)〈繛?2%，其中凝灰?guī)r粉單摻時的摻量為62%，凝灰?guī)r粉和粉煤灰復摻時的摻量分別為32%、30%。

表5 混凝土配合比

現(xiàn)場控制RCC的VC值為1～3s，常態(tài)混凝土坍落度為120～140mm。RCC的萘系減水劑，減水率為22.3%；常態(tài)混凝土使用的減水劑為聚羧酸減水劑，減水率為32.5%。變態(tài)混凝土加漿量為5.3%，二級配RCC(技術(shù)標號R9020W8F200)加漿的水灰比為0.5，三級配RCC(技術(shù)標號R9015W6F100)加漿的水灰比為0.55?，F(xiàn)場實測混凝土出機口的含氣量為4.8%～5.4%。

3 混凝土施工和質(zhì)量情況

3.1 施工方法和工藝

3.1.1入倉和平倉方法

RCC采用后退法進行卸料，按照一次攤鋪一次碾壓的方式施工。同時為防止卸料過程中發(fā)生骨料分離，運輸車在拌合站采用兩點式接料，并在倉面采用兩點式卸料，如圖1所示。兩點式卸料要求自卸車在卸料完成50%后，保持車斗門打開的情況下同向前行2～4m后再次卸料，控制每層起料堆位置距端模板5～6m，距側(cè)模板1.5m。水泥層砂漿分層攤鋪，每施工一個條帶，攤鋪一個條帶，與模板接觸部位則采用人工鋪料。

圖1 RCC的接料和卸料

采用平層通倉澆筑的方法進行施工，沿上下游岸方向垂直于壩軸線進行鋪料，控制平倉厚度為34±2cm，壓實厚度為30cm。鋪料條帶長度基本在20m左右后進行平倉，條帶卸料結(jié)束后，人工將料堆周邊集中的粗骨料分散到料堆頂部，平倉機再將混凝土拌合物向端頭模板側(cè)推平達到平倉厚度，最后掉頭開始平倉，并保持條帶前部略低。

平倉過程始終按照一次鋪料、一次碾壓的方式進行，遵循先攤鋪兩邊、后攤鋪中間的原則，并保證平倉后的場面基本平整，無顯著坑洼?？拷０?、異形結(jié)構(gòu)區(qū)或小碾無法碾壓的部位，采用澆筑變態(tài)混凝土(局部人工加漿)的方法進行施工。

3.1.2碾壓工藝和質(zhì)量

RCC施工程序如圖2所示。前期現(xiàn)場的工藝試驗表明，凝灰?guī)r粉單摻或凝灰?guī)r粉和粉煤灰復摻的二級配RCC、三級配RCC可采用相同的碾壓工藝，按照“2遍無振碾壓+6遍有振碾壓+2遍無振碾壓”的方式施工。碾壓方向平行于鋪筑條，行走速度為1.0～1.5km/h，走偏誤差控制在10cm以內(nèi)，相鄰碾壓條帶必須重疊碾壓10～20cm。同一條帶分段碾壓時，接頭部位應重疊碾壓1～2m。

圖2 RCC施工程序

施工中對于2條碾壓帶因碾壓作業(yè)形成的高差，采用無振慢速碾壓1—2遍的方式進行處理；對于靠近模板、異形結(jié)構(gòu)等無法碾壓的區(qū)域，應優(yōu)先采用局部人工加漿的方式澆筑變態(tài)混凝土，振搗器應垂直按順序插入混凝土，并插入下層混凝土5～10cm。

RCC相對密實度的檢測結(jié)果如圖3所示?，F(xiàn)場按照每碾壓100～200m2倉面后，使用核子密度儀對RCC的相對密實度進行檢測。整體上，RCC的相對密實度均在98%以上，平均值在99%左右，表明碾壓施工質(zhì)量滿足技術(shù)要求，也說明現(xiàn)有施工工藝對摻凝灰?guī)r粉RCC仍具有較好的碾壓效果。

圖3 RCC相對密實度檢測結(jié)果

混凝土芯樣的抗壓強度試驗結(jié)果如圖4所示。芯樣的直徑為φ190mm，高徑比為1∶1。試驗前先對芯樣進行切割、加工和修補，然后浸泡48h至吸水飽和后開始試驗。從圖4中可已看出，單摻凝灰?guī)r粉RCC及復摻凝灰?guī)r粉和粉煤灰RCC的芯樣抗壓強度均能滿足技術(shù)要求，并且復摻凝灰?guī)r粉和粉煤灰RCC的芯樣抗壓強度高于單摻凝灰?guī)r粉RCC，這與前期室內(nèi)試驗的研究結(jié)論相一致[9]。

圖4 混凝土芯樣的抗壓強度

前期研究發(fā)現(xiàn)凝灰?guī)r粉活性低于粉煤灰?；炷列緲拥目箟簭姸仍囼炦M一步表明，單摻凝灰?guī)r粉RCC的后期強度增長幅度小于復摻凝灰?guī)r粉和粉煤灰RCC。這一方面與凝灰?guī)r粉和粉煤灰的密度不同有關(guān)，相同質(zhì)量情況下凝灰?guī)r粉的體積小于粉煤灰，導致凝灰?guī)r粉和粉煤灰復摻試驗組的膠凝材料體積較多；另一方面也與凝灰?guī)r粉的水化活性低于粉煤灰有關(guān)，凝灰?guī)r粉和粉煤灰復摻試驗組對混凝土后期性能的改善效果較好，混凝土內(nèi)部密實程度的提高幅度較大。

3.1.3養(yǎng)護和保溫措施

工程位于高海拔嚴寒地區(qū)，年平均氣溫較低，并且晝夜溫度變化明顯，施工期環(huán)境溫度的變化情況如圖5所示，最高氣溫出現(xiàn)在下午14點左右，而晚上24點之后溫度降至最低，然后凌晨5點之后溫度逐漸上升，晝夜溫差近16℃。因此，RCC施工過程中需采取保溫措施，并避開低溫時段施工。

圖5 施工期環(huán)境溫度的變化情況

結(jié)合施工期環(huán)境溫度的變化情況，當施工中日平均氣溫連續(xù)5d溫度在5℃以下，或者氣溫連續(xù)5d穩(wěn)定在-3℃以下時，按照低溫季節(jié)施工。同時，混凝土澆筑期間，進一步加強氣象預報工作，及時了解雪情和氣溫情況，減小外界環(huán)境對RCC質(zhì)量造成的不利影響。

前期室內(nèi)試驗觀測的摻凝灰?guī)r粉RCC絕熱溫升情況如圖6所示，單摻凝灰?guī)r粉試驗組的絕熱溫升小于單摻粉煤灰試驗組及凝灰?guī)r粉與粉煤灰復摻試驗組。為觀測凝灰?guī)r粉單摻、凝灰?guī)r粉和粉煤灰復摻對RCC溫度場分布的影響，應用倉段內(nèi)共布置12支溫度計。溫度計在各試驗倉段的中心分層布置，埋設(shè)時待混凝土澆筑到預定高程平倉壓實后，在測定區(qū)域開挖深度為20cm的凹槽，然后用混凝土覆蓋保護并再次碾壓，防止溫度計線路受損。

圖6 混凝土絕熱溫升試驗結(jié)果

為保證混凝土內(nèi)部溫度場的均勻性，鋼模板拆除前使用10cm厚的聚苯乙烯板將格柵粘貼密實，鋼模板拆除后使用“塑料薄膜+3cm橡塑海綿+彩條布”的方式進行保溫，并在白天高溫時段進行灑水養(yǎng)護?，F(xiàn)場觀測表明：單摻凝灰?guī)r粉混凝土、復摻凝灰?guī)r粉和粉煤灰混凝土均未出現(xiàn)開裂現(xiàn)象。

3.2 施工質(zhì)量分析

3.2.1芯樣質(zhì)量分析

采用鉆芯取樣的方法對混凝土的內(nèi)部質(zhì)量狀況進行分析。混凝土芯樣照片如圖7所示，芯樣分別取自二級配凝灰?guī)r粉單摻RCC、二級配凝灰?guī)r粉和粉煤灰復摻RCC，芯樣直徑為φ200mm。芯樣表面光滑、致密，無大的空洞、裂縫等缺陷出現(xiàn)，并且混凝土斷口平整，骨料分布均勻，漿體的包裹較好，說明現(xiàn)有施工工藝能夠滿足摻凝灰?guī)r粉RCC的技術(shù)要求。

圖7 混凝土芯樣的質(zhì)量情況

各試驗組混凝土干密度、濕密度和吸水率的試驗結(jié)果見表6。試驗利用混凝土芯樣進行，控制芯樣的切割厚度為10cm左右，然后通過多次測量試塊的直徑和厚度來計算表觀體積。從表6中可以看出，同級配情況下RCC的密度和吸水率均高于常態(tài)混凝土；而凝灰?guī)r粉單摻RCC、凝灰?guī)r粉和粉煤灰復摻RCC的密度相差不大。

表6 各試驗組混凝土的密度和吸水率結(jié)果

3.2.2壓水試驗分析

利用壓水試驗方法對混凝土的密實情況進行檢測，試驗結(jié)果如圖8所示。試驗鉆孔的直徑為φ75mm，長度為10m。鉆孔使用水栓塞封閉，每個鉆孔分3段進行試驗，各試驗段的長度分別為3、3、4m，按照鉆孔完成一段、壓水試驗一段的方法進行。壓水試驗分2級壓力進行，第一級壓力為0.3MPa，第二級壓力為0.6MPa，每級壓力下的穩(wěn)定時間為20min，加載順序為0→0.3MPa→0.6MPa→0.3MPa→0。由于鉆芯過程中會產(chǎn)生泥漿護壁的現(xiàn)象，壓水試驗前需要先進行洗孔處理，控制洗孔壓力為0.5MPa，洗孔時間為10min。

圖8 混凝土壓水試驗結(jié)果

從圖8中可以看出，各類混凝土的壓水試驗結(jié)果均在0.05Lu以下，顯著低于其它工程的檢測結(jié)果[9-11]，而試驗過程中也未見顯著的壓力下降、流量增大等情況，說明混凝土的抗?jié)B性能較好，密實程度較高。同時，單摻凝灰?guī)r粉混凝土、復摻凝灰?guī)r粉和粉煤灰混凝土的透水率比較接近，說明在現(xiàn)有施工工藝和技術(shù)水平的情況下，摻凝灰?guī)r粉混凝土仍可獲得較為理想的壓實效果，這與室內(nèi)試驗的結(jié)論相一致[12]。

RCC層面結(jié)合性能一直是工程質(zhì)量控制的關(guān)鍵指標?，F(xiàn)場RCC的倉面厚度為3m，但壓水試驗結(jié)果表明，含層面試驗段與不含層面試驗段的滲透性能相一致，說明凝灰?guī)r粉對RCC的層面結(jié)合性能沒有影響，也表明現(xiàn)有施工方法和處理工藝對摻凝灰?guī)r粉RCC也具有較好的作用效果。

實際上，壓水試驗是根據(jù)恒壓過程中鉆孔內(nèi)水流流量的變化情況來表征混凝土的抗?jié)B性能，對開放、連通孔隙有較好的效果，但對內(nèi)部封閉的孔洞則無法表征。同時，試驗過程中流量計的電位漂移、水栓塞的封閉效果、水泵的穩(wěn)壓性能等都對結(jié)果準確性有影響[13]。因此，現(xiàn)場進一步利用孔內(nèi)超聲的方法研究混凝土內(nèi)部質(zhì)量進行研究。

3.2.3孔內(nèi)超聲試驗

孔內(nèi)超聲試驗利用壓水試驗的鉆孔進行，試驗結(jié)果見表7，典型的波速分布情況如圖9所示。不同類型混凝土的超聲波波速基本都分布在3900～4200m/s范圍內(nèi)，平均值均在4100m/s左右。從圖9中可以看出，超聲波波速的分布較為集中，呈現(xiàn)出“兩頭少、中間多”的局面，超過85%測點的波速都分布在4000～4200m/s之間，說明混凝土整體的均質(zhì)性較好，孔洞、酥松、漿骨分布不均勻的情況較少。

圖9 超聲波波速的分布情況

表7 孔內(nèi)超聲試驗結(jié)果 單位：m/s

混凝土是多組分、多相的復合材料，超聲波波速與骨料分布、骨料含量、混凝土含水狀態(tài)等多種因素有關(guān)[14]，不少研究也表明超聲波速與混凝土抗壓強度之間存在較好的相關(guān)關(guān)系，利用超聲波波速的分布情況可間接表征混凝土的強度分布情況[15]。從表7中可以看出，各試驗孔混凝土超聲波波速最大值和最小值相差均不超過300m/s，偏差幅度也小于平均值的10%，說明鉆孔上下的混凝土強度分布較為均勻。

超聲波波速可反應混凝土內(nèi)部的缺陷情況。根據(jù)國內(nèi)外對大體積混凝土質(zhì)量的統(tǒng)計資料[16]，超聲波波速3000～3600m/s的混凝土有缺陷，波速2100～3000m/s的混凝土質(zhì)量較為粗劣，而波速超過3940m/s的混凝土質(zhì)量較好?，F(xiàn)場孔內(nèi)超聲試驗檢測的超聲波波速均超過3600m/s，說明混凝土的質(zhì)量較好，無粗劣或缺陷等情況出現(xiàn)。

通過上述鉆芯取樣、壓水試驗以及孔內(nèi)超聲波的研究，表明現(xiàn)有施工方法、碾壓工藝、養(yǎng)護措施和保溫手段對單摻凝灰?guī)r粉混凝土、復摻凝灰?guī)r粉和粉煤灰混凝土都具有較好的效果，凝灰?guī)r粉作為摻和料單摻或復摻粉煤灰均不會影響RCC、常態(tài)混凝土的施工質(zhì)量。

4 結(jié)論

凝灰?guī)r粉摻和料替代粉煤灰在西部地區(qū)有著迫切的工程需求。本文針對凝灰?guī)r粉RCC施工性能和質(zhì)量開展應用研究，得出以下結(jié)論：

(1)現(xiàn)有的碾壓工藝和施工手段對凝灰?guī)r粉RCC具有較好的作用效果，相對壓實程度可達98%以上，硬化后RCC的內(nèi)部均質(zhì)性較好，密實程度較高。

(2)凝灰?guī)r粉RCC的抗?jié)B性能和抗壓強度均能滿足技術(shù)要求，實際服役環(huán)境下凝灰?guī)r粉RCC還具有穩(wěn)定的抗壓強度增長特性。

(3)在凝灰?guī)r粉單摻摻量為62%的情況下，RCC性能仍能滿足施工和技術(shù)要求。凝灰?guī)r粉和粉煤灰復摻對RCC抗壓強度有利。

西部地區(qū)多屬高海拔、嚴寒低濕和大氣溫變幅的復雜環(huán)境，凝灰?guī)r粉RCC的抗凍性能需要關(guān)注，并且實際服役環(huán)境下凝灰?guī)r粉RCC的長期性能演變規(guī)律有待進一步探索。