水布垭高性能面板混凝土的研究与应用（陈勇伦,胡纲祯,熊泽斌,李婧）

时间：2022-02-21 15:27:28 浏览量：次

摘要: 水布垭大坝为世界最高的面板堆石坝，面板混凝土对混凝土性能要求高。通过对国内外同类工程面板混凝土的分析及“九五”科技攻关取得的成果，设计单位大胆采用新材料，设计出具有高强度、高抗裂、低弹模、低收缩、耐久性强、工作性好的多功能的高性能混凝土。施工结果表明:各项指标能达到设计要求，浇筑的面板混凝土均未发现早期裂缝。

关键词: 面板堆石坝;高性能混凝土;配合比;水布垭水利枢纽

中图分类号: TV641.4+ 3 文献标识码: A

1 混凝土面板结构特点

水布垭面板堆石坝顶部高程405.0m，底部高程176.0m，最大坝高233.0m，是世界上最高的混凝土面板堆石坝。

大坝混凝土面板厚度由底部1.1m渐变至顶部0.3m，面板竖向共分58个条块。其中，两岸坝肩受拉区设15条张性缝，缝间距8m;其余受压区设压性缝，缝间距16m。面板混凝土分三期浇筑，在高程278.0m及340.0m处设有两条水平施工缝，钢筋穿过缝面。面板面积共13.84万m2 ，混凝土工程量8.66万m3 。

水布垭大坝混凝土面板具有如下特点:①面板长，最大斜长392.0m，最大浇筑块斜长162.0m;②要求高，面板混凝土须具有良好的工作性、抗裂性和耐久性;③应力复杂，三维有限元计算结果表明，面板大部份区域为受压区，受拉区分布在周边缝处和面板顶部较小区域，最大值压应力为11.82～22.74MPa，拉应力一般为2MPa（局部最大值为5～6MPa）。除采用合理的施工工艺和措施外，优质的混凝土配合比是满足混凝土面板上述特点的根本保证。

2 面板混凝土实例及“九五”攻关成果

为了研制出适合水布垭工程需要的面板混凝土，设计及科研人员进行了长期的探索，并在国内外已建工程及“九五”国家科技攻关的基础上，进行了针对性的室内及现场试验。

2.1 国内已建工程面板混凝土特点

国内已建典型的混凝土面板堆石坝的面板混凝土配合比见表1。由表1及其它工程可知，面板混凝土配合比设计有以下特点:

（1）不再采用矿渣硅酸盐水泥，而多采用42.5或32.5级普通硅酸盐水泥，有条件时，采用中热硅酸盐水泥。尤其是抚顺和贵州中热硅酸盐水泥具有微膨胀性。

（2）采用适宜的掺和料。现在已越来越重视活性材料的掺用，一般掺用粉煤灰。黑泉等工程曾研究过掺用硅粉，后因干缩性大而弃用;白溪、公伯峡及洪家渡等工程研究过掺聚丙烯纤维，并在白溪、洪家渡面板混凝土中得到应用。

（3）采用较小的水胶比，一般为0.35～0.55。珊溪面板混凝土水胶比小到0.338。

（4）坍落度较小。坍落度值一般为40～70mm。珊溪等近期实施工程的面板混凝土坍落度有尽量采用较小值的趋势，最小为30mm。

（5）掺用减水剂和引气剂。早期使用的减水剂为木钙，后来使用的为萘系高效减水剂;引气剂早期使用的为松香热聚物，后来为DH9 等，使含气量达到4%～6%。另外，珊溪采用了VF-Ⅱ防裂剂，洪家渡还外掺MgO。

（6）面板混凝土骨料一般采用二级配，最大粒径40mm，小石∶中石=55∶45，有的甚至为60∶40;砂率范围为27%～41%，一般在40%左右。

2.2 国外已建工程面板混凝土特点

国外已建工程面板混凝土水灰比一般为0.40～0.55，水泥用量一般为300～370kg/m3 ，坍落度一般小于80mm。

2.3 “九五”攻关成果

为了寻求高强、低弹模、低收缩、耐溶蚀的面板混凝土，中国水利水电科学研究院开展了“九五”科技攻关项目研究。采用多种原材料进行不同配合比试验，得出如下主要结论:

（1）推荐水布垭面板混凝土同时掺用YM型多功能复合外加剂和优质粉煤灰，以达到高减水增强、降低水泥用量以及改善和提高混凝土性能的目的。

（2）为了保证混凝土面板具有高抗裂性、低渗透性及优良的耐久性，建议水布垭面板混凝土采用以下各项设计指标:水灰比为0.4～0.45、含气量4%～5%、坍落度4～7cm、28d强度等级C30或C25、抗渗等级W16或W12、抗冻等级F200或F300。

3 面板高性能混凝土设计原则与研制对策

3.1 设计原则

混凝土面板是大坝防渗体的重要组成部分，在施工期主要产生温度应力和混凝土干缩应力，在运行期主要承受水荷载和坝体不均匀沉陷引起的弯矩作用。此外，面板混凝土还受周围介质如水、大气、温度冲击和干湿循环作用，因此面板混凝土不仅要有一定的强度，还要具有适应较大变形的能力、较低的干缩率、较高的抗渗性能及优良的耐久性能，以抵抗干湿、冷热、冻融、碳化及钢筋锈蚀等的破坏。

面板混凝土应具有高性能，确定其配合比设计原则为:①根据各期面板的特点，分期设计配合比;②配制高强度、高抗裂、低弹模、低收缩、耐久性强、工作性好的高性能混凝土。

3.2 研制对策

根据水布垭面板混凝土要求的多种功能，应针对性地选用原材料。

（1）高强度。选用中热水泥、较小水胶比及高效减水剂。

（2）高抗裂。选用较小水胶比及高效减水剂，以提高混凝土的抗拉强度和极限拉伸值;掺用合适的纤维材料，以提高混凝土的初裂强度和断裂韧性;选用中热水泥和掺用粉煤灰，以降低水化热。

（3）低弹模。掺用适量粉煤灰和合适的纤维材料，以降低混凝土的弹性模量。

（4）低收缩。长江科学院的研究表明，掺硅粉可显著提高混凝土强度和极限拉伸值，但也明显增强混凝土的干缩性，所以掺用优质粉煤灰;同时，要求采用的水泥应具有微膨胀性能，以补偿部份收缩性;选用引气剂和羧酸类减水剂，也能减小混凝土的收缩性。

（5）耐久性强。掺用优质减水剂和粉煤灰，以提高混凝土的抗渗性、耐溶蚀能力;掺用优质减水剂，以提高混凝土的抗冻性。

（6）工作性好。选用优质的外加剂，以保证混凝土的坍落度损失小、抗分离能力强、触变性好;掺用粉煤灰还能提高混凝土的和易性。

4 水布垭面板高性能混凝土研究

根据水布垭面板混凝土的特殊性和重要性，结合混凝土配合的设计原则和研制对策，借鉴同类工程的实践经验，吸取国内外研究的新成果，针对面板混凝土的施工和运行的特点，对水布垭面板高性混凝土进行试验研究。

4.1 水布垭面板混凝土性能要求

水布垭面板混凝土分三期施工，根据各期的施工环境、受力特点及运行条件，拟定各期面板混凝土性能要求，见表2。

4.2 混凝土原料

（1）水泥。吸取西北口面板混凝土的经验教训，选用荆门葛州坝水泥厂的42.5中热硅酸盐水泥，要求水泥熟料中MgO含量应控制在3.5%～5%，以保证混凝土具有微膨胀性，使90d龄期自生体积变形大于###20×10-6 ，从而降低和补偿混凝土的收缩性。

（2）粉煤灰。中国水利水电科学研究院的试验表明:矿渣、火山灰、凝灰岩粉及硅粉等材料的需水量较大，掺量越多，混凝土的干缩也将越大，故本工程未采用上述掺和料。

近年来，随着国内外研究的不断深入，粉煤灰已由过去一般作为混凝土填充料使用，发展到如今作为混凝土功能材料使用，同样，粉煤灰的需水量比也影响混凝土的干缩性。Ⅲ级粉煤灰需水量比在105%～115%范围内，将增加混凝土的干缩性;Ⅱ级粉煤灰需水量比在95%～105%范围内，与不掺粉煤灰的混凝土干缩性基本相同或稍有增减;Ⅰ级粉煤灰需水量比小于95%，且由于其含碳量低、颗粒细、球形颗粒含量高，使形态效应、微集料效应和火山灰效应得以充分发挥，起到了固体减水剂的作用，不仅能降低混凝土的水化热、弹模、渗透性，还能减少混凝土的干缩性。虽然对混凝土早期强度及极限拉伸值有一定影响，但有利于后期强度及极限拉伸值的发展，从这个意义上讲，能提高混凝土的后期抗裂性。通过长江科学院室内反复试验，选用湖北襄樊电厂生产的Ⅰ级粉煤灰。

（3）粗、细骨料。人工骨料要求质地坚硬、洁净、级配良好，主要采用公山包料场的灰岩制作。细骨料的细度模数控制在2.4～2.7范围内;粗骨料采用二级配，最大粒径为40mm，分成5～20mm和20～40mm两级，小石∶中石=55∶45，以提高混凝土的抗分离能力。

（4）外加剂。根据对水布垭面板混凝土性能的基本要求，需采用具有缓凝、减水、引气功能的外加剂。由表1可知，我国已建面板堆石坝面板混凝土所采用的外加剂由早期的普通减水剂加引气剂，发展到20世纪90年代中后期的（萘系）高效减水剂加优质引气剂，不仅降低了混凝土的单位用水量，还提高了混凝土的耐久性。水布垭工程首次将羧酸类减水剂应用于面板混凝土中，即采用SR3减水剂和AIR202引气剂复合使用，长江科学院的试验表明，该混凝土除具有普通减水剂和高效减水剂所具备的优点外，还具有如下特点:①具有良好的缓凝、减水及引气效果;②由于羧酸类减水剂的长链特性，使配制的混凝土具有良好的触变性，即混凝土静置一段时间（0.5～1h）后再振动或翻动，混凝土就会恢复相当的流动性;③混凝土静置一段时间后，坍落度及含气量都基本无损失，有助于将混凝土坍落度以控制在3～5cm范围;④混凝土具有良好的粘聚性，有利于长溜槽运输过程的抗分离。以上特点对水布垭这样的高坝、长面板尤其重要，大大地改善了面板混凝土的工作性。

（5）纤维。长江科学院的试验表明，混凝土中掺适量的纤维可提高面板混凝土的抗裂性，尤其是能提高初裂强度和韧性。掺合成纤维能提高初裂强度10%，掺钢纤维能提高初裂强度30%。

为降低成本，在一、二期面板混凝土中仅采用聚丙烯腈纤维（单丝型）。这种纤维弹性模量不小于15000N/mm2 ，比其它合成纤维（如聚丙烯纤维）的弹性模量高一个量级，与混凝土的弹性模量量级相当，便于和混凝土协调变形。

由于三期面板部份处于水位变化区，要求面板混凝土具有更高的抗裂能力，所以采用了钢纤维（冷拉型）和聚丙烯腈纤维（单丝型）复掺的方式。

5 应用情况

（1）根据水布垭大坝的特点，分期配制出具有高强度、高抗裂、低弹模、低收缩、耐久性强、工作性好的高性能混凝土。

（2）根据设计提出的要求，在多次的室内试验的基础上，进行现场生产性试验，最后得出各期面板混凝土施工配合比如表3。

（3）所采用的配合比中，首次采用了羧酸类减水剂、聚丙烯腈纤维等新材料。为了满足需要，还对水泥中的MgO含量提出了要求，使混凝土具有一定的微膨胀性;在三期面板中，首次采用了聚丙烯腈纤维和钢纤维复掺技术，既能提高混凝土的抗裂性，还较单掺钢纤维混凝土具有较低的弹性模量。

（4）水布垭面板混凝土分三期施工。一期面板混凝土于2005年1月6日至3月27日浇筑，二期面板混凝土于2006年1月21日至4月1日浇筑，三期面板混凝土于2007年1月4日至3月28日浇筑。施工过程中发现，面板混凝土确实具有坍落度损失小、和易性好、粘聚性高、抗分离能力强和触变性好等良好的工作性，各项指标能达到设计要求，浇筑的面板混凝土均未发现早期裂缝。

作者简介: 陈勇伦，男，长江水利委员会设计院施工处，教授级高级工程师。

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