山口电站大坝工程碾压混凝土施工配合比优化及应用

1、工程概况
    山口梯级三级电站位于广东省始兴县境内都安水下游，地处中亚热带，具有山区气候特征，极端最高温度38.4℃，极端最低温度-5℃。电站以发电为主要目的，坝址位于马市镇山口村上游约1Km，距始兴县城约24Km。碾压混凝土重力坝工程包括左右岸重力坝段和溢流坝段。坝顶长179.44m.，最大坝高57.4m，坝底最大坝宽50.0m，坝顶宽5.0m，正常蓄水位为▽180.0m。碾压混凝土10.4万m3，常态混凝土2.9万m3 。碾压混凝土设计容重≥2350Kg/m3，
    2、原材料
    2.1 砂石料
    砂石料为天然料，源自离坝址13 km的顿岗料场。砂细度模数为2.4~2.8之间，容重ρs=2.61t/m3，因毛料场为多年冲积层，毛料中级配极不稳定，含泥量偏大且不稳定，加工时比较难于洗干净，含泥量在0.2%~5.8%之间，但是，若过于强调砂的含泥量，则会把砂中的细颗粒带走，这对混凝土的和易性等质量有一定的影响。
    粗骨料容重ρg=2.69 t/m3，三级配当比例为40：35：25时，紧密密度最大1853 kg/m3，当30：40：30时，紧密密度为1833 kg/m3，二级配当比例为60：40时，紧密密度最大1860 kg/m3。
    2.2 胶凝材料
    水泥：本工程采用韶关三江水泥生产的利达多牌42.5 Mpa水泥，容重为3.01t/m3，具有高铁、低铝、高硅、低脆性及低水化热特点，其脆性系数为5.8～7，水化热7d为239.2j/g，比中热水泥低18%，同时在煤灰掺量为65%时仅为102 j/g，比中热水泥降低65%，水泥的矿物成分见表—1，水泥水化热试验结果见表—2。
 
     表—1水泥检测成果表
项目 细度(%) 抗折强度(Mpa) 抗压强度(Mpa) 矿物成份（%） Mgo含量(%) 脆性系数(△K)
3d 28d 3d 28d C3S C2S C3A C4AF
最大值 7.6 5.2 8.3 30.5 53.2 44.2 26.0 9.3 14.9 3.22 6.8
最小值 3.2 4.2 7.7 23.5 46.6 41.8 23.9 8.7 14.1 2.27 5.8
平均值 4.2 4.5 8.0 25.6 49.6 42.8 25.0 9.0 14.5 2.80 6.3

               表—2水泥水化热试验成果表
粉煤灰掺量(%) 0 55 60 65 65
外加剂掺量(%) 0 0.2 0.3 0 0.7
7天水化热(j/g) 239.3 132.3 103.2 102 推算为45

    掺合料：本工程掺合料采用韶关乌石电厂生产的Ⅲ级粉煤灰，容重为2.18t/m3。
 
    2.3 外加剂
    本工程先后采用了黄埔粤和厂的HPG-3和浙江龙游厂ZB-1RCC-15两种高效减水缓凝外加剂，经比较两种外加剂减水效果都在20%左右，但进入高温季节以后，凝结时间ZB-1RCC-15明显优于HPG-3，在气温40℃以下，掺加0.6%ZB-1RCC-15的砼初凝时间可达5h，其凝结时间随掺量的增加而延长，能满足坝体施工的需要。其掺量根据混凝土入仓温度不同而适当调整：在温度小于20℃时为0.5%，20℃~25℃为0.55%，26℃~30℃为0.6%，31℃~35℃为0.7%，若高于35℃掺量为0.75%~0.8%，保证现场混凝土的初凝时间大于10h。
    3、混凝土的灰水比与强度关系
    从图—1及图—2分析可知，R90C10三级配混凝土，粉煤灰掺量65%(图—1)时，水胶比每增加0.1，其强度下降1.0Mpa；粉煤灰掺量50%(图—2)时，水胶比每增加0.1，其强度下降2.0Mpa。根据室内试验碾压砼的用水量与VC值的关系为：三级配砼用水量每增加5kg/ m3其VC值约减少3.2s，二级配用水量每增加5kg/ m3其VC值约减少3.55s。
   
                                                                          

 
    4、施工选用配合比
    按绝对体积法计算配合比，含气量取1.5%，在现场试验调整后，为保证混凝土的90天的强度，尽可能地减少坝体内部温度最高值的梯度，满足不同气温下的施工需要，施工配合比按大气温度及混凝土入仓温度不同按表-4选用。所有变态混凝土浆液水胶比为0.47，掺灰率为50%，注浆量为4%~6%。
           表-4混凝土施工配合比
编号 设计
标号 水胶比 总胶材kg 掺灰率
% 需水量
kg 砂率
% 每立方砼骨料用量kg/m3
砂 0.5~2 2~4 4~8
H4 R90C20W6 0.5 190 45 95 30 631 611 916  
H5 R90C20W6 0.5 190 50 95 30 635 615 917  
H6 R90C10W6 0.6 142.5 56 85.5 28 614 407 570 651
H7 R90C10W4 0.6 142.5 56 85,5 28 608 483 645 483
H8 R90C10W4 0.6 142.5 60 85.5 28 612 486 647 486
H9 R90C10W4 0.5 142.5 65 71 27 600 502 669 502
H10 R90C15W4 0.55 170 50 93.5 29 610 493 657 493
            

 
    5、应用配合比混凝土性能
    一般上混凝土在高掺粉煤灰（50~65%）的情况下，其绝热温升一般为12~18℃，而坝体的温升只有10.8~15℃，表-5是本工程混凝土绝热温升表。因此，在夏季施工虽然混凝土的入仓温度很高，但由于坝体内外温度梯度小仍不会出现温度应力裂缝。本工程碾压混凝土的弹性模量：C10掺灰60%时为0.77×104Mpa，C10掺灰65%时为0.675×104Mpa，C20掺灰50%时为1.419×104Mpa。图-3是C10混凝土粉煤灰掺量不同与强度关系图。从图中可知，C10混凝土粉煤灰掺量每增加5%，90天强度约降低2Mpa，同时7天强度发展关系（均与28天相比）约为0.45~0.55，60天强度发展关系约为1.4~1.55，90天强度发展关系约为1.60~1.75。混凝土在粉煤灰掺量达50%以后，其1年强度增长率可达173%~264%。可见碾压混凝土的抗裂性能比常态混凝土要成倍地提高。说明，利用高掺粉煤灰既可降低混凝土的绝热温升，又可提高混凝土的后期强度增长率，这对混凝土的抗裂是有利的。
      表—5混凝土绝热温升室内试验成果表
混凝土等级 总胶材kg/m3 ZB-1掺量% 7d
℃ 10d
℃ 14d
℃ 21d
℃ 28d
℃
C F
C10 50 92.5 0.7 9.3 10.8 11.8 13.5 15.7
C20 90 90 0.7 15.9 18.3 20.15 22.1 24.6

 
 
 
 
    山口电站大坝工程碾压混凝土施工已于2001年1月2日完成。C10砼共进行1813组的密实度测试，其平均干容重为2434Kg∕m3，密实度97%以上；混凝土机口取样抗压强度统计Rm=15.8Mpa，Cv=0.17，δ=2.70Mpa，P=98.6%。C20混凝土共进行399组的密实度测试，其平均干容重为2430Kg∕m3，密实度98%以上；混凝土机口取样抗压强度统计Rm=22.3Mpa，Cv=0.09，δ=2.06Mpa，P=94%。C15混凝土机口取样抗压强度统计Rm=18.4Mpa，Cv=0.115，δ=2.12Mpa，P=92%。
    6、小结
    (1)山口电站大坝工程碾压混凝土施工配合比采用低热水泥、高掺粉煤灰技术及掺用高温型外加剂，使混凝土在本质上得到改善，降低混凝土的绝热温升，夏季混凝土入仓温度高达36℃时正常不间断施工。
    (2)坝体从▽154.0m以上全断面采用三级配C15混凝土，变态混凝土从机口取样抗渗等级部达到要求。目前库水位已蓄至▽180.0m，三级配变态混凝土已承受了26 m水头的压力，从外观看，▽154.0m以上除了极个别部位因层间结合不良而出现少量渗水外，并未发现有混凝土本身的渗水，可见三级配碾压混凝土达到了防渗目的。
    (3)因毛料场骨料级配极不平衡，常出现4~2cm无法满足施工的现象，导致三级配骨料比例不能按理想的3：4：3的要求施工，再加上其它原因（如负压溜槽真空度不够，骨料形状较差等）出现骨料分离严重，这混凝土的质量有一定的影响。