陳昌禮,趙其興,李維維,王興德,徐 普,顏少連

(1.貴州師范大學(xué)材料與建筑工程學(xué)院,貴州 貴陽 550025; 2.貴州中水建設(shè)管理股份有限公司,貴州 貴陽 550002;3.貴州省大壩安全監(jiān)測中心,貴州 貴陽 550002; 4.貴州水利科學(xué)研究院,貴州 貴陽 550002)

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高摻氧化鎂混凝土在某水電站拱壩工程中的應(yīng)用

陳昌禮1,趙其興2,李維維1,王興德2,徐 普3,顏少連4

(1.貴州師范大學(xué)材料與建筑工程學(xué)院,貴州 貴陽 550025; 2.貴州中水建設(shè)管理股份有限公司,貴州 貴陽 550002;3.貴州省大壩安全監(jiān)測中心,貴州 貴陽 550002; 4.貴州水利科學(xué)研究院,貴州 貴陽 550002)

為了充分發(fā)揮MgO混凝土筑壩技術(shù)的優(yōu)越性,針對(duì)某Ⅳ等小(1)型水電站混凝土拱壩工程,依據(jù)壓蒸原理,進(jìn)行水泥-粉煤灰-石粉混合漿體試件壓蒸試驗(yàn),據(jù)此將MgO的摻量提高到6.5%,并應(yīng)用于水電站混凝土拱壩工程。結(jié)果表明,高摻MgO混凝土進(jìn)一步提高了壩體混凝土的抗裂能力,簡化了大體積混凝土的溫控措施,實(shí)現(xiàn)了僅設(shè)極少誘導(dǎo)縫、不設(shè)縱縫、通倉澆筑壩體的混凝土壩體澆筑方式。

MgO混凝土;壓蒸試驗(yàn);安定摻量;自生體積變形;拱壩

某Ⅳ等小(1)型水電站的主要任務(wù)為發(fā)電,其裝機(jī)容量為2×5.0 MW,總庫容為532萬m3,擋水建筑物為拋物線雙曲拱壩,最大壩高為69 m,拱冠梁處頂厚為4.0 m,底厚為12.0 m,拱壩厚高比為0.174,壩體混凝土體積為45 000 m3。設(shè)計(jì)單位從節(jié)約投資、早日投產(chǎn)的愿望出發(fā),考慮到該工程工期緊張,要求該壩體采用三級(jí)配外摻氧化鎂(MgO)常態(tài)混凝土,不設(shè)縱縫,通倉澆筑,混凝土在齡期90 d的強(qiáng)度等級(jí)為C20、抗?jié)B等級(jí)為W6、極限拉伸值不低于85×10-6、強(qiáng)度保證率不低于85%,混凝土拌和物的坍落度控制值為20～50 mm。

我國從20世紀(jì)70年代末展開對(duì)MgO混凝土的研究,至今已在50多座水利水電工程中得到應(yīng)用,而國外尚無工程應(yīng)用實(shí)例[1-5]。試驗(yàn)研究和工程實(shí)踐表明,MgO混凝土具有良好的延遲微膨脹特性,可在提高混凝土自身抗裂能力、簡化水工大體積混凝土的溫控措施、加快施工進(jìn)度、節(jié)約工程費(fèi)用等方面發(fā)揮積極作用[6-8]。但是,按照現(xiàn)行方法[9-11]確定的MgO摻量一般為4%～5%,用該摻量配制的MgO混凝土的膨脹量不能完全補(bǔ)償水工混凝土的收縮量[7,12-14]。為此,本文按照文獻(xiàn)[15]提出的石粉模擬法制作水泥-粉煤灰-石粉混合漿體試件,進(jìn)行壓蒸試驗(yàn),將MgO摻量提高至6.5%,并將試驗(yàn)結(jié)果應(yīng)用于該水電站混凝土拱壩工程中,為充分發(fā)揮MgO混凝土筑壩技術(shù)的優(yōu)越性、科學(xué)合理地突破MgO摻量的限制提供了第一個(gè)工程實(shí)例。

1 MgO混凝土的配合比設(shè)計(jì)

1.1 試驗(yàn)用原材料

a. 水泥:P·O 42.5普通硅酸鹽水泥,密度為3.06 g/cm3,比表面積為317 m2/kg,標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量為26.0%,安定性合格。水泥品質(zhì)符合現(xiàn)行規(guī)范要求。

b. 粉煤灰:取自工地從貴州某火電廠購買來的成品干灰,密度為2.45 g/cm3,細(xì)度為13.55%,需水量比為90.8%,燒失量為3.57%。粉煤灰品質(zhì)達(dá)到DL/T 5055—2007《水工混凝土摻用粉煤灰技術(shù)規(guī)范》規(guī)定的F類Ⅱ級(jí)粉煤灰的技術(shù)要求。

c. 氧化鎂:水工混凝土專用材料,遼寧海城東方滑鎂公司生產(chǎn),密度為3.23 g/cm3,細(xì)度(0.045 mm篩的篩余)為25.5%,活性指數(shù)為216 s。

水泥、粉煤灰、氧化鎂的主要化學(xué)成分見表1。

表1 試驗(yàn)用原材料化學(xué)成分的質(zhì)量分?jǐn)?shù) %

d. 骨料:取自工地的灰?guī)r人工砂和碎石。人工砂的細(xì)度為3.03,級(jí)配較好;粗骨料由灰?guī)r加工成小石(5～20 mm)、中石(20～40 mm)、大石(40～80 mm)三級(jí)。

e. 外加劑:萘系高效減水劑,其品質(zhì)符合現(xiàn)行規(guī)范要求。

1.2 MgO極限摻量的確定

確定水工混凝土的MgO摻量時(shí),遵循壓蒸原理,采用壓蒸試驗(yàn)。參考現(xiàn)行方法,試件尺寸為25 mm×25 mm×280 mm,分別采用不摻粉煤灰的水泥凈漿、摻30%粉煤灰的水泥-粉煤灰漿體[9]、摻30%粉煤灰的水泥-粉煤灰砂漿[10]、摻30%粉煤灰的水泥-粉煤灰-石粉混合漿體制作。水泥-粉煤灰-石粉混合漿體按參考文獻(xiàn)[15]提出的石粉模擬法制作,并根據(jù)工程擬用的三級(jí)配混凝土配合比,將其中的粗細(xì)骨料用等量的石粉代替,同時(shí)通過調(diào)節(jié)高效減水劑摻量,使其與其他漿體的稠度基本一致。試驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。

圖1 不同水泥基材料試件的壓蒸膨脹率隨MgO摻量的變化曲線

從圖1可見,當(dāng)MgO摻量在一定范圍內(nèi)時(shí),水泥凈漿、水泥-粉煤灰漿體、水泥-粉煤灰砂漿、水泥-粉煤灰-石粉混合漿體等4種不同水泥基材料試件的壓蒸膨脹率均隨MgO摻量的增大而緩慢增加;當(dāng)MgO摻量超過某一定量時(shí),試件的壓蒸膨脹率急劇增大,在曲線圖上出現(xiàn)明顯拐點(diǎn)。在不同水泥基材料試件的壓蒸膨脹率隨MgO摻量變化的曲線上,其拐點(diǎn)對(duì)應(yīng)的MgO摻量不同,其值從大到小的順序?yàn)樗?粉煤灰-石粉試件、水泥-粉煤灰砂漿試件、水泥-粉煤灰漿體試件、水泥凈漿試件。若以壓蒸膨脹率為0.5%時(shí)對(duì)應(yīng)的MgO摻量作為混凝土的MgO極限摻量,則水泥凈漿、水泥-粉煤灰漿體、水泥-粉煤灰砂漿、水泥-粉煤灰-石粉漿體的MgO極限摻量依次為1.5%、2.6%、8.7%、11.2%;若以圖1中各曲線拐點(diǎn)對(duì)應(yīng)的MgO摻量作為混凝土的MgO極限摻量,則采用水泥凈漿、水泥-粉煤灰漿體、水泥-粉煤灰砂漿、水泥-粉煤灰-石粉漿體確定的MgO極限摻量依次為1.0%、2.5%、7.0%、8.0%。

為安全起見,經(jīng)與設(shè)計(jì)方共同研究,以曲線拐點(diǎn)對(duì)應(yīng)的MgO摻量作為混凝土的MgO極限摻量,以水泥-粉煤灰-石粉漿體壓蒸試件確定的MgO極限摻量8.0%乘以折減系數(shù)(約0.8)的結(jié)果作為該工程混凝土的MgO外摻量,即MgO外摻量采用6.5%。

1.3 MgO混凝土的配合比及性能實(shí)驗(yàn)

按照DL/T5330—2005《水工混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》,結(jié)合以往設(shè)計(jì)MgO混凝土的經(jīng)驗(yàn),初選水膠比分別為0.50、0.55、0.60,控制用水量不超過135 kg/m3和膠凝材料用量在200 kg/m3左右,粉煤灰摻量為30%、40%,砂率為32%～36%,粗骨料級(jí)配按照緊密堆積密度較大、混凝土用水量較小的原則,初選為30∶30∶40和30∶40∶30,在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了一系列混凝土的配合比及性能試驗(yàn)。典型的外摻MgO混凝土的配合比如表2所示(表中編號(hào)H58-40-65表示混凝土的水膠比是0.58、粉煤灰摻量為40%、MgO摻量為6.5%,其余配合比編號(hào)含義以此類推),混凝土的自生體積變形隨齡期的變化過程如圖2所示,主要配合比的力學(xué)性能如表3所示。

需要說明的是,PH55、PH60系列混凝土使用的砂是細(xì)度模數(shù)分別為2.98和2.80的機(jī)制中砂;H60和 H58系列混凝土使用的砂均為工地運(yùn)來的細(xì)度模數(shù)為3.30左右的原樣粗砂。

表2 MgO混凝土的典型配合比

表3 MgO混凝土在典型齡期的主要力學(xué)性能

注:*表示實(shí)際測試齡期為82 d(因?qū)嶒?yàn)室搬遷至新校區(qū)造成)。

圖2 外摻MgO混凝土的自生體積變形隨齡期的變化

從圖2可以看出,未摻MgO混凝土的自生體積變形呈收縮狀態(tài),摻MgO混凝土的自生體積變形呈膨脹狀態(tài),且變化量均隨齡期的增長而增大,前期變化快,后期變化慢;相同條件下,摻MgO混凝土的自生體積變形隨MgO摻量的增大而增大。對(duì)于水膠比為0.60、粉煤灰摻量為30%、MgO摻量為6.5%的混凝土,在齡期180 d、360 d、540 d的自生體積膨脹量分別為30.14×10-6、40.16×10-6、49.85×10-6。

從表3可以看出,各混凝土在齡期90 d的抗壓強(qiáng)度,以及H60-30-65和H58-40-65在齡期90 d的極限拉伸值滿足設(shè)計(jì)要求。摻MgO8%的PH55-30-8混凝土的抗壓強(qiáng)度、劈拉強(qiáng)度比同等條件下?lián)?%MgO的PH55-30-6混凝土高近10%或相近,原因在于較大MgO摻量的混凝土膨脹擠壓力較大,導(dǎo)致混凝土密實(shí)度增大。但是,摻6.5%MgO的H60-30-65混凝土的抗壓強(qiáng)度、劈拉強(qiáng)度、抗壓彈性模量值比摻6%MgO的PH60-30-6混凝土低約15%或接近,這可能是由于H60-30-65混凝土用水量比PH60-30-6混凝土高3 kg/m3所致。一般而言,用水量增加,硬化混凝土的空隙增多,密實(shí)度降低,強(qiáng)度下降[16],且這種強(qiáng)度下降大于因MgO增加0.5%引起的混凝土強(qiáng)度增長。另外,H60-30-65混凝土所用砂料的級(jí)配比PH60-30-6混凝土稍差,估計(jì)也是一個(gè)原因。

同時(shí),PH55-30-6、H58-40-65混凝土90 d齡期的抗?jié)B試驗(yàn)結(jié)果表明,混凝土試件的抗?jié)B等級(jí)高于W6,滿足工程對(duì)混凝土的抗?jié)B要求;PH55-30-6混凝土的絕熱溫升試驗(yàn)表明,28 d絕熱溫升值為24.5℃。

考慮到本工程是首次將混凝土的MgO摻量突破6.0%,為安全起見,經(jīng)與設(shè)計(jì)方共同研究,推薦的混凝土實(shí)驗(yàn)室配合比列于表4。

表4 推薦用于工地生產(chǎn)的MgO混凝土的實(shí)驗(yàn)室配合比

2 工程應(yīng)用

工程采用1號(hào)配合比,共澆筑壩體MgO混凝土43 750 m3。在壩體混凝土澆筑期間,混凝土試驗(yàn)單位抽檢水泥6次,測得其內(nèi)含MgO量為2.04%～3.44%(均值為2.71%)、比表面積為268～334 m2/kg(均值為305 m2/kg)、標(biāo)準(zhǔn)稠度用水量為24.7%～26.3%(均值為25.8%),質(zhì)量符合國家標(biāo)準(zhǔn);抽檢粉煤灰6次,細(xì)度為6.9%～21.0%(均值為15.77%)、燒失量為3.57%～6.58%(均值為5.31%)、需水量比為90.4%～102.9%(均值為94.14%),質(zhì)量符合國家F類Ⅱ級(jí)粉煤灰標(biāo)準(zhǔn)：抽檢MgO 8次,純度為82.87%～93.36%(均值為87.64%),滿足DL/T 5296—2013《水工混凝土摻用氧化鎂技術(shù)規(guī)范》的純度要求;砂料為石灰?guī)r機(jī)制砂,抽檢7次,石粉含量為11.75%～18.53%(均值為12.43%),細(xì)度模數(shù)為3.15～3.77(均值為3.35),顆粒級(jí)配屬于Ⅰ區(qū)。

工地生產(chǎn)MgO混凝土?xí)r,采用強(qiáng)制式攪拌機(jī)。先將人工稱量的MgO、減水劑混合,接著倒入混凝土拌合物中共同攪拌120～150 s，將攪拌后的混凝土采用自卸汽車運(yùn)輸?shù)酱髩?。在高?10 m以下,采用自卸汽車直接將混凝土運(yùn)入倉內(nèi);高程810 m以上,先將混凝土用自卸汽車運(yùn)至位于左岸高程855 m的榴槽口,再經(jīng)榴槽輸送到位于倉內(nèi)的自卸汽車中,自卸汽車再將混凝土運(yùn)至倉內(nèi)指定地點(diǎn)?；炷寥雮}后,采用反鏟平倉、振搗棒振實(shí)。澆筑壩體混凝土?xí)r,全壩未設(shè)縱縫;在高程837.5 m以上、壩頂面距左壩肩10.633 m和距右壩肩15.245 m處各設(shè)置1道豎向誘導(dǎo)縫;在高程837.5 m以下不設(shè)橫縫,通倉澆筑。倉內(nèi)鋪料層厚度為0.5 m,分層厚度為2.2 m,澆筑層間歇期為7 d,上下混凝土澆筑層間采用20 mm厚的同強(qiáng)度等級(jí)砂漿搭接。

根據(jù)設(shè)計(jì)文件,在壩體混凝土澆筑中,共埋設(shè)無應(yīng)力計(jì)13支、溫度計(jì)16支、測縫計(jì)8支。從截至2016年2月29日的觀測結(jié)果看,部分測點(diǎn)的齡期已超過360 d。在齡期90 d、180 d和360 d,壩體混凝土的自生體積膨脹變形分別為18.90×10-6～58.51×10-6、26.03×10-6～73.66×10-6和32.05×10-6～101.97×10-6,平均值分別為41.38×10-6、51.55×10-6和62.46×10-6,最高溫度為43.6℃,溫升為19.1℃,最大開度為0.24 mm。

同時(shí),根據(jù)已有的資料統(tǒng)計(jì),現(xiàn)場實(shí)測混凝土拌合物的坍落度和混凝土在齡期90 d的抗壓強(qiáng)度、抗?jié)B等級(jí)、極限拉伸變形的抽檢結(jié)果滿足設(shè)計(jì)要求。

3 結(jié) 語

從現(xiàn)場抽樣檢測的統(tǒng)計(jì)結(jié)果看,外摻MgO混凝土的坍落度、90 d齡期的抗壓強(qiáng)度、抗?jié)B等級(jí)、極限拉伸變形的抽檢結(jié)果滿足設(shè)計(jì)要求;從原型觀測結(jié)果看,壩體MgO混凝土的自生體積變形、最高溫升同室內(nèi)測值基本吻合,最大開度及其發(fā)生位置與設(shè)計(jì)時(shí)按照提高M(jìn)gO摻量后計(jì)算的壩體應(yīng)力場基本一致。因此,依據(jù)壓蒸原理,制作水泥-粉煤灰-石粉混合漿體試件進(jìn)行壓蒸實(shí)驗(yàn),不僅能使混凝土的MgO摻量科學(xué)合理地適當(dāng)提高,而且混凝土的物理力學(xué)性能滿足設(shè)計(jì)要求,壩體混凝土的自生體積膨脹變形、最高溫升、壩體最大開裂度均在可控范圍內(nèi),達(dá)到了進(jìn)一步提高混凝土自身的抗裂能力、簡化水工大體積混凝土的溫控措施、節(jié)省工程投資的目的。

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Application of concrete with high content of MgO in arch dam of hydropower station

//CHEN Changli1, ZHAO Qixing2, LI Weiwei1, WANG Xingde2, XU Pu3, YAN Shaolian4

(1.SchoolofMaterialsandArchitectureEngineering,GuizhouNormalUniversity,Guiyang550025,China; 2.GuizhouZhongshuiConstructionProjectManagementCo.,Ltd.,Guiyang550002,China; 3.GuizhouProvincialDamSafetyMonitoringCenter,Guiyang550025,China; 4.GuizhouWaterCanservancyScieaceResearchInstitute,Guiyang550002,China)

In order to demonstrate the superiority of using MgO-mixed concrete in dam construction, autoclave tests of cement-fly ash-stone dust mixed paste specimens were conducted according to the autoclave principle, and the mixing ratio of MgO in the specimens was increased to 6.5%. This technology was applied to the concrete arch dam of a grade IV small-scale (type 1) hydropower station. The results show that concrete with a high content of MgO can improve the anti-cracking performance of the dam concrete and simplify temperature control measurements of mass concrete, allowing for an improved concrete dam construction method, in which few induced joints are needed, longitudinal joints can be cancelled, and entire concrete blocks of the dam body can be poured.

MgO-mixed concrete; autoclave test; soundness admixing amount; autogenic volume deformation; arch dam

10.3880/j.issn.1006-7647.2016.06.012

貴州省教育廳“125”重大科技專項(xiàng)([2012]004);國家自然科學(xué)基金(51269003,50969002)

陳昌禮(1966—),男,教授,主要從事水工材料研究。E-mail: clchen2026@163.com

TV431

A

1006-7647(2016)06-0064-05

2016-03-25 編輯：鄭孝宇)