三峡工程高性能大坝混凝土配合比设计技术措施

三峡工程高性能大坝混凝土配合比设计技术措施陈文耀1，李文伟1(1.中国长江三峡工程开发总公司试验中心，湖北宜昌)摘要：本文介绍了三峡工程大坝混凝土配合比设计思想及采取的技术措施.通过采用优质缓凝高效减水剂、引气剂、Ⅰ级粉煤灰、具有微膨胀性质的中热水泥、限制原材料及混凝土中总碱含量、并缩小水胶比、增大粉煤灰掺量等综合措施和技术路线，有效地降低了混凝土用水量，改善了混凝土工作性，保证了混凝土抗冻耐久性，提高了混凝土的体积稳定性，实现了高性能大坝混凝土的目标.关键词：三峡大坝；高效减水剂；Ⅰ级粉煤灰；微膨胀水泥；高性能混凝土三峡工程第二阶段混凝土采用花岗岩人工骨料，由于母岩为粗粒结构和粗晶粒镶嵌结构，骨料表面粗糙，使混凝土用水量较长江天然骨料高30%以上.混凝土用水量高，不但增加了混凝土的孔隙率，而且胶凝材用量相应也高，增大混凝土干缩，不利于温控防裂，降低了体积稳定性，影响混凝土的耐久性.因此，三峡工程大坝混凝土配合比设计的首要任务，就是要在适应施工方案，满足混凝土设计技术指标的前提下，尽可能降低混凝土单位用水量.三峡工程混凝土配合比优化的目标是在满足设计技术指标及施工要求的前提下，达到高性能大坝混凝土的要求，使混凝土具有较高的耐久性、抗裂性、低热性、体积稳定性、良好工作性和经济合理性.为此，我们在混凝土配合比试验设计过程中，根据混凝土设计指标要求和花岗岩人工骨料的特点，对原材料进行了优选，采取小水胶比和增大粉煤灰掺量等技术路线，对配合比进行了优化.在优化过程中主要采取了如下几项技术措施.1掺用引气剂提高混凝土耐久性混凝土抗冻性是耐久性的一项重要指标，在混凝土中引入一定数量结构合理的微小气泡，可使混凝土获得良好的抗冻耐久性.为了获得一定数量结构合理的气泡，对引气剂进行了优选，选择出满足国标一等品要求技术经济性较好的PC-2和DH9引气剂供工程使用，检测结果见表1.并规定湿筛混凝土含气量为4.5%～5.5%，混凝土抗冻标号均可达到D250以上.表1二种引气剂混凝土试验结果品种生产厂家掺量(‰)减水率(%)含气量(%)泌水率比(%)含气量损失(%)抗压强度比(%)收缩率比(%)相对耐久性指标(%)DH9S石家庄0.0507.95.6761.88.910299918311196PC-2青岛科力0.0659.04.7———102989795—90.4GB8076-1997一等品—≥6≥3.0≤70——≥95≥95≥90—≤135≥80合格品—≥6≥3.0≤80——≥80≥80≥80—≤135≥602掺用Ⅰ级粉煤灰改善混凝土性能为了降低人工骨料混凝土用水量，改善和提高混凝土性能，作者探讨了不同粉煤灰品质和掺量对混凝土用水量的影响以及Ⅰ级粉煤灰对混凝土性能的影响.通过对8个厂家不同品质的粉煤灰进行的品质检验及混凝土用水量试验，发现Ⅰ级粉煤灰具有10%左右的减水效果，Ⅱ级粉煤灰没有减水作用，Ⅲ级粉煤灰则需增加混凝土用水量.经相关分析表明，粉煤灰需水量比X与混凝土用水量W存在特别显著相关关系.相关关系式为W=8.166+1.341X(kg/m3)，相关系数r=0.993，剩余方差S=0.96.因此，粉煤灰需水量比是反映粉煤灰品质的重要指标，直接影响混凝土单位用水量的大小.用平圩Ⅰ级粉煤灰探讨了不同掺量对各级配混凝土用水量的影响，试验结果见表2和图1.其中试验条件为：平圩Ⅰ级粉煤灰，需水量比88%，DH9引气剂，ZB-1A减水剂，中热525#水泥，坍落度3～5cm，含气量4.5%～5.5%，水胶比0.50.表2Ⅰ级粉煤灰掺量对混凝土用水量的影响粉煤灰掺量(%)混凝土用水量(kg/m3)引气剂掺量(%)减水剂(%)二级配三级配四级配0123103910.0050.81011799860.0062010994820.0073010591800.0084010188780.0095010084750.010可以看出，品质优良的Ⅰ级粉煤灰，可以有效减少混凝土用水量，且混凝土用水量随粉煤灰掺量的增加而减少.不同级配混凝土用水量与粉煤灰掺量关系规律基本一致.四级配混凝土掺30%平圩Ⅰ级粉煤灰，可减少用水量12%，达到普通减水剂的作用.因此，人们将Ⅰ级粉煤灰称作固体减水剂或矿物减水剂.另外，随粉煤灰掺量的增加，要达到相同含气量，引气剂剂量也需相应增加.Ⅰ级粉煤灰混凝土的抗冻性结果见表3.水胶比0.45～0.55，粉煤灰掺量30%～40%，混凝土抗冻标号可达D300，具有良好的抗冻耐久性.图1Ⅰ级粉煤灰对混凝土用水量的影响表3Ⅰ级粉煤灰混凝土的抗冻性水胶比粉煤灰掺量(%)相对动弹性模数(%)/重量损失(%)试验条件50次100次200次300次0.453094.9/0.0394./0.1193.2/0.4888.1/0.82二级配含气量4.8%～5.2%0.503595.3/-0.0693.5/0.1792.5/0.7187.6/1.490.554094.3/0.4191.6/0.9281.0/2.6164.7/4.24Ⅰ级粉煤灰对混凝土所产生的一系列效果，主要是由其形态效应、火山灰效应和微集料效应产生的.Ⅰ级粉煤灰的减水作用是由形态效应和微集料填充效应决定.粉煤灰中的玻璃微珠能使水泥砂浆粘度和颗粒之间的摩擦力降低，使水泥颗粒充分分散，在相同稠度下使混凝土用水量减少；颗粒较细，可以改善胶凝材料的颗粒级配，使填充胶凝材料孔隙的水量减少，因而也降低了混凝土用水量.Ⅰ级粉煤灰颗粒细，水化反应的表面积比Ⅱ级灰大，火山灰反应更充分.另外，由于粉煤灰的火山灰反应减少了界面区域的Ca(OH)2，改善了界面结构，因而改善了混凝土的性能.Ⅰ级粉煤灰的这些效应，使其具有改善混凝土拌和物和易性的作用，减少了混凝土的泌水量，减少了骨料下部水囊的形成，提高了水泥与骨料的粘结强度，改善了混凝土的力学性能.掺用Ⅰ级粉煤灰后，由于其减水作用，掺量愈大混凝土用水量愈少，自由水量愈少，在干燥过程中可失去的水份愈少，可以减少混凝土的干缩变形.粉煤灰掺量由20%提高到40%，混凝土28d和90d龄期的干缩值可减少30×10-6和50×10-6.同时，Ⅰ级粉煤灰的减水作用以及等量取代水泥后，降低了混凝土的胶凝材料用量和水泥用量，使混凝土内部发热量降低，减少了产生温度裂缝的可能性.因此，使用Ⅰ级粉煤灰，可改善混凝土的体积稳定性和密实性，使温度裂缝减少，提高混凝土的耐久性.由于Ⅰ级粉煤灰的上述优越性能，针对花岗岩人工骨料混凝土用水量高的缺点，作者主张掺用Ⅰ级粉煤灰，将Ⅰ级粉煤灰作为配制三峡高性能水工混凝土非常重要的改性材料使用.3选用优质高效减水剂降低混凝土用水量通过优选试验，选择出减水率大于18%，其它指标均满足国标一等品要求的ZB-1A、FDN9001、R561C三种缓凝高效减水剂供三峡工程使用，检验结果见表4.三种减水剂与引气剂、Ⅰ级粉煤灰联掺，混凝土用水量和强度试验结果平均值见表5.试验结果表明，三种减水剂在给定掺量条件下，混凝土用水量基本相同(四级配混凝土约88kg/m3)，混凝土强度也相同.表4减水剂按GB8076-1997检验结果减水剂品种与掺量减水率(%)含气量(%)凝结时间差/min泌水率比(%)抗压强度比(%)初凝终凝3d7d28d90dZB-1A0.5%19.51.027026760167175150138FDN900410.7%20.01.183581867204179159154R561C1.25%19.11.01172131576190187162152注：*者为液体剂量，相当于粉剂0.5%.表5四级配混凝土平均用水量和平均抗压强度(W/C+F=0.50)水胶比减水剂品种与掺量引气剂I级粉煤灰含气量(%)坍落度/cm级配平均用水量/(kg/m3)平均抗压强度/MPa28d90d0.5ZB-1A0.5%PC-2平圩30%4.5～5.53～5四88.121.830.6FDN90010.7%87.122.230.9R561C1.25%88.821.930.7注：者为液体剂量，相当于粉剂0.5%.4合理选择水胶比确保混凝土性能混凝土配合比参数主要包括水胶比、砂率、用水量及粉煤灰掺量等.合理选择配合比参数可获得性能优良而且经济性好的混凝土.水胶比越大，混凝土孔隙率越大，强度越低，耐久性越差.三峡工程选用了品质优良的高效减水剂和Ⅰ级粉煤灰，四级配混凝土用水量降低到88kg/m３左右，为采用较低水胶比增大粉煤灰掺量创造了有利条件.三峡工程大坝混凝土选用水胶比见表6.对于大坝内部、基础、外部、水位变化区混凝土，强度要求不高，而且又是90d龄期，可以充分利用粉煤灰的后期强度，粉煤灰掺量为30%～45%.但此部分混凝土又有较高的抗冻要求，因而降低水胶比，选定为0.45～0.55.对于结构和抗冲磨混凝土，由于抗冻和强度指标要求较高，又是28d龄期，早期强度受粉煤灰掺量影响较大，所以这部分混凝土粉煤灰掺量选定为20%，并适当降低水胶比，选定为0.30和0.45.由于掺Ⅰ级粉煤灰混凝土用水量降低，和易性得到改善，易振，施工质量得到提高，适当增加粉煤灰掺量、降低水胶比，不但胶凝材料总量不增加，而且使水泥用量降低，这对提高混凝土的温控防裂能力和混凝土的耐久性是非常有利的，显示出良好的技术经济效果.表6三峡工程大坝混凝土选用水胶比和粉煤灰掺量(中热水泥)工程部位及混凝土种类设计要求规范限制水胶比设计限制水胶比实际选用水胶比选用粉煤灰掺量(%)大坝内部R90150D100S8εp28=0.70×10-4εp90=0.75×10-40.700.600.550.504045大坝基础R90200D150S8εp28=0.80×10-4εp90=0.85×10-40.600.550.5035大坝外部R90200D250S10εp28=0.80×10-4εp90=0.85×10-40.600.500.5030水位变化区R90200D250S10εp28=0.80×10-4εp90=0.85×10-40.550.450.4530R28250D250S10、R90300D250S10结构混凝土εp28=0.80×10-4R28300D250S10εp90=0.85×10-4εp28=0.85×10-40.500.450.402020抗冲磨、预应力混凝土R28350D250S100.420.3520抗冲磨混凝土R28400D250S100.380.30205采用具有微膨胀性质的水泥改善混凝土变形性能根据国内大量的科研成果和其它工程实践经验以及我们自己的试验资料，将三峡工程所用水泥其熟料中MgO含量控制在3.5%～5.0%范围内，利用水泥中方镁石后期水化体积膨胀的特点，以补偿混凝土降温阶段的部分温度收缩，同时尽可能采用低坍落度大粒径骨料级配混凝土，减少混凝土体积收缩，使混凝土体积稳定性得以改善.葛洲坝中热525#水泥MgO含量从1.95%提高到4.02%后，混凝土自生体积变形从收缩变为膨胀，试验结果见图2.基础混凝土可取得3℃左右的温度变形补偿，结构混凝土可取得2℃左右的温度变形补偿.从1998年初开始，工程使用MgO含量在3.5%～5.0%的中热水泥，大坝观测资料表明，混凝土的自生体积变形为微膨胀型.图2水泥不同MgO含量对混凝土自生体积变形的影响6限制碱含量防止混凝土碱骨料反应长江科学院和中国水利水电科学研究院对三峡花岗岩骨料进行了碱活性检验，评定为非活性骨料.鉴于三峡工程的特殊重要地位，为防止类似法国桑本坝建成五十年后发生碱活性反应破坏，从长期耐久性考虑，仍对水泥、粉煤灰和混凝土中的碱含量提出限制.要求中热水泥碱含量不大于0.6%，中热水泥熟料碱含量不大于0.5%，粉煤灰碱含量不大于1.5%.同时限制花岗岩人工骨料混凝土总碱量小于2.5kg/m3，天然骨料混凝土总碱量小于2.0kg/m3.制定了三峡工程混凝土碱含量限制标准及计算方法，要求混凝土配合比设计时应进行混凝土总碱含量验算.7结语三峡工程采用Ⅰ级粉煤灰和品质优良的高效减水剂，最大限度地降低了混凝土用水量，成功地把四级配混凝土用水量由110kg/m3降低到