龙首水电站碾压混凝土拱坝材料特性研究

电力18讯：    摘  要：龙首水电站地处西北寒冷干燥地区，对碾压混凝土筑坝材料的特性有一些特殊要求，除要解决碾压混凝土防渗、防裂和层面结合问题外，还需要解决碾压混凝土筑坝材料的抗冻、低温、高蒸发和高温差条件下的施工性能问题。从材料研究出发，应使碾压混凝土配合比有较高的胶凝材料总量，宜将VC值控制在5 s左右；并掺用强缓凝的高效复合减水剂，以及掺用在碾压混凝土中能引出满足抗冻耐久性要求的含气量的引气剂，适量提高砂率；采用外掺MgO技术，以防止和减少碾压混凝土裂缝。

    龙首水电站位于甘肃省张掖市，坝址区为大陆性气候，夏季酷热，雨量较少，蒸发旺盛；冬季严寒，冰期达4个月。气象资料表明，多年平均降水量为171.6 mm，多年平均水面蒸发量为1 378.7 mm。年平均气温为8.5℃，绝对最高气温为37.2℃，绝对最低气温为-33.0℃。日温差较大，最大冻土层深1.5 m。由于气候条件恶劣，对碾压混凝土材料的性能提出了较高要求。

    围绕本工程坝体碾压混凝土材料的特殊要求：针对高蒸发量条件下的缓凝特性，高掺粉煤灰情况下碾压混凝土的高抗冻性，低温期施工材料的防冻措施以及碾压混凝土拱坝本身要求的混凝土材料防裂、防冻、层面结合等问题，进行了深入的研究，提出了能够满足各项设计要求的碾压混凝土配合比。

1 坝体碾压混凝土原材料特性研究

    (1)水泥。龙首工程碾压混凝土选用永登水泥厂按GB175-92规定生产的“祁连”牌525号水泥。水泥厂家提供的水泥中MgO含量较低，希望含量能提高到3%～4.5%。提高了MgO含量的水泥拌制的混凝土具有微膨胀性，有一定补偿温降收缩能力，有利于防治混凝土裂缝。水泥的其他物理力学性能均满足GB175-92的规定。

    (2)粉煤灰。粉煤灰是碾压混凝土的主要掺和料，经过对本工程附近地区的可供灰源点进行了调研比选后，确定选用永昌电厂生产的粉煤灰。

    该电厂生产的原状灰品质较差，主要是灰太粗，细度太大，需水量比达105%以上，因此,不能直接使用原状灰，需要进行风选或磨细加工。最终建议厂家供应风选灰。

    永昌电厂粉煤灰SiO2及Al2O3的含量高达80.81%～83.49%，远大于一般粉煤灰不小于75%的水平，说明该灰活性较好，其风选灰综合性能可达到国标Ⅱ级灰标准。

    (3)砂石料。坝址附近有大量的古河床冲积层天然砂砾石骨料可作为碾压混凝土骨料使用。试验表明：粗骨料各项指标均满足设计要求；细骨料原状砂中0.16 mm含量达到12.8%，进一步沉降分析表明，其中60%为小于0.08 mm以下的极细颗粒，这部份主要成份为戈壁滩上由风带来的极细黄土颗粒，经用水冲洗不同时间，其砂的细度模数及细颗粒含量变化以及对用水量的影响见表1。
         

    由表1可见，砂中极细颗粒对混凝土单位用水量影响很大，在砂的生产过程中，需尽可能减少极细颗粒含量，降低混凝土单位用水量。

    在实际施工中，砂料筛分加工工艺分别采用了水冲洗法和风吹除灰法以降低砂中极细颗粒含量。

    两种方法生产砂子的颗粒级配物理性能见表2。
         

    (4)外加剂。本工程碾压混凝土外加剂应具有强缓凝、高效减水和引气等综合性能，以满足高抗冻性、高蒸发量的要求。
    由于碾压混凝土中液相含量少，粉煤灰掺量大，粉煤灰中的碳对外加剂又有强力吸附作用 ，因此对碾压混凝土的含气量有较大的影响。经室内试验研究，本工程选用了贵州高峡科技开发有限公司生产的具有高减水和强缓凝的碾压混凝土专用外加剂NF-A和引气能力强、气泡结构优良的NF-C引气剂，其对碾压混凝土用水量、强度、凝结时间的影响见表3。在抗冻要求较高的碾压混凝土中，如何在粉煤灰大掺量的情况下，保证引入足够的含气，而且气泡结构优良，是引气剂选用的关键。
       

    试验表明，碾压混凝土中含气量的变化规律是：①在引气剂掺量相同情况下，随着粉煤灰掺量及粉煤灰含碳量的增加，含气量下降，说明粉煤灰中碳粒对引气剂有强烈的吸附作用，降低了液相中引气剂的有效浓度，相当于降低了引气剂的掺量；②在粉煤灰掺量以及引气剂用量相同情况下，VC值降低，将使含气量提高，反之下降；③随着水胶比降低，含气量下降；④室内多次试验证明，本工程当粉煤灰掺量达到50%时，碾压混凝土要达到4.0%～5.5%的含气量，引气剂NF-C用量要掺到0.4%～0.6%，这时引气剂掺量是常态混凝土的80～100倍。因此，对有较高抗冻要求的坝体碾<