锦屏一级水电站拱坝混凝土抗冻性能试验分析.pdf

水利水电技术第4 1卷2 0 1 0年第 1 2期 锦屏 一级水 电站拱坝 混凝 土抗 冻性能试 验分 析 唐 天 国 ，段 绍 辉 ，段 云岭 ( 1 ．二滩水 电开发有 限责任公司，四川 成都 6 1 0 0 5 1 ；2 ．四川大学 建筑与环境学院，四川 成都 6 1 0 0 6 5 ； 3 ．清华大学 水利水电工程系，北京 1 0 0 0 8 4 ) 摘要 ：结合锦 屏一级 水电站 大坝 混凝 土现场 浇筑技 术 ，对坝体 典型 区域取 样试件进 行 冻融循 环 试验 ，并测量其相对动弹模量及 质量损 失 系数 。冻融过程 中按 5 0次循 环为冻融基数 。每 5 0次冻 融完成后 即进行相对动弹模 量及 质量损 失测试 ，并观 测试件 总体抗 冻性 能。结果表 明，拌和楼 出 机 口及 坝体 浇筑现 场取 样 测试 效 果 均 较 明 显 ，其抗 冻性 能基 本 达 到设 计要 求 。 关键词 ：混凝土浇筑；抗 冻性 ；试验测试 ；相对动弹模量 ；质量损失 系数 ；锦屏一级水电站 中图分 类号 ：T V 4 3 1 ( 2 7 1 ) 文献标识码 ：A 文章编 号 ：1 0 0 0 - 0 8 6 0 ( 2 0 1 0 ) 1 2 ． 0 0 2 9 ． 0 3 Fr o s t r e s i s t a n c e o f c o n c r e t e f o r a r c h d a m o f J i n p i n g Hy d r o p o we r S tat i o n I TANG Ti a n g uo ，DUAN S h a o h ui ，DUAN Yu n l i n g 。 ( 1 ． E r t a n H y d r o p o w e r D e v e l o p me n t C o m p a n y ， L t d ． ， C h e n g d u 6 1 0 0 5 1 ， S i e h u a n ， C h i n a ； 2 ． S c h o o l o f A r c h i t e c t u r e a n d E n v i r o n me n t ，S i c h u a n Un i v e r s i t y，C h e n g d u 61 0 0 6 5，S i e h u a n，C h i n a ； 3 ． D e p a r t me n t o f H y d r a u l i c a n d H y d r o p o w e r E n g i n e e r i n g ， T s i n g h u a U n i v e rs i t y ， B e i j i n g 1 0 0 0 8 4 ， C h i n a ) Ab s t r a c t ：Ba s e d o n t h e i n — s i t u p l a c e me n t o f c o n c r e t e f o r t h e c o n s t r u c t i o n o f J i n p i n g Hy d r o p o we r S t a t i o n I ，t h e t e s t s o f f r e e z e — t h a - wi n g c y c l e a y e ma d e o n t h e s a mp l e s t a k e n f r o m t h e t y p i c a l l o c a t i o n s o f t h e d am b o d y a l o n g w i t h t h e me a s u r e me n t s ma d e o n t h e i r r e l a t i v e d y n ami c e l a s t i c mo du l u s a n d ma s s l o s s c o e ffi ci e n t ．Du r i n g t h e f r e e z e — t h a wi n g pr o ce s s，5 0 c y c l e s a r e t a k e n a s t he f r e e z e- t h a wi n g c a r di nal nu mbe r ；a f t e r wh i c h t h e me a s ur e me n t s on t he r e l a t i v e d y nam i c e l a s t i c mo d ul us an d ma s s l o s s c o e ffic i e n t a r e ma d e i mme di a t e l y wi t h the o b s e r v a t i on o n t he g e n e r al f r o s t r e s i s t a nc e o f t h e s a mpl e ． Th e r e s u l t s h o ws t ha t t he t e s t i n g e ffe c t s o f bo t h t h e s amp l e s t a ke n f rom t h e e x i t o f t he c o n c r e t e mi x e r pl a nt an d t he s i t e o f t he pl a c e me nt are mo r e o bv i o us ，ho we v e r ，the r e l e v a n t f r o s t r e s i s t a n c e s c a n g e n e r a l l y me e t t h e t h o s e r e q u i r e me n t s s p e c i fi e d i n t h e d e s i g n c o n c e r n e d ． Ke y wo r d s ：c o n c r e t e p l a c e me n t ；f r o s t r e s i s t a n c e ；e x p e r i me n t al t e s t i n g ；r e l a t i v e d y n am i c e l a s t i c mo d u l u s ；mas s l o s e c oe f fi c i e n t ； J i n p i n g Hy d r o p w e r S t a t i o n I 1 引言 锦屏一级水 电站混凝土双曲拱坝高 3 0 5 I n ，大坝 混凝土分 A、B、c区，设计强度等级分别为 C 4 0 、 c 舳 3 5 、C 舳 3 0，对混 凝 土耐久性要 求亦较 高 ，其抗 冻性能亦将对 耐久性产生 较为显著 的影 响 ，属大坝 混 凝 土 耐 久 性 的 重 要 影 响 因 素 。 混 凝 土 的 耐 久 性 是 指其抵抗破坏的能力 ，也就是说抵抗 力大 于外 界环 境与 内部结构变化 引起 的作 用力 。影 响混 凝土 耐久性的 因素错综复杂 ，混凝 土建筑物 的破坏 ，很 少 由孤立的原因造成 ，如裂缝 问题 、强度 问题 都不 W a t e rRe s o u rc e s a n dHy d r o p o w e rEn gin e e r i n g V o 1 ． 41 No ． 1 2 是 由单一因素引起。因此 ，本项 目拟结合 现场混凝 土拌和及 浇筑过程 ，开展 拱坝混凝土抗冻 性能方 面 的研 究 。 2 混凝土抗冻性能试验 拱坝混凝土上游库水 区与水面长期接触 ，下游面 及坝顶面 与空气接触 ，受外界气 温变化及水 温 的影 收稿 日期 ：2 0 1 0 — 0 7 — 2 0 基金项 目：二滩水电开发有限责任公司合同资助项 目( E HD C A- 2 0 1 0 0 7 ) 。 作者简 介 ：唐天国( 1 9 7 3 一 ) ，男 ，四川资 中人 ，副教授 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 唐天国， 等∥锦屏一级水电站拱坝混凝土抗冻性能试验分析 响 ，混凝土本身的强度、弹性模量及耐久性将受到外 界气温变化的影响，引起混凝土本身的收缩变形。若 外界昼夜温差过大，比如 0 o C以下 ，将引起混凝土内 部孔隙的冻融影响，库水表面也将冻结 ，而库水深水 区则影响不大，这样将导致坝体混凝土本身不同部位 的冻融程度差异。如在库水表面与坝体上游 面接触部 位，受冻融影响最大；坝顶面及下游临空面则受气温 骤降、雨露冻～解循环作用影响，造成坝体浅部混凝 土直接受 到冻融 影响。因此 ，对于 大体 积拱坝混凝 土 ，开展冻融循环作用及其性能研究 ，属其耐久性方 面的研究重点 锦屏一级水电站拱坝选取 中低热水泥 加 I级粉煤灰拌制而成 ，其配合 比见表 1 。一般情况 下，混凝土 的引气量和强度是其抗冻性 的决定性 因 素。选择优质引气剂 ，引入足够的微小气泡 ，可适当 提高其抗冻性能。由于粉煤灰的颗粒吸附作用 ，适当 增加引气剂掺量亦可改善混凝土抗冻性能。 表 1 锦屏一级水电站拱坝混凝土配合比 每方混凝 土各种原材料用量／ k g m。 强度 砂率 水灰 粉煤 特大 等级 ／ ％ 比 水 水泥 大石 中石 小石 砂 Z B 一 1 A 灰 石 CIs o 4 0 2 0 O ．3 9 8 2 l 4 3 ． 6 6 1 ． 5 6 1 5 ． 6 5 4 3 7 5 3 5 1 ． 8 3 5 1 ． 8 4 3 7 1 ． 4 3 6 为及时掌握锦屏一级水 电站拱坝混凝土的抗冻性 能情况 ，结合现场大坝混凝土浇筑的部分试件 ，抗冻 性能试验分析采用北京 K D R—V 9系列快速冻融循环 试验机 ，其主要参数为 ：最大试件容量 2 8件 ；中心 试件上 、下限温度 一 1 7～ 8℃( 可调 ) ；单个冻融循环 时间 2～ 4 h ( 可调 ) 。 试验前先备好试验标准试件 ，尺寸为 1 0 0 1T I I T I 1 0 0 m m 4 0 0 m m( 见图 1 ) ，且试件须按标准养护规 定方式进行养护 ，对每个试件进行 电子秤称重 ，并 编号 ，编号需清楚写在每个 试件表面 ，以防在反复 冻融循环试验过程 中损伤编号 以致无法辨认。冻 融 循环试验依据《 普通混凝 土长期性能 和耐久性能试 验方法》 ( G B J 8 2 —8 5 ) 进行 ，当相对 动 弹模 量下 降 4 0 ％或 试 件 质 量 损 失 大 于 5 ％ 时 即 认 定 试 件 破 坏 J 。按要求 ，一般以 5 0次冻融循环试验为基准 ， 每 5 0次后即进行动弹模量测定 ，在第一个次冻融前 必须测定初始动弹模量值 ，并连续在初始温度防冻液 中浸泡 4 8 h ，并详细记录测试数据 。动弹模测量仪器 采用 D T一1 4测 控仪器 ，该 仪器是用 于测定混凝 土、 碳素材料动弹模量的专用仪器，采用单 片机及 集成 电路 数 据 处 理 器 ， 自 动 化 模 式 处 理 ，其 主 要 参 数 为 ：测频范围 5 0—1 0 0 k H z ；灵敏 度 1 H z ；工作时 3 0 间可连续大于 8 h ；工作环境条件温度 0— 4 0℃、湿度 < 9 0％ 。 ——— ——— 卜 ———— —————— ————— —— 图 1 混凝土抗冻性试验模型尺寸( 单位： m m) 按照设计要求 ，对 大坝 A 区混凝土抗 冻性需 全 面测试 ，按试验机容量分 9组共 2 7个标准试件。先 编号，然后测定每个试件 的初始动弹模量值及质量 ， 然后将 9组试件 ( 编号为 1 ，2 ，⋯，9 ) 全放人冻融循 环试验机 ，冻融温度控制 一1 8～8℃( 依据锦屏当地 气温变化可适 当调整 ) ，冻融次数设定 5 0次 ，5 0次 满后取出每个试件进行动弹模量及质量测试 。测试完 后 ，又将试件放入冻融机 ，再进行 5 0次冻融循环试 验 ，又再取出试件进行动弹模量及质量测试 ，如此反 复 ，⋯ ，直到 3 0 0次冻 融，这批次试 件试验就完成 了。共取 9组试件测试值 ，取样地点分别为拌和楼出 机 口和坝体浇筑现场 ，数据根据每组 3个试件测试值 平均后求出来。 3 测试结果分析及讨论 如图 2 、图 3 、图 4所示 ，坝体混凝 土抗冻性变 化较为明显 ，现场坝体钻芯取样的抗渗性能总体效果 不如出机 口试件 的好 。现场钻芯测试结果其动弹模量 衰减曲线波动较大 ，且随着冻融循环次数的增加 ，动 弹模量变化也较大 。一般在最初 5 O次循 环，动弹模 量损伤范围变化很小 ；到 2 0 0次冻融试验后 ，损伤就 较为明显。 1 0 0 摹9 0 咖8 0 7 0 蓼 o 5 0 4 0 5 O 1 0 0 1 5 O 2 0 0 2 5 0 3 0 0 冻融次数 图 2 出机 口试件冻融次数与相对动弹模量的关系 由图 2和图 3可见 ，坝体混凝 土试件冻 融循环 水利水电技术第 4 1卷2 0 1 O年第 1 2期 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m ＼ 教 蒋 ‘拓 图 3坝体钻芯试 件相对动弹模 量与冻融次数 的关系 ＼ 删 蟋 图 4 出机 口试件 冻融次数与质量 损失的关 系 次数与相对 动弹模 之间变化 较 明显 。总体上 ，随冻 融循环次数 的增 加混 凝 土相对 动 弹模呈 下 降趋势 。 图 2中试件 7号组经 3 0 0次冻融循 环后 ，其相 对动 弹模 量减 弱 到 5 0 ． 0 ％ 以下 ，此 组试 件 冻 融损 害 明 显 ，其次是 6号 、9号两 组试 件也 损害 较大 ，其 余 试件动 弹模量损失基本 控制 在 6 0 ％以 内。图 3中坝 体钻芯取样试件动 弹模量损 失 明显高 于拌 和楼出机 口的取样试件 ，可能是在 现场浇筑 、养护 条件变 化 较大 ，所 以其冻融循环损 害较为 明显 ，且 基本损 害 系数也略高于 出机 口的试 件 ，其 中图 3中试件 4号 组动 弹模量损失最大 ，下 降到 5 0 ％ 曲线以下。 图 4和图 5表示与 图 2和 图 3相对应 的质量损 失百分数 ，质量损失与动 弹模 量损失基本 一致 ，随 着冻融次数 的增 加 ，质量 损失 也呈增 大趋 势。图 4 是来 自出机 口取样后 的试 件 ，质 量损失最 大 的 7号 试 件 组 ，经 3 0 0次 冻 融 循 环 后 ，质 量 损 失 高 达 7 ． 5 ％左 右 ，已超 出设计 要 求 范 围。在 图 5中，质 量损失 明显 大 于 图 4中 的情 况 ，最 大 质 量损 失 达 8 ． 4 ％ ，坝体钻 芯 试 件 的 冻 融 质 量 损 失较 为 明显 ， 来 自混凝 土浇筑 现场 的影 响因素较多 ，比如振 捣不 均 、养护不及 时等 ，均 可影响坝体混凝 土 的抗 冻性 水利水电技术第4 1卷2 O 1 0年第 1 2期 唐天国， 等∥锦屏一级水电站拱坝混凝土抗冻性能试验分析 能。试验结果也显示 ，随着冻融 次数 的加 大 ，部 分 试件表层混凝土 出现疏松 、脱落 等现象 ，冻融损 害 较 为 明显 。 ＼ 辑 删 喀 图 5 坝体钻 芯试件冻融次数与质量损 失的关 系 4 结论 ( 1 ) 研究表 明，锦屏一级水 电站拱坝混凝 土浇筑 现场的取样试件测试效果较好 ，基本达到设计抗冻性 能要求 ，其相对动弹模量及质量损失率等数据 良好 。 ( 2 ) 根据取 样 的坝体 A区混凝土试件 的测 试分 析 ，其 中 3 0 0次冻融循环后最小相对动弹模量降低仅 1 9 ． 7 ％ ，而最小质量 损失仅为 1 ． 6 ％ ，其抗冻性能较 好 。但亦有个别试件 3 0 0次冻融循环后 ，抗冻性能下 降幅度较大 ，需控制好试件 总体 的抗冻性能。另外 ， 坝体现场取样试件的抗冻性能总体上略低于出机 口取 样的试件 ，主要因为坝体现场浇筑影响因素众多，环 境 变化 较为 复 杂所 致 。 参 考 文献 ： [ 1 ] O l s e n M P J ．Ma t h e m a t i c a l m o d e l i n g o f t h e f r e e z i n g p r o c e s s of c o n c r e t e a n d a g g r e g a t e s [ J ] ．C e me n t a n d C o n c r e t e R e s e a r c h， 1 9 8 4， 1 4 ( 1 ) ：1 1 3 — 1 2 2 ． [ 2 ] B a z a n t Z P ，C h e n J C，R o s e n b e r g A M， e t a 1 ．Ma t h e ma t i c a l mo d e l f o r f r e e z e — t h a w d u r a b i l i t y o f c o n c r e t e『 J ] ． J o u r n a l o f t h e A me ri c a n C e r a mi c S o c i e t y ，1 9 8 8 ， 7 1 ( 9 ) ： 7 6 6 — 7 8 3 ． [ 3 ] Z u b e r B，Ma c h a n d J ．P r e d i c t i n g t h e v o l u m e i n s t a b i l i t y of h y d r a t e d c e me n t s y s t e m s u p o n f r e e z i n g u s i n g p o r o — me c h a n i c s a n d l o c a l p h a s e e q u i l i b ri a [ J ] ．Ma t e ri a l s a n d s t r u c t u r e s ， 2 0 0 4， 3 7 ( 5 ) ： 2 5 7 — 2 7 0 ． [ 4 ] 段安 ，钱稼 茹 ．混凝 土冻融过程数值模拟与分析 [ J ] ．清华 大学 学报 ( 自然科学版 ) ， 2 0 0 9 ， 4 9 ( 9 ) ：9 — 1 3 ． [ 5 ] 刘艳霞 ，陈改新 ， 鲁 一晖 ．高频 振捣对混凝 土含气量 ＼抗冻性 和气泡参数 的影 响[ J ] ．水力发 电学报 ， 2 0 0 9 ， 2 8 ( 3 ) ： 1 0 6 — 1 1 1 ． [ 6 ] 肖前慧 ，牛荻涛 ， 朱 文凭 ．粉煤 灰引气混凝 土冻融循 环后性能 的试验研究 [ J ] ．武汉理工 大学学 报 ， 2 0 1 0， 3 2 ( 7 ) ： 3 5 — 3 8 ． ( 责 任编 辑陈小敏 ) 3 1 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m