蒲石河抽水蓄能电站上水库面板混凝土抗裂性试验研究.pdf

水 力 发 电 第 3 8 卷第5 期 2 0 1 2年5 月 蒲石河抽水蓄能电站上水库面板 混凝土抗裂性试验研究 冯 林 ，黄如卉 ，李艳 萍，景健伟 ，马智法 ，张喜武 ( 中水东北勘测设 计研 究有 限责任公 司，吉林长春1 3 0 0 2 1 ) 摘要 ：蒲石河抽水蓄能电站地处寒 冷地 区，堆石坝面板混凝土的防裂性能关系工程运行安全 和长期可靠性 。根据 混凝土裂缝产生的机理 ，从原材料优选和 配合 比设计角度开展研究工作 ，旨在降低裂缝产生 的几率 ，以及在产生裂 缝后有效阻止裂缝 的发展 。通过混凝土性能试验对比 ，得到了抗裂性能 良好的混凝 土配合 比。 关键词 ：面板混凝 土；混凝土配合 比；膨胀剂 ；聚丙烯纤维 ；蒲石河抽水蓄能电站 Ex p e r i me n t a l S t u d i e s o n Cr a c k i n g Re s i s t a n c e o f S l a b Co n c r e t e i n t h e Up p e r Re s e r v o i r o f P u s h i h e Pu m p e d - s t o r a g e P o we r S t a t i o n F e n g L i n ， Hu a n g Ru h u i ， L i Ya n p i n g ， J i n g J i a n we i ， Ma Z h i f a ， Z h a n g X i w u ( C h i n a Wa t e r N o r t h e a s t I n v e s t i g a t i o n ， D e s i g n a n d R e s e a r c h C o ， L t d ， C h a n g c h u n 1 3 0 0 2 1 ， J i l i n ， C h i n a ) Ab s t r a c t ：T h e P u s h i h e P u mp e d s t o r a g e P o we r S t a t i o n i s l o c a t e d i n c o l d r e g i o n o f C h i n a T h e c r a c k i n g r e s i s t a n c e o f s l a b c o n c r e t e o f r o c k fi l l d a m i n u p p e r r e s e r v o i r r e l a t e s c l o s e l y t o t h e s a f e o p e r a t i o n a n d r e l i a b i l i t y o f p r o j e c t T a k i n g i n t o a c c o u n t o f t h e c r a c k i n g me c h a n i s m，t h e e x p e r i me n t a l s t u d i e s o n c r a c k i n g r e s i s t a n c e o f s l a b c o n c r e t e a r e c o n d u c t e d f r o m t h e o p t i mu m s e l e c t i o n o f r a w ma t e ri a l s a n d t h e d e s i g n o f mi x p r o p o r t i o n S O a s t o mi n i mi z e t h e o c c u r r e n c e o f c r a c k i n g a n d p r e v e n t t h e f u r t h e r d e v e l o p me n t o f c r a c k s i f a n y B y c o mp a r i n g t h e t e s t s of c o n c r e t e p e r f o r ma n c e ，t h e c o n c r e t e mi x p r o p o r t i o n wi t h p e r f e c t c r a c k r e s i s t i b i l i t y i s fi n a l l y d e t e r mi n e d Ke y W o r d s ： da b c o n c r e t e ； mi x p r o p o rt i o n ； e x p a n s i v e a g e n t ； p o l y p r o p y l e n e f i b r e ； P u s h i h e P u mp e d - s t o r a g e P o w e r S t a t i o n 中图分类号 ： T U 5 2 8 5 7 ( 2 3 1 ) 文献标 识码 ： A 文章 编号 ： 0 5 5 9 9 3 4 2 ( 2 0 1 2 ) 0 5 0 0 2 4 一 O 4 近 年 来 ，南 方 一 些 水 利 水 电 工 程 开 始 应 用 混 凝 土膨 胀 剂作 为 防 裂抗 渗 材料 ，均取 得 了较 好 的抗 裂 效 果 这 是 由于南 方 气候 温 暖 潮湿 ，温差 变 化 幅度 小 ，后期 混 凝 土 内外 温 差 及 降温所 产 生 的冷 缩 对 混 凝 土 裂 缝 影 响 较 小 。 与 之 形 成 鲜 明 对 比 的 是 ，我 国 寒 区 已建 的 面板 堆石 坝 面 板基 本 上都 存 在着 较 严 重 裂缝 ，在 如此 恶 劣 的气 候 条 件下 ，仅仅 满 足面 板 混 凝 土 强 度 、抗 渗 、 抗 冻 指 标 是 远 远 不 够 的 ，必 须 结 合 混 凝土 的 变形 性 能 和力 学 性 能 ，研 究 一 种适 合 本 地 区 特 点 的新 型 面 板 防 裂 混 凝 土 。 根 据 混凝 土 裂 缝产 生 的 机理 ，从 原 材 料优 选 和 混 凝 土配 合 比设 计 方 面开 展 研 究工 作 ，降低 混凝 土 裂 缝 产 生 的 几 率 以及 在 产 生 裂 缝 后 有 效 阻 止 裂 缝 的 发 展 。 通 过 试 验 论 证 ，提 出 了 高 抗 拉 强 度 和 极 限拉 伸值 、低 收 缩 、高抗 裂 、耐久 性 好 的混 凝 土 配 合 比 圜W a t e r P o w e r V o 1 3 8 N o 5 1 面板混凝土抗裂性能试验 1 1 原材 料 采 用 抚 顺 水 泥 有 限 责 任 公 司 生 产 的 浑 河 牌 P MH4 2 5级 中热 硅 酸盐 水 泥 ；粉 煤 灰选 用 辽 宁 省 抚 顺 市能 港 实业 有 限公 司 生产 的 I级粉 煤 灰 ；细 骨 料 为 天 然 河 砂 、粗 骨 料 为 天 然 卵 石 ；外 加 剂 选 择 陶 正化 工( 上 海 )有 限公 司生 产 的羧 酸类 高 效 减水 剂 ( S R3超塑 化剂 )及 山西 凯迪 建材 有 限公 司生产 的萘 系高 效 减水 剂( KDNOF 一 1型 高效 减 水 剂 ) ；引气 剂 选 用 河 北 省 混 凝 土 外 加 剂 厂 生 产 的 DH。高 效 引 气 剂 ：膨 胀剂 选 用天 津豹 鸣 股份 有 限公 司生 产 的 U EA 收稿 日期 ：2 0 1 2 0 3 0 1 作者简 介：冯林 ( 1 9 6 2 一 ) ，男 ，吉林长 春人 ，高级 工程 师 ，主 要从事水 电工程设计工 作 帚j 奄 帚) 只fj， 1 ， 守 ： 用E E 1 ) u J 出 J 罾 再E吧 L 小 J 牛 旧J 似 比觥 L L 被 fi t - 吼 计 型 膨胀 剂 、北京 新 中州建 筑 材 料 有 限 责任 公 司 生产 的 HEA一1型 膨 胀 剂 、北 京 叶I 岩 特 种 丁 程 材 料 公 司 生 产 的 Z Y 型 膨 胀 剂 ： 聚 丙 烯 纤 维 采 用 美 国 格 雷 斯 公 司 生 产 的格 雷 斯 抗 裂 防渗 纤 维( 纤 维 长 度 1 9 mm、 掺 量 为 0 6 k g m ) 和 深 圳 市 维 特 耐 工 程 材 料 有 限 公 司 生 产 的 维 克 抗 裂 抗 渗 聚 丙 烯 纤 维( 纤 维 长 度1 9 mi l l 、 掺 量 0 6 k m ) 。 1 2混凝 土 配合 比设计 补偿 收缩 混 凝土在 满 足设计 要求 的强度 、抗 冻 、 抗 渗等 级 的前提 下 ，必须 达 到 工 程要 求 的限 制膨 胀 率的范围。通过混凝土配合 比参数设计和试 拌试验 ，确 定了满足面板混凝土技术要求( 设计指标 C3 0 W1 0 F 3 0 0 ) 的 基 准 配 合 比 水 胶 比 为0 3 1 ， 粉 煤 灰 掺 量 为 2 5 ，砂 牢 为 3 5 ，小 石( 5 2 0 mm)： 中石( 2 0 4 0 I l l m) 的 级 配 比 例 为 4 0： 6 0， 刚 水 量 为1 0 9 k g m 。 C3 0混 凝 土 的 配 制 强 度 为 3 7 4 MP a 。 1 3力学 -陛能 混 凝 土 力 学 性 能 试 验 成 果 见 表 1 。 从 表 1可 以 看 出 ，3种 膨 胀 剂 混 凝 土 抗 压 强 度 基 本 无 差 异 。 采 用 聚 羧 酸 系 S R3外 加 剂 的 混 凝 土 抗 压 强 度 高 于 KDN0F 一 1外 加 剂 混 凝 土 的 抗 压 强 度 ：聚 丙 烯 纤 维 混 凝 土 抗 压 强 度 与 不 掺 纤 维 混 凝 土 抗 压 强 度 基 本 相 同 ， 没有 冈为 聚丙烯 纤 维 的掺 入而降低 混凝 土抗 压 强度 。 掺 入 国产 纤 维 的混 凝 土 弹性 模 量 低 于不 掺 纤 维 的混 凝 土 弹 性 模 量 。 采 用 萘 系 KDNOF 一1外 加 剂 配 制 的 混 凝 土 抗 挣 强 度 和 极 限 拉 伸 值 明 显 低 _丁 聚 羧 酸 系 S R3外 加 剂 配 制 的 混 凝 土 抗 拉 强 度 和 极 限 拉 伸 值 。 2 8 d龄 期 时 ，采 用 S R3外 加 剂 配 制 的混 凝 土 单 掺 膨 胀 剂 时 混 凝 土 极 限 拉 伸 值 比 基 准 混 凝 土 增 长 了 1 0 1 3 ，复掺纤 维后 混凝 土极 限拉 伸值 增 长 1 5 1 4早期 抗裂 性能 混 凝 土 的 收 缩 主 要 产 生 在 初 期 ，前 1 4 d的 收 缩 超 过 前 9 0 d的 5 0 ，所 以 控 制 混 凝 土 初 期 收 缩 是 控 制 裂 缝 的 关 键 。 混 凝 土 的 裂 缝 分 为 微 观 裂 缝 与 宏 观 裂 缝 ， 本 次 试 验 的 裂 缝 测 试 以 肉 眼 可 见 裂 缝 为 准 ， 裂 缝 条 数 划 分 以 裂 缝 不 连 续 逐 条 编 序 进 行 测 试 ， 以 折 线 长 度 之 和 代 表 裂 缝 长 度 ， 裂 缝 宽 度 是 指 该 条 裂 缝 宽 度 的最 大 值 。混 凝 土 早 期抗 裂 性 能采 用 平 板法 进 行 试 验 目 的 是 通 过 混 凝 土 大 板 干 缩 试 验 对 比不 同 抗 裂 材 料 对 混 凝 土 早 期 收 缩 裂 缝 的 抑 制 效 果 ，其 试 验 成 果 见 表 2 。 从 表 2可 以 看 出 ， 聚 丙 烯 纤 维 与 膨 胀 剂 复掺 的混 凝 土早 期 抗 裂效 果 明显 比单 掺膨 胀 剂 的 要 好 。 聚 丙 烯 纤 维 与 膨 胀 剂 复 掺 的 混 凝 土 早 期 裂 缝 最 大 宽 度 仅 为 0 0 8 mm， 最 大 长 度 为 6 6 c m， 裂 缝 总 条 数 为 3 0条 左 右 ， 且 多 数 裂 缝 宽 度 10 7 ；二级 限裂 7 1 0 5 57 0 7 ；三级限 裂 O 4 0 7 05 5。 表 3 混凝土抗渗试验 结果 试验编号 渗水高度 m m 相对渗透系数 m h 渗水高度降低 率 剂 与聚丙 烯纤 维复 掺可 改善混 凝 土的抗渗 透能 力 。 2 补偿收缩混凝土限制膨胀率的确定 补 偿 收缩 作 用 的大 小 主要 取 决 于混 凝 土 的膨 胀 能 大 小 和 限 制 程 度( 在 钢 筋 混 凝 土 中 即 配 筋 率 的 大 小 ) 。膨胀 剂在 多种水 化过程 中产生 的膨胀 能 ，导致 混 凝 土 的 体 积 膨 胀 。 只 有 在 配 筋 限 制 下 的 膨 胀 才 能 够 起到 补偿 收 缩 和产 生 自应 力 的作 用 ，这 部 分膨 胀 能 叫做 有 效 膨胀 能 ，国 内外都 是 采 用混 凝 土 限制 膨胀 率( 即钢筋 伸长 率 )e衡 量 有效 膨胀 率 。所 以 ， e的选 定 是 补 偿 收 缩 昆凝 土 设 计 中 的关 键 。 2 1 影响 混凝 土限 制膨胀 率 的主要 因素 在 水胶 比相 同情 况 下 ，使 用 不 同 品种膨 胀 剂 拌 制 的补偿 收 缩混凝 土膨 胀率 略有 差别 。豹鸣 UE A膨 胀 剂 只 有 在 掺 量 为 1 2 时 才 能 与 掺 量 为 8 的 中 岩 Z Y、 新 中 州 HE A一1混 凝 土 限 制 膨 胀 率 值 相 当 ， 说 明 膨 胀 剂 的 矿 物 组 份 对 混 凝 土 的膨 胀 效 果 影 响 很 大 。 当 条 件 相 同 时 国 产 维 克 纤 维 混 凝 土 限 制 膨 胀 率高 于 进 口格 雷斯 纤 维混 凝 土 的 限制 膨胀 率 ，混 凝 土 限制干缩 率维 克纤 维低 于格 雷斯纤维 。 2 2混凝 土 限制膨胀 率 的确 定 混 凝 土 限制 膨 胀 率能 否 补偿 限制 收缩 而使 结 构 不产 生 有害 裂 缝 ，取 决 于补 偿 收缩 后 混凝 土 的 最终 变形 D不 大于其 极 限拉伸值 s 的条件 下 ，确定 混凝 土 的限制 膨胀 率 e的合 理范 围 。 混 凝 土 限 制 干 缩 率 S 为 空 气 中养 护 2 8 d龄期 的 限 制 干 缩 率 ；混 凝 土 冷 缩 率 S 值 取 决 于 施 工 时 段 混凝 土 的实 际 浇 筑 温度 、水化 热 温升 和 当地 月 平 均 要Wm e r P o m e r V o t 3 8N o 5 最低 温 度 。 同时 ，还 应考 虑 表 面潮 湿保 温 养 护 和表 面不 问 断洒 水 养 护 2种 条 件 下 混凝 土 的 表 面温 度 并 根 据 公 式 S T = 即 可 计 算 出 混 凝 土 温 差 收 缩 值 。 式 中 ， 为 混 凝 土 各 龄 期 内 外 温 差 之 最 大值 ；混 凝 土线 膨胀 系数 为 6 5 ( 1 0 o C) 当混 凝 土表 面 采用 草帘 保 温 时 ， 为 混凝 土 中心 与 表 面温 差 ；混凝 土 表 面不 问 断洒 水 养护 时 ， 、 为混凝 土 中心 与环 境 温差( 亦 即 中心 与表 面 温差 ) 混 凝 土极 限 拉伸 值 S K = 实 际极 限拉 伸值 ( 1 + 0 7 ) ( 因 徐 变 产生 的应力 松 弛 系数 取 0 7 ) 。混 凝 土 的 限制膨 胀 率 计算 结 果 详 见 表 4。从 表 4可 知 ，除 基 准混 凝 土外 ，单 掺 或复 掺膨 胀 剂 或纤 维 的混 凝 土满 足 限制 膨胀率 的 e合理 范 围要 求 。 表 4 混凝土的限制膨胀率范围 2 8 d水 2 8 d空 保 试验中限制 气 中限 温 编号膨胀率制干缩 措 限值膨胀率范围 1 0 算法 1 算法 2 1 0 _ 4 率 1 0 - 4施 ( r ) ： r，中 心 一 T大 气 _柚( 下 ) = 中 心 一 T表 3 混凝土自生体积变形 混 凝 土 自生 体 积 变 形 试 验 曲 线 见 图 1 。 从 图 1 可 以看 出 。由于掺 人 了 膨胀 剂 混 凝 土 的 自生 体积 变 形 均表 现 为 膨 胀 ，峰值 出现 在 第 1 d，5 0 d后 自 生 体积 降低 幅度趋 缓 ，9 0 d后 自生体 积 变形 值 趋 于 稳 定 。因 此 ，应 加强 混凝 土 的早 期 潮 湿 养护 ，以利 于 混凝土 的膨胀 效能 的发挥 。掺 入一 定量 的膨胀 剂 、 聚 丙烯 纤 维均 可 不 同程 度 地减 少 混凝 土 自生体 积 收 缩 ，对 提高混凝 土 的抗裂性 具 有重要 的意 义 。 4 结语 ( 1 )混 凝 土 中复 掺 聚丙 烯 纤维 和膨 胀剂 可 以有 2 制 蛙 皿 龄 期 d 图 1 混凝土 自生体积变形试验 效 地 减 少混 凝 土 的泌水 ，改 善混 凝 土 的 和 易性 ，特 别 对 防 止混 凝 土 早期 裂缝 ，提 高混 凝 土 耐久 性 、抗 裂 性 和 抗 冲 耐 磨 性 具 有 明 显作 用 。 ( 2 ) 国 产 聚 丙 烯 纤 维 与 膨 胀 剂 复 掺 可 以 有 效 提 高混 凝 土 的极 限 拉 伸值 ，降 低 弹性 模 量 ，补偿 混 凝 土 收 缩 减 少 混 凝 土 干 缩 变 形 和 线 膨 胀 系 数 ，增 加 其 适 应 变 形 的 能 力 ，使 混 凝 土 具 有 不 裂 或 少 裂 ， 且 ( 上 接 第3页)行 必要 的奖罚 。促 使 监理 监理 人 员 现 场 能够 真正 履行 职 责。 4 蒲石河抽水蓄能电站在东北电网中的作用 辽 宁 地 处 东 北 电 网 的 南 部 供 电 范 同 内 。是 东 北 电 网 的 主 要 用 电 负 荷 中 心 地 ，其 用 电 量 约 为 东 北 电 网 发 电量 的 一 半 ， 负 倚 需 求 约 占整 个 电 网 发 电 负 荷 的 5 0 以 上 。 在 电 网 负 荷 巾 心 地 区 建 设 抽 水 蓄 能 电 站 是 解 决 电 网 调 峰 问 题 的 最 有 效 途 径 。 蒲 石 河 抽 水 蓄 能 电 站 地 处 辽 宁 省 东 南 部 ， 电 站 建 成 后 作 为 东 北 电 网 的 主 力 调 峰 电 源 之 一 ，主 要 担 负 系统 的调峰 、填 、调 频 和 紧急事故 备 用等 任 务 。 对 缓 解 东北 电 网( 特别 是 南 部地 电 网 )的调 峰 矛 盾 ， 满 足 电 网 快 速 跟 踪 负 荷 的 要 求 ， 东 北 电 网 电 源 结 构 优 化 、电 网运行 安 全 性 、稳 定 性 及 经济 性 的 提 高 将 起 到 重 要 作 用 。 通 过 与 火 电 调 峰 方 案 相 比 较 ， 建 设 蒲 石 河 抽 水 蓄 能 电 站 可节 约 电源 投 资 约 1 5亿 元 每 年 可 减 少运 行 维 护 费 约 】 1亿 元 ，并 具 有 一 定 的环 保效 益 、经济 效益 与社 会效 益 。 随着 国家 电 力 体 制 的 深 化 改 革 及“ 厂 网 分 开 、 可 在 裂缝 产 生 以后 阻 止 裂缝 发 展 ，闭合 裂 隙 。这两 项 技术 措 施 有效 地 改 善 了地 处 寒 冷地 区蒲 石河 抽水 蓄 能 电 站 面 板 抗 裂 性 能 。 ( 3 )考虑 到 补偿 收缩 混凝 土 的最优 选 择 应 是膨 胀 落 差小 、极 限拉 伸 值 大及 抽 水 蓄能 电站具 有 水位 变 化频 繁 、面板 反 复 受力 的特 点 ，推 荐 的混 凝 土配 合 比见 表 5。 ( 4) 面 板 施 工 质 量 的 好 坏 是 面 板 堆 石 坝 成 败 的 关键 ，施 工 时应严 格控 制 面板混 凝土 浇注 的连续 性 、 均 匀 性 振 捣 应 密 实 。 同 时 ， 还 要 做 好 混 凝 土 的 保 温 保 湿 养 护 工 作 ， 混 凝 土 的 膨 胀 主 要 发 生 在 前 期 ， 建 议 现 场 埋 设 能 够 监 测 到 面 板 早 期 膨 胀 变 形 的光 纤 应 变计 。 参考文献 ： 1 2 黄 承逵 纤维混凝 土结构 M 北京 ：机械 I _ 业 出版社 ，2 0 0 4 董 芸，杨华金 水布垭工程面板混凝土抗裂性试验研究 f J 人 民长 江 ，2 0 0 7 ( 7) ： 1 1 5 1 2 6 ( 责 任编辑杨健 ) 同 网 同价 、优 质 优 价 ”政 策 的实 施 ，社 会 对 电 网的 供 电要 求愈 来 愈 高 。蒲 石河 抽 水 蓄能 电站 建设 对 调 整 系统 电 源结 构 ，优 化 电源 配 置 ，提 高 供 电质 量 ， 保 障 电 网安 全 运行 ，促 进东 北 地 区经 济 发 展具 有 重 要作 用 。 5 结语 蒲 石 河 抽 水 蓄 能 电 站 主 体 工 程 的 地 下 厂 房 及 输 水 系 统 于 2 0 0 6年 8月 开 工 ，上 水 库 及 下 水 库 库 坝 工 程 于 2 0 0 7年 1月 开 工 。 在 蒲 蓄 公 司和 电 站 建 设 者 共 同努 力下 ，2 0 1 1年 底第 一 台 机组 顺利 投 产发 电 剩 余 3 机 组将 于 2 0 1 2年底前 陆续投 产发 电。 年 大 计 ，质 量 第 一 ，在 丁 程 建 设 中无 处 不 体 现 质 量 的 重 要 。 辽 宁 蒲 石 河 抽 水 蓄 能 有 限 公 司 加强 领 导 ，严 把 质 量 关 ，充分 调 动 所有 参 建单 位 的 积 极 性 ，全 员 树 立 质 量 第 一 的 思 想 ，并 建 立 全 方 位 全过 程 强化 质 量 管 理 的常 态机 制 ，保 证 了工程 建 设 质 量 ，为实 现 绿 色环 保 精 品T 程 的 目标 奠 定 了 良好 基 础 。 ( 责任编 辑焦 雪梅 ) W e Lt e r P o w e r V o 1 3 8 N o 5团