高性能混凝土在曹娥江大闸工程中的应用研究

高性能混　水利水电技术第３８卷２００７年第８期　凝土在曹娥江大闸工程中的应用研究　颜国甫　，董福平　（１．浙江省水利水电建筑监理公司，浙江杭州　３１００２０；２．浙江省水利厅，浙江杭州　３１０００９）　

【关键词】高性能混凝土；应用研究；质量控制；　中图分类号：ＴＶ４３＋ＴＹ６７（２５５）　文献标识码：Ｂ　曹娥江大闸工程　

文章编号：１０００—０８６０（２００７）０８—００５３—０４　

１　曹娥江大闸工程概况及采用高性能混凝土　作性、技术先进、经济合理的高性能混凝土。　的必要性　２高性能混凝土配合比的研究与设计　１．１　工程概况　曹娥江大闸枢纽工程位于浙江省绍兴市，钱塘江　下游南岸主要支流曹娥江河口，是曹娥江流域综合规　划和钱塘江河口尖山河段整治规划中的关键性工程，　也是浙东引水工程的配水枢纽。枢纽工程由挡潮泄洪　闸、鱼道、堵坝、导流堤等组成。枢纽工程为Ｉ等工　程．主要建筑物挡潮泄洪闸、堵坝等为１级建筑物，　按１００年一遇洪水设计，３００年一遇洪水校核，设计　排涝流量为１１　０３０　ｍ　／ｓ，挡潮闸总净宽５６０　ｍ（２８　孔，每孔净宽２０　ｍ），工程总投资约为１２．８亿元，　属大（１）型水闸工程，列入国家重大水利基础设施项　目，被誉为中国河口第一大闸。　１．２采用高性能混凝土的必要性　曹娥江大闸枢纽工程规模大，建设周期长，质　量要求高，其设计寿命要求达到１００年；同时曹娥　江河口的潮汐为非正规半日潮，平均高潮位３．６　ｍ，　平均低潮位一２．０　ｍ，平均潮位０．７　ｍ。河口地表水　（高平潮）中ＳＯ　一离子含量为３９６．２７　ｍｇ／Ｌ，ＨＣＯ；　离子含量为１２６．７９　ｍｇ／Ｌ，对混凝土有弱～中等结　晶类硫酸盐型腐蚀性；河口地表水（低平潮）中　ＳＯ：一离子含量为４７７．９９　ｍ￣／ｇ，Ｈｏｏｆ离子含量为　１２３．２０　ｍ￣／ｇ，混凝土受到弱～中等结晶类硫酸盐　型腐蚀和弱～中等分解类碳酸盐型腐蚀；曹娥江河　口地表水中氯离子含量为３　０４２～３　１８１　ｍｇ／Ｌ，在干　湿交替条件下，曹娥江河口高平潮地表水、低平潮　地表水和右岸地下水对钢筋混凝土结构中钢筋均具　有中等腐蚀性。　为此，必须采用满足工程要求的高耐久性、高工　ＷａｔｅｒＲｅｓｏｕ￣ｅｓ　ａｎｄＨｙｄｒｏｐｏｗｅｒ　Ｅｎｇｉｎｅｅｆｉｔ￣Ｖｏｌ　３８Ｎｏ　８　２．１　高性能混凝土的研究　为了达到水泥基材料的高性能化，既能提高硬化　后的性能，又能提高浆体的流动性，获得水泥基材料　的密实填充结构，对在水泥中掺人不同粒径和粒度分　布矿物掺合料进行研究，以期达到水化加快、强度提　高、孔隙率降低、微观结构均匀，产生优良的力学性　能和耐久性能的要求。　经过对水泥、粉煤灰、硅粉和磨细矿粉等胶凝材　料的颗粒特征进行研究，比表面积分别为３４８．１　ｍ２／ｋｇ、　３８１．８　ｍ　／ｋｇ、７　９２７．７　ｍ　／ｋｇ、５６６．９　ｍ　／ｋｇ，中位径　分别为１２．０５　ｍ、１１．７７　ｍ、０．４４　ｍ、６．２３　ｍ，　水泥和粉煤灰细度较接近，硅粉最细，磨细矿渣细度　在硅粉和水泥、粉煤灰中间。　首先对二元胶凝材料体系进行研究，在固定总　胶凝材料用量、用水量和外加剂用量，通过对矿物　掺合料掺量变化，测定浆体的相对密实度，经过试　验，当掺量不大于６５％时，随着掺合料掺量的增　加，二元体系相对密实度增加，掺量相同时相对密　实度的增加程度以硅粉最大，粉煤灰次之，磨细矿　渣最小。　在单掺粉煤灰二元胶凝材料的基础上，增加磨细　矿渣，研究三元胶凝材料体系的相对密实度，经过试　验发现粉煤灰和矿渣掺人后，可进一步改善胶凝材料　颗粒级配，进一步提高密实率，在粉煤灰掺量相同的　条件下，粉煤灰和磨细矿渣总掺量为６０％时，相对　

收稿日期：２００７—０４—１１　作者简介：颜国甫（１９５４一），男，高级Ｉ二程师：　

维普资讯 http://www.cqvip.com 颜国甫，等∥高性能混凝土在曹娥江大闸工程中的应用研究　密实度最大，取粉煤灰和磨细矿渣总掺量为６０％，　控制用水量一定，研究相对密实度和流动度的关　系，经过试验，随着粉煤灰用量的增加，相对密实　度逐渐增大，但流动度先增加后减小，当粉煤灰掺　量在２０％时流动度最大，平均流动度达到２４６　ｍｍ　ｘ　２４６　ｍｍ。　在三元胶凝材料体系研究的基础上，增加硅粉，　以期进一步提高相对密实度，经过试验，掺加少量的　硅粉（掺量３％以内）时，相对密实度稍有增加，随着　掺量的增大，相对密实度反而降低。其主要原因是硅　粉比表面积较大，要求用水量增加，相应地增加了表　面吸附水的量，为满足工作性，势必要增加用水量，　引起浆体性能的下降。　２．２　高性能混凝土原材料设计　为了保证曹娥江大闸水工高性能混凝土质量，混　凝土原材料除满足国家标准和行业标准一般要求外，　还必须满足下列要求　（１）细骨料。　根据工程性质，选用颗粒坚硬、强度高、耐风　化、清洁的天然砂；要求细骨料中氯离子含量不得大　于０．０３％；含泥量应小于２％；泥块含量为０；坚固　性硫酸钠溶液法５次循环后质量损失应小于８％；细度　模数在２．３～２．９之间；表观密度大于２　５００　ｋｇ／ｍ　；积　密度大于１　３５０　ｋｇ／ｍ　；孔隙率小于４７％。　（２）粗骨料。　采用人工碎石，要求含泥量低于０．５％；泥块　含量为０；针片状含量不超过１０％；硫酸盐、硫　化物含量（以ＳＯ　质量计）小于０．５％；粗骨料中　氯离子含量（以重量百分比计）不得大于０．０３％；　坚固性硫酸钠溶液法５次循环后质量损失应小于　８％；表观密度大于２　５００　ｋｇ／ＩＴＩ　；积密度大于　１　３５０　ｋｇ／ｍ　；孔隙率小于４７％；岩石抗压强度与　混凝土强度等级比不小于２；吸水率≤２．５％；压　碎值指标小于２０％。　（３）水泥。　要求不得使用立窑水泥且Ｃ　Ａ含量控制在６％～　１２％；总碱含量控制在１％以内；氯离子含量（以重　量百分比计）不得大于０．０３％。　（４）粉煤灰。　要求采用低钙灰且ＣａＯ含量小于１０％；三氧化　硫含量不大于３％；粉煤灰烧失量不大于８％；需水　量比不大于１０５％。　（５）磨细矿渣粉。　根据试验分析，要求矿渣粉的比表面积＞１４２０　Ｈ１２／ｋｇ、　２８　ｄ活性指数≥１０５％、烧失量不大于６％。　（６）硅粉。　要求比表面积≥１５　０００　ｍ　／ｋｇ、Ｓｉ０：含量不小于　８５％、烧失量不大于６％。　（７）二水石膏。　必须是Ｇ类产品且ＣａＳＯ　・２Ｈ：０含量在９５％以　上。　（８）外加剂。　采用南京水利科学研究院某高新技术公司生产的　ＨＬＣ—ＮＡＦ２（Ｂ）高效泵送剂，其坍落度增加值≥１００　ｍｍ；常压泌水率比≤９０％；含气量≤４．５％。　（９）水。　要求水中不能含有影响水泥正常凝结与硬化　的有害杂质及油脂、游离酸类、碱、盐、有机物　或其他有害物质；不得采用工业或生活污水；不　得采用ｐＨ值小于５的酸性水；不得采用硫酸盐含　量（按ｓ０ｊ一计）超过２　０００　ＩＴＩｇ／Ｌ和氯离子含量大　于２００　ｍｇ／Ｌ的水。　２．３配合比设计　（１）水胶比。　高性能混凝土水胶比主要要求满足抗碳化要求与　强度要求，由于碳化所产生对混凝土劣化的外力，主　要与水灰比有关，不超过容许劣化状态的水灰比，根　

据下式确定：　≤　＋３８．３。　ａ４ｔ　

本工程中最小保护层厚度ｃ为４．５　ｃｍ，　取１．７，　ｔ为本工程使用寿命设计要求１００年，经计算　≤３９．８，即水胶比要求小于０．３９８。根据高性能混　凝土２８　ｄ强度计算，Ｃ３０高性能混凝土所需水胶比　一般在０．４８～０．５３，因此采用该水胶比能满足混凝　土强度要求。　（２）胶凝材料总用量。　浆集比主要影响混凝土的工作性，也影响耐久　性，在一定程度上还影响强度、弹性模量和干缩率。　从耐久性角度来看，必须有足够的浆液浓度和数量，　得到良好的工作性，才能保证混凝土的耐久性，根据　国内外研究成果和工程实践，本工程中胶凝材料用量　取４００～４５０　ｋｇ／ＩＴＩ　，通过绝对体积法原理计算，本工　程总胶凝材料用量取４４０　ｋｇ／ＩＴＩ　。　（３）胶凝材料组合方案试验及研究。　根据本工程使用部位的不同，共设计４种组合方　案：粉煤灰和磨细矿渣共掺；粉煤灰、矿渣和硅粉共　掺；粉煤灰和硅粉共掺；大掺量磨细矿渣，４种配合　比组成情况如表１所列。　

水利水电技术第３８卷２００７年第８期　

维普资讯 http://www.cqvip.com 表１　胶凝材料组合方案　ｋｇ／ｍ　配合比　胶凝材料　二水　ＮＡＦ２　编号　组合方案　水泥　粉煤灰　矿渣　硅粉　砂　石　水　石膏　ｆＢ）／％　

Ｉ　Ａ　２１９　４４　１７５　●——　——　６９０　１　０３６　１５３．３　１．６　Ⅱ　Ｂ　１６２　８７　１７５　１３　——　６８９　１　０３５　１５３．０　１．８　Ⅲ　Ｃ　２８５　１３２　，——　２２　，——　６９２　１　０４０　１５３．７　２．４　Ⅳ　Ｄ　１５４　●——　２６９　——　１８　６９６　１　０４５　１５４．４　１．５　

通过对新拌混凝土性能、混凝土力学性能、碱　骨料反应、抗氯离子渗透、抗碳化、抗冻性、抗渗　透性、抗硫酸盐侵蚀、水工混凝土钢筋腐蚀快速试　验、混凝土干缩、抗拉性能、热学性能、施工性　能、力学和变形性能、耐久性的综合试验分析情况　如下。　Ｉ配合比：综合性能较差，尤其是抑制碱一骨料　反应、抗氯离子侵蚀相对较差。　Ⅱ配合比：抑制碱一骨料反应性能、抗硫酸盐侵　蚀性能最好，混凝土密实性和抗裂性能较好，钢筋锈　蚀率和质量损失很小。　Ⅲ配合比：虽然抗氯离子侵蚀、抗硫酸盐侵蚀和　抗钢筋腐蚀性能最好，但该混凝土因为硅粉掺量较　大，干燥收缩较大，对混凝土抗裂不利。　Ⅳ配合比：抗钢筋腐蚀性能最好，抗氯离子侵蚀　性能、抗硫酸盐侵蚀相对较好，且磨细矿碴取代　６０％以上的水泥，工程造价相对低廉。　综合本项目试验分析和国内外研究成果、工程实　践经验，确定Ⅱ配合比高性能混凝土用于上部泵送混　凝土施工部位，Ⅳ配合比高性能混凝土用于闸底板、　闸墩等车送混凝土施工部位。　

３高性能混凝土的应用与质量控制措施　高性能混凝土与普通混凝土在原材料、配合比以　及生产和施工工艺等方面大体相同，但在闸底板、闸　墩及上部结构大体积混凝土中应用，必须通过严格的　温控防裂措施来保证其性能质量要求。　３．１　闸底板的应用与温控防裂措施　经过施工前仿真计算预测研究的中间成果，闸底　板施工期无论是在早期（混凝土施工后的前３　ｄ），还　是在后期（混凝土施工后的１０　ｄ），表面和内部的最　大拉应力都发生在底板平面的中间部位，若有裂缝出　现，启裂点都应该从底板的中间部位出现，然后向上　下两端和内部（或外部）扩裂。由于闸底板建在软基　上，基础对底板混凝土几乎没有变形约束作用，所以　引起底板开裂的主要原因是混凝土的内外温差。为