招徕河薄拱坝碾压混凝土配合比设计研究.docx
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招徕河薄拱坝碾压混凝土配合比设计研究
招徕河薄拱坝碾压混凝土配合比设计研究
摘要：
招徕河碾压混凝土拱坝是目前在建的最高碾压混凝土双曲薄拱坝。
工程拟使用当地机立窑水泥厂生产的普通硅酸盐水泥配制碾压混凝土。
本文简要介绍工程使用的原材料的品质、碾压混凝土配合比及其特性。
针对该工程原材料的具体情况，提出了工程施工应采取的措施。
关键词：
碾压混凝土双曲拱坝配合比
1前言
招徕河水利水电工程位于湖北省长阳县清江左岸支流招徕河上。
工程坝址距下游长阳县城155km。
水库库容0.7亿m3，电站装机容量36MW，属三等工程。
主要建筑物有碾压混凝土双曲拱坝、发电引水系统、地面式厂房、变电站、尾水渠、进厂及上坝公路等。
碾压混凝土双曲拱坝最大坝高107m，坝顶宽6m，坝底宽18.5m，厚高比0.173。
采用坝身泄洪，泄洪建筑物为坝身设置三个表孔，左右两个表孔堰项高程292.5m，中间表孔堰顶高程291.5m。
堰顶净宽均为12m，上下游均悬挑于坝身之外，出口采用挑流消能。
坝体混凝土总量约20.5万m3，其中碾压混凝土15.32万m3，约占坝体混凝土总方量的75%，另有变态混凝土1.31万m3。
2试验研究所用原材料及其品质
经会同业主、工程设计单位一起对工程所在地附近原材料进行考察和初选，试验研究使用如下原材料：
2.1水泥
试验研究使用的水泥包括：
长阳县磨石镇高坝洲水泥有限责任公司生产的高坝州牌42.5MPa级、32.5MPa级的普通硅酸盐水泥；宜都市丰源水泥有限公司生产的花城牌32.5MPa级的普通硅酸盐水泥；荆门市葛洲坝水泥厂生产的三峡牌525号中热硅酸盐水泥。
经检验，水泥各项物理性能及技术性能指标测试结果列于表1中。
高坝洲牌水泥的化学成分列于表2。
部分水泥的水化热测试结果列于表3中。
检测结果表明，几种水泥均符合现行国家标准，可用于配制工程使用的混凝土。
2.2粉煤灰
距坝址最近的粉煤灰料源是枝江市湖北化肥厂。
试验研究使用其第二静电电场粉煤灰，经检测其化学成分及物理性能指标如表4所示。
不同粉煤灰掺量情况下水泥胶砂强度和胶凝材料水化热测试结果列于表5及表6中。
测试结果表明，该粉煤灰颗粒较细，形貌较好（见扫描电子显微镜照片1～4），SO3含量低，强度比大，水化热较低，除了需水量比为105％未达到Ⅰ级粉煤灰指标要求外，其他各项指标都达到Ⅰ级粉煤灰指标要求。
该粉煤灰属于品质较好的Ⅱ级粉煤灰，若将第三静电电场粉煤灰也一起使用，则质量会更好。
用其作为招徕河工程碾压混凝土的掺合料是合适的。
表1水泥物理、技术性能指标检测结果
水泥厂家
水泥名称强度等级
密度
（g/cm3）
标准稠度需水量
（%）
细度（80μm）筛余（%）
安定性
凝结时间
（h:
min）
胶砂强度（MPa）
抗折
抗压
初凝
终凝
3d
28d
3d
28d
高
坝
洲
普硅42.5MPa
3.09
23
4
合格
4:
10
5:
40
3.40
8.00
18.7
44.6
普硅32.5MPa
3.06
24
4
合格
4:
28
6:
23
2.97
7.77
16.5
42.1
丰源
普硅32.5MPa
2.96
26
4.4
合格
3:
33
5:
18
2.92
7.48
16.0
37.6
葛洲坝
中热硅酸盐
525号
3.14
23
1.2
合格
4:
02
5:
42
3.73
4.30
8.54
8.13
20.6
20.9
56.1
55.9
表2高坝洲牌普通硅酸盐水泥的化学成分检测结果（％）
化学成分
SiO2
Fe2O3
Al2O3
TiO2
CaO
MgO
SO3
K2O
Na2O
I.L
42.5MPa
22.48
3.33
5.77
0.23
58.31
3.28
2.15
4.93
2.42
-2.94
32.5MPa
22.95
3.04
6.14
0.23
57.47
4.10
2.22
3.98
1.70
-1.89
表3水泥的水化热测试结果
水泥来源及品种
水化热（J/g）
1d
3d
5d
7d
葛洲坝中热525号
111.5
204.3
231.4
245.2
高坝洲32.5MPa
117.5
188.2
229.0
238.9
表4粉煤灰化学成分及品质指标检测结果
粉煤灰来源
密度（g/cm3）
45μm筛筛余（%）
需水量比（%）
化学成分（%）
抗压强度比（%）
SiO2
Fe2O3
Al2O3
TiO2
CaO
MgO
SO3
K2O
Na2O
I.L
湖北
化肥厂
2.15
10.4
105
56.03
3.65
24.85
1.17
4.10
1.31
0.52
5.38
2.69
0.27
180
表5不同粉煤灰掺量时水泥胶砂强度
粉煤灰掺量
（%）
抗压强度（MPa）
抗折强度（MPa）
9d
28d
9d
28d
0
21.0
31.3
4.65
7.61
20
18.0
31.6
5.12
8.02
40
15.4
28.6
3.78
7.57
50
13.3
27.1
3.59
6.44
60
11.0
23.9
2.68
6.19
表6不同粉煤灰掺量时胶凝材料水化热测定结果
水化热
（J/g）
龄期（d）
粉煤灰掺量（%）
0
20
40
50
60
1
117.5
91.2
72.6
69.0
66.4
3
188.2
157.1
128.8
120.6
105.3
5
229.0
188.9
140.8
132.1
118.2
7
238.9
199.0
151.3
140.0
126.6
照片1照片2
照片3照片4
2.3人工砂
由于开展试验研究时工程尚未正式开工，所用人工砂由灰岩经小型制砂机械轧制。
试验前经筛除5mm以上颗粒。
经测试，其部分物理性能指标见表7。
表7人工砂部分物理性能指标测试结果
密度
（g/cm3）
松散表观密度
（kg/L）
细粉含量
（%）
细度
模数
不同尺寸（mm）孔径筛累计筛余（％）
5.0
2.5
1.25
0.63
0.315
0.16
＜0.16
2.73
1.41
10.9
3.15
0.6
31.7
47.2
66.5
81.2
89.1
100
2.4碎石
试验研究所用粗骨料由灰岩经小型轧石机械加工而成。
试验前经严格过筛获得5～20mm、20～40mm、40～80mm三级。
经测试，其部分物理性能指标见表8。
表8碎石粗骨料部分物理性能指标测试结果
密度（g/cm3）
松散表观密度（kg/m3）
振实表现密度（kg/m3）
压碎指标（%）
5～20mm
20～40mm
5～20mm
20～40mm
5～20mm
20～40mm
2.73
2.73
1460
1380
1740
1680
8.89
续表8
大、中、小石所占比例不同情况下振实表观密度（kg/m3）
0:
30:
70
0:
40:
60
0:
50:
50
0:
60:
40
0:
70:
30
30:
40:
30
40:
40:
20
40:
30:
30
50:
30:
20
1780
1900
1780
1800
1780
1730
1720
1770
1780
2.5外加剂
试验研究使用FDN—5、YB—5缓凝高效减水剂、ZB—1G引气剂和WHDF增强密实（抗裂）剂。
3混凝土配合比设计研究
3.1坝体混凝土配合比设计
（1）拱坝基础垫层C20常态混凝土
该混凝土设计龄期90d，强度保证率85％，三级配。
设计要求坍落度50～70mm，绝热温升小于22℃，90d龄期抗渗等级W8，抗冻等级F150，配制强度取为25MPa。
经配合比优选，确定配合比如表9所列。
其主要技术性能指标见表10。
表9拱坝基础垫层常态混凝土配合比
配合比
编号
粉煤灰掺量（%）
水胶比
砂率（%）
每m3混凝土中各种材料用量（㎏/m3）
C
F
W
S
G大
G中
G小
FDN—5
DF
ZB—1G
4—2
40
0.50
35
145
96
120
707
525
393
393
0.96
2.41
0.029
表10混凝土部分主要技术性能指标测试结果
配合比
编号
坍落度
（mm）
表观密度
（kg/m3）
抗压强度（MPa）
劈拉强度（MPa）
凝结时间（h:
min）
7d
28d
90d
7d
28d
90d
初凝
终凝
4—2
60
2380
9.3
18.7
28.3
0.78
1.74
2.87
23：
36
33：
48
续表10
28d干缩率（n×10—6）
90d渗透系数（cm/s）
90d极限拉伸
（n×10—6）
90d弹模（GPa）
90d轴拉强度（MPa）
90d
弹强比
绝热温升（℃）
压
拉
7d
14d
28d
∞
-333
7.75×10－10
114
23.542
35.970
1.93
832
16.0
18.1
19.4
20.9
（2）拱坝上游面C20防渗碾压混凝土
该混凝土设计龄期90d，强度保证率85％，二级配。
设计要求混凝土绝热温升小于20℃，90d龄期抗渗等级W8，抗冻等级F150，90d龄期抗压强度大于25MPa，抗拉强度大于2MPa。
经配合比优选，确定配合比如表11，其主要技术性能指标见表12。
表11拱坝上游面防渗碾压混凝土配合比
配合比
编号
粉煤灰掺量（%）
水胶比
砂率（%）
每m3混凝土中各种材料用量（㎏/m3）
C
F
W
S
G大
G中
G小
FDN—5
DF
ZB—1G
11—3
45
0.39
38
126
103
90
807
0
527
790
0.92
2.29
0.055
表12碾压混凝土部分主要技术性能指标测试结果
配合比
编号
VC值
（s）
表观密度
（kg/m3）
抗压强度（MPa）
劈拉强度（MPa）
凝结时间（h:
min）
7d
28d
90d
7d
28d
90d
初凝
终凝
11—3
6
2430
10.9
18.9
29.2
0.75
1.66
2.77
18：
37
34：
09
续表12
28d干缩率
（n×10—6）
90d渗透系数（cm/s）
90d极限拉伸
（n×10—6）
90d弹模（GPa）
90d
轴拉强度
（MPa）
90d
弹强比
绝热温升（℃）
压
拉
7d
14d
28d
∞
-224
1.61×10—10
90.5
29.221
39.461
2.64
1001
14.2
15.8
17.1
18.8
（3）拱坝内部C20碾压混凝土
该混凝土设计龄期90d，强度保证率85％，三级配。
设计要求混凝土绝热温升小于19℃，90d龄期抗渗等级W6，抗冻等级F100，配制强度取为25MPa。
经配合比优选，确定配合比如表13，其主要技术性能指标见表14。
表13拱坝内部碾压混凝土配合比
配合比编号
粉煤灰掺量（%）
水胶比
砂率（%）
每m3混凝土中各种材料用量（㎏/m3）
C
F
W
S
G大
G中
G小
FDN—5
DF
ZB—1G
10—3
60
0.40
34
84
126
84
725
414
552
414
0.84
2.10
0.050
表14碾压混凝土部分主要技术性能指标测试结果
配合比
编号
VC值
（s）
表观密度
（kg/m3）
抗压强度（MPa）
劈拉强度（MPa）
凝结时间（h:
min）
7d
28d
90d
7d
28d
90d
初凝
终凝
10—3
4
2400
6.3
14.5
24.9
0.46
1.28
2.55
22：
18
43：
28
续表14
28d干缩率
（n×10—6）
90d渗透系数（cm/s）
90d极限拉伸（n×10—6）
90d弹模（GPa）
90d
轴拉强度（MPa）
90d
弹强比
绝热温升（℃）
压
拉
7d
14d
28d
∞
—320
2.90×10—10
80.7
32.298
38.502
2.44
1297
7.7
9.2
10.1
11.3
3.2不同厂家水泥、不同减水剂对比试验
（1）不同厂家水泥对比试验
为了比较不同厂家所生产的水泥配制的混凝土性能的差异，也为招徕河水电工程选择主要水泥供应厂家和备用厂家提供依据，用不同厂家生产的水泥进行混凝土比较试验，设计了如表15所列的三个混凝土配合比。
其部分技术性能测试结果列于表16中。
表15不同厂家水泥配制的碾压混凝土配合比
配合比编号
粉煤灰掺量（%）
水胶比
砂率（%）
每m3混凝土中各种材料用量（㎏/m3）
C
F
W
S
G大
G中
G小
FDN—5
DF
ZB—1G
12—1
60
0.40
34
84
126
84
725
414
552
414
0.84
2.10
0.050
12—2
60
0.42
34
84
126
89
727
415
553
415
0.84
2.10
0.050
12—3
65
0.40
34
77
142
88
721
412
549
412
0.88
2.19
0.053
注：
12—1、12—2、12—3分别使用高坝洲32.5MPa、丰源32.5MPa和葛洲坝中热525号水泥。
表16混凝土部分主要技术性能指标测试结果
配合比
编号
VC值（s）
表观密度（kg/m3）
抗压强度（MPa）
劈拉强度（MPa）
凝结时间（h:
min）
7d
28d
90d
7d
28d
90d
初凝
终凝
12—1
4
2400
6.3
14.5
24.9
0.46
1.28
2.55
22：
18
43：
28
12—2
5
2410
7.6
18.0
23.9
0.54
1.63
2.71
/
/
12—3
5
2400
9.2
19.5
26.5
0.67
1.63
2.89
14：
30
26：
40
（2）不同外加剂掺入效果试验
试验研究对两种缓凝高效减水剂进行了混凝土性能比较试验，试验结果见表17。
表17掺不同外加剂配制的碾压混凝土配合比及部分技术性能指标测试结果
配合比编号
粉煤灰掺量（%）
水胶比
砂率（%）
每m3混凝土中各种材料用量（㎏/m3）
C
F
W
S
G大
G中
G小
FDN—5
（YB—5）
DF
ZB—1G
13—1
60
0.40
34
84
126
84
725
414
552
414
0.84
2.10
0.050
13—2
60
0.42
34
81
122
81
739
422
562
422
（1.52）
2.03
0.049
续表17
配合比
编号
VC值
（s）
表观密度（kg/m3）
抗压强度（MPa）
劈拉强度（MPa）
凝结时间（h:
min）
7d
28d
90d
7d
28d
90d
初凝
终凝
13—1
4
2400
6.3
14.5
24.9
0.46
1.28
2.55
22：
18
43：
28
13—2
4
2430
4.8
14.1
25.9
0.28
1.24
2.93
＞50：
00
＞60：
00
3.3结果分析
表10的试验结果表明，4—2配合比混凝土90d龄期抗压强度达28.3MPa、轴拉强度为1.93MPa、绝热温升仅20.9℃、相对渗透系数为7.75×10—10cm/s、极限拉伸值114×10—6，预计抗冻等级可满足设计要求，混凝土拌和物初凝时间长达23h，用其作为拱坝基础垫层混凝土是可行的。
表12的试验结果表明，11—3配合比混凝土90d龄期抗压强度达29.2MPa、轴拉强度为2.64MPa、绝热温升仅18.8℃、相对渗透系数为1.61×10—10cm/s、极限拉伸值90.5×10—6，预计抗冻等级可满足设计要求，混凝土拌和物初凝时间长达18h，用其作为拱坝上游面防渗层混凝土是可行的。
表13的试验结果表明，10—3配合比混凝土90d龄期抗压强度达24.9MPa、轴拉强度为2.44MPa、绝热温升仅11.3℃、相对渗透系数为2.90×10—10cm/s、极限拉伸值80.7×10—6，预计抗冻等级可满足设计要求，混凝土拌和物初凝时间长达22h，用其作为拱坝内部混凝土是可行的。
从表16的对比试验资料可见，高坝洲水泥、丰源水泥和葛洲坝中热水泥都可用于工程。
使用丰源水泥或葛洲坝中热水泥，相应混凝土可获得稍高的早期强度。
表17的对比试验资料可见，YB—5高效缓凝减水剂与FDN—5比较，具有较高的减水率、更长的缓凝时间，使碾压混凝土早期强度较低，初凝时间达50h以上。
根据工程拟用原材料的工地价格，经初步计算，仅考虑材料费一项，招徕河拱坝使用碾压混凝土比使用常态混凝土节省费用185万元。
使用高坝州水泥比使用荆门水泥可节省费用482万元。
若使用YB—5外加剂替代FDN—5外加剂，约需增加费用83万元。
4结论及工程措施
（1）经检验，拟用于招徕河水利水电工程的几个水泥品种的技术指标都符合国家现行标准，可用于该工程。
相比之下，高坝洲水泥较为经济。
该水泥水化热较低，强度富余量较大，初凝时间较长，与粉煤灰及外加剂有较好的相容性，故优先推荐使用该水泥。
（2）枝江市湖北化肥厂出产的第二静电场及第三静电场混合粉煤灰，其技术指标符合Ⅱ级粉煤灰的标准，属优质的Ⅱ级粉煤灰。
将其作为招徕河水利水电工程混凝土掺合料不仅质量好，而且价格低，是非常合适的。
（3）本次试验使用的几种外加剂与高坝洲水泥和湖北化肥厂粉煤灰的相容性都较好，可用于工程中。
（4）本文推荐的4—2、11—3、10—3配合比的混凝土，其技术性能指标分别满足设计对坝体基础垫层混凝土、拱坝上游面防渗层碾压混凝土及坝体内部碾压混凝土性能的要求。
（5）计算分析招徕河拱坝使用碾压混凝土比使用常态混凝土仅材料费本身可节省185万元；使用高坝洲水泥可比使用荆门水泥节省482万元；使用YB—5替代FDN—5约需增加费用83万元。
（6）高坝洲牌水泥生产厂是机立窑生产厂，水泥的质量波动性一般比旋窑水泥厂大，鉴于招徕河工程的重要性，为确保工程质量，建议工程施工过程中采取如下措施：
①施工阶段在水泥厂派驻厂质量监督员，以保证水泥的出厂质量及稳定性；②工地加强水泥的质量复核检验；③选用混凝土施工配合比时应留有适量的余地；④室内配合比试验研究时已对备用水泥做了对比试验，施工过程中也应对备用水泥进行相应的施工配合比试验，以便一旦水泥出现质量问题时能及时改用备用水泥进行施工。
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