波波娜水电站厂房工程高抗硫混凝土配合比试验研究.pdf

第 4 6卷第 5期 2 0 1 0年 5月 甘 肃 水 利 水 电 技 术 Ga n s u W a t e r Co n s e r v a n c y a nd Hyd r o po we r Te c h no l o g y V o 1 4 6 No 5 Ma y， 201 0 设计与研究 波波娜水电站厂房工程高抗硫混凝土配合比试验研究 谢 学礼 ， 汪红 霞 ( 中国水利水电第四工程局勘测设计研究院， 青海 西宁8 1 0 0 0 7 ) 摘要： 由于波波娜水电站工程厂房及尾、 泄水建筑物基础位于地下水位以下， 基岩裂隙水 中S O 4 2 啥 量为5 2 3 0 5 7 6 0 m g L ， 对普通水泥及抗硫酸盐水泥具有结晶类硫酸盐型强腐蚀 ； 为了提 高电站的耐久性 ， 决定采用高抗硫酸盐水泥 混凝土。高抗硫混凝土配合比的使用， 较好的解决了基岩裂隙水中S O D对普通水泥混凝土的腐蚀问题。 关键词： 高抗硫混凝土 ； 硫 酸盐腐蚀 ； 配合 比； 波波娜水 电站 中图分 类号 ： T V 4 3 1 文献标识码 ： B 1 工程概况 波波娜水电站位于新疆和田地区喀拉喀什河上， 为引水 式电站。电站距上游乌鲁瓦提水利枢纽工程约 3 0 k m， 引水 枢纽距乌鲁瓦提水利枢纽约 2 8 5 k m， 距和田市 4 1 k m。 地理 位置： 东经 7 9 。 3 3 ， 北纬 3 6 。 5 3 。 工程由拦河坝、 泄水建筑物、 发电引水系统及电站厂房等主要建筑物组成。 水库正常蓄水 位 1 8 5 5 0 m， 总库容 0 0 2 4 5亿 m， ， 最大拦河坝高 2 7 0 i n 。 其电站装机容量 1 5 0 MW， 保证出力 3 5 MW， 多年平均有效 发电量 6 6 6 亿 k W h 。工程等别为等工程， 工程规模为中 型 。 2 水文地质条件 工程区除喀拉喀什河外， 无明流分布， 伊兰拉克沟内在 丰水期有暂时性明流分布， 暴雨时有洪流通过。地下水主要 有二种 ， 一种为潜水 ， 主要分布于伊兰拉克沟底冲洪积层内， 主要受冰雪融水和大气降水的补给， 水位受季节影响， 潜水 埋深一般 0 2 5 n l ； 另一种为基岩裂隙水 ， 贮存在岩体裂隙 中， 并沿裂隙网络运移， 向最低侵蚀基准面排泄， 无统一的水 位 。 工程区段岩体透水性不强 ， 区内分布的元古界变质岩挤 压紧密， 完整基岩均为微透水岩体 ， 钻孔压水试验成果 ， 弱风 化岩体透水率一般在 O 3 4 0 8 3 L u之间，属微透水岩体； 基 岩表层风化卸荷带、 节理密集带及断层带等部位透水性相对 较强， 属中等透水层， 透水率一般在 3 3 3 5 L u之间。据水质 简分析成果 ， 厂 区地下水 中 ， 基岩裂隙水中 s o ? 一 含量为 5 2 3 0 5 7 6 0 m g ， L ，对普通水泥及抗硫酸盐水泥具有结晶 类硫酸盐型强腐蚀 ；冲沟内潜水中 s o ? 一 含量为 1 9 6 9 2 2 2 2 8 6 m g m， 对普通水泥具有结晶类硫酸盐型强腐蚀 ， 对抗 硫酸盐水泥无腐蚀， 须采取相应的防腐处理措施。 另外， 厂房 左侧沟底覆盖层内有潜水分布 ， 水位埋深 1 5 2 0 m， 水位随 季节变化，洪沟潜水对普通水泥具有结晶类硫酸盐型强腐 蚀 ， 对抗硫酸盐水泥无腐蚀 ； 厂区基岩裂隙水对普通水泥及 抗硫酸盐水泥具有结晶类硫酸盐型强腐蚀。厂房及尾、 泄水 建筑物基础位于地下水位以下， 须采取防腐处理。 3 原 材料 3 1 水 泥 经试验 ， 选用 P H S R 3 2 5水泥， 检测指标符合 G B 7 4 8 2 0 0 5标准对高抗硫酸盐硅酸盐水泥的技术要求。检验结果 如表 1 、 表 2 所列 。 表 1 P H S R 3 2 5水 泥物理性能试验结果 种 ， 堕薹 项 目 性 胶砂强度， M P a 抗压 抗折 试验结果 3 6 0 2 6 5 2 ：5 4 3 ： 4 1 合格1 7 5 3 9 7 4 0 7 9 ： zs。， - 0 ：4 5 。 ：。 合 格 。 。 ， ：s zs 。 表 2 P H SR 3 2 5水泥水泥化学分析试验结果 品种三氧 氧化烧失 不溶 抗硫酸 硅酸 铝酸 项目 化硫 镁 量 物 盐性 三钙 三钙 试验结果 1 7 1 6 1 2 0 8 3 0 0 3 3 4 4 8 0 9 6 G ： z s s 。 s 。 -s 。 。 。 。 s 。 。 s 。 3 2 粉煤灰 经试验， 粉煤灰选用细度( 4 5 m方孔筛筛余) 为 1 6 2 ， 需水 量 比 9 5 ， 烧 失 量 2 1 ， 三 氧化硫 1 3 ， 游 离氧 化钙 O 4 ， 含水量 0 2 ， 符合 水工混凝土掺用粉煤灰技术规范 ( D I J T 5 0 5 5 2 0 0 7 )对 F类 级粉煤灰品质指标的技术要 求。 3 3 砂子 砂砾料场位于波波娜村附近喀拉喀什河喀拉格尔水电 站渠首库尾上游河漫滩 ， 距地面厂房 1 0 3 5 k m， 产地长 1 5 k m， 平均宽 2 0 0 i n ， 砾石成份为花岗岩、 闪长花岗岩、 片 麻岩 ， 磨 圆度较好 ， 强度高 ， 枯水期料场水上砂砾石厚度 收稿 日期 ： 2 0 1 0 - 0 4 - 2 7 作者简介： 谢学礼( 1 9 6 8 一 ) ， 男， 甘肃临夏人， 工程师， 主 要从事水利水电 工程质量检验及 混凝土配 合比 试验研究。 3 7 2 0 1 0年第 5期 甘肃水利水电技术 第 4 6卷 0 6 2 1 6 5 m， 水下平均厚度大于 5 m， 场地开阔， 大部分需 水下开采。该料场已按详查精度进行了调查， 共取样 6组进 行了全分析 ， 由试验指标与质量技术要求对比表明， 该料场 作为混凝土细骨料含泥量超标， 粒度模数、 平均粒径及堆积 密度略偏小， 其余指标满足技术要求。 由于C 3 料场细骨料细度模数和平均粒径偏小，生产工 艺流程中需补充人工砂， 使细骨料细度模数满足要求。料场 加工的混合砂 ， 颗粒级配基本合理， 属中砂， 检测指标符合 水工混凝土施工规范 ( D L T 5 1 4 4 2 0 0 1 ) 的技术要求。 3 4 石子 砂砾料场石子也按详查精度进行了调查 ， 共取样 6组进 行了全分析， 由试验指标与质量技术要求对比表明， 该料场 作为混凝土粗骨料， 各项指标满足要求。 料场筛分的卵石 ， 石 子按粒径依次为 5 2 0 m m、 2 0 4 0 m m、 4 0 8 0 m m三个粒 级 ， 检测指标符合 水工混凝土施工规范 ( D L T 5 1 4 4 2 0 0 1 ) 的技术要求。 3 5 水 混凝土拌和与养护用水为娜喀拉喀什河河水， 经检验符 合饮用水标准， 也符合 D I d T 5 1 4 4 2 0 0 1 标准有关技术要求。 3 6 外加剂 在混凝土中加入适量的外加剂，能提高混凝土质量 ， 改 善混凝土性能， 减少单位用水量 ， 节约水泥， 简化温控措施 ， 降低工程造价 ， 加快施工进度。 在水工混凝土中， 外加剂已成 为除水泥、 骨料、 掺合料和水以外的第5种必备材料， 掺外加 剂是混凝土配合比优化设计的一项重要措施。 缓凝高效减水剂： 减水剂应优先选择品质优良， 减水率 高的减水剂。经选型试验， 江苏博特新材料有限公司生产的 J M一 型缓凝高效减水剂与 P H S R 3 2 5水泥的适应性较好， 因此确定 J M一 型缓凝高效减水剂为发电厂房工程混凝土 使用的减水剂。 J M 一 型缓凝高效减水剂掺量在常态混凝土 中为胶凝材总量的0 6 5 ， 在泵送混凝土中掺量为 0 7 5 。 引气剂： 为保证工程的耐久性 ， 在抗冻混凝土中还必须 掺入引气剂以引入结构合理的气泡， 使混凝土达到合适的含 气量。引气剂经选型试验，河北省混凝土外加剂厂生产的 D H 9型引气剂与本工程所用 P HS R 3 2 5水泥的适应性较好， 其掺量为胶凝材总量的 1 0 万。 掺减水剂和引气剂混凝土性能试验按照 水工混凝土外 加剂技术规程 ( D I _ , T 5 1 0 0 1 9 9 9 ) 进行， 试验结果满足该规 程有关技术要求。 4 骨料碱活性检验 对砂砾石料场进行了碱活性骨料试验，根据国家标准 建筑用砂) ( c a r l 1 4 6 8 4 2 O O 1 ) 及 建筑用卵石、 碎石 ( G B T 1 4 6 8 5 2 0 0 1 ) 中的规定， 按 水工混凝土砂石骨料试验规程 ( D L T 5 1 5 1 2 0 0 1 ) 方法共进行了 1 2 组碱活l陛骨料试验。 试验方法及试验结果如下： 料场采用刻槽取样法对粗、细骨料进行了风干后筛分， 并进行了详细的地质描述， 肉眼鉴定了骨料岩石种类及所含 的碱活性岩石岩性。共采集碱一 骨料反应试样4组 ， 粗、 细骨 料各 2组。 水泥采用本地区生产的的 P 0 3 2 5水泥， 粉煤灰采用本 3 8 地区生产的 I 级粉煤灰， 二者均符合有关标准要求。 岩相法鉴定结果： 所取 6组砂砾石粗、 细骨料中。 岩石种 类及所含矿物成份主要为二长花岗岩、 石英岩、 闪长玢岩、 钾 长浅粒岩， 均不同程度的含有碱活性岩石及活性矿物， 需进 一 步进行快速碱 硅酸反应试验。 快速碱 硅酸反应试验结果： 料场粗、 细骨料试件 1 4 d 的膨胀率在 0 2 3 一 0 2 9 之间。最终判定料场混凝土细骨 料、 粗骨料及块石骨料具有高度可疑潜在危害性反应的活性 骨料 ， 按具有潜在危害性反应的活性骨料对待。 掺人 2 0 的粉煤灰后 ，砂浆棒快速法的试件 1 4 d膨胀 率均在0 0 2 8 一 0 0 4 6 之间， 膨胀率的抑制效果达到 8 0 以 上 ， 说明掺人 2 O 粉煤灰后能有效抑制碱一 骨料反应， 可有效 防止混凝土工程产生危害性的碱一 骨料反应。 本工程应使用低碱水泥 ( 含碱量小于 0 6 0 )或掺人 2 0 以上的粉煤灰 ， 可消除对工程产生危害性的碱一骨料反 应。根据本工程附近水泥及粉煤灰的生产情况， 决定掺入 2 0 的粉煤灰， 来有效抑制碱一 骨料反应。 5 抗硫酸盐侵蚀方法及评价指标 潜在膨胀性能试验方法( P法) ， 其方法原理是通过在水 泥中外掺一定量的二水石膏，使水泥中的 S 0 产总含量达到 指定量 ，使得过量的s 0 直接与水泥中影响抗硫酸盐性能 的矿物反应产生膨胀 ， 然后通过测量胶砂试体规定龄期的膨 胀率来衡量水泥胶砂的潜在抗硫酸盐性能。 “ P法” ，根据 “ 水泥抗硫酸盐侵蚀试验方法 G B T 7 4 9 2 0 0 8 ” 进行 ， 高抗硫水泥和外掺二水石膏的质量是按二者混 合后 ， 混合料中S O ， 含量达到指定量计算的( 本工程 S 0 最 高为5 7 6 0 m g L ， 故按此指标控制) 。成型一组试体所需高 抗硫水泥与外掺二水石膏的总体质量为4 0 0 g 。此法控制胶 砂比为 1 ： 2 7 5( 质量 比) ，水灰 比为 0 4 8 5 ，试件尺寸为 2 5 m mx 2 5 m inx 2 8 0 mm， 采用挤压成型立即脱模 ， 脱模后将试 体放在水中养护 3 0 ra i n后测量初长( ) ， 当试体养护 1 4 d 时， 测量试体长度( ， ) ， 并计算 1 4 d龄期的膨胀率。试验表 明， s o ?x 高抗硫酸盐水泥无腐蚀。 6 配合 比设计与试验 根据混凝土设计指标 ， 依据 水工混凝土配合 比设计规 程 ( D L r r 5 3 3 0 2 0 0 5 ) ，对发电厂房混凝土配制强度进行设 计与计算。设计龄期为2 8 d ， 抗压强度保证率P = 9 5 ， 混凝 土抗压强度标准差 按 D L f r 5 3 3 0 2 0 0 5中有关规定取用， 当设计龄期混凝土抗压强度标准值 1 5 M P a时，混凝土抗 压强度标准差取 3 5 MP a ； 当设计龄期混凝土抗压强度标准 值为2 0 2 5 MP a 时，混凝土抗压强度标准差取4 0 MP a ； 当 设计龄期混凝土抗压强度标准值 3 O 一 3 5 MP a时，混凝土抗 压强度标准差取 4 5 MP a 。 6 1 高抗硫酸盐硅酸盐水泥水胶比与混凝土抗压强度一元 线性回归 混凝土配合比设计的三大参数， 即水胶 比、 单位用水量、 砂率是配合 比设计的关键参数， 通过对不同水胶比、 粉煤灰 掺量及外加剂品种情况的混凝土拌和物特性试验， 研究了混 凝土抗压强度与水胶 比的线性关系和混凝土在不同龄期的 强度发展， 为配合比的设计试验提供了第一手参数。 第 5期 谢学礼 ， 等 ： 波波娜水 电站厂房工程 高抗硫 混凝土配合 比试验研究 第 4 6卷 试验对选定的原材料进行水胶比为 0 4 5 、 O 5 0 、 0 5 5 、 0 6 0 常规混凝土 7 d 、 1 4 d 、 2 8 d龄期的混凝土抗压强度关系与 水胶比关系试验， 水泥用 P H S R 3 2 5高抗硫酸盐硅酸盐水泥， F类粉煤 灰掺量 为 2 0 ， J MI I 型缓凝 高效减 水剂掺量 0 6 5 。 回归方 程是处理试验数据 的一种常用方法 ， 在胶凝材料 一 定的情况下， 混凝土强度和胶水比成直线关系， 胶水比与 混凝土抗压强度的一元线性回归方程公式为： R = A ( C + F ) W+ B 式中： 推 不同水胶比混凝土强度推算值； A、 回归系数 。 根据一元线 性 回归方程 可以较精确 的推断混凝 土强度 与水胶比的关系， 依照设计要求选择相应于配制强度的水胶 比， P H S R 3 2 5水泥混凝土 7 d龄期的一元线性回归方程式 为R ， = 1 3 4 4 c ， 一 1 0 o 2 ，相关系数为 0 9 9 1 ； 1 4 d龄期的一元 线性回归方程式为 R = 1 7 8 6 C W一 1 3 1 9 ，相关系数为 0 9 9 9 ； 2 8 d 龄期的一元线性回归方程式为 R = 2 1 8 4 C l W一 1 6 6 9 ， 相 关系数为 0 9 9 7 。从回归方程式中看出，相关系数 r 都在 0 9 9 1 及 以上 ， 说 明混 凝土抗 压强 度与水胶 比有 较好的相关 性 。 6 2 水胶比的确定 根据已建立的水胶比与混凝土抗压强度一元线性回归 方程式 ， 按强度与胶水比关系， 选择相应于配制强度的水胶 比。根据计算结果， 混凝土强度试验至少采用三个不同水胶 比的配合 比， 其 中一个水胶 比根据上述一元线性 回归方程式 确定的配合比， 其它两个配合比的用水量不变， 水胶比依次 增减， 变化幅度为 0 0 5 。 按混凝土施工配制强度计算出来的水胶比， 按耐久性要 求复核水胶比， 并根据施工经验做适当调整， 并由试验确定。 其最大值不超过 水工混凝土施工规范 ( D L T 5 1 4 4 2 0 0 1 ) 所规定的最大水胶比限制， 如计算所得的水胶比值大于规范 的规定时， 则按规定的最大水胶比值选取。 6 3 混凝土配合比试 配 6 3 1 混凝土配合比试验参数及混凝土拌和物性能试验结果 混凝土拌和物性能试验按照 水工混凝土试验规程 ( D L T 5 1 5 0 2 0 0 1 ) 进行， 混凝土配合比计算采用质量法， 拌 和采用型号 1 5 0 L自落式搅拌机， 投料顺序为石子、 胶凝材 料、 砂子 、 水( 外加剂先溶于水并搅拌均匀) ， 拌和容量不少于 1 2 0 L ， 搅拌时间为 3 mi n 。混凝土出机后采用湿筛法将粒径 大于 4 0 mm的骨料剔除 ， 然后人工翻拌 3次， 进行新拌混凝 土的和易性、 坍落度 、 温度 、 含气量、 凝结时间、 密度等试验 ， 新拌混凝土符合要求后， 在成型所需试验项目的相应试件。 6 3 2 混凝土抗压强度 混凝土 的强度是混凝土极为重要的性能之一 ， 结 构物主 要利用其抗压强度承受荷载，并常以抗压强度为主要参数， 且抗压强度与其它强度及变形特性有良好的相关关系， 根据 抗压强度可以推定其它强度与变形特性。 抗压强度的试验方 法又比其它试验方法易于实施， 所以常用抗压强度作为控制 和评定混凝土质量的主要指标。混凝土抗压强度的试验方 法， 根据 水工混凝土试验规程 ( D L T 5 1 5 0 2 0 0 1 ) 进行 ， 成 型用 1 5 0 mm x l 5 0 m m 1 5 0 m m标准立方体试模。 6 3 3 混凝土抗冻性和抗渗性试验 混凝土的抗冻性以抗冻等级表示。抗冻等级是以设计 2 8 d 龄期 1 0 0 m mx l O 0 m m x 4 0 0 m m标准试件， 在水饱和状 态下所承受的冻融循环次数来决定的。 抗冻指标以相对动弹 模数和质量损失两项指标评定， 以混凝土试件的相对动弹模 数低于 6 0 或质量损失率超过 5 时即可认为试件已达破 坏。 经试验， 混凝土配合比抗冻试件 F 2 0 0时相对动弹模数大 于 8 7 ， 质量损失不大于 O 6 4 ， 满足设计要求。 抗渗试验采用逐级加压法， 试验时 ， 每组试件水压从 0 1 M P a开始 ， 以后每隔 8 h加压 0 1 MP a 水压 ， 试验达到预定 水压力后， 卸下试件劈开， 测量渗水高度， 取 6个试件渗水高 度的平均值。经试验 ，混凝土配合 比抗渗试件在经历 0 5 M P a逐级水压后 的渗水 高度为 3 2 4 2 mm， 说 明该 混凝土抗 渗性较好 ， 满足混凝土 W4抗渗的设计要求。 7 混凝土施工配合 比 根据高抗硫水泥混凝土配合比试验结果， 选择坍落度符 合设计要求， 混凝土拌和物和易性 良好 ， 满足施工工艺要求， 2 8 d 抗压强度满足配制强度的要求 ，混凝土抗冻抗渗等级 满足设计要求的配合比为施工配合比， 典型的高抗硫水泥混 凝土施 工配合 比： ( 1 )基础 C 1 0混凝 土( 坍落度 5 7 e m) 配合比 ： 水泥： 粉煤灰： 水： 砂 ， J 、 石： 中石： 大石： 减水剂= 1 3 0 ： 3 2 ： 1 0 5 ： 6 5 2 ： 4 5 6 ： 4 5 6 ： 6 o 9 ： 1 0 5 3 ( 2 )发 电机层 以下 C 2 0 W4 F 2 0 0混凝土 ( 坍落度 5 7 c m) 配合比： 水泥： 粉煤灰： 水： 砂 ， j 、 石： 中石： 大石： 减水剂： 引气剂= 1 8 6 ： 4 7 ： 1 0 5 ： 5 5 7 ： 4 5 2 ： 4 5 2 ： 6 O 1 ： 1 5 1 4 5 ： 0 0 2 3 3 ( 3 )尾水平台板 C 2 5 W4 F 2 0 0混凝土 ( 坍落度 7 9 e m) 配合 比 ： 水泥： 粉煤灰： 水： 砂 ， J 、 石： 中石： 减水剂： 引气剂= 2 6 0 ： 6 5 ： 1 3 0 ： 5 8 7 ： 5 8 9 ： 7 1 9 ： 2 1 1 2 5 ： 0 0 3 2 5 8 结语 波波娜水电站厂房工程高抗硫混凝土配合比试验经过 大量的、 反复的试验优化 ， 数据可靠。结果表明， 该配合比在 本地区具有先进水平。该配合比经过现场近两年的应用， 表 明该配合比具有较高的准确性和可行性。 高抗硫水泥混凝土 配合比的应用较好的解决了基岩裂隙水中s 0 对波波娜水 电站工程厂房及尾、泄水建筑物基础混凝土的腐蚀问题， 提 高了本电站的耐久性 ， 对同类工程具有一定的借鉴意义。 3 9