降低高温地区面板混凝土缺陷率的研究与应用

田 聪

(四川二滩国际工程咨询有限责任公司，四川 成都 611130)

1 概 述

老挝南公1水电站以防洪、发电、灌溉、旅游为开发目标，目的是促进当地社会经济发展。主坝校核洪水位高程为320.80 m，相应库容6.51×108m3，正常蓄水位高程为320 m，相应库容6.33×108m3。死水位高程为280 m，相应库容0.97×108m3，调节库容5.36×108m3，具有多年调节能力。工程为二等大(2)型工程，电站装机容量160 MW，装机2台，单机容量80 MW，主挡水建筑物为混凝土面板堆石坝，布置于主河床，坝顶长409.946 m，坝顶宽8.8 m，坝顶高程为325 m，最大坝高为90 m。坝体上游坝坡1∶1.4，下游坝坡1∶1.35。混凝土面板顶部厚度0.3 m，渐变至面板底部，底部厚度0.66 m，面板垂直缝间距12 m。

2 研究目的

老挝属热带季风型气候，气温终年常热，4～7月份最热，最高气温达38 ℃。某面板混凝土浇筑时段在4～7月实施完成后，检查发现有多条温度裂缝，为了吸取同类型工程出现较多裂缝的经验和教训，将流纹岩高吸水率(3.09%-5.3%)骨料配合比进行分析、研究，通过优化调整施工配合比，同时根据现场实际情况采取相应的降温措施，降低了高温地区面板混凝土裂缝缺陷率，确保了大坝面板混凝土施工质量，有效提高了混凝土面板的防渗作用，保证大坝安全运行，同时为后期混凝土裂缝处理节约成本和工期，为实现下闸蓄水节点目标创造有利条件。

3 对产生裂缝的原因分析

针对混凝土裂缝的缺陷率高这一质量问题，经研究分析，从“人、机、环、法、料”五个环节查找影响因素，最终查找到的影响因素主要有：

(1)实验室人员责任心不强，在拌制混凝土时未严格按照设计配合比进行拌制，也未严格按照砂的含水率和气温变化及时适当调整配合比，导致混凝土和易性较差。

(2)现场管理人员和施工人员素质较差，未固定人员在坝面进行卸料控制，导致卸料人员随意在卸料过程中向混凝土内加生水。

(3)现场只布置了一台搅拌机，由于管理和维修保养不到位，零部件配备不齐全，导致混凝土供应不及时，出现施工缝或冷缝。

(4)运输车辆不足，且冲洗罐车的水未及时清理干净，导致混凝土坍落度过大。

(5)混凝土施工时环境温度较高，白天最高气温达38 ℃以上，且昼夜温差较大。

(6)小石、中石骨料生产质量不稳定，流纹岩本身吸水率较高，人工砂石粉含量高，质量波动较大。

(7)混凝土和易性较差且含气量变化较大，坍落度在运输过程中损失较大。

(8)混凝土入仓速度慢，施工人员对混凝土施工工艺不熟悉，现场存在漏振、欠振、过振现象。

(9)小石、中石遮阳设施不到位，骨料使用前温度较高(达38 ℃左右)。

(10)混凝土运输罐车、溜槽、滑模等遮阳设施不到位，由于气温较高，在运输和施工过程中坍落度损耗较大，导致混凝土坍落度、和易性等指标不能满足设计要求。

(11)混凝土抹面人员不足，且抹面人员不固定，抹面不及时。

(12)未派专人对已浇混凝土面进行及时覆盖和洒水养护，存在养护不到位的现象。

4 实施对策

4.1 面板混凝土配合比设计与优化

由于老挝南公1电站地处老挝南部，常年气温较高，而面板混凝土在气温最高的4～7月份浇筑，并且现场开采加工的流纹岩骨料的吸水率高，混凝土裂缝的产生不可避免。因此，面板混凝土配合比设计与优化对降低混凝土裂缝缺陷率有重大意义。

4.1.1 主要原材料品质试验检测

(1)水泥化学成分检测结果及物理力学性能检测结果见表1、2。

表1 水泥化学成份检测结果

(2)粉煤灰物理品质检测结果见表3。

表2 水泥物理力学性能检测结果

表3 粉煤灰物理品质检测结果

(3)砂石骨料。

①砂石骨料常规检测。砂石骨料的物理性能直接影响混凝土的用水量、水泥用量及抗冻耐久性指标，砂的颗粒级配试验结果见表4。

表4 砂的颗粒级配试验结果

砂颗粒级配试验结果表明：人工砂、河砂的颗粒级配以及细度模数都能满足《水工混凝施工规范》(DL/T5144-2015)的要求[1]。

②骨料的碱活性试验。骨料的碱活性试验按照《水工混凝土砂石骨料试验规程》(DL/T5151-2014)中骨料碱活性试验(砂浆棒快速法)执行，骨料碱活性砂浆棒快速法试验结果见表5。

表5 骨料碱活性砂浆棒快速法试验结果

砂石系统生产砂石骨料砂浆试件14 d膨胀率为0.042%，小于0.1%，骨料评定为非碱活性骨料。天然河砂28 d试件的膨胀率为0.17%，小于规范要求(低于0.2%的标准)，评定为非碱活性骨料。

③骨料级配容重。混凝土骨料最佳级配是根据骨料按不同比例搭配后检测的振实容重获得，不同骨料级配组合与容重关系见表6。

表6 不同骨料级配组合与容重关系表

(4)混凝土外加剂。老挝南公1水电站所用减水剂、引气剂、抗裂防水剂、聚丙烯纤维等外加剂经试验检测均满足设计及相关规范规定要求。

4.1.2 混凝土配合比设计试验

(1)大坝面板混凝土设计技术指标(表7)。

表7 大坝面板混凝土设计技术指标

(2)混凝土拌和试验。根据南公1水电站现场实际情况及设计要求，同时考虑砂石骨料品质特点，采用饱和面干砂石骨料，配合比计算采用绝对体积法。天然河砂的粉煤灰掺量20%、25%、30%，人工砂粉煤灰掺量20%，试验过程中采用多种材料组合形式，室内拌和出机坍落度控制在80～100 mm，含气量控制在3%～5%范围。对新拌混凝土测试了出机、延时30 min坍落度、含气量以及混凝土和易性变化情况，同时成型了7 d、28 d抗压强度试件，进行混凝土拌和物和易性、力学性能、变形性能等指标分析对比，选取结果较优者进行验证试验。

(3)施工混凝土配合比水胶比选择。

①混凝土水胶比选择。根据《南公1水电站混凝土原材料与温控施工技术要求》 《水工混凝土施工规范》(DLT5144-2015)中水胶比最大允许值规定，面板混凝土最大水胶比取值不大于0.45。

②混凝土配制强度。根据面板混凝土设计强度等级要求，大坝面板混凝土配制强度理论计算见表8。

表8 大坝面板混凝土配制强度理论计算表

4.1.3 大坝面板混凝土推荐施工配合比

(1)面板混凝土推荐施工配合比。大坝面板混凝土推荐施工配合比是对通过前述相关试验参数，按照工程设计技术指标以及《水工混凝土施工规范》(DL/T5144-2015)要求[2]，对提出的混凝土施工配合比用人工砂石骨料和外购河砂进行相关指标验证试验。根据各种材料组合的混凝土配合比对其用水量、抗压强度、劈裂抗拉强度、抗弯强度、轴向抗拉强度、极限拉伸、抗渗等级、抗冻等级试验结果进行综合分析比较后[3]，根据南公1水电站大坝面板混凝土推荐施工配合比(表9)，选择能够满足设计要求的最优配合比。

表9 南公1水电站大坝面板混凝土推荐施工配合比表

说明：1.配合比编号1为面板混凝土的主要施工配合比，其余的配合比均为备用配合比；

2. 配合比编号04的砂料为人工砂和外购河砂各50%比例混合使用；

3.当原材料发生变化时，严禁套用该配合比，必须重新进行验证试验后才能使用。

(2)混凝土配合比相关物理力学、性能验证试验。混凝土拌和物主要是看其和易性是否能满足施工操作要求，拟推荐施工配合比混凝土力学、变形、耐久性能验证试验结果见表10。

表10 混凝土力学、变形、耐久性能验证试验结果表

4.1.4 对大坝面板混凝土推荐施工配合比的专题论证

2019年11月，业主邀请三峡集团、中水电公司、中水八局、中水十二局、中电建建筑集团、昆明设计院等单位专家对面板推荐施工配合比进行评审，经评审的南公1水电站大坝面板混凝土施工配合比见表11。

表11 南公1水电站大坝面板混凝土施工配合比表

备注：水泥采用老挝中亚玉溪水泥有限公司生产的P.I 52.5水泥；粉煤灰采用越南生产的“Vung Ang”(旺昂)Ⅱ级粉煤灰；中石、小石骨料(配比1∶1)采用现场生产的人工砂石骨料，砂为外购的天然河砂。

4.2 现场采取的相应措施

4.2.1 原材料温控措施

(1)由于老挝地区旱季气温较高，最高可达38 ℃左右，为了降低原材料温度，要求对中石、小石骨料仓全部采用遮阳棚遮盖[4],同时对料仓加装喷雾设施,混凝土浇筑前2～4 h对骨料进行不间断的喷雾降温。

(2)鉴于该工程骨料吸水率高,粗骨料进入拌和料仓前,要求提前2～4 h对骨料进行酒水处理，以达到降温保湿的目的。

(3)面板混凝土要求全部采用制冷水(温度5℃～7 ℃)拌和, 为了确保制冷水能够满足混凝土生产需求，要求承包人在拌和系统配置1台LSBLG180型冷水机组，名义制冷量为180 kW，生产5 ℃冷冻水量31 m3/h，其制冷型号和制冷能力满足温控混凝土用量的正常供应需求。要求承包人加强冷水机组的运行和维护，在拌制混凝土前2 h开始进行拌合用水制冷，监理工程师对整个混凝土拌制过程进行旁站和巡视检查监督，严格控制拌合站出机口混凝土温度满足设计要求。

4.2.2 对运输过程所采取的温控措施

为防止浇筑过程中的热量倒灌，需加快混凝土的运输、吊运和平仓振捣速度。运输过程中要求对混凝土运输罐车车体加装保温层，防止太阳直射，以减少运输过程中温度回升。同时在拌和楼和现场卸料部位安装喷雾设备对运输罐车进行喷雾降温，以防止外界高温直接灌入车内混凝土，使罐车内混凝土温度不断上升。

4.2.3 对混凝土浇筑过程所采取的温控措施

(1)在溜槽上加装遮阳棚,避免太阳直射。

(2)在滑模模体上加装喷雾设施,降低仓内局部环境温度。

(3)在面板埋入温度计,实时监测面板混凝土温度情况。

(4)在混凝土浇筑过程中配备足够的、施工经验丰富的现场施工人员，加快混凝土入仓、平仓、振捣和抹面等各工序施工进度，在满足浇筑计划的同时，应尽可能采用薄层、短间歇、均匀上升的浇筑方法。新浇混凝土终凝后即进行表面流水降温，水流需覆盖整个仓面。

4.2.4 混凝土养护质量控制方面

要求承包人务必派专人对已浇筑混凝土及时活水养护,养护方式采用塑料薄膜先进行表层覆盖,再使用无妨布进行全断面覆盖，要求大坝面板混凝土全断面、全天候流水养护至大坝蓄水[5]。

4.2.5 其他措施

(1)制定详细的施工计划，根据进度计划提前配备人员、材料和设备等。

(2)制定可行的应急预案，确保备用拌合站及备用电源的可靠性。

(3)保障面板施工队伍的稳定性，同时保障充足的施工人员；并选取经验丰富的混凝土振捣、抹面工人。

(4)在混凝土拌制过程中，要求试验人员全程旁站监督，严格按照大坝面板推荐使用配合比进行混凝土拌制，确保混凝土坍落度、和易性、出机口温度等指标满足设计要求。

(5)在施工过程中，如果砂石骨料加工系统生产的砂石骨料的细度模数、骨料级配、品质等发生变化时应对施工配合比重新进行相关参数及指标的试验复核，并根据复核结果对施工配合比作相应调整，使入仓混凝土的和易性满足施工要求。

5 采取相应措施后取得的效果

(1)大坝面板混凝土抽样试验检测成果。对大坝面板混凝土抗压强度抽样检测32组，其各项指标全部满足设计及规范规定要求，其中抗压强度最大值35.2 MPa，最小值26.7 MPa，平均值30.8 MPa，强度保证率100%。

(2)大坝面板混凝土检查存在的裂缝。大坝面板于2020年8月4日全部浇筑完成，各参建单位多次联合对所有面板裂缝进行了普查。同时业主委托清华四川能源互联网研究院对面板混凝土缺陷(裂缝、脱空等)采用人工检查+无人机(拍摄面板全景，进行三维建模分析，并精确定位裂缝位置)+超声波进行了检测，面板混凝土裂缝检测成果见表12。

表12 面板混凝土裂缝检测成果表(仅统计缝宽大于0.2 mm以上)

通过上述检测得知：该工程面板混凝土裂缝共发现30条，均为非贯穿性浅层裂缝，总长86.7 m(其中缝宽大于0.2 mm以上的裂缝仅3条，累计长5.9 m)，裂缝数量总体偏少[5]。

(3)大坝渗流监测成果。目前大坝已蓄水至高程306.80 m，量水堰过流量监测数据保持在7.35 L/s，基本保持稳定变化，无异常现象。通过大坝渗流监测数据分析得知，大坝渗流量较小，说明大坝面板及坝基防渗效果很好，大坝面板施工质量优良。

6 结 语

老挝南公1水电站大坝面板混凝土施工通过采取对流纹岩高吸水率骨料配合比进行优化调整，同时在施工过程中采取了制冷水拌和、对砂石骨料提前洒水保湿和喷雾降温、对运输罐车加装保湿层及对装料和卸料过程进行喷雾降温、对混凝土溜槽搭设遮阳棚和对仓面喷雾保湿降温及全覆盖流水养护等严格有效的施工措施。因此，大坝面板混凝土在高温环境施工情况下，达到高指标的质量要求，大坝面板混凝土温度裂缝缺陷率较小，渗流量较小(7.35 L/s)，整个大坝面板防渗效果较好，这对于高温环境进行大坝面板混凝土施工提供了工程实例，具有很好的借鉴作用。