C50泵送HF混凝土在金盆水库泄洪建筑物上的应用

1 金盆水库泄洪洞及溢洪洞基本情况
　　金盆水库大坝为粘土心墙砂砾石坝，坝高130m，水库的两个泄洪建筑物分别为泄洪洞和溢洪洞，均为圆拱直墙式断面。泄洪洞位于大坝左岸，总长全长729.86mm，断面净空10×13m，校核洪水流量2540m3/s，最大流速41.71m/s。溢洪洞位于大坝右岸，洞长471.242m，断面净空尺寸10×11.1m，校核泄洪流量2000 m3/s，最大流速40.9m/s。过水断面原设计的混凝土护面为C30普通混凝土,混凝土衬砌厚度1.5～2m。这两个泄洪建筑物的共同特点是，断面尺寸大，流速高达40m/s以上，从水力学角度和许多工程的运行经验来看，这样大的流速，水道表面容易发生空化和空蚀破坏。考虑到与两个泄水建筑物相接的围岩又很差，一旦发生破坏，后果将极为严重，为提高工程安全度，经试验研究后选择了抗磨抗空蚀性能和抗裂性能好且施工简单的C50HF高强耐磨粉煤灰混凝土作为护面材料，经三个讯期的过水考验，使用效果良好，达到了显著提高抗冲耐磨性能又保证混凝土不产生裂缝的目的。
2 设计要求与抗冲磨混凝土品种的选择：
　　使用C50硅粉混凝土或抗磨抗空蚀性能与硅粉混凝土相当的HF混凝土，采用泵送浇筑，二级配混凝土塌落度为16~18cm，混凝土的抗空蚀性能和抗磨性能要比原设计的普通C30混凝土的抗磨抗空蚀性能有显著的提高，同时要抗裂性要求。由于泄洪洞和溢洪洞结构尺寸较大，混凝土衬砌厚度达1.5～2m，已属大体积混凝土，为避免温度裂缝的产生，要求进行温度控制，但该工程施工工期紧，既不能避开高温季节浇筑混凝土，又无温控设施以控制入仓温度，而洞内必须采用泵送浇筑施工，又使混凝土的水泥用量较常态普通混凝土提高30%以上，该工程原浇筑的C30普通混凝土，其水泥用量已达360kg/m3，在这种情况下，浇筑C50高强度混凝土，要控制水泥用量以达到控制裂缝的目的，其难度将是很大的。因此，抗裂性能成为选择抗冲耐磨护面材料的重要参数。硅粉混凝土是一种抗冲耐磨性能好的护面材料，但硅粉混凝土易于产生裂缝的缺点也是众所周知的，采用硅粉混凝土是不可行的。
　　HF高强耐磨粉煤灰混凝土简称HF混凝土，是继硅粉混凝土之后开发出的新型抗冲耐磨材
　　作者简介：支拴喜 高级工程师，西安理工大学在读博士，甘肃省优秀专家。
　　作者单位：支拴喜（甘肃电力科学研究院，13909480308）
　　陈尧隆（西安理工大学水利水电学院,西安,710048）
　　料，是由优质粉煤灰与HF外加剂按一定的比例一同（代替硅粉）掺入普通混凝土中配制的抗冲耐磨混凝土。该具有优良的抗冲耐磨性能和抗空蚀性能，并且具有干缩性小，水化热温升小，施工简单易行，造价低廉等许多优点，推广应用近60个水电工程经12年的运行考验，证明该材料除具有良好的抗冲耐磨性能，尤其在抗裂方面具有不俗的表现，在工程应用中很少出现裂缝。因此，本工程选用了HF混凝土作为泄水建筑物的护面材料。
3HF混凝土的性能简介
　　3.1 HF混凝土具有优良的抗磨抗空蚀性能
　　3.1.1掺用硅粉和掺用粉煤灰来提高混凝土的抗冲耐磨性能和抗空蚀破坏性能，从机理上来讲是相同的，因为二者都是发挥高活性掺合料的作用，使混凝土的结构致密，硬度和强度增加，只是粉煤灰本身的活性远不如硅粉，在HF高强耐磨粉煤灰混凝土中，借助HF外加剂的激发作用，粉煤灰可以达到或接近硅粉的活性，发挥出与硅粉相当的作用，使高强耐磨粉煤灰混凝土比硅粉混凝土具相当的技术性能。

编号	水灰比	灰砂比	硅粉	粉煤灰	HF	稠度	抗压强度(MPa)	抗磨强度h.m2/kg	空蚀失重（mg）
%	%	%	cm	7d	28d	28d	90d	90d
S15	0.3	2	15	0	2.5	2.2	69.5	89.2	2.71	3.17	166.9
S17	0.3	2	7.5	7.5	2.5	2.4	66.5	89.9	//	//	//
S26	0.3	2	0	15	2.5	3.0	61.9	89.9	2.38	3.18	144.8

　　表1中列出了几种砂浆的试验结果，比较表中的三个配合比，可以看出，掺15%硅粉的砂浆，与掺7.5%硅粉又掺7.5%粉煤灰的砂浆以及不掺硅粉全掺15%粉煤灰的砂浆，三种砂浆除7天强度随硅粉掺量的增加有所增加外，28天强度并没有多大的差异，说明在HF外加剂的作用下，掺优质粉煤灰即可达到掺硅粉一样的强度，换句话说，HF粉煤灰砂浆可以达到硅粉砂浆的强度。对比抗磨强度和抗空蚀性能，HF砂浆的抗空蚀性能还稍优于硅粉砂浆，HF粉煤灰砂浆28天的抗磨强度稍低，而90天的抗磨强度又高于硅粉砂浆的抗磨强度。
　　3.1.2按水工设计规范，为减免空蚀，过水表面混凝土必须达到规定的平整度要求。由于HF 混凝土具有良好的和易性，施工中易于达到设计要求的表面平度。
　　3.1.3 HF混凝土优良的抗裂性能，使HF混凝土的整体性能提高，内部缺陷减少，从而也提高了其抗磨抗空蚀性能和抗高速水流冲刷破坏的性能。
　　3.2 HF混凝土的抗裂性
　　3.2.1HF混凝土具有较低的水泥用量，水化热温升小，不容易产生温度裂缝[2]。HF混凝土较同标号的普通基准混凝土比较，其水泥用量约可减少20～35%，显著的降低了混凝土中的发热成分，使混凝土的绝热温升大大降低。与硅粉混凝土比较，HF混凝土七天强度较低，意味着有较低的水化速度，这也有利于混凝土的温度控制。
　　3.2.2 HF混凝土塑性干缩性小。混凝土泌水速度越小，塑性干缩越严重。HF混凝土的泌水性能介于硅粉混凝土与普通混凝土之间，既克服了硅粉混凝土几乎不泌水易于产生早期塑性干缩裂缝的缺点，又克服了普通混凝土泌水率大易形成面层低强度的缺点。
　　3.2.3 HF混凝土干缩性小。HF混凝土干缩率约为普通混凝土干缩率的95% [3]，降低约5%。
　　3.2.4 HF混凝土均匀性好，不易出现低强薄弱区，低强薄弱区容易出现裂缝。HF混凝土施工质量易于控制，使混凝土的强度波动变异系数减小。
　　3.2.5 与硅粉混凝土比较HF混凝土具有较高的拉压比，见表2。

编号	混凝土名称	掺合料	水胶比	塌落度	含气	抗压强度	劈拉强度	拉压比
粉煤灰	硅粉	纤维	cm	%	7	28	7d	28d	7d	28d
JH2P-HF	HF混凝土	15%	0	0	0.32	5	2.2	40.1	50.3	2.42	3.23	6.03	6.42
JH3P-S-ZY	硅粉纤维混凝土	10%	8%	0.9kg	0.32	6.8	2.6	41.6	47.2	2.58	2.87	6.2	6.08

4 金盆水库HF混凝土配合比试验
　　4.1试验用原材料
　　4.1.1水泥和粉煤灰：采用耀县水泥厂生产的秦岭牌P.O42.5散装普通硅酸盐水泥，水泥的28d抗压强度为42.5MPa，强度基本满足标准要求。使用渭河电厂Ⅱ级粉煤灰。
　　4.1.2外加剂及骨料：普通混凝土使用CR型缓凝减水剂和CS型引气剂，硅粉混凝土使用UNF-5高效减水剂，HF混凝土使用HF外加剂。骨料（略）。
　　4.2 配合比及试验结果
　　由于送样粗砂（青砂F.M=2.86）数量不足，仅成型了3个二级配高强混凝土配合比（H7~H9），其中H9为硅粉混凝土，硅粉掺量为12%，H7、H8为HF混凝土。
　　由混凝土拌合看，硅粉混凝土粘性很大，尽管用水量较HF混凝土多10kg/m3，但塌落度仅为10cm。这主要是因硅粉颗粒很细，比表面积大，对水的吸附力很强所致，而HF混凝土的塌落度均在16~22cm之间；并且HF混凝土粘聚性好，流动性大，适宜于泵送浇筑。




　　从表3可以看出，硅粉混凝土7天强度及28天强度较HF混凝土明显的高，28天后硅粉混凝土强度发展较慢，而HF混凝土的强度仍有较大的增长，至60天龄期，HF混凝土与硅粉混凝土强度几乎相当。由发展趋势估计，后期HF混凝土的强度可能超过硅粉混凝土。
5 金盆水库HF混凝土的抗空蚀性能及抗磨性能试验
　　为了验证C50HF混凝土较原设计的普通C30混凝土在抗冲磨抗空蚀方面有显著的提高，或者说验证掺用HF外加剂激发优质粉煤灰的活性，可以达到类似于混凝土中掺硅粉一样大幅度提高混凝土的抗冲磨性能的效果，在工程中大量浇筑C50HF混凝土之前，工程业主要求在小范围内进行现场实际施工浇筑，观察HF混凝土的实际抗裂效果和施工性能，并委托西北水科所进行现场随机取样，对取样进行高速水流的空蚀与磨损对比试验[1]。
　　进行抗空蚀抗冲磨对比试验的两种混凝土配合比如表4所示。试验用的试块为圆弧形的，其中C50 HF混凝土的试件是在现场取样的，C30普通混凝土的试件是按黑河原泄洪洞的施工配合比（见表4）在室内成型的。

设计等级	单方混凝土各材料用量（kg/m3）	陷度	抗压强度（MPa）
水	水泥	砂	小石	中石	粉煤灰	外加剂	引气	7d	14d	28d
C30	144	360	686	610	610	//	1.8 CR	0.036	14	22.2	28.1	31.3
C50	145	402	555	475	712	98	10 HF		14	39.6	52.7	64.4

　　试验模拟试块在不同的流速和含沙量的条件下，受含沙高速水流的磨损和空蚀作用下的蚀损过程和两种材料的空蚀损失和磨蚀损失。试验的流速和含沙量分别为含沙量为P=0 (清水)、P＝0.5kg/m3、P＝30 kg/m3，及三个流速V＝32m／s、V＝25m/s、V＝20 m／s，组合工况下的两种混凝土对比冲磨试验。
　　空蚀试验的含沙量分别为清水和含沙 0.5kg／m3两种工况，进行空蚀试验的设备发生空蚀时对应的流速为26 m/s。部分试验结果见表5。

试验条件	破坏类型	抗空蚀或抗磨强度相对倍数
流速	含沙量kg／m3	C50 HF混凝土	C30 普通混凝土
V＝32 m／s	30	磨损	1.81	1
V＝26 m／s	0	空蚀	3.02	1

　　对比表4两个混凝土配合比及表5中的试验结果不难看出，C50 HF高强耐磨粉煤灰混凝土较原C30普通混凝土水泥用量仅增加11.7%，而抗压强度为C30普通混凝土的2.1倍，抗磨强度为C30普通混凝土的1.81倍，抗空蚀强度为C30普通混凝土的3.02倍，并且随流速的提高，抗空蚀倍数有增大的趋向。西北水科所认为“HF混凝土抗冲磨性能显著提高了，且随流速的增大，有加大的趋势，这一点也说明了C50HF混凝土在更恶劣的条件下，其抵抗外界冲磨破坏的能力较C30普通混凝土强”。这种掺用粉煤灰和HF外加剂显著提高混凝土抗压强度和抗磨抗空蚀强度的效果，与掺硅粉提高混凝土抗冲耐磨性能效果是一致的。
6 应用效果及经济比较
　　C50HF混凝土自1999年11月开始浇筑施工，至2002年12月全部结束，历时3年，期间最高气温达33 OC，最低气温-15 OC，全部采用泵送浇筑。从使用过程看，C50 HF混凝土易于泵送施工，和易性好，不易发生堵管现象，表现出了HF混凝土较好的施工性能。
　　施工后检查，泄洪洞和溢洪洞混凝土表面光滑，无干缩裂缝和温度裂缝，达到了设计提出的抗裂要求。
　　2002年汛期泄洪洞开始泄洪，2003年最大来水1110m3/s，泄洪洞最大泄水流量790 m3/s，库水位控制在581.3m的高水位，泄水流速约38.3m/s，连续泄水一个多月。 2004年泄洪洞在水位590m高程泄水，对应流速40.7m/s，泄水历时5小时，经三个汛期运行考验HF混凝土完好无损。而改变设计之前浇筑的C30普通混凝土在2002年泄洪洞初次过水中即遭破坏，破坏面积达20多平方米，最大冲坑10cm，汛后采用环氧砂浆进行了修复。
　　HF混凝土比使用硅粉混凝土，每m3可降低造价48元／m3（硅粉按2500元/吨计算），同时，HF混凝土施工工艺简单，利于控制质量和加快工程进度，经济效益显著。
7 结语
　　7.1金盆水库泄洪洞C50 HF高强耐磨粉煤灰混凝土较原C30普通混凝土水泥用量仅增加11.7%，而抗压强度为C30普通混凝土的2.1倍，抗高速水流的空蚀试验和抗高速含沙水流的磨损试验结果表明，抗磨强度为C30普通混凝土的1.8倍，抗空蚀强度为C30普通混凝土的3倍，并且随水流流速的提高，抗空蚀倍数有增大的趋向，说明C50 HF混凝土更宜于在更恶劣（流速更高、含沙量更大）的条件下使用。
　　7.2 C50HF混凝土施工简单，质量易于控制，浇筑好的混凝土表面光滑平整，在浇筑块尺寸大且无温控措施的情况下无裂缝产生，表明HF混凝土具有良好的施工性能和抗裂性能。
　　7.3该工程设计最大流速41.6m/s，经过三个汛期最大40.7m/s流速的过水考验, HF混凝土未发生破坏，说明HF混凝土在该工程的应用是成功的。
参考文选
　　1 HF粉煤灰混凝土与普通混凝土抗冲耐磨性能试验研究 韩苏建 程哲 西北水资源与水工程-2003.14
　　2 HF高强耐磨粉煤灰混凝土在黄河大峡水电站工程的应用 高小玲 马向丕 陕西水力发电-1997.13
　　3 抗冲耐磨粉煤灰混凝土的研究和在工程中的应用《水利水电技术》1996.7 支拴喜 贺科治