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1、三峡坝后电站工程混凝土试验与质量控制三峡坝后电站工程混凝土试验与质量控制（中国电建 水电八局科研设计院 龚建辉）1. 概述概述三峡水利枢纽水电站为两组坝后式厂房，包括 26 台机组和 6 个安装间，混凝土工程总量达 345 万立方米。厂房混凝土包括常规混凝土和特种混凝土，常规混凝土包括大体积混凝土、结构混凝土、预制混凝土，特种混凝土包括泵送混凝土、钢纤维混凝土、自密实混凝土。混凝土采用的花岗岩人工骨料，具有强度高、碱活性低、弹模小的优点，但用水量比较高。通过使用级粉煤灰为掺和料、高效减水剂与引气剂联掺、采取缩小水胶比增加粉煤灰掺量的技术路线，降低了混凝土单位用水量，提高了混凝土中水泥的功能因素
2、，配制出了高性能混凝土。在混凝土生产过程中，通过制定切实可行的质量控制与检验制度，从原材料进场质量抓起，严格各工序质量检测与控制，使混凝土生产过程自始至终都处在受控状态，混凝土生产质量达到了前所未有的高水平。1.1 电站厂房混凝土特点水工建筑物体积庞大，相应的混凝土块体尺寸也较大，根据日本建筑学会标准的定义“结构断面尺寸在 80cm 以上，同时水化热引起的混凝土内部最高温度与外界气温之差预计超过 25的混凝土称之为大体积混凝土” ，厂房混凝土绝大部分属于大体积混凝土。大体积水工混凝土在满足设计强度要求的同时还需考虑低热性、耐久性、施工性能及综合成本等。低热性就是尽可能减少水泥用量，降低水化热温
3、升，从而减小混凝土块体内外温差，减少由温度变形引起的裂缝；水工混凝土长期暴露，与环境水、空气接触形成各式各样的侵蚀与冲刷，耐久性也是水工混凝土设计考虑的重点，包括抗渗性、抗冻性、抗冲耐磨性、抗气蚀性、抗侵蚀性、碱集料反应和碳化；施工性能指混凝土拌和物须满足施工要求的和易性和易密实性。三峡工程电站厂房混凝土种类繁多。包括低塑性混凝土、塑性混凝土、高流态混凝土、高流态自密实混凝土、钢纤维混凝土、常温混凝土和低温混凝土等。强度等级覆盖广。包括 C9020、C20、C25、C30、C35 等。耐久性要求高。耐久性是混凝土经久耐用性能的统称，主要考查混凝土的抵抗压力水的渗透性能、水饱和状态下抗冻融循环破
4、坏能力、抵抗高速水流冲刷能力、抗化学侵蚀能力，目前通用的评价指标为抗冻抗渗等级。三峡电站厂房除机组段及尾水渠填塘混凝土、尾水渠护底护坡、厂坝平台、厂前区护坡为 F150W8外其余混凝土均为 F250W10。抗裂要求高。C20 混凝土 28 天龄期极限拉伸值不得低于 0.810-4，C25、C30 混凝土 28 天龄期极限拉伸值不得低于 0.8510-4。裂缝的产生主要是由于混凝土的收缩变形受到约束，其拉应力超过混凝土的抗拉强度或拉应变超过混凝土的极限拉伸值所引起的，从材料的角度引起混凝土变形而导致裂缝的因素大体有：化学减缩、不均匀膨胀、碱集料反应、外加剂、掺和料、混凝土的不均匀性及混凝土不密实
5、等。配合比设计时必须充分考虑各种不利因素，科学地选择原材料，合理确定配合比，提高混凝土抗裂性能。电站厂房建筑物还具有复杂的结构，密集的钢筋，这些特点要求混凝土具有良好的工作性、易密实性。三峡工程具有巨大的防洪、发电、航运、供水、养殖效益的同时，其作为空前的人文景观也具有巨大的旅游观光价值。电站厂房外墙面是不装修的清水混凝土墙，外观有较高的质量要求，混凝土表面必须光滑平整气泡小而且少，模板接缝线平直，混凝土浇筑坯层间没有明显痕迹。1.2 主要设计指标电站厂房混凝土主要设计指标如表 1-1、表 1-2。表 1-1 三峡二期工程电站厂房混凝土主要设计指标极限拉伸值 （10-4）序号强度 等级级配抗冻
6、标 号抗渗 标号抗冲 磨28d90d限制最 大水胶 比使用部位1C9020三、 四F150W80.80.850.5514#机组段及尾水渠回填2C9020三F250W100.80.55尾水渠护坡护底、厂坝平 台、厂前区护坡3C25二、 三F250W80.850.55厂房水下内部大体积结构 砼、二期砼4C25二、 三F250W100.850.5厂房水下或水位变化区外 部砼5C25二F250W80.850.5厂房水上结构、板梁柱砼6C30二、 三F250W100.850.5尾水管出口护底、结构砼7C35二F250W100.55预制砼8C35二F250W100.42尾水管过流面9C40二F250W10
7、0.38排砂孔出口抗冲磨部位10C40一F250W100.4门机、桥机轨道表 1-2 三峡三期工程电站厂房混凝土主要设计指标极限拉伸值 （10-4）序 号强度 等级级配抗冻标 号抗渗 标号抗冲 磨 28d90d 限制最 大水胶 比使用部位1C25三、 四F250W100.55尾水渠护坡护底、厂坝平 台、厂前区护坡2C25二、 三F250W80.850.55水下内部大体积混凝土、 二期混凝土3C25二、 三F250W100.850.45水下或水位变化区混凝土、 门槽二期混凝土4C25二F250W80.850.50水上结构混凝土5C30二、 三F250W100.850.40尾水管出口护底、结构砼6
8、C35二F250W100.50预制混凝土7C35二F250W100.40尾水管抗冲磨混凝土8C40二F250W100.35排砂孔出口抗冲磨混凝土9C20三F150W84#排砂孔段填塘混凝土10C20三F250W8支护工程 1.3 试验与质量管理主要内容宜昌三峡工程建设三七八联营总公司试验室承担了三峡工程电站厂房三七八联营总公司承建工程项目所涉及的原材料品质检测及质量评价，负责混凝土、浆材、修补材料的配合比设计与优化、调整，负责混凝土生产质量控制，编制原材料检测、混凝土生产质量控制月报、年报。2. 水泥水泥2.1 概况水泥是混凝土的最主要组成材料，混凝土的性能很大程度上取决于水泥的性能，水泥与水
9、拌和形成水泥浆，包裹混凝土骨料并填充其空隙，在新拌混凝土拌和物中，水泥浆起润滑粘结作用，赋予混凝土一定的流动性，水泥浆硬化后，则将粗骨料粘结成具有一定强度和耐久性的整体。(1)三峡工程混凝土用水泥特点低热性混凝土中水泥水化会放出热量，使得混凝土内部温度升高，由于混凝土是热的不良导体，加上水工建筑物混凝土块体一般体积庞大，内部热量不容易散发，致使混凝土块体内外温差较大，尤其环境温度较低或骤降时，内外温差更显著。当温差引起的拉应力超过混凝土的抗拉强度或拉应变超过混凝土的极限拉伸值，混凝土就会产生裂缝，影响其整体性与耐久性，严重的会导致混凝土建筑物破坏。限制水泥水化的发热量，降低混凝土绝热温升，是减
10、少温度裂缝的最直接办法。三峡工程使用的水泥有比国家标准更严格的水化热要求，中热水泥 3d 水化热不得超过 251kJ/kg；7d 水化热不得超过 293kJ/kg。微膨胀性 随着混凝土的硬化、干燥与内部温度的降低，混凝土会出现体积收缩。由于受到基础或周边老混凝土的约束，会使混凝土出现拉应力。具有微膨胀性质的水泥也会使混凝土具有微膨胀性，混凝土的体积微膨胀在周边条件的约束下会在内部产生一定的预压应力，从而补偿或减少体积收缩产生的拉应力和体积变形量，有利于减少或避免混凝土开裂。水泥中的膨胀源是水泥熟料中适量的氧化镁或外掺轻烧氧化镁中的游离方镁石晶体。三峡工程使用的水泥中 MgO 含量控制在国家标准
11、要求的上限值，为了充分利用 MgO 的微胀性三峡工程用水泥对 MgO 含量的下限值也作了要求，MgO 含量要求在 3.5%5.0%。 耐久性 影响混凝土耐久性的不利因素主要有物理破坏、化学侵蚀和碱集料反应，物理破坏有冻融破坏、含砂水冲磨等，化学侵蚀主要有溶出性侵蚀、碳酸盐侵蚀、硫酸盐侵蚀等。针对混凝土建筑物所处的不同环境及骨料特性，选择合适的水泥品种是提高混凝土耐久性的有效途径。抗冻抗冲磨要求较高的混凝土通常选用中热水泥、硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥，骨料活性较高时一般选用低碱水泥。三峡工程利用二期工程基坑开挖的闪云斜长花岗岩及下岸溪料场的斑状花岗岩制成的骨料经检验均属非活性骨料，但鉴于目前对碱
12、骨料反应认识的局限性，及从工程安全和耐久性方面的考虑，三峡工程所用的水泥仍严格控制了碱含量，低热、中热水泥碱含量均不大于 0.6%。 其他性能要求 a)凝结时间 为满足施工要求，水泥必须有合适的凝结时间，中热水泥初凝时间不得早于45 分钟，终凝时间不得迟于 12 小时。b) 细度GB2001989 规定 0.08mm 方孔筛筛余量不超过 12%，GB2002003 改用比表面积表示细度后规定比表面积不低于 250m2/kg。水泥越细水化速度越快，早期强度越高，早期发热也越多，不利于大体积混凝土的温控。因此三峡工程标准 TGPS（一）-1998 推荐 0.08mm 方孔筛筛余量宜在 3%6%，T
13、GPST（一）-2004 推荐比表面积宜控制在 250m2/kg300m2/kg。c)SO3含量水泥中 SO3主要是由起调节凝结时间作用而加入的石膏引入的，当石膏掺量超过一定量后则会破坏水泥石结构，影响水泥强度、安定性等。水泥中 SO3含量不超过 3.5%。三峡工程在施工过程中发现当 SO3含量2.26%时，混凝土凝结时间都明显延长，因此在 TGPST（一）-2004 中规定 SO3含量应控制在 1.4%2.2%，以防止发生凝结异常现象。d)安定性安定性是指水泥在硬化过程中体积变化是否均匀。体积安定性不良会导致早期硬化的水泥石破坏从而影响混凝土建筑物的安全。水泥安定性经检验必须合格后才能使用。
14、e)强度一定龄期的水泥强度反应其水泥石的力学性能及与骨料的胶结能力，水泥强度是影响混凝土强度的关键因素之一。不满足强度要求的水泥即为不合格水泥，三峡工程标准 TGPST(一)-2004 提出了水泥比表面积宜控制在250m2/kg300m2/kg，水泥比较粗，可能导致 3d 强度达不到要求，因此在TGPST(一)-2004 中不把水泥 3d 强度作为判定水泥是否合格的依据。f)水泥温度为了保证三峡工程低温混凝土的生产质量，TGPST(一)-2004 对散装水泥运至工地的入罐温度作了不超过 65的规定。2003 年 5 月 22 日中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局发布了“中热硅酸盐水泥、低热
15、硅酸盐水泥、低热矿渣硅酸盐水泥”国家标准 GB2002003 代替 GB2001989，新标准从 2004 年 1 月 1 日起实施。试验方法与控制标准同期按新标准要求执行。水泥品质检验依据水泥品质检验包括物理检验和化学检验，物理试验项目主要有：细度（比表面积） 、标准稠度、凝结时间、安定性及强度等，试验分别按水泥标准稠度用水量、凝结时间、安定性检验方法 （GB/T1346-1989、GB/T1346-2001） 、 水泥压蒸安定性试验方法 （GB/T750-1992） 、 水泥细度检验方法 （GB/T1345-1991） 、水泥比表面积测定方法 （GB/T8074-1991） 、 水泥胶砂强
16、度检验方法（GB/T177-1985、GB/T17671-1999）等试验；水泥化学试验项目主要有：烧失量、碱含量、SO3、K2O、Na2O、MgO 等，试验按水泥化学分析方法 （GB/T176-1996）规定方法试验。主要水泥供应厂家三峡工程电站厂房建设工期长工程量巨大，先后使用了多家水泥厂的多种类水泥。主要有葛洲坝股份有限公司水泥厂(简称葛洲坝水泥厂)生产的“三峡”牌525 中热硅酸盐水泥（简称三峡 525 中热水泥） ，华新水泥股份有限公司（简称华新水泥厂）生产的“华新”牌 525 中热硅酸盐水泥（简称华新 525 中热水泥）和湖南石门特种水泥股份有限公司（简称石门水泥厂）生产“坝道”牌 525 中热硅酸盐水泥（简称石门 525 中热水泥） 。2004 年 1 月 1 日后随着国家标准 GB2002003 的实施，525 中热水泥改称为 42.5 中热水泥。葛洲坝水泥厂位于湖北省荆门市，葛洲坝水泥厂生产的中热水泥和低热矿渣水泥长期以来供应各大水利水电工程
