高寒高纬度复杂条件下高混凝土拱坝筑坝材料选择

2021年第40卷第1期·DWRHE水利水电工程设计
高寒高纬度复杂条件下
高混凝土拱坝筑坝材料选择
张秀崧李海涛高强
摘要在高寒高纬度复杂条件下修建高混凝土拱坝，对混凝土材料的综合性能提出了更高要求，特别是在混凝土骨料线膨胀系数大、粉煤灰高钙、水泥低镁等不利条件下，通过对筑坝原材料的合理选择，优化混凝土配合比，以提高混凝土的高强高抗裂性能。

研究成果为今后类似工程提供了更多有益的参考和借鉴。

关键词高寒高纬度高强抗裂自身体积变形
中图分类号TV4文献标识码B文章编号1007-6980（2021）01-0001-03
作为清洁可再生资源，水资源的开发利用得到了世界各国的高度重视。

随着我国经济的飞速发展，保障水资源安全及开发利用的重点向青藏高原及西北高寒高纬度地区倾斜，从而带动西部经济的发展。

高寒高纬度复杂气候条件下修筑高混凝土拱坝，在我们国内尚无先例，高拱坝混凝土抗裂特性，对混凝土大坝的筑坝材料、筑坝技术、温度控制和施工方法提出了更高的要求。

特别是高强、高耐久性、高极限拉伸、低热、低弹、低自身体积变形混凝土配制，需结合工程实际做进一步精细研究。

1工程概况
某工程拦河坝为混凝土抛物线双曲拱坝，坝高240m，总库容为17.49亿m³，总装机670MW，为大（1）型水利水电工程。

坝顶全长790.5m，弧高比3.294，坝顶中心角94.04°，最大中心角94.04°，坝顶宽14m，最大坝高处坝底厚65.0m，厚高比0.271。

工程位于北纬48°区，气候干燥，多季风，紫外线辐射强。

夏季干热，冬季严寒，降水量小，蒸发量大，昼夜温差大，气温年变幅悬殊。

工程区多年平均气温为2.8℃，最冷月均气温-17.3℃。

最高36.6℃、最低-45℃、极端温差81.6℃，日温差大于20℃的超过120d。

据工程经验，海拔高度每上升100m，年均温降低0.57℃，纬度每升高1°，年均温降低0.63℃。

考虑到坝址处海拔高程比水文站高130m，现场温度比水文站实测气温更低，气象条件更为恶劣。

高纬度高寒地区的特高拱坝，除具有特高混凝土坝的一般特点外，叠加复杂的气候条件，对坝体混凝土强度、抗裂性能提出了更高的要求。

2天然建筑材料
工程区岩体以震旦－寒武系黑云母石英片岩、二云母石英片岩及华力西中期侵入的黑云母花岗岩为主，区段天然砂砾石料储量不丰且开采条件不良，具有碱活性。

黑云母石英片岩，岩石坚硬，破碎后可以作为混凝土粗骨料，因部分样品具有碱活性反应，需采取相应的抑制措施；同时岩石中云母含量高达20%~40%且有片理发育，作为混凝土细骨料料源，存在云母含量和片状颗粒含量偏高的质量缺陷。

坝址下游约4.5km有华力西晚期侵入的黑云母二长花岗岩，岩质坚硬。

且距坝址
80km外才有灰岩骨料分布。

综合分析确定，采用黑云母二长花岗岩人工骨料场作为天然混凝土骨料料源。

受骨料基本特性的影响，不同岩性骨料混凝土线膨胀系数不一。

线膨胀系数越大，混凝土的温度变形越大，其抗裂性越不利。

本工程混凝土线膨胀系数为9.3×10-6K-1，在同岩性骨料工程中也属偏大，在温度荷载占主导因素的本工程，对混凝土防裂极为不利，需采取相应的措施提高混凝土的抗裂能力。

不同岩性骨料的混凝土线膨胀系数见表1。

表1不同岩性骨料的混凝土线膨胀系数×10-6K-1岩性骨料
砾岩
花岗岩
流纹岩
正长岩
线膨胀系数
8.5~10
8~10
8.7~9.5
7.0~7.3
岩性骨料
砂岩
花岗片麻岩
玄武岩
石灰岩
线膨胀系数
8~10
7.1~10
6.9~8.5
4~8
·
·1
水利水电工程设计DWRHE·2021年第40卷第1期国内已建在建工程不同岩性骨料的混凝土线膨
胀系数见表2。

表2已建在建工程岩性骨料的混凝土线膨胀系数×10-6K-1
工程名称
五强溪（石英岩）三峡（花岗岩）小湾（花岗岩）大岗山（花岗岩）杨房沟（花岗岩）线膨胀系数
10
8.8
8.4
8.5
8.1
工程名称
向家坝（砂岩）
向家坝（灰岩）
龙滩（灰岩）
白鹤滩（灰岩）
本工程（花岗岩）
线膨胀系数
10.28
5.46
4.62
5.1
9.3
3粉煤灰优选
受当地煤炭资源品质的影响，工程区附近粉煤灰厂家所产粉煤灰普遍存在高碱、高钙等现象。

掺本地区粉煤灰与西南地区粉煤灰的混凝土自生体积收缩变形比对试验结果表明，365d的自生体积变形分别为-218.2×10-6和-96.0×10-6，掺本地区粉煤灰混凝土自生体积变形值远大于西南地区。

粉煤灰中碱含量、氧化钙含量对混凝土自生体积变形具有重要影响。

对位于工程坝址1000km范围内的16个粉煤灰商贸公司（电厂）的粉煤灰样品的碱含量、氧化钙含量等关键性能的检测。

粉煤灰的碱含量在2.51%~5.10%，低于3.0%的粉煤灰供应商仅有2家。

粉煤灰的CaO含量在5.3%~18.05%，低于10%的粉煤灰供应商只有5家。

综合考虑粉煤灰的供应能力和关键性能检测结果，选用六家单位供应的粉煤灰样品（相对低碱、低钙）进行混凝土自生体积变形试验，优选混凝土自生体积变形值最小值为采用粉煤灰供应商。

4水泥改性
工程区附近有两家水泥厂生产的42.5低热硅酸盐水泥，分别为BEJ水泥和HBH水泥，首批水泥的化学成分、矿物组成检测结果见表3、4。

表3水泥化学成分%
水泥品种BEJ HBH GB200—2017SiO2
23.11
22.75
—
Al2O3
3.99
3.30
—
Fe2O3
5.46
4.92
—
CaO
61.72
61.02
—
MgO
1.38
3.06
≤5.0
SO3
1.96
1.99
≤3.5
K2O
0.48
0.53
—
Na2O
0.20
0.08
—
R2O
0.52
0.43
—
f-CaO
0.28
0.33
—
损失
1.22
1.44
≤3.0
表4水泥矿物组成计算结果%
水泥品种BEJ HBH GB200—2017C3S
35.4
40.6
—
C2S
39.8
34.9
≥40.0
C3A
1.3
0.4
≤6.0
C4AF
16.6
15.0
—
两种水泥180d设计龄期的混凝土自生体积变形收缩量在-113×10-6~-159×10-6，与国内类似工程混凝土相比，收缩量明显偏大，对混凝土抗裂性极为不利，必须对混凝土材料的性能进行改善，降低混凝土自生体积变形收缩量，提高混凝土的抗裂性能。

为改善混凝土的自生体积变形，对两种水泥进行改性，采用内掺MgO技术，适当提高水泥中对变形性能起作用的MgO含量。

改性后水泥的化学成分、矿物组成检测结果见表5、6。

表5水泥化学成分%
水泥品种BEJ-G HBH-G GB200-2017SiO2
22.96
22.53
—
Al2O3
3.53
3.85
—
Fe2O3
5.54
4.66
—
CaO
59.96
59.98
—
MgO
4.08
4.16
≤5.0
SO3
1.92
2.06
≤3.5
K2O
0.27
0.44
—
Na2O
0.14
0.12
—
R2O
0.31
0.41
—
f-CaO
0.29
0.31
—
损失
1.15
1.70
≤3.0
表6水泥矿物组成计算结果%
水泥品种BEJ-G HBH-G GB200-2017
矿物组成
C3S
32.4
34.5
—
C2S
41.6
38.8
≥40.0
C3A
0.0
2.3
≤6.0
C4AF
16.8
14.2
—
两种改性水泥180d龄期自生体积变形值分别为-79.7×10-6和-99.7×10-6。

内掺MgO，极大地改善了混凝土自生体积变形收缩量。

5混凝土性能试验
5.1混凝土配合比
通过对筑坝材料的优选，推荐混凝土的配合比见表7。

混凝土的单位用水量（82～83kg/m3）和胶凝材料用量（182.3～207.6kg/m3）较低，拌和物性能良好，满足设计和施工要求。

··2
张秀崧等·高寒高纬度复杂条件下高混凝土拱坝筑坝材料选择表7混凝土性能试验配合比
设计指
标
C18030W 12F300 C18040W 12F300
水
胶
比
0.45
0.40
FA/%
30
30
砂
率/
%
23
22
剂
0.6
0.6
剂
0.016
0.015
1m3混凝土材料用量/
82
83
127.6
145.3
FA
54.7
62.3
498
471
1691
1692
5.2混凝土力学性能
5.2.1抗压强度
混凝土抗压强度试验结果见表8。

表8混凝土抗压强度试验结果
强度等级C18030 C18040水胶
比
0.45
0.40
FA/%
30%
7d
10.8
13.9
28d
28.8
31.3
90d
47.5
51.3
180d
54.5
56.2
7d
38
44
28d
100
100
90d
165
164
180d
189
180
5.2.2抗拉强度
混凝土劈裂抗拉强度和强度增长率见表9，轴向抗拉强度和强度增长率见表10。

表9混凝土劈裂抗拉强度试验结果
强度等级等级C18030 C180407d
0.87
1.10
28d
1.79
2.29
90d
2.64
3.13
180d
2.90
3.19
7d
49
48
28d
100
100
90d
147
137
180d
162
139表10混凝土轴向抗拉强度试验结果
强度等级等级C18030
C18040
轴向抗拉强度/MPa
7d
1.35
1.59
28d
1.93
2.14
90d
2.76
2.96
180d
3.07
3.27
轴向抗拉拉强度增长率/%
7d
70
74
28d
100
100
90d
143
138
180d
159
153
混凝土具有较高的力学性能。

180d龄期时，抗压强度在54.5～56.2MPa，满足设计龄期配制强度要求；劈拉强度在2.90～3.19MPa，轴拉强度在
3.07～3.27MPa。

由于受最大水胶比的限制，混凝土抗压强度具有较大的富裕度。

5.3混凝土变形性能
5.3.1极限拉伸
极限拉伸变形是混凝土轴向受拉断裂时的应变值，是评价混凝土抗裂能力的一个重要指标。

混凝土极限拉伸值及增长率见表11，与其它工程相比，混凝土的极限拉伸值较高，实现了“高极拉”的试验目标。

表11混凝土极限拉伸值及增长率
强度等级等级C18030 C18040
-6
7d
109
115
28d
125
132
90d
163
169
180d
166
168
7d
87
87
28d
100
100
90d
130
128
180d
133
127
5.3.2弹性模量
混凝土弹性模量试验结果见表12。

从抗压弹
性模量试验结果看，混凝土的弹性模量与其它工
程相比偏低，达到了“低弹”效果。

7d抗压弹性
模量在12.0～12.4GPa之间，28d抗压弹性模量在
16.9～18.5GPa之间，90d抗压弹性模量在22.3～
24.1GPa之间，180d抗压弹性模量在24.4～25.9
GPa，且各龄期混凝土的轴向抗拉弹性模量均大于
抗压弹性模量。

表12混凝土弹性模量试验结果GPa
强度等级
等级
C18030
C18040
7d
12.0
12.4
28d
16.9
18.5
90d
22.3
24.1
180d
24.4
25.9
7d
14.8
16.0
28d
20.5
22.8
90d
27.7
28.3
180d
29.9
30.1
5.3.3自身体积变形
混凝土的自生体积变形影响混凝土的抗裂性
能。

改性后的混凝土自生体积变形试验结果见表
13。

混凝土自身体积变形有了很大改善，结合全
级配混凝土试验，将进一步优化。

表13混凝土自生体积变形试验结果×10-6
强度等级
等级
C18030
C18040
自生体积变形
1d
-0.3
1.1
3d
1.2
1.6
5d
2.8
2.0
7d
3.0
0.1
15d
-3.4
-15.6
28d
-26.4
-46.3
90d
-57.6
-83.3
180d
-69.7
-99.7
6结语
在高寒高纬度复杂条件下修建高混凝土拱坝，
对混凝土材料的综合性能提出了更高要求，在国
内尚无先例，面临一系列科学和技术难题，依靠
现有高坝建设经验无法解决，特别是在混凝土骨
料线膨胀系数大、粉煤灰高钙、水泥低镁等不利
条件下，通过对筑坝原材料的合理选择，优化混
凝土配合比，实现了高强、高耐久性、高极限拉
伸、低热、低弹、低自身体积变形混凝土配制，
提高了混凝土的高强高抗裂的综合性能。

作者简介
张秀崧男正高级工程师中水北方勘测设计研究有限
责任公司天津300222
李海涛男高级工程师新疆额尔齐斯河流域开发工程
建设管理局新疆乌鲁木齐830000
高强男工程师新疆额尔齐斯河流域开发工程建设
管理局新疆乌鲁木齐830000
（收稿日期2020-12-08）
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