抽水蓄能电站高性能抗裂面板混凝土力学性能试验研究_苏胜威.pdf

第 37 卷第 1 期粉 煤 灰 综 合 利 用Vol37No12023 年2 月FLY ASH COMPEHENSIVE UTILIZATIONFeb.2023材料科学抽水蓄能电站高性能抗裂面板混凝土力学性能试验研究Experimental Study on Mechanical Properties of High Performance Crack esistantFace Slab Concrete for Pumped Storage Power Station苏胜威(山东沂蒙抽水蓄能电站有限公司，山东 临沂 273400)摘要:为了提升抽水蓄能电站抗裂面板混凝土的综合性能，设计了不同配合比下高性能抗裂面板混凝土的力学性能试验。结果表明:水胶比对抗裂混凝土强度、耐久性和极限拉伸变形有重要影响;水胶比设计为0.33，硅粉和聚丙烯纤维对面板混凝土的强度和抗拉特性有明显的提升作用，而膨胀剂和聚丙烯纤维可以对混凝土干缩变形、自身体积变形以及裂缝的产生起到很好的抑制作用;综合考虑混凝土的各项力学性能以及单位线性变化量，得到高性能抗裂面板混凝土的最佳配合比方案为:水胶比 0.33，粉煤灰、硅灰、膨胀剂、纤维掺量分别为 60 kg/m3、20 kg/m3、21 kg/m3和 0.6 kg/m3。关键词:抽水蓄能电站;高性能抗裂面板;混凝土;配合比;耐久性;单位线性变化量中图分类号:TV4文献标志码:A文章编号:10058249(2023)01010206DOI:1019860/jcnkiissn10058249202301018SU Shengwei(Shandong Yimeng Pumped Storage Power Station Co.，Ltd.，Linyi 273400，China)Abstract:In order to improve the comprehensive performance of crack resistant face slab concrete in pumped storage power station，themechanical properties of highperformance crack resistant face slab concrete under different mix proportions were designed.The resultsshow that the water binder ratio has an important influence on the strength，durability and ultimate tensile deformation of crack resistantconcrete.In order to meet the requirements of frost resistance，the water binder ratio is designed to be 0.33;silica fume andpolypropylene fiber can obviously improve the strength and tensile properties of face slab concrete，while expansive agent andpolypropylene fiber can well inhibit the dry shrinkage deformation，self volume deformation and cracks of concrete;comprehensivelyconsidering various mechanical properties of concrete and unit linear variation，it is concluded that the best mix proportion scheme ofhighperformance crack resistant panel concrete is:the watercement ratio is 0.33，and the dosage of fly ash，silica fume，expansionagent and fiber is 60 kg/m3，20 kg/m3，21 kg/m3and 0.6 kg/m3respectivelyKeywords:pumped storage power station;high performance crack resistant face slab;concrete;mix proportion;durability;unitlinear variation作者简介:苏胜威(1982)，男，本科，高级工程师，研究方向:混凝土。收稿日期:202108310引言抽水蓄能电站是利用电力负荷低谷时将多余电能将下水库的水抽至上水库，然后在电力负荷高峰期下利用上水库的水进行发电的一种水电站，1 期苏胜威:抽水蓄能电站高性能抗裂面板混凝土力学性能试验研究103材料科学适用于电网调峰。抽水蓄能电站坝体一般采用混凝土面板堆石坝，由于特殊的坝体构造以及复杂环境的影响，混凝土面板易产生裂缝，对混凝土的耐久性和长期安全性具有重要影响，因此，研究高性能抗裂面板混凝土具有十分重要的现实意义13。当前，面板堆石坝混凝土仍然以强度作为主要控制指标，对于混凝土面板开裂现象的重视程度还远远不够。一般而言，影响抽水蓄能电站面板混凝土开裂的主要原因包括:原材料与配合比的影响、结构外力荷载的影响、施工因素的影响以及环境因素的影响，其中对原材料及其配合比进行优化时解决面板混凝土开裂现象的主要手段之一45。通过查阅相关文献，发现矿物掺合料、膨胀剂、纤维等均对面板混凝土的抗裂性有重要影响，但是很多研究仅仅是针对其中一种或者两种因素展开配合比的设计，多数情况下不能获得面板混凝土强度性能、变形性能、耐久性能等各项性能的全面提升，因而研究往往具有一定的局限性，很难将其应用在复杂环境下的抽水蓄能电站的设计与施工610，因此有必要对多种物质混掺下的高性能抗裂面板混凝土进行设计和研究。本文以在建的沂蒙抽水蓄能电站为例，对不同水胶比、粉煤灰、硅粉、纤维以及膨胀剂掺量下的高性能抗裂面板混凝土进行试验研究，以期为工程建设、施工提供指导。1工程背景沂蒙抽水蓄能电站位于山东省临沂市费县薛庄镇境内，于 2015 年开工建设，计划于 2021 年全部竣工投产，工程总装机容量为 120 万 kW，由 4台30 万 kW立轴单级混流可逆式水轮发电机组组成，计划年发电量达 20.08 亿 kWh，年抽水电量26.77 亿 kWh，综合效率为 75%，计划总投资约为 73.7 亿元，属大()型一等工程。工程上水库正常蓄水位为 606 m，正常蓄水位以下库容856 万 m3，主要包括沥青混凝土面板堆石坝、库内开挖及库岸沥青混凝土面板防渗处理工程等;下水库正常蓄水位为 220 m，正常蓄水位以下库容1026 万 m3，主要包括混凝土面板堆石坝、左岸泄洪放空洪洞、库内开挖及趾板防渗处理工程等。2试验概况2.1试验原材料为了减少水泥水化过程中释放的热量，选用PMH 42.5 级中热硅酸盐水泥进行试验，该型号水泥密度为 3.14 g/cm3，比表面积为 350 m2/kg，标 准 稠 度 用 水 量 为 24.5%，7 d 水 化 热 为257 kJ/kg;粉煤灰采用级 F 类粉煤灰，平均密度 为 2.06 g/cm3，细 度 为 14.5%，烧 失 量 为1.41%，需水量比为103%，SO3含量为0.15%;为提升混凝土强度，改善耐腐蚀性和泌水性，防治离析现象，选用微硅粉进行混凝土配合比试验，微硅粉平均密度为 2.34 g/cm3，细度为 1.4%，烧失量为 3.0%，SO3含量为 2.03%，28 d 抗折和抗压活性指数分别为 104%和 126%;为约束混凝土变形和减少混凝土裂缝产生量，向面板混凝土中掺入聚丙烯纤维，聚丙烯纤维的平均 直 径 为48 m，平 均 长 度 为 19 mm，平 均 密 度 为0.91 g/cm3，断裂强度为 400 MPa，断裂伸长率为34%，弹性模量为 3.7 GPa;膨胀剂选用 CSAIII硫铝酸钙类高效膨胀剂，密度为2.87 g/cm3，比表面积为 352 m2/kg，7 d 水中和空气中限制膨胀率分别为 0.056%和 0.032%;粗骨料为花岗岩人工碎石，粒 径 5 40 mm，饱 和 面 干 表 观 密 度 为2.62 g/cm3，含泥量为 0.6%，压碎指标为 16.5%;细骨料为花岗岩人工砂，细度模数为 2.7，松散堆积密度为1.65 g/cm3，石粉含量为13.5%，空隙率为 36%;外加剂选用 AE1 型聚羧酸高性能引气减水剂，减水率为 26%，含气量为 5.7%，28 d 收缩率比为 100%，抗冻等级为 F50。2.2配合比设计该 工 程 混 凝 土 面 板 的 设 计 技 术 指 标 为C40W10F400(配制强度 48.2 MPa，坍落度 7 9 cm，含气量为 5%7%)，因此将水胶比确定为0.330.40，混凝土单位体积用水量确定为 131104粉煤灰综合利用37 卷材料科学136 kg/m3，单位体积胶凝材料用量为 367 400kg/m3，砂率为 37%39%，外加剂掺量为 1.0%1.5%。按照上述设计原则，初步设计出 9 组不同面板混凝土配合比方案，见表 1。表 1面板混凝土配合比初步设计方案Table 1Preliminary design scheme of mix proportion of face slab concrete试验编号水胶比混凝土原材料用量(kg/m3)粉煤灰硅粉纤维水泥水砂石膨胀剂引气减水剂10.4051170.62511367171104187.020.3755180.62751366891106197.530.3460200.62991366591106218.040.33602002971316641114214.050.3360200.62971316641114216.060.3380002971316641114214.570.338000.62971316641114214.580.338000317131664111404.090.338000.6317131664111404.52.3试验设备及试件制备试验设备主要包括万能试验机、冻融试验机、混凝土大板试验试模、电子秤、动弹性模量测试仪、渗透测试仪等。按照各试验配合比配制混凝土，然后制成 150 mm150 mm150 mm 正方体试件(抗压试验)，直径 100 mm高度 150 mm 的标准圆柱体试件(抗渗试验)，300 mm100 mm50 mm的长方体试件(抗拉和抗冻试验)，抗裂试验在大板试验试模中进行，养护龄期均为 28 d，然后测试混凝土的各项物理力学参数。现场试验情况如图 1 所示。图 1试验情况Fig.1Field test situation3试验结果及分析3.1力学性能不同配合比试验组 28 d 龄期下的强度特征如图 2 所示。从图 2 中可以看到:在用水量一定的情况下，面板混凝土(13 组)的抗压和抗拉强度均随着水胶比减小而逐渐增大;当水胶比一定(0.33)时，掺入硅粉的第 4 组、5 组强度值明显高于未掺入硅粉试验组的强度，这主要是因为硅粉颗粒呈微小圆粒状，可以起到很好的填充和润滑作用，从而使混凝土密实度得到有效提升，强度得以提高;第 4 组的抗拉和抗压强度分别为3.14 MPa和 55.2 MPa，第 5 组的抗拉和抗压强度分别为3.48 MPa和 54.7 MPa，这说明掺入一定量的纤维后，对面板混凝土的抗压强度有一定影响，但可以提升混凝土的抗拉性能，主要得益于纤维本身具有的超强抗拉强度，同时纤维胶结在骨料之间，形成较强的摩