杨富亮 熊祖云 黄寿良
中国水利水电第三工程局有限公司勘测设计研究院 西安 710032
摘要：混凝土的耐久性能直接影响混凝土结构的使用寿命，本文通过对三峡工程大坝混凝土进行龄期长达10年的耐久性能试验研究，分析了混凝土抗冻性能、抗渗性能以及混凝土碳化深度，抗冻性能随龄期的变化规律，不同养护条件对混凝土耐久性能随龄期发展规律的影响，研究表明自然养护对混凝土长龄期耐久性能不利。研究结论可为长期工作条件下大坝混凝土的真实性能和结构安全性评价提供参考。
关键词：三峡工程；混凝土；长龄期；耐久性能
Abstract：The durability of concrete directly affects the service life of the concrete structure，through the experimental study on durability of concrete dam in Three Gorges project were age 10 years，analyzed the frost resistance of concrete，impermeability and frost resistance of concrete carbonation depth，changes with age，effects of different curing conditions on the durability of the concrete with age period law of development，research shows that the natural curing detrimental to the durability of concrete with long age.The research results can provide reference for the real performance and structural safety evaluation of long term working conditions of dam concrete.
Key words：Three Gorges Project，Concrete，Long age，durability
1、概述
三峡水利枢纽工程大坝为混凝土重力坝，是世界第一的特大型水利枢纽工程，混凝土总量约2800万m3，大坝混凝土约1600万m3。工程包括一座混凝重力式大坝，泄水闸，一座堤后式水电站，一座永久性通航船闸和一架升船机。三峡工程建筑由大坝、水电站厂房和通航建筑物三大部分组成。大坝坝顶总长3035米，坝高185米，三峡工程水电站机组布置在大坝的后侧，共安装32台70万千瓦水轮发电机组，其中左岸14台，右岸12台，地下6台，另外还有2台5万千瓦的电源机组，总装机容量2250万千瓦，远远超过位居世界第二的巴西伊泰普水电站。通航建筑物位于左岸，永久通航建筑物为双线五级连续船闸及单线一级垂直升船机。
大坝混凝土在凝结硬化过程中受自然环境条件的影响，使其性能与标准养护条件下的试验结果有较大区别。为了解三峡地区自然环境对三峡工程混凝土耐久性能的影响，采用三峡工程主要施工配合比参数，工程部位分别为内部、外部、水位变化区、结构和抗冲磨不同强度等级的混凝土，以三种不同养护条件养护，开展混凝土耐久性能研究试验，分析混凝土随龄期发展的规律以及不同养护条件对混凝土耐久性能的影响，为掌握大坝混凝土的真实性能和结构安全性评价提供参考依据。
2、坝址气温资料
通过查阅相关资料，三峡坝区枫箱沟气象站2003年～2006年日最最高气温39.8℃，最低气温-1.9℃，年平均气温16.7℃～17.9℃。
3、试验条件
3.1 试验原材料
试验采用葛洲坝水泥厂生产的52.5中热水泥，河南鸭河口电厂生产的Ⅰ级粉煤灰，浙江龙游外加剂厂生产的ZB-1A减水剂（泵送混凝土采用江苏建筑材料科学研究院外加剂厂生产的JM-Ⅱ减水剂），青岛科力有限公司生产的PC-2引气剂，三峡下岸溪人工砂、石骨料。
3.2 试验养护条件
（1）标准养护：试件成型48h脱模，将试件放置在养护室养护至规定龄期。
（2）自然养护：试件成型48h脱模，将试件放置在露天自然养护至规定龄期。
（3）标准+自然养护：试件成型48h脱模，将试件放置在养护室养护至28d龄期后移至室外露天自然养护至规定龄期。
3.3 试验配合比及拌和物试验结果
试验采用二级配，三峡工程施工配合比参数，工程部位分别为内部、外部、水位变化区、结构和抗冲磨不同强度等级的混凝土。试验编号5为泵送混凝土，坍落度按160mm～180mm控制，其余均为常态混凝土，坍落度按30mm～50mm控制，含气量（除抗冲磨混凝土按3.0%～4.0%外）均按4.5%～5.5%控制，混凝土配合比参数及拌和物试验结果见表1。
表1 混凝土配合比参数与拌和物性能试验结果
4、养护条件对混凝土耐久性的影响
4.1 抗冻性能
在混凝土配合比设计阶段，通过降低混凝土水胶比、掺用引气剂、掺用I级粉煤灰和降低混凝土单位用水量等综合措施来提高混凝土的抗冻耐久性能，分别对6种混凝土强度等级的混凝土进行了混凝土冻融试验。
通过对混凝土抗冻性能的试验可知，不同养护条件下的混凝土抗冻性能随混凝土试件龄期增长而降低，标准养护的混凝土抗冻性能明显好于其他养护方式。
（1）在标准养护条件下，养护龄期对混凝土的抗冻性能影响不显著，除10年龄期内部混凝土冻融循环175次，相对动弹性模量为66.10%，其余抗冻性能均满足F300技术要求。而相对于标准养护而言，自然养护或标准+自然养护的混凝土抗冻性能明显降低，各龄期的抗冻性能均达不到F300技术要求。
（2）在自然或标准+自然养护条件下，可能由于自然养护条件下的干湿循环交替作用，使混凝土表面出现微细裂缝，以及微细裂缝的扩展，导致抗冻性显著降低。标准养护28d的试件再放到自然环境中，环境湿度的变化对试件的损害更加剧烈，Burrows试验表明，较长期养护的混凝土干燥时抗冻融性较差，是由于内部收缩产生微裂缝使混凝土可透水所造成的，当干燥的混凝土长期饱水时，可产生远大于初始吸水时的膨胀，而这无疑是因为微裂缝增大了渗透性，使混凝土易受冻融破坏，这也是自然或标准+自然养护条件混凝土抗冻性能显著降低的原因。这也说明如果混凝土暴露于自然环境，即使早期得到了有效的养护，混凝土中也引入了足够微细气泡，还是不能有效提高混凝土的抗冻性。因此，对水工混凝土结构中暴露于结构表面的混凝土的耐久性应给予广泛重视。
4.1.1 抗冻融试件外观弯曲变形检测
混凝土结构因开裂而劣化，从而影响建筑物外观整体性能。通过对抗冻融试件外观弯曲变形试验可知，10年龄期自然和标准+自然养护试件经冻融结束后，采用水平尺和塞尺检测试件弯曲变形，在标准+自然养护下有部分试件产生弯曲变形，弯曲变形主要集中在成型面和底面，最大变形1.5mm。
4.1.2 混凝土经冻融循环后强度与强度损失率
不同养护条件混凝土强度损失率试验，每组试件编号均为两组100mm×100mm×400mm试件，其中一组进行抗折强度试验，再利用残余试块进行抗压试验；另一组首先进行混凝土抗冻性试验，当相对动弹性模量降至80%时，立即终止试验；进行抗折和抗压强度试验时，经冻融循环后的试件受压面应进行找平并且呈饱和吸水状态，利用抗折试验后的残余试块，采用100mm×100mm抗压夹具进行强度试验。
1）通过对相同配合比不同养护条件混凝土强度和强度损失率的结果可知，其剩余强度为经冻融循环后的强度，对比强度未经冻融循环的强度。而不同养护条件对比抗折强度均基本相当，抗折强度损失率随相对动弹性模量增大而减小；标准养护抗压强度均高于自然和标准+自然养护强度。
2）通过对标准养护混凝土强度和强度损失率的结果可知，混凝土质量损失率随水胶比和粉煤灰掺量的减小而降低，抗折和抗压强度损失率亦随水胶比和粉煤灰掺量的减小而降低，质量损失率对强度损失率有显著的影响，强度损失率随质量损失率增大而增大；剩余强度折压比随水胶比的减小而提高；粉煤灰掺量20%，剩余抗折强度均高于比对强度。
3）在自然和标准+自然两种养护条件下，水胶比0.35～0.45之间，抗折和抗压强度损失率均随水胶比增大而增大；水胶比0.50～0.55之间，抗折和抗压强度损失率均随水胶比增大而降低。
4）通过对10年龄期混凝土经冻融循环后强度与强度损失率试验，相对动弹性模量按降至80%左右控制，虽然自然养护和标准+自然养护相对动弹性模量随冻融循环次数增长而下降过快，但是抗压强度损失率在20%～30%之间，抗折强度损失率在40%～50%之间。依据GB/T58002-2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》中“慢冻法”规定，“N”次冻融循环后的混凝土抗压强度损失率达到25%时，即为相应的抗冻等级，说明混凝土的内部结构并没有严重破坏。4.2 抗渗性能
混凝土抗渗性能试验结果见表2。从表2可知，混凝土在不同养护条件下，1y龄期抗渗结果尽管都满足抗渗标号W10技术要求，但渗透高度随养护条件的改变而变化，标准养护试件渗透高度相对最小，自然养护相对最大。而标准+自然养护居中，说明混凝土即使在标准养护28d后移至室外，环境条件仍然对混凝土抗渗产生不利影响，所以现场施工混凝土应在有条件情况下注意长期养护。
表2 混凝土抗渗性能试验结果
4.3 碳化深度
三峡工程混凝土部分为结构混凝土，必须考虑混凝土的碳化深度和钢筋锈蚀问题，利用折断后的抗折试件测量碳化深度，以及养护条件对混凝土碳化性能的影响试验所得结果可知，不同强度等级混凝土在标准养护条件下均未出现碳化现象，而试件在自然养护或标准+自然养护条件下均出现不同程度的碳化现象，碳化深度随养护龄期、水胶比增大而增大，内部混凝土10y龄期碳化深度最大达到10.6mm。
5、结语
（1）标准养护条件下混凝土抗冻性随养护龄期增长而降低，但降低幅度不大。自然养护、标准+自然养护混凝土抗冻性随养护龄期的增长显著降低。自然环境的干湿交替作用，使混凝土表面产生微细裂缝，在冻融循环的严酷条件下进一步损害试件的内部结构。混凝土的抗冻性不因早期的标准养护而提高，反而会不利于抗冻性。
（2）不同强度等级混凝土在标准养护条件下均未出现碳化现象，而试件在自然养护或标准+自然养护条件下均出现不同程度的碳化现象，碳化深度随养护龄期、水胶比增大而增大。内部混凝土10y龄期碳化深度最大达到10.6mm。混凝土碳化在某种程度上可以提高混凝土强度，但会大大降低混凝土的耐久性，对工程极为不利。
（3）养护条件对混凝土耐久性能有不同程度的影响，尤以混凝土抗冻性影响十分显著，不同养护条件的混凝土抗冻性能随龄期增长而降低，标准养护的试件明显好于其他方式养护的混凝土试件。因此，水工结构中暴露于结构表面的混凝土的耐久性能应给予广泛重视。
参考文献：
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作者简介：
杨富亮（1965.01—），男，河南滑县人，本科，高级工程师，中国水利水电第三工程局有限公司勘测设计研究院三峡项目部经理。主要从事水利水电工程施工技术研究、质量控制及试验室管理工作。
论文作者:杨富亮,熊祖云,黄寿良
论文发表刊物:《基层建设》2015年19期供稿
论文发表时间:2015/12/28
标签：混凝土论文; 性能论文; 损失率论文; 强度论文; 标准论文; 自然论文; 条件下论文; 《基层建设》2015年19期供稿论文;