1 综述
混凝土是水电工程中最主要的建筑材料,由于水电工程施工环境、运营环境或结构的特殊性和复杂性,对混凝土的材料性能、施工工艺也提出了许多特殊要求。这些特殊性能或采用特殊工艺的混凝土与常规大量使用的普通钢筋混凝土和碾压混凝土其施工工艺、需要的设备、施工方法、施工要求明显不同。特别是近年来我国水电工程的大量兴建,新材料、新设备、新工艺不断的推广应用,又形成了许多新的特殊混凝土施工技术,特种混凝土和混凝土施工的特殊工艺也不断发展。这些特殊混凝土技术为提高工程质量,降低工程成本,甚至解决工程遇到的难题提供了有效手段。
如在土石坝和土石围堰中为适应坝体变形大的特点,最早一般采用黏土心墙进行防渗。由于黏土抗渗漏稳定性差,易流失,我国于20世纪80年代中后期开展了在混凝土中加入泥浆和粉煤灰以降低混凝土的弹性模量,形成塑性混凝土浇筑防渗墙的试验研究和初步试用。塑性混凝土虽然其弹性模量不大,但强度低,仍不能满足土石坝大变形的要求,在高水头作用下可能出现结构性裂缝,造成渗漏水流形成塑性混凝土的溶蚀,降低工程的安全寿命,故在永久工程中没有推广。沥青混凝土是用沥青将天然或人工砂石骨料、填充料及各种掺加料等胶结在一起所形成的一种人工合成材料,材料稳定、塑性大。沥青混凝土与水泥混凝土相比,具有良好的抗渗性能、变形性能和抗震性能,不需设置接缝、不需较强的后期养护、机械化施工速度快、易于维修等优点,特别适合混凝土面板堆石坝和心墙堆石坝的防渗结构,在工程中得到了广泛应用。
又如为满足一些特殊部位混凝土防裂、变形、提高韧性和抗冲磨等方面的性能,人们采取了不同的胶凝材料或在普通混凝土中加入不同的掺合料,或采取提高平整度、采用在混凝土表面真空吸水等工艺。
我国是一个多泥沙河流的国家,已建大、中型水电工程有60%以上泄水建筑物出现冲磨、空蚀破坏。为了给新建高坝工程和修补工程提供具有高磨蚀性能的新型特种混凝土,早在20世纪60年代,钢纤维混凝土就用于水工混凝土磨蚀破坏的修补。但是室内试验和工程实践表明,普遍钢纤维混凝土用于低流速挟带小颗粒砂石条件下,其抗磨损能力不但没有提高,有时还有所降低。在80年代开始了掺短合成纤维的混凝土和掺硅粉等其他掺合料的抗冲磨混凝土研究,其中开发成功高强高抗磨蚀硅粉混凝土并用之于龙羊峡水电站等重要工程。此项科研和工程实践成果,曾荣获国家科技进步奖。90年代以来,结合三峡水利枢纽工程的需要,又开展了高性能抗冲磨混凝土的研究,以硅粉、粉煤灰、膨胀剂等活性混合材取代水泥,既降低水泥用量、提高抗冲磨性能,又降低硅粉混凝土早期干缩偏大的缺点,此项成果已在飞来峡水电站大规模应用成功。
利用MgO所具有的延迟微膨胀性能来补偿混凝土的温度变形防止温度裂缝,可全部或部分取代传统的混凝土坝温控措施。我国自1973年开始,结合白山水电站拱坝使用高镁水泥拌制混凝土的防裂效果,对MgO混凝土进行了研究和开发,制定了《氧化镁微膨胀混凝土筑坝技术暂行规定》和“水工轻烧MgO材料品质技术要求”并在多项工程中应用,都取得了较好效果。
又如在水电工程施工中难免要进行混凝土的水下浇筑施工,水工建筑物在运行过程中有可能会产生局部的水损,需要浇筑水下混凝土进行修补,必须采取一些特殊的工艺。以往水下混凝土质量的好坏主要取决于施工的优劣,关键是尽量隔断混凝土与水的接触。常用的方法有导管法、袋装堆筑法、开底容器法、混凝土泵压法和预填骨料压浆施工法。近年来又对浇筑机具进行了各种改进和开发,出现了KDT施工法等特殊浇筑形式。但使用最多的还是导管法及其基础上的改进。导管法施工与水接触部分混凝土易受水的冲洗而发生水泥浆流失,至使表面混凝土强度降低,底层与基础黏结不牢。20世纪70年代以来,以西德为首,从研究混凝土本身性能的改善来提高水下混凝土的质量,使其具有在浇筑过程中直接与水接触也不易使各组分材料分散的能力。1974年西德率先在工程上使用成功并定名为水下不分散混凝土(Non Dispersibie Concrete,简称NDC)。我国90年代初也成功研制出了水下不分散混凝土外加剂,采用这种外加剂(如工艺适当)可以大大提高水下混凝土的浇筑质量。
如对于钢筋过于密集或埋件下不易振捣的部位采用自密实混凝土工艺,对碾压土石坝特殊地基处理或土石坝工程的挡护结构,其对强度要求不高,为节约成本采用了干贫混凝土材料。
钢筋混凝土结构采用预应力工艺,可减少结构物尺寸,改善应力状态,避免和减少裂缝,提高结构的承载能力和耐久性,故其在水电工程的闸墩、引水洞、蜗壳、大型交通桥、门机轨道中得到了广泛应用。随着预应力材料、机具的发展预应力工艺施工更加方便快捷。
特种混凝土和特殊混凝土结构主要有:
(1)按材料的特殊性划分,有沥青混凝土、纤维混凝土等。
(2)按浇筑环境的特殊性划分,有模袋混凝土、水下混凝土等。
(3)按成型方式的特殊性划分,有自密实混凝土、挤压混凝土、喷射混凝土等。
(4)按性能的特殊性划分,有补偿收缩混凝土、抗冲磨混凝土、抗侵蚀混凝土等。
(5)按结构的特殊性划分,有预应力混凝土等。
(6)按配合比的特殊性划分,有断级配混凝土、无砂混凝土、干贫混凝土等。