肖延亮，張 洋，李 翼

(中國水電顧問集團成都勘測設計研究院，四川 成都 610072)

1 前 言

錦屏一級水電站大壩為混凝土雙曲拱壩，最大壩高305m，是目前世界上在建的最高混凝土雙曲拱壩。大壩混凝土用量約595萬m3。水泥作為混凝土的主要膠凝材料，其品質的優(yōu)劣直接影響大壩混凝土的質量。使用品質較優(yōu)且質量穩(wěn)定的水泥是保障大壩混凝土質量的關鍵措施之一。

2 水泥技術指標

為了使錦屏一級水電站大壩混凝土能使用品質較優(yōu)且質量穩(wěn)定的中熱硅酸鹽水泥，業(yè)主組織相關技術人員對西南地區(qū)的水泥生產企業(yè)進行了調研，在對水泥企業(yè)的生產規(guī)模、中熱水泥的生產能力、供應業(yè)績等的考察基礎上，選擇綜合指標較優(yōu)的三家水泥企業(yè)進行中熱水泥考核性生產。為使考核性生產更具針對性，通過專家咨詢，并經過幾次修改，確定了錦屏一級水電站中熱硅酸鹽水泥技術指標。

錦屏一級水電站中熱硅酸鹽水泥除滿足GB200-2003《中熱硅酸鹽水泥、低熱硅酸鹽水泥、低熱礦渣硅酸鹽水泥》的要求外，還應達到錦屏一級工程的要求：

(1)水泥中內含MgO含量應控制在3.5%～5.0%；

(2)水泥7d水化熱應控制在不大于283kJ/kg;

(3)水泥熟料中C4AF含量宜控制在不小于15%；

(4)水泥比表面積宜不大于320m2/kg(合格率不小于80%)，最大比表面積不超過340m2/kg；

(5)水泥中堿含量(Na2O+0.658K2O)應不大于0.5%；

(6)水泥28d強度應控制在48±3MPa，28d抗折強度不大于7.5MPa；

(7)水泥應使用G類二級以上天然二水石膏。

3 相關技術指標分析

3.1 水化熱

GB200-2003規(guī)范要求P.MH42.5水泥的7d水化熱滿足不大于293kJ/kg的要求。錦屏一級水電站要求中熱水泥7d水化熱應控制在不大于283kJ/kg。

錦屏大壩采用只設橫縫、不設縱縫的通倉澆筑方式，最大澆筑塊體積達到2 000m3以上。由于混凝土的導熱性能較差，澆筑后水泥水化所產生的熱量在混凝土內部集聚，從而使混凝土的溫度升高，大約升高20℃。在后期溫度下降，由于混凝土的線膨脹系數(shù)大約為(8～10)×10-6/℃，相當于混凝土每降低1℃，將產生(8～10)×10-6的收縮變形，同時由于混凝土的彈性模量隨著齡期增加逐漸增高，混凝土在降溫過程中會產生較大的拉應力。為了有效降低大壩因溫度應力而產生開裂的風險，有必要控制水泥的水化熱。

3.2 C4AF含量

要求錦屏一級水電站中熱水水泥熟料中C4AF含量宜控制在不小于15%。

研究表明，C4AF水化所產生的產物以禾束狀出現(xiàn)，在混凝土中沿各個方向隨機分布，并與其它水泥水化產生的凝膠、晶體連生，對混凝土抗裂性與極限拉伸值的提高有較好的促進作用。因此，適當提高水泥中的C4AF量，對混凝土抗裂性能有利。

為了降低燒成水泥的最高溫度，在水泥配料中加入鋁質和鐵質礦化劑，通過固相反應形成C3A和C4AF[1]。由于C3A在水泥礦物中發(fā)熱最大，要降低中熱水泥水化熱，需控制C3A的含量；然而水泥配料的鋁率影響水泥的煅燒。鋁率高，液相粘度大，礦物難燒；鋁率過低，雖然液相粘度較小，液相中質點較易擴散，對C3S形成有利，但燒結范圍變窄，窯內易結大塊，不利于窯的操作。因此兼顧以上兩方面，錦屏一級水電站水泥熟料中的C4AF含量宜控制在不小于15%。

3.3 MgO含量

由于混凝土導熱性能差，因而大體積混凝土內水泥水化熱集聚使其溫度上升，這一溫升需經相當長的時間才能慢慢降下來。降溫過程伴隨體積收縮，在混凝土內產生巨大的溫度收縮應力[1]，這是其一。第二，大部分硅酸鹽水泥在水化后體積減小[2]，表現(xiàn)為混凝土的自生體積變形為收縮。第三，混凝土拌和用水往往超過水泥水化的極限需水量的1～3倍，在混凝土停止養(yǎng)護后，在不飽和的空氣中失去內部毛細孔和凝膠孔的吸附水而產生不可逆收縮，這也要產生較大的應力[3]。在實際工程中，往往這三種應力同時出現(xiàn)，使混凝土出現(xiàn)應力疊加產生更大的拉應力，當拉應力達到一定值后就使混凝土發(fā)生局部破壞而產生裂紋甚至裂縫。

20世紀70年代在東北高寒地區(qū)修建的白山重力拱壩，60%的基礎壩塊混凝土是在夏季澆筑的，最高溫度和穩(wěn)定溫度之差達40℃，大大超過規(guī)范的要求，然而施工后基礎未產生貫穿性裂縫，表面裂縫也很少，蓄水以來沒有發(fā)生漏水現(xiàn)象。從原型觀測資料中發(fā)現(xiàn)，白山大壩混凝土具有微膨脹性能，補償了混凝土的收縮和溫度變形，減少了裂縫的出現(xiàn)。后經試驗研究證明：白山大壩所采用的撫順水泥，其熟料中MgO接近5 %， MgO水化產生的膨脹是白山大壩裂縫較少的根本原因。當水泥熟料中MgO含量較低時，MgO以摻雜物的形態(tài)存在于其他水泥熟料礦物和玻璃相中，此形態(tài)的MgO對水泥的自生體積變形影響不大；當其含量超過一定時，它就能以方鎂石的形態(tài)存在，方鎂石會產生延遲性膨脹，對補償大體積混凝土收縮有利。

因此，要求錦屏一級水電站水泥熟料中的MgO含量控制在3.5%～5.0%，使熟料中出現(xiàn)一定量的方鎂石，達到補償收縮的目的。

3.4 比表面積

GB200-2003規(guī)范要求：水泥的比表面積應不低于250m2/kg。只規(guī)定了下限，未規(guī)定上限。水泥的比表面積越高，水泥的水化速率越快，水泥的早期強度越高。只有當水泥的比表面積達到一定程度時，才能使水泥的性能得到充分發(fā)揮。

然而，水泥的比表面積過高，會對水泥乃至混凝土產生許多不利的影響。首先，由于水泥的比表面積過高，將導致水泥標準稠度的用水量增加，從而增加混凝土的單位用水量，使混凝土的干縮量增加，降低混凝土的抗裂性能；其次，水泥的比表面積過高，而水泥的早期水化速率增加，混凝土的溫峰提高且放熱集中，不利于大體積混凝土的溫控防裂。因此，要求錦屏一級水電站大壩混凝土使用的中熱水泥比表面積宜不大于320m2/kg(合格率不小于80%)，最大比表面積不超過340m2/kg。

3.5 堿含量

GB200-2003規(guī)范要求：當水泥在混凝土中和骨料可能發(fā)生有害反應并經用戶提出低堿要求時，規(guī)定P.MH42.5水泥的堿含量(Na2O+0.658K2O)應不超過0.6%。錦屏一級水電站大壩壩高305m，大壩的安全不僅關系一個工程的成敗，還關系到人民生命財產安全以及國家經濟等諸多問題。錦屏大壩混凝土使用的砂巖骨料存在潛在堿活性，壩區(qū)附近沒有其它優(yōu)質的混凝土骨料料源，由于堿骨料反應產生的破壞性膨脹會降低混凝土的承載力，破壞混凝土結構，而且因堿骨料反應而產生的破壞不易修補。

試驗研究證明，通過摻摻合料和降低混凝土總堿量是降低因堿活性而產生膨脹的有效方法。為提高大壩結構的安全性，提高混凝土的耐久性，要求錦屏一級水電站中熱水泥的堿含量應不大于0.5%。

3.6 抗壓強度與抗折強度

GB200-2003規(guī)范要求：P.MH42.5水泥28d抗壓強度應不小于42.5MPa，28d抗折強度不小于6.5MPa。目前國內的中熱水泥生產企業(yè)生產的水泥28d抗壓強度指標比較容易滿足規(guī)范要求。由于大壩混凝土施工配合比的水膠比是相對固定的，如果水泥強度波動過大，會造成大壩混凝土的抗壓強度產生較大的波動，不利于大壩溫度應力的控制。因此要求錦屏一級水電站水泥28d強度應控制在48±3MPa，使水泥的28d抗壓強度在較小范圍內波動，從而降低因水泥質量波動而對大壩混凝土產生的不利影響。要求水泥的28d抗折強度不小于7.5MPa，使大壩混凝土使用的水泥具有較低的脆性。

3.7 石 膏

在水泥中摻入一定量的石膏，使其與C3A反應，起到調節(jié)水泥凝結速率的效果。但如果石膏以半水石膏或硬石膏的形態(tài)存在，由于石膏溶解速率過快，可能會使?jié){體在鈣礬石包裹層出現(xiàn)之前出現(xiàn)假凝現(xiàn)象，因此要求水泥應使用G類二級以上天然二水石膏。

4 中熱水泥考核性生產結果分析

從2008年11月到2010年1月在錦屏一級水電站共組織了四次考核性生產。表1與圖1、圖2是其中一家水泥廠家的試驗結果。從水泥的檢測結果看：

(1)在水泥磨細程度基本不變情況下，水泥的抗壓強度、抗折強度隨著試生產的進行穩(wěn)中略有增加，說明水泥的品質在不斷提高；

(2)水泥的水化熱得到有效控制，7d水化熱最高只有258kJ/kg；

(3)除第一次考核性生產的水泥外，其余三次水泥的自生體積變形最大收縮量分別在-18×10-6(水膠比0.39)與-5×10-6(水膠比0.47)以下，水泥的自生體積變形有較大程度的改善。

5 結 語

通過對錦屏一級水電站中熱技術指標的分析及考核性生產試驗結果總結，可以得出以下幾點結論：

(1)根據錦屏一級水電站工程特點提出的水泥技術指標是合理的，為中熱水泥考核性生產提供了技術支持。

(2)考核性生產水泥檢測結果表明，通過4次考核性生產，水泥的品質得到了較大程度的提高，水泥質量穩(wěn)定，為錦屏一級水電站使用品質優(yōu)且質量穩(wěn)定的中熱水泥奠定了基礎。

參考文獻：

[1] 袁潤章.膠凝材料學[M].武漢：武漢工業(yè)大學出版社， 2003.

[2] 朱岳明，等.摻氧化鎂混凝土筑壩技術述評[J].紅水河, 2002(3):45-49.

[3] 南京化工學院，等.膠凝材料學[M].北京：中國工業(yè)出版社，1961.

[4] Mindess S,Young J F.方秋清，等，譯.混凝土[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，1989.

表1 中熱水泥化學成分試驗結果

圖1 中熱水泥自生體積變形觀測結果(水膠比0.39)

圖2 中熱水泥自生體積變形觀測結果(水膠比0.47)