周世華

(1.長江科學(xué)院 材料與結(jié)構(gòu)研究所，武漢 430010； 2.國家大壩安全工程技術(shù)研究中心， 武漢 430010)

1 研究背景

烏東德水電站雙曲拱壩最大壩高270 m，為300 m級特高拱壩。整個工程處于金沙江峽谷，兩岸岸坡壩段陡峻，受力條件復(fù)雜，同時面對干熱、大風(fēng)、低濕的建設(shè)環(huán)境，大壩混凝土溫控防裂要求非常高[1]。通常，大壩混凝土優(yōu)先采用中熱水泥方案，該技術(shù)方案成熟，工程應(yīng)用廣泛。但鑒于烏東德特高拱壩的重要性，為達(dá)到大壩混凝土抗裂安全系數(shù)>2.0的設(shè)計要求，首次采用了“低熱水泥+35% Ⅰ級粉煤灰”大壩混凝土設(shè)計方案[2]，是世界上首座全壩澆筑低熱水泥混凝土的特高拱壩[3-4]。

低熱水泥屬硅酸鹽水泥系列，以硅酸二鈣(C2S)為主導(dǎo)礦物[5]，又稱高貝利特水泥[6-7]。研究表明[8-10]，低熱水泥配制的混凝土具有水化溫升低、后期強(qiáng)度增長高、抗裂性好等特點(diǎn)，非常適用于溫控防裂要求高的大體積混凝土工程。但由于C2S礦物早期水化活性較差，其配制混凝土的早期強(qiáng)度也較低，這影響了低熱水泥的應(yīng)用與發(fā)展。為了推廣低熱水泥的應(yīng)用，我國工程界做了大量的研究工作，積累了豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。三峽工程蝸殼二期、導(dǎo)流底孔、地下廠房等[11]工程部位先后澆筑了低熱水泥混凝土，彰顯了低熱水泥混凝土在溫控防裂方面的技術(shù)優(yōu)勢。理論指導(dǎo)實(shí)踐，實(shí)踐推動理論，在解決了自收縮偏大、外加劑適應(yīng)性不良等問題之后，低熱水泥混凝土又成功應(yīng)用到溪洛渡導(dǎo)流洞和向家壩消力池。最后，在溪洛渡大壩30#和31#壩段[12]的應(yīng)用實(shí)踐中，形成了低熱水泥大壩混凝土的成套施工工藝。

眾所周知，低熱水泥的水化進(jìn)程較慢，高摻量粉煤灰的加入，將導(dǎo)致整個膠凝體系的水化發(fā)展更為緩慢，使得設(shè)計齡期之后的大壩混凝土性能尚未達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，所以全面掌握大壩混凝土性能的長期發(fā)展規(guī)律是非常有必要的。本文系統(tǒng)研究了烏東德大壩低熱水泥混凝土性能，揭示其長期發(fā)展規(guī)律，一方面為烏東德電站工程的安全運(yùn)行提供技術(shù)支持，另一方面為低熱水泥的推廣應(yīng)用提供實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

2 試驗(yàn)材料與試驗(yàn)方法

2.1 原材料

水泥采用四川嘉華錦屏特種水泥有限責(zé)任公司生產(chǎn)的42.5低熱硅酸鹽水泥(以下簡稱JL)、華新水泥(東川)有限公司42.5中熱硅酸鹽水泥(以下簡稱HH)，2種水泥的礦物組成與比表面積見表1，其他各項指標(biāo)均滿足GB/T 200—2017[13]的技術(shù)要求。

表1 水泥的礦物組成與比表面積Table 1 Mineral composition and specific surface areaof test cement

粉煤灰取自云南曲靖電廠的Ⅰ級粉煤灰(以下簡稱FA)，減水劑采用江蘇博特新材料有限公司生產(chǎn)的JM-II標(biāo)準(zhǔn)型高效減水劑(萘系)，引氣劑采用浙江龍游外加劑廠生產(chǎn)的ZB-1G引氣劑，各類原材料的品質(zhì)均滿足相應(yīng)規(guī)范技術(shù)要求。

試驗(yàn)用骨料為烏東德水電站施期料場灰?guī)r骨料，原巖表觀密度為2 750 kg/m3，細(xì)骨料細(xì)度模數(shù)為2.73，粗骨料堅固性為0.8%，其余品質(zhì)指標(biāo)滿足相應(yīng)規(guī)范技術(shù)要求。

2.2 大壩混凝土配合比

試驗(yàn)研究采用烏東德大壩混凝土配合比，配合比參數(shù)與拌和物性能見表2。

表2 大壩混凝土配合比與拌和物性能Table 2 Mix proportions of dam concrete and properties of mixture

2.3 試驗(yàn)方法

膠凝材料水化熱的測試依據(jù)《水泥水化熱測定方法》(GB/T 12959—2008)[14]中溶解熱法進(jìn)行，膠凝材料組成的質(zhì)量比根據(jù)表2中水膠比、FA摻量、用水量等參數(shù)來計算?；炷翉?qiáng)度、彈性模量、干縮、自生體積變形、絕熱溫升等性能測試依據(jù)《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》(DL/T 5150—2001及DL/T 5150—2017)[15-16]進(jìn)行。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 膠凝材料水化程度

膠凝材料水化為混凝土性能發(fā)展提供能量，其水化程度決定了混凝土后續(xù)性能成長空間，本文應(yīng)用水化熱法計算分析了烏東德水電站用低熱水泥膠凝體系的長齡期水化程度，結(jié)果如圖1所示。摻入35%Ⅰ級粉煤灰后，低熱水泥膠凝材料體系的3 a齡期水化程度為90.4%、5 a齡期水化程度為91.7%，3 a齡期后水化程度的年增長率不足1%，表明3 a齡期后“低熱水泥+35%粉煤灰”膠凝體系的水化基本處于穩(wěn)定狀態(tài)。同等條件下，如圖1所示，“中熱水泥+35%粉煤灰”膠凝體系于1 a齡期后達(dá)到水化穩(wěn)定狀態(tài)。

圖1 長齡期水化程度對比Fig.1 Comparison of long-term hydration degree

3.2 膠凝材料長期水化熱

膠凝材料水化放熱量及其放熱日增長速度如圖2所示，水化放熱量主要集中在7 d齡期前，放熱速度非常快，隨齡期迅速降低。烏東德水電站工程大壩混凝土用低熱水泥膠凝體系在7 d齡期后的水化熱日增長量降至5 kJ/kg以下、3 a齡期后日增長量已不足0.01 kJ/kg。

圖2 長期水化熱及水化放熱速度對比Fig.2 Comparison of long-term hydration heat andhydration heat release speed

同水膠比、同粉煤灰摻量下，低熱水泥膠凝體系在整個齡期的水化熱均低于中熱水泥膠凝體系，雖然7 d齡期后低熱水泥的水化放熱速度反超中熱水泥，但由于7 d齡期后兩者的水化放熱速度均較低，且隨齡期延長趨近于0，這使得盡管中熱水泥與低熱水泥的水化熱差值隨齡期延長而有一定幅度降低，但最終推算的水化熱差值仍有30 kJ/kg左右。

3.3 混凝土力學(xué)性能

大壩混凝土抗壓強(qiáng)度及其增長率見圖3 (a)和圖3(b)(圖3中均采用灰?guī)r骨料，四級配混凝土濕篩)，混凝土強(qiáng)度隨齡期增大而穩(wěn)步增長，前期發(fā)展較快，后期逐步放緩。結(jié)合水化熱、水化程度試驗(yàn)結(jié)果，可以認(rèn)為烏東德大壩低熱水泥混凝土在3 a齡期后，其強(qiáng)度增長處于穩(wěn)定狀態(tài)，也不會出現(xiàn)強(qiáng)度倒縮現(xiàn)象。與中熱水泥膠凝體系相比，低熱水泥混凝土強(qiáng)度發(fā)展略緩慢，但28 d強(qiáng)度增長率開始超出(圖3(b))，使得90 d齡期后強(qiáng)度超過中熱水泥混凝土(圖3(a))。采用底數(shù)為e的指數(shù)函數(shù)對強(qiáng)度發(fā)展曲線進(jìn)行擬合得出最終抗壓強(qiáng)度，擬合公式為

C=Cmax[1-exp(-αdβ)] 。

(1)

式中：α、β為系數(shù)；d為齡期；Cmax為最終抗壓強(qiáng)度；C為齡期為d時的抗壓強(qiáng)度。

JL35和HH35對應(yīng)的擬合相關(guān)系數(shù)分別為0.997和0.996。如圖3(a)所示，烏東德大壩C18035混凝土的最終抗壓強(qiáng)度為70.5 MPa，較中熱水泥混凝土高約7 MPa。

圖3 JL35和HH35抗壓強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度增長率、彈性模量、彈強(qiáng)比對比Fig.3 Comparison of compressive strength,compressivestrength growth rate, elastic modulus, and elastic modulus-to-strength ratio between JL35 and HH35

1 a齡期后大壩混凝土彈性模量達(dá)到收斂狀態(tài)，穩(wěn)定在42 GPa左右，與同齡期中熱水泥混凝土相當(dāng)(如圖3(c))。從彈強(qiáng)比指標(biāo)來看，如圖3(d)所示，90 d齡期后低熱水泥混凝土彈強(qiáng)比較低，這對混凝土長齡期的抗裂性有利。

3.4 混凝土變形性能

混凝土干縮是由于內(nèi)部孔隙失水后水泥水化產(chǎn)物產(chǎn)生體積收縮而引起，與干燥齡期呈正相關(guān)。烏東德大壩混凝土的干縮規(guī)律如圖4所示，早齡期干縮發(fā)展迅速，但干縮速度隨齡期而快速降低，至1a齡期后干縮基本不再增長，最終干縮約380×10-6，比中熱水泥混凝土的干縮要低40×10-6左右。

圖4 干縮量與齡期關(guān)系Fig.4 Relation of drying shrinkage against age

烏東德水電站工程大壩混凝土自生體積變形呈“微膨脹-回落-微膨脹-收斂狀態(tài)”的發(fā)展趨勢，如圖5所示，180 d齡期后低熱水泥混凝土自生體積變形趨于穩(wěn)定，約為20×10-6。水泥是影響混凝土自生體積變形的重要因素，如硅酸鹽水泥4種主要礦物的水化收縮按C3A>C4AF>C3S>C2S次序排列，熟料中MgO可產(chǎn)生體積膨脹對補(bǔ)償收縮有良好作用[17]，在烏東德水電站工程中，低熱水泥不僅具有“低C3S高C2S”特點(diǎn)，而且MgO含量在4.5%左右，使得低熱水泥混凝土自生體積變形長期穩(wěn)定值(膨脹)較中熱水泥混凝土約高10×10-6。

圖5 自生體積變形與齡期關(guān)系Fig.5 Relation of autogenous volumetric deformationagainst age

3.5 混凝土絕熱溫升

烏東德大壩混凝土采用“低熱水泥+35%Ⅰ級粉煤灰”方案，低熱水泥的應(yīng)用和高摻量粉煤灰的摻入，使整個膠凝體系的水化進(jìn)程較以往大壩混凝土用膠凝體系大為延后。鑒于烏東德高拱壩安全的重要性，有專家疑慮大壩混凝土的后期溫升何時穩(wěn)定？是否有“翹尾”現(xiàn)象？

烏東德大壩混凝土絕熱溫升的發(fā)展規(guī)律如圖6所示(圖中包括28 d齡期內(nèi)的絕熱溫升試驗(yàn)值和5 a齡期的絕熱溫升推定值)。根據(jù)膠凝材料水化熱來進(jìn)行推定，絕熱溫升ΔT為

ΔT=(mQ)/(cρ) 。

(2)

式中：m為膠凝材料用量；Q為同水膠比同齡期膠凝材料單位水化熱；c為同齡期混凝土比熱；ρ為混凝土密度。

由圖6可以發(fā)現(xiàn)絕熱溫升早期增長快、后期逐步放緩并收斂，28 d、1 a、3 a、5 a的絕熱溫升值分別為19.2、24.5、25.2、25.6 ℃，擬合最終收斂值為27.9 ℃，28 d齡期后絕熱溫升日增長<0.1 ℃、3 a齡期后絕熱溫升年增長僅0.1 ℃，后期無“翹尾”現(xiàn)象。與中熱水泥混凝土相比，烏東德大壩低熱水泥混凝土同齡期絕熱溫升較低，推算的最終絕熱溫升值約低4 ℃。

圖6 絕熱溫升與齡期關(guān)系Fig.6 Relation of adiabatic temperature rise against age

4 結(jié) 論

(1)烏東德高拱壩大壩混凝土采用“低熱水泥+35% Ⅰ級粉煤灰”膠凝材料體系設(shè)計方案，該膠凝體系在3 a齡期后水化程度為90.4%，且水化程度年增長率<1%，表明水化進(jìn)程達(dá)到準(zhǔn)穩(wěn)定狀態(tài)。

(2)烏東德大壩混凝土強(qiáng)度穩(wěn)定增長，擬合得出C18035大壩混凝土最終抗壓強(qiáng)度為70.5 MPa，較中熱水泥混凝土高約7 MPa；長齡期彈性模量穩(wěn)定在42 GPa左右，與同齡期中熱水泥混凝土相當(dāng)。大壩混凝土最終干縮約380×10-6，較中熱水泥混凝土低40×10-6左右；自生體積變形總體呈微膨脹發(fā)展趨勢，后期穩(wěn)定在20×10-6左右，較中熱水泥混凝土高10×10-6左右。綜合表明烏東德大壩低熱水泥混凝土較以往中熱水泥混凝土，具有長期強(qiáng)度高、長期體積穩(wěn)定性好等特點(diǎn)。

(3)烏東德大壩混凝土絕熱溫升早期增長快、后期逐步放緩并收斂，擬合最終收斂值為27.9 ℃，3 a齡期后絕熱溫升年增長量僅0.1 ℃，后期無“翹尾”現(xiàn)象。與中熱水泥混凝土相比，烏東德大壩低熱水泥混凝土同齡期絕熱溫升較低，最終絕熱溫升值約低4 ℃。

(4)綜合分析膠凝體系水化程度和混凝土性能發(fā)展規(guī)律可得，烏東德大壩混凝土的各項性能約1 a齡期后逐步進(jìn)入緩慢收斂狀態(tài)，3 a齡期后基本達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。