錦屏一級水電站中熱水泥的技術(shù)指標與考核性生產(chǎn)成果分析

肖延亮，張 洋，李 翼

(中國水電顧問集團成都勘測設(shè)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(zhì)的優(yōu)劣直接影響大壩混凝土的質(zhì)量。使用品質(zhì)較優(yōu)且質(zhì)量穩(wěn)定的水泥是保障大壩混凝土質(zhì)量的關(guān)鍵措施之一。

2 水泥技術(shù)指標

為了使錦屏一級水電站大壩混凝土能使用品質(zhì)較優(yōu)且質(zhì)量穩(wěn)定的中熱硅酸鹽水泥，業(yè)主組織相關(guān)技術(shù)人員對西南地區(qū)的水泥生產(chǎn)企業(yè)進行了調(diào)研，在對水泥企業(yè)的生產(chǎn)規(guī)模、中熱水泥的生產(chǎn)能力、供應(yīng)業(yè)績等的考察基礎(chǔ)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(chǎn)。為使考核性生產(chǎn)更具針對性，通過專家咨詢，并經(jīng)過幾次修改，確定了錦屏一級水電站中熱硅酸鹽水泥技術(shù)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(yīng)達到錦屏一級工程的要求：

(1)水泥中內(nèi)含MgO含量應(yīng)控制在3.5%～5.0%；

(2)水泥7d水化熱應(yīng)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(yīng)不大于0.5%；

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

(7)水泥應(yīng)使用G類二級以上天然二水石膏。

3 相關(guān)技術(shù)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(yīng)控制在不大于283kJ/kg。

錦屏大壩采用只設(shè)橫縫、不設(shè)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(chǎn)生的熱量在混凝土內(nèi)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(chǎn)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(chǎn)生較大的拉應(yīng)力。為了有效降低大壩因溫度應(yīng)力而產(chǎn)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(chǎn)生的產(chǎn)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(chǎn)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(zhì)和鐵質(zhì)礦化劑，通過固相反應(yīng)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(zhì)點較易擴散，對C3S形成有利，但燒結(jié)范圍變窄，窯內(nèi)易結(jié)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(nèi)水泥水化熱集聚使其溫度上升，這一溫升需經(jīng)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(nèi)產(chǎn)生巨大的溫度收縮應(yīng)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(nèi)部毛細孔和凝膠孔的吸附水而產(chǎn)生不可逆收縮，這也要產(chǎn)生較大的應(yīng)力[3]。在實際工程中，往往這三種應(yīng)力同時出現(xiàn)，使混凝土出現(xiàn)應(yīng)力疊加產(chǎn)生更大的拉應(yīng)力，當拉應(yīng)力達到一定值后就使混凝土發(fā)生局部破壞而產(chǎn)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(chǔ)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(chǔ)未產(chǎn)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(jīng)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(chǎn)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(chǎn)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(yīng)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(chǎn)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(yīng)并經(jīng)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(yīng)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(guān)系一個工程的成敗，還關(guān)系到人民生命財產(chǎn)安全以及國家經(jīng)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(zhì)的混凝土骨料料源，由于堿骨料反應(yīng)產(chǎn)生的破壞性膨脹會降低混凝土的承載力，破壞混凝土結(jié)構(gòu)，而且因堿骨料反應(yīng)而產(chǎn)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(chǎn)生膨脹的有效方法。為提高大壩結(jié)構(gòu)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(yīng)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(yīng)不小于42.5MPa，28d抗折強度不小于6.5MPa。目前國內(nèi)的中熱水泥生產(chǎn)企業(yè)生產(chǎn)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(chǎn)生較大的波動，不利于大壩溫度應(yīng)力的控制。因此要求錦屏一級水電站水泥28d強度應(yīng)控制在48±3MPa，使水泥的28d抗壓強度在較小范圍內(nèi)波動，從而降低因水泥質(zhì)量波動而對大壩混凝土產(chǎn)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(yīng)，起到調(diào)節(jié)水泥凝結(jié)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(yīng)使用G類二級以上天然二水石膏。

4 中熱水泥考核性生產(chǎn)結(jié)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(chǎn)。表1與圖1、圖2是其中一家水泥廠家的試驗結(jié)果。從水泥的檢測結(jié)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(chǎn)的進行穩(wěn)中略有增加，說明水泥的品質(zhì)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(chǎn)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(jié) 語

通過對錦屏一級水電站中熱技術(shù)指標的分析及考核性生產(chǎn)試驗結(jié)果總結(jié)，可以得出以下幾點結(jié)論：

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

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

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.

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[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(jié)果

圖1 中熱水泥自生體積變形觀測結(jié)果(水膠比0.39)

圖2 中熱水泥自生體積變形觀測結(jié)果(水膠比0.47)