淺談混凝土熱學(xué)性能試驗(yàn)在印尼巴丹托魯水電站中的應(yīng)用

施東松

(中國(guó)水利水電第十工程局有限公司，四川 都江堰 611830)

1 概 述

巴丹托魯水電站工程位于印度尼西亞北蘇門(mén)答臘省南部的巴丹托魯河上，工程主要樞紐建筑物包括攔河壩擋水建筑物、泄洪建筑物、引水系統(tǒng)建筑物和發(fā)電系統(tǒng)建筑物等。攔河壩為拱形碾壓混凝土重力壩，壩高74m，額定水頭273.4m，設(shè)計(jì)流量207.6m3/s，設(shè)4臺(tái)機(jī)組，總裝機(jī)容量510MW。

巴丹托魯水電站所處地區(qū)屬于赤道熱帶雨林氣候，全年降雨豐富，年平均氣溫為25.2℃，且該工程又屬于嚴(yán)格執(zhí)行美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)的國(guó)際工程，合同技術(shù)條款對(duì)混凝土溫控的要求極其嚴(yán)格，即：混凝土任何時(shí)候最高溫度不超過(guò)40℃，不可避免地增加了工程設(shè)計(jì)和施工的難度。另外，該工程具有工程量大、工期緊、施工難度大等特點(diǎn)。工程所在地北蘇門(mén)答臘省屬于交通不便、建筑材料資源相對(duì)匱乏的地區(qū)，較難獲得混凝土用的低水化熱水泥，且粉煤灰資源稀少,需到其他島采購(gòu)，且被印度尼西亞作為有害廢棄物進(jìn)行管制，導(dǎo)致其在運(yùn)輸和使用上也非常困難。

設(shè)計(jì)前期勘探工作出現(xiàn)了一些問(wèn)題，導(dǎo)致項(xiàng)目預(yù)選采石場(chǎng)無(wú)法按期生產(chǎn)項(xiàng)目所需的骨料，嚴(yán)重制約了工程主體混凝土配合比設(shè)計(jì)及溫控研究工作的開(kāi)展。因此，經(jīng)項(xiàng)目部研究決定，利用工地現(xiàn)有資源，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)室結(jié)合以往工程的經(jīng)驗(yàn)及現(xiàn)代化的數(shù)字建模技術(shù)等，模擬大壩關(guān)鍵部位混凝土配合比設(shè)計(jì)，并進(jìn)行混凝土的絕熱溫升和半絕熱溫升檢測(cè)，為大壩混凝土的原材料選擇、混凝土配合比優(yōu)化設(shè)計(jì)、混凝土溫控設(shè)計(jì)及溫控措施等提供試驗(yàn)技術(shù)支撐資料。

2 混凝土原材料

原材料對(duì)混凝土的質(zhì)量和性能起著決定性的作用，其品質(zhì)的好壞直接決定在混凝土配合比設(shè)計(jì)時(shí)各混合材料的實(shí)際用量，特別是在混凝土水化熱方面的影響對(duì)混凝土溫控的研究有著至關(guān)重要的作用。因此，在滿足合同技術(shù)條款和標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求的基礎(chǔ)上，應(yīng)優(yōu)先考慮品質(zhì)優(yōu)良的混凝土原材料。主要原材料試驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果如下。

a.水泥。選用印尼本地生產(chǎn)的散裝OPC型水泥，其密度為3.06g/cm3，比表面積為338m2/kg，初凝時(shí)間為120min，終凝時(shí)間為214min，蒸壓膨脹率為0.04%，28d抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度分別為6.6MPa、38.9MPa，燒失量為2.8%，不溶殘余物0.52%，MgO含量1.5%，SO3含量1.95%，氯離子含量0.04%，3d、7d水化熱分別為252.9kJ/kg、330.4kJ/kg，檢測(cè)結(jié)果滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。

b.粉煤灰。選用的粉煤灰其密度為2.58g/cm3，0.045mm篩余6.0%，蒸壓膨脹率0.01%，含水率0.1%，需水量比97%，7d、28d抗壓強(qiáng)度比分別為設(shè)計(jì)值的90%、104%，燒失量0.75%，游離氧化鈣0.66%，SO3含量1.37%，堿含量0.33%，檢測(cè)結(jié)果滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。

c.外加劑。選用Sikament NN高效減水劑(液體)，其最佳摻量為0.7%，減水率18.3%，含氣量2.6%，初凝結(jié)時(shí)間增加30min、終凝時(shí)間增加40min，7d、28d抗壓強(qiáng)度與基準(zhǔn)混凝土同齡期抗壓強(qiáng)度之比分別為133%、123%，7d、28d抗折強(qiáng)度與基準(zhǔn)混凝土同齡期抗折強(qiáng)度之比分別為119%、115%，與OPC型水泥相容性良好，檢測(cè)結(jié)果滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。

3 混凝土配合比

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)室配制，大壩關(guān)鍵部位常用混凝土配合比見(jiàn)表1。

表1 混凝土配合比

4 混凝土熱學(xué)性能檢測(cè)

4.1 混凝土絕熱溫升試驗(yàn)

混凝土絕熱溫升是在絕熱條件下，檢測(cè)混凝土在水化過(guò)程中的溫度變化及最高溫升值，其直接影響混凝土的水化熱溫升，從而影響混凝土結(jié)構(gòu)的最高溫度、基礎(chǔ)溫度和內(nèi)外溫差。而混凝土絕熱溫升發(fā)展曲線是衡量混凝土配合比是否有利于大體積混凝土結(jié)構(gòu)物降低開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)的重要指標(biāo)，精確、可靠的絕熱溫升發(fā)展曲線是實(shí)現(xiàn)正確判斷的前提條件。

本次混凝土絕熱溫升-歷時(shí)實(shí)測(cè)過(guò)程檢測(cè)采用DR-2A型混凝土熱物理參數(shù)測(cè)定儀直接測(cè)定，該設(shè)備溫度跟蹤精度為±0.1℃，試件尺寸為φ200×400mm。混凝土絕熱溫升-歷時(shí)檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表2，混凝土絕熱溫升-歷時(shí)實(shí)測(cè)過(guò)程曲線見(jiàn)圖1。

表2 混凝土絕熱溫升-歷時(shí)檢測(cè)結(jié)果

圖1 混凝土絕熱溫升-歷時(shí)實(shí)測(cè)過(guò)程曲線

4.2 混凝土半絕熱溫升試驗(yàn)

4.2.1 試驗(yàn)準(zhǔn)備

a.混凝土半絕熱溫升模型。試驗(yàn)用混凝土模型凈孔尺寸為1000mm×1000mm× 1000mm，外模采用鋼管做骨架，20mm厚聚丙烯塑料模板做外模，形成的內(nèi)部容積為1210mm×1210mm×1210mm。內(nèi)模采用5mm厚五合板，且內(nèi)模與外模之間六面均填充100mm厚閉孔泡沫板，接縫處用玻璃膠進(jìn)行密封處理，保證其密封性良好。圖2為混凝土半絕熱溫升模型示意圖。

圖2 混凝土半絕熱溫升模型及測(cè)溫傳感器布置示意圖 (單位：mm)

b.測(cè)溫設(shè)備及其布置。測(cè)溫設(shè)備由測(cè)溫精度不小于0.1℃的JDC-2型測(cè)溫計(jì)和若干測(cè)溫傳感器組成。混凝土半絕熱溫升模型的測(cè)溫傳感器布置如下：? 4個(gè)側(cè)壁在五合板與混凝土之間的中心點(diǎn)各布置1個(gè)，按方位東、南、西、北分別為1號(hào)～4號(hào)測(cè)溫傳感器；?混凝土中心豎直預(yù)埋用PVC管固定好的5號(hào)～15號(hào)測(cè)溫傳感器砂漿棒；?16號(hào)測(cè)試驗(yàn)區(qū)環(huán)境溫度，17號(hào)測(cè)試驗(yàn)區(qū)地表溫度。見(jiàn)圖2。

c.試驗(yàn)條件。試驗(yàn)場(chǎng)地選在干擾少、平整的混凝土地坪上進(jìn)行，且搭設(shè)涼棚，防止混凝土半絕熱溫升模型在試驗(yàn)期間被雨水淋濕。

4.2.2 試驗(yàn)主要內(nèi)容及成果

a.按表1中配比編號(hào)為CT-1的常態(tài)混凝土配合比配置混凝土，模擬施工現(xiàn)場(chǎng)罐車(chē)運(yùn)輸混凝土澆筑，φ50振搗棒振搗密實(shí)，并記錄混凝土入倉(cāng)溫度為31.7℃。混凝土從拌和、振搗成型到記錄入倉(cāng)溫度在2h內(nèi)完成。

b.試驗(yàn)前每隔4h測(cè)量一次，測(cè)量試驗(yàn)區(qū)環(huán)境溫度及地表溫度，共測(cè)量6次。

c.記錄完入倉(cāng)溫度后，每1h記錄混凝土試件中各測(cè)溫傳感器溫度一次，歷經(jīng)24h后每8h記錄一次，達(dá)到最高溫升后每天記錄一次，試驗(yàn)齡期以混凝土試件溫度降到環(huán)境溫度為準(zhǔn)。試驗(yàn)期間測(cè)量試驗(yàn)區(qū)環(huán)境溫度和地表溫度，檢測(cè)頻率與混凝土試件測(cè)溫相同。混凝土半絕熱溫升-歷時(shí)實(shí)測(cè)曲線見(jiàn)圖3。

圖3 混凝土半絕熱溫升-歷時(shí)實(shí)測(cè)曲線

5 試驗(yàn)成果分析

通過(guò)本次混凝土用原材料檢測(cè)、不同混凝土配合比下的混凝土絕熱溫升和半絕熱溫升檢測(cè)結(jié)果分析可知：

a.水泥作為影響混凝土水化熱的主要膠凝材料，水泥的類(lèi)型及單位用量對(duì)大體積混凝土水化熱起到至關(guān)重要的作用。本工程合同技術(shù)條款指定使用的Portland Cement Type Ⅰ水泥水化熱過(guò)大，若可以采用Portland Cement Type Ⅳ或其他類(lèi)似低水化熱水泥，對(duì)大體積混凝土的溫控和防裂極其有利。

b.作為碾壓混凝土不可缺少的摻和料粉煤灰，不僅可以提高工程混凝土的耐久性，而且可以有效降低混凝土水化熱、推遲水化熱的溫度峰值，大摻量的粉煤灰對(duì)降低混凝土水化熱作用尤為明顯。另外，三級(jí)配混凝土配合比較二級(jí)配的單位用水量少，單位水泥用量也偏少，故大體積混凝土配合比設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)優(yōu)先考慮采用三級(jí)配且大摻量粉煤灰來(lái)降低混凝土的水泥用量，從而降低混凝土水化熱。

c.在混凝土工程中，品質(zhì)良好的減水劑可以改善混凝土的工作性，提高混凝土抗壓強(qiáng)度，減少單位體積水泥用量，間接減少或推遲水泥水化熱的溫度峰值[5]，有利于大體積混凝土在高溫條件下的施工。

d.由于碾壓混凝土具有低水泥用量、高粉煤灰摻量的特點(diǎn)，因此，碾壓混凝土的絕熱溫升值明顯低于常態(tài)混凝土。從混凝土絕熱溫升-歷時(shí)實(shí)測(cè)過(guò)程看，碾壓混凝土早期溫度增長(zhǎng)緩慢，后期持續(xù)增加。

e.對(duì)常態(tài)混凝土而言，由于膠凝材料用量較高，混凝土早期水化強(qiáng)烈，其絕熱溫升值早期增長(zhǎng)較快，7d后趨于平穩(wěn)；隨著水膠比和粉煤灰摻量降低，膠凝材料總用量和單位體積水泥用量的增加，混凝土絕熱溫升值增大。

f.由于檢測(cè)混凝土絕熱溫升-歷時(shí)實(shí)測(cè)曲線試驗(yàn)周期長(zhǎng)，且需要用試驗(yàn)設(shè)備模擬出一種絕熱狀態(tài)，使混凝土試件處于完全不失去、不吸收熱量的條件下，獲得只憑自身水化反應(yīng)產(chǎn)生熱量引起的溫升直至發(fā)展過(guò)程平緩，因此需要一個(gè)恒定的試驗(yàn)環(huán)境溫度。但試驗(yàn)室內(nèi)溫度常用空調(diào)來(lái)控制，而且試驗(yàn)設(shè)備在長(zhǎng)周期下運(yùn)轉(zhuǎn)，容易受空調(diào)精度、室外溫度、斷電、設(shè)備故障等因素的影響，故很難達(dá)到真正意義上的“絕熱狀態(tài)”。而混凝土半絕熱溫升-歷時(shí)實(shí)測(cè)曲線試驗(yàn)，則是在模擬現(xiàn)場(chǎng)施工條件下進(jìn)行的，基本不考慮外界因素的干擾，更真實(shí)地反映了混凝土溫升、降溫的全過(guò)程，進(jìn)一步從試驗(yàn)成果上驗(yàn)證了混凝土絕熱溫升試驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，為工程混凝土溫控設(shè)計(jì)和溫控措施提供了更真實(shí)、有效的試驗(yàn)參數(shù)。

6 結(jié) 語(yǔ)

印尼巴丹托魯水電站試驗(yàn)室通過(guò)對(duì)大壩關(guān)鍵部位常用混凝土配合比絕熱溫升和半絕熱溫升的試驗(yàn)和探索，在為該工程混凝土溫控設(shè)計(jì)和溫控措施提供了有效試驗(yàn)參數(shù)的同時(shí)，也為熱帶雨林地區(qū)大體積混凝土溫控積累了經(jīng)驗(yàn)，值得推廣。