犍為航電樞紐工程低熱硅酸鹽水泥應(yīng)用研究

汪倫，陳水兵

(1.四川省港航投資集團(tuán)有限責(zé)任公司，成都，610041；2.四川岷江港航電開發(fā)有限責(zé)任公司，四川樂山，614001)

1 研究背景

犍為航電樞紐工程具有建筑物結(jié)構(gòu)復(fù)雜(泄水閘、左右廠房、安裝間、船閘等)、混凝土澆筑塊尺寸大(主機(jī)間最大長(zhǎng)度87.69m，最大寬度70.59m)、約束區(qū)范圍大(大部分位于強(qiáng)約束區(qū))、以及暴露面多受寒潮影響大等特點(diǎn)，溫控防裂的難度大。工程建設(shè)初期采用普通硅酸鹽水泥澆筑結(jié)構(gòu)大體積混凝土，混凝土的絕熱溫升高且發(fā)熱快，自生體積變形為收縮型。因此從材料特性角度也對(duì)混凝土的溫控防裂不利，混凝土水化放熱導(dǎo)致的溫度裂縫是大體積混凝土開裂的主要原因之一，需要進(jìn)一步從混凝土原材料及配合比的源頭開展創(chuàng)新試驗(yàn)研究。

溫度裂縫的產(chǎn)生與混凝土的性能密切相關(guān)，選用發(fā)熱量低的水泥以降低水化熱溫升，是控制混凝土最高溫度，防止混凝土裂縫最有效的措施之一。低熱硅酸鹽水泥以硅酸二鈣為主導(dǎo)礦物，從現(xiàn)有工程溫度監(jiān)測(cè)資料和室內(nèi)研究成果看，采用低熱水泥配制的混凝土具有早期強(qiáng)度和溫升發(fā)展緩慢、后期強(qiáng)度高、最終溫升低的特點(diǎn)，可從源頭解決混凝土溫升問題，有效降低混凝土最高溫度，因此，在水電行業(yè)已經(jīng)開始推廣應(yīng)用，取得了預(yù)期效果。我國(guó)在“九五”、“十五”期間在高貝利特水泥(亦即低熱水泥)生產(chǎn)和研究方面取得突破，現(xiàn)已頒布實(shí)施國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 200-2017《中熱硅酸鹽水泥、低熱硅酸鹽水泥》。目前，低熱硅酸鹽水泥已先后成功在三峽工程局部、溪洛渡泄洪洞和壩體局部壩段、向家壩消力池，以及白鶴灘和烏東德水電站兩個(gè)特大型水電工程的全壩使用。

本文針對(duì)犍為航電樞紐的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，對(duì)各設(shè)計(jì)指標(biāo)混凝土進(jìn)行了全面性能試驗(yàn)，綜合比較普通硅酸鹽水泥與低熱硅酸鹽水泥混凝土各項(xiàng)性能，為工程應(yīng)用提供依據(jù)。

2 工程概況

犍為航電樞紐工程位于岷江下游樂山市犍為縣境內(nèi)，是岷江樂山至宜賓長(zhǎng)162km河段航電六級(jí)開發(fā)方案中的第三級(jí)，壩址位于犍為大橋上游約1.45km處。開發(fā)任務(wù)為以航運(yùn)為主、結(jié)合發(fā)電，兼顧供水、灌溉，屬Ⅱ等大(2)型工程，船閘級(jí)別為Ⅲ級(jí)。水庫(kù)正常蓄水位335m，裝機(jī)容量500MW，船閘最大設(shè)計(jì)船型噸位數(shù)1000t。樞紐工程主要水工建筑物采用一字型布置，從左至右依次為：左岸重力壩、魚道、發(fā)電廠房、右儲(chǔ)門槽壩段、泄水閘、船閘、右岸重力壩等。

3 試驗(yàn)方法及結(jié)果

3.1 試驗(yàn)研究技術(shù)路線

根據(jù)混凝土配合比優(yōu)選試驗(yàn)的一般步驟，首先進(jìn)行原材料品質(zhì)和性能檢測(cè)，評(píng)價(jià)其是否滿足相應(yīng)的國(guó)標(biāo)或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)要求，掌握原材料基本性能，為混凝土配合比設(shè)計(jì)、優(yōu)選及性能試驗(yàn)提供參考。

配合比設(shè)計(jì)和優(yōu)選試驗(yàn)主要包括確定混凝土用水量、粗骨料最優(yōu)級(jí)配、最優(yōu)砂率、外加劑摻量、不同水膠比和粉煤灰摻量對(duì)混凝土基本性能的影響。采用普通硅酸鹽水泥進(jìn)行二級(jí)配混凝土配合比優(yōu)選試驗(yàn)，低熱硅酸鹽水泥進(jìn)行三級(jí)配混凝土配合比優(yōu)選試驗(yàn)，依據(jù)配合比優(yōu)選試驗(yàn)結(jié)果，提出設(shè)計(jì)齡期為90d的各強(qiáng)度等級(jí)混凝土施工推薦配合比；進(jìn)行混凝土全性能試驗(yàn)，比較普通硅酸鹽水泥混凝土與低熱硅酸鹽水泥混凝土各項(xiàng)性能，全面掌握犍為航電樞紐工程壩體混凝土的力學(xué)性能、變形性能、熱學(xué)性能和耐久性，為溫控防裂設(shè)計(jì)與施工提供依據(jù)。

3.2 原材料檢測(cè)成果

對(duì)試驗(yàn)用原材料進(jìn)行了品質(zhì)和性能檢測(cè)，主要結(jié)論如下：

(1)寶馬普通硅酸鹽水泥3d和7d齡期的水化熱分別為268kJ/kg和312kJ/kg；嘉華低熱硅酸鹽水泥3d和7d齡期的水化熱分別為201kJ/kg和230kJ/kg。

(2)試驗(yàn)用粉煤灰細(xì)度為16%，需水量比為105%，品質(zhì)檢測(cè)結(jié)果滿足F類Ⅱ級(jí)灰的技術(shù)要求。

(3)天然砂細(xì)度模數(shù)1.89，人工砂細(xì)度模數(shù)為2.62。泥塊含量均超出DL/T 5144-2015規(guī)定的技術(shù)要求。

(4)粗骨料的粒形一般，無(wú)明顯針片狀顆粒，中石的超徑含量、小石的含泥量與泥塊含量高于DL/T 5144-2015規(guī)定的技術(shù)要求。

(5)減水劑檢測(cè)結(jié)果表明，GL-1018型緩凝高性能減水劑，含氣量高于DL/T 5100-2014《水工混凝土外加劑技術(shù)規(guī)程》規(guī)定的技術(shù)要求。

3.3 混凝土配合比優(yōu)選

混凝土配合比計(jì)算采用絕對(duì)體積法，砂石混凝土配合比設(shè)計(jì)根據(jù)工程設(shè)計(jì)對(duì)混凝土力學(xué)、變形、熱學(xué)和耐久等性能的要求進(jìn)行，并充分考慮施工和易性與經(jīng)濟(jì)性的要求。根據(jù)原材料的品質(zhì)特性，通過試拌和新拌混凝土的性能檢測(cè)，經(jīng)濟(jì)合理地確定混凝土的用水量、砂率、骨料級(jí)配、外加劑摻量等配合比參數(shù)；根據(jù)各強(qiáng)度等級(jí)要求，進(jìn)行不同水膠比和粉煤灰摻量的混凝土基本性能試驗(yàn)；依據(jù)抗壓強(qiáng)度與膠水比的回歸關(guān)系和耐久性試驗(yàn)結(jié)果，骨料以飽和面干狀態(tài)為基準(zhǔn)。

通過配合比優(yōu)選試驗(yàn)，推薦二級(jí)配常態(tài)混凝土C9020W6F50的水膠比為0.50，粉煤灰摻量為35%，C9025W6F50的水膠比為0.50，粉煤灰摻量為35%；推薦三級(jí)配常態(tài)混凝土C9020W6F50的水膠比為0.50，粉煤灰摻量為35%，C9025W6F50的水膠比為0.50，粉煤灰摻量為30%。

綜合考慮各設(shè)計(jì)指標(biāo)混凝土使用部位、用量，以及普通硅酸鹽水泥和低熱硅酸鹽水泥混凝土特性，推薦強(qiáng)度等級(jí)為C9020的二級(jí)配和三級(jí)配混凝土采用普通硅酸鹽水泥進(jìn)行全面性能試驗(yàn)，強(qiáng)度等級(jí)為C9025的二級(jí)配和三級(jí)配混凝土采用低熱硅酸鹽水泥進(jìn)行全面性能試驗(yàn)。

各類混凝土的推薦配合比詳見表1。

表1 常態(tài)混凝土推薦配合比

3.4 混凝土性能試驗(yàn)

針對(duì)本樞紐工程主要建筑物混凝土和溫控計(jì)算需要，對(duì)強(qiáng)度等級(jí)為C9020的二級(jí)配和三級(jí)配混凝土(普通硅酸鹽水泥)、強(qiáng)度等級(jí)為C9025的二級(jí)配和三級(jí)配混凝土(低熱硅酸鹽水泥)開展全面性能試驗(yàn)，包括拌合物性能、力學(xué)性能、變形性能、熱學(xué)性能和耐久性等。試驗(yàn)結(jié)果見表2-表8。

表2 新拌混凝土性能

表3 混凝土抗壓強(qiáng)度及增長(zhǎng)率

表4 混凝土劈拉強(qiáng)度及增長(zhǎng)率

表5 混凝土軸拉強(qiáng)度及增長(zhǎng)率

表6 混凝土極限拉伸及增長(zhǎng)率

表7 混凝土彈性模量試驗(yàn)結(jié)果

表8 混凝土熱學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)混凝土絕熱溫升測(cè)定結(jié)果可知，二級(jí)配C9020混凝土(WP2-50-35)28d實(shí)測(cè)絕熱溫升為34.3℃，擬合最終溫升為35.7℃，三級(jí)配C9020混凝土(WP3-50-35)28d實(shí)測(cè)絕溫升為30.0℃，擬合最終溫升為32.1℃；二級(jí)配C9025混凝土(WL2-50-30)28d實(shí)測(cè)絕熱溫升為28.5℃，擬合最終溫升為31.3℃，三級(jí)配C9025混凝土(WL3-50-30)28d實(shí)測(cè)絕溫升為24.8℃，擬合最終溫升為27.2℃。

從混凝土膠材用量及溫升過程看，低熱硅酸鹽水泥混凝土的水泥用量比普通硅酸鹽水泥混凝土高約10kg/m3，但實(shí)測(cè)絕熱溫升比普通硅酸鹽水泥混凝土降低4℃～6℃，且早期溫升較普通硅酸鹽水泥混凝土明顯降低。采用低熱硅酸鹽水泥可有效降低大體積混凝土的絕熱溫升，尤其有利于混凝土早期溫控和通水冷卻，提高混凝土抗裂性能。

混凝土的設(shè)計(jì)抗?jié)B等級(jí)為W6，設(shè)計(jì)齡期為90d。結(jié)果見表9。

表9 混凝土抗?jié)B性能試驗(yàn)結(jié)果

混凝土的設(shè)計(jì)抗凍等級(jí)為F50，設(shè)計(jì)齡期為90d，低熱硅酸鹽水泥混凝土抗凍性能優(yōu)于普通硅酸鹽水泥混凝土。結(jié)果見表10。

表10 混凝土抗凍性能試驗(yàn)結(jié)果

4 試驗(yàn)結(jié)果分析

(1)新拌混凝土坍落度在(30～60)mm之間，含氣量在1%～3%之間，各推薦配合比混凝土的和易性良好，滿足施工要求。二級(jí)配混凝土實(shí)測(cè)容重分別為2464kg/m3和2465kg/m3，三級(jí)配混凝土實(shí)測(cè)容重分別為2517kg/m3和2525kg/m3，三級(jí)配混凝土容重大于二級(jí)配混凝土；混凝土初凝時(shí)間在10h15min至10h30min之間，終凝時(shí)間在12h40min至14h40min之間，普通硅酸鹽水泥混凝土與低熱硅酸鹽水泥混凝土相比，初凝時(shí)間相差不大，終凝時(shí)間略長(zhǎng)。

(2)各推薦配合比混凝土的抗壓強(qiáng)度、抗?jié)B和抗凍性能均可滿足設(shè)計(jì)要求。低熱硅酸鹽水泥混凝土的早期強(qiáng)度增長(zhǎng)率低于普通硅酸鹽水泥混凝土，后期強(qiáng)度增長(zhǎng)率高于普通硅酸鹽水泥混凝土；低熱硅酸鹽水泥混凝土抗凍性能優(yōu)于普通硅酸鹽水泥混凝土。

(3)各推薦配合比混凝土28d齡期極限拉伸值在(94～109)×10-6之間；90d齡期在(100～123)×10-6之間。28d齡期抗壓彈性模量在(30.5～32.3)GPa之間，軸拉彈性模量在(29.3～30.8)GPa之間；90d齡期抗壓彈性模量在(34.7～36.0)GPa之間，軸拉彈性模量在(34.2～35.1)GPa之間，混凝土抗壓彈模與軸拉彈模的比值在0.98～1.06之間。

(4)干縮試驗(yàn)結(jié)果表明，截至180d齡期，強(qiáng)度等級(jí)為C9020的普通硅酸鹽水泥混凝土干縮率在-467×10-6～-483×10-6之間；強(qiáng)度等級(jí)為C9025的低熱硅酸鹽水泥混凝土干縮率在-407×10-6～-420×10-6之間，低熱硅酸鹽水泥混凝土干縮率小于普通硅酸鹽水泥混凝土。

(5)自生體積變形試驗(yàn)結(jié)果表明，各推薦配合比混凝土的自變均為收縮變形，截至180d齡期，普通硅酸鹽水泥混凝土的自變?cè)?34.4×10-6～-38.7×10-6之間；低熱硅酸鹽水泥混凝土的自變?cè)?27.7×10-6～-30.1×10-6之間，普通硅酸鹽水泥混凝土的自變收縮變形量大于低熱硅酸鹽水泥混凝土。

(6)熱學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果表明，級(jí)配相同情況下，低熱硅酸鹽水泥混凝土的實(shí)測(cè)絕熱溫升比普通硅酸鹽水泥混凝土降低(4～6)℃，且早期溫升較普通硅酸鹽水泥混凝土明顯降低，表明采用低熱硅酸鹽水泥有利于大體積混凝土溫控防裂。

5 結(jié)論

(1)綜合比較普通硅酸鹽水泥與低熱硅酸鹽水泥混凝土各項(xiàng)性能可知，采用低熱硅酸鹽水泥配制的混凝土具有早期強(qiáng)度和溫升發(fā)展緩慢、后期強(qiáng)度高、最終溫升低的特點(diǎn)，可從源頭解決混凝土溫升問題，有效降低混凝土最高溫度。在水電工程中應(yīng)用低熱水泥混凝土，可有效提高混凝土結(jié)構(gòu)的抗裂安全系數(shù)。

(2)在犍為航電樞紐的大體積混凝土中最終采用了使用低熱硅酸鹽水泥的方案，其中包括了泄水閘壩和廠房主機(jī)間的大體積混凝土，實(shí)際施工中通過有效的溫控標(biāo)準(zhǔn)和防裂措施，達(dá)到了減少混凝土溫度裂縫的目的。