美國胡佛大壩低熱水泥混凝土應(yīng)用與啟示

樊啟祥，李文偉，李新宇，陳改新，楊華全

(1.中國長江三峽集團(tuán)公司，北京100038；2.中國電建集團(tuán)華東勘測設(shè)計研究院有限公司，浙江杭州311122；3.中國水利水電科學(xué)研究院，北京100038；4.長江水利委員會長江科學(xué)院，湖北武漢430010)

美國胡佛大壩低熱水泥混凝土應(yīng)用與啟示

樊啟祥1，李文偉1，李新宇2，陳改新3，楊華全4

(1.中國長江三峽集團(tuán)公司，北京100038；2.中國電建集團(tuán)華東勘測設(shè)計研究院有限公司，浙江杭州311122；3.中國水利水電科學(xué)研究院，北京100038；4.長江水利委員會長江科學(xué)院，湖北武漢430010)

通過總結(jié)胡佛大壩低熱水泥的研究背景、研究過程、混凝土性能特點以及應(yīng)用技術(shù)和效果，得到低熱水泥大壩混凝土綜合性能優(yōu)越且強(qiáng)度持續(xù)緩慢增長，混凝土質(zhì)量優(yōu)良，但同時觀測到低熱水泥大壩混凝土在通水冷卻結(jié)束后的0.5～14.5a溫度出現(xiàn)較大幅度回升，澆筑13.5 a年后大壩混凝土內(nèi)部測點實測溫度平均回升12.6℃。借鑒胡佛大壩經(jīng)驗，得到一些啟示，結(jié)合我國研究和實踐，推動我國低熱水泥混凝土技術(shù)的推廣應(yīng)用。

低熱硅酸鹽水泥；大壩混凝土；胡佛大壩

胡佛大壩(Hoover dam)壩高221.3 m，是當(dāng)時世界上最高的重力拱壩，也是世界上第一座壩高突破200 m的大壩，整個工程共澆筑混凝土340萬m3，其中大壩混凝土260萬m3。胡佛大壩于1931年4月開始動工興建，1933年6月6日開始第一倉大壩混凝土澆筑，1935年3月23日大壩混凝土澆筑完成[1]。胡佛大壩在低熱水泥、混凝土配合比設(shè)計、柱狀塊澆筑、混凝土溫度控制等方面都取得了重大突破。本文系統(tǒng)整理了低熱硅酸鹽水泥(以下簡稱“低熱水泥”)的研究背景、研究過程、混凝土性能特點及其應(yīng)用技術(shù)和效果，供國內(nèi)類似工程參考。

1 低熱水泥研究與應(yīng)用

大壩大體積混凝土獲得強(qiáng)度的過程中，必然伴隨水泥水化放熱，如熱量不及時消散而在壩體內(nèi)部累積，環(huán)境溫度降低時，表層和內(nèi)部混凝土之間的溫度梯度過大，則會導(dǎo)致表面裂縫的產(chǎn)生。大壩混凝土材料研究及其配合比優(yōu)化設(shè)計就是要在足夠高的強(qiáng)度和盡可能低的溫升之間尋找平衡點。胡佛大壩的解決方案是采用低熱水泥和人工冷卻技術(shù)。

表1 胡佛大壩用低熱水泥和標(biāo)準(zhǔn)水泥特性對比

表2 美國水泥標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的I～V型水泥主要成分限值(ASTM C150-16)

注：5.0a表示如果水泥經(jīng)壓蒸安定性試驗合格，則水泥MgO含量允許放寬到6.0%。

胡佛大壩修建之前，人們尚未全面系統(tǒng)了解水泥和混凝土的特性，并不完全清楚水泥的基本礦物組分和各自的水化反應(yīng)對于強(qiáng)度、發(fā)熱和耐久性的影響。墾務(wù)局聯(lián)合標(biāo)準(zhǔn)局、加州大學(xué)伯克利分校、波特蘭水泥協(xié)會以及其他多家水泥廠商對水泥的生產(chǎn)制備過程及冷卻速率、水泥的化學(xué)成分、水化熱、細(xì)度、凝結(jié)時間和砂漿的力學(xué)性能特性、耐久性等方面進(jìn)行了大量系統(tǒng)研究，共對93種水泥進(jìn)行了試驗，探明了水泥主要由4種基本礦物成分組成，以及每種礦物對水泥強(qiáng)度和水化熱的影響規(guī)律。根據(jù)上述研究成果，確定了胡佛大壩用低熱水泥(即ASTM IV型水泥)主要礦物成分組成比例。胡佛大壩施工中采用了標(biāo)準(zhǔn)水泥和低熱水泥，冬季低溫時段施工時采用的是40%標(biāo)準(zhǔn)水泥和60%低熱水泥混合使用，這兩種水泥在現(xiàn)場分別裝在不同水泥罐中，拌制時，分別稱量后放在混凝土拌和樓中混合攪拌，以便獲得早期強(qiáng)度并利于模板拆卸；其余時段均采用低熱水泥。低熱水泥和標(biāo)準(zhǔn)水泥主要技術(shù)參數(shù)對比見表1[2]。在胡佛大壩低熱水泥的基礎(chǔ)上制定的ASTM IV型水泥標(biāo)準(zhǔn)一直沿用至今，美國最新出版的《ASTM C150-16：Standard Specification for Portland Cement》中對ASTM I～V型水泥的主要組成成分的限值見表2[3]。

除胡佛大壩外，美國還先后在Bartlett(1939年建成)、Grand Coulee(1942年建成)、Shasta(1945年建成)、Detroit(1953年建成)、Francisco Madero(墨西哥，1949年建成)、Friant(1942年建成)等大壩中應(yīng)用了低熱水泥[4]。上述工程中，胡佛大壩混凝土骨料最大粒徑為225 mm，Bartlett大壩混凝土骨料最大粒徑為75 mm，其他大壩混凝土骨料最大粒徑均為150 mm；混凝土單位水泥用量，除1953年建成的Detroit大壩混凝土單位水泥用量較低，僅134kg外，其他均大于200 kg。這些工程中，僅Friant大壩內(nèi)部混凝土中摻加了一定量的火山灰，其余均未摻加任何摻合料。

美國自1970年代以后基本不再生產(chǎn)和使用低熱水泥，但考慮到未來的潛在需求，美國的水泥標(biāo)準(zhǔn)ASTM C150中仍然保留了低熱水泥。

我國在“九五”、“十五”期間在高貝利特水泥(即低熱水泥)的生產(chǎn)和研究方面取得突破，在制備技術(shù)上解決了高硅酸二鈣礦物活化和高活性晶型的常溫穩(wěn)定這兩大難題，在國內(nèi)外首次實現(xiàn)了以硅酸二鈣(C2S≥40%)為主導(dǎo)礦物的低熱水泥的工業(yè)化生產(chǎn)和規(guī)?；瘧?yīng)用。2003年，低熱水泥被納入現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)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》[5]。GB200—2003規(guī)定低熱水泥7 d抗壓強(qiáng)度≥13 MPa，實際生產(chǎn)的低熱水泥7 d抗壓強(qiáng)度可達(dá)到17 MPa以上，不僅高于ASTM C150規(guī)定的低熱水泥7 d抗壓強(qiáng)度，也遠(yuǎn)高于胡佛大壩當(dāng)年實際應(yīng)用的低熱水泥，較好地解決了低水化熱和早期強(qiáng)度發(fā)展之間的矛盾。

2 低熱水泥大壩混凝土配合比與性能

合適的混凝土配合比是胡佛大壩成功的“秘方”。早期混凝土配合比計算采用“體積法”，在實際施工中有較大不足；胡佛大壩施工時混凝土配合比由體積比逐漸向“重量法”過渡。胡佛大壩在實驗室的B-1拌和物的配合比見表3。

表3 胡佛大壩B-1拌和物的配合比

混凝土中骨料最大粒徑很大程度上決定了拌和物中的膠凝材料用量和用水量。增大骨料最大粒徑可降低顆粒間的孔隙，從而降低了填入這些孔隙的水泥漿體積，水泥漿用量的減小可降低水泥水化熱，同時可降低混凝土的造價。骨料最大粒徑的確定不僅取決于采石場，同時也取決于是否能有效地對混凝土進(jìn)行攪拌、運輸和澆筑。但當(dāng)時尚不清楚骨料最大粒徑對混凝土特性的影響規(guī)律，因此依托胡佛大壩系統(tǒng)研究并探明了骨料粒徑、試驗圓柱體的尺寸、養(yǎng)護(hù)、相對濕度等因素對混凝土強(qiáng)度、彈性模量、抗?jié)B性、熱學(xué)特性以及對澆筑層面粘結(jié)強(qiáng)度的影響。

標(biāo)準(zhǔn)的抗壓強(qiáng)度圓柱體試件直徑應(yīng)為骨料最大粒徑的4倍，因此抗壓強(qiáng)度圓柱體試件的直徑為91 cm、高182 cm。從工程特性角度來看，全級配大試件可更好地代表現(xiàn)場的大體積混凝土性能；但從施工質(zhì)量控制角度來看，現(xiàn)場每天都澆筑大試件幾乎不可能。因此進(jìn)行了不同尺寸的濕篩試件(最大骨料尺寸分別為20.3、15.2、7.6 cm和3.8 cm)的測試，并建立了全級配混凝土試件和濕篩混凝土試件力學(xué)性能的關(guān)系。全級配試件與不同尺寸濕篩試件的力學(xué)性能、彈性模量的對比分別見表4。

表4 胡佛大壩B-1拌和物混凝土的抗壓強(qiáng)度和彈性模量

胡佛大壩當(dāng)年除系統(tǒng)開展大壩混凝土室內(nèi)試驗研究外，還結(jié)合現(xiàn)場就不同層面處理方式的處理效果進(jìn)行了系統(tǒng)研究，確定了胡佛大壩的層面處理措施：①高壓水沖毛的時間為上一層混凝土澆筑后的8～20 h；②在最初和最后沖毛之間，即72～96 h內(nèi)對澆筑層面進(jìn)行灑水；③在澆筑新的混凝土之前的4～12 h進(jìn)行最后的高壓水沖毛；④所有的澆筑層面鋪設(shè)1.3 cm厚的砂漿層；⑤上述工序完成之后澆筑30 cm厚的大體積混凝土。混凝土澆筑和高壓水沖毛的時間隨季節(jié)環(huán)境溫度的變化而變化，冬季時間稍長、夏季時間稍短。上述措施為保證胡佛大壩混凝土質(zhì)量，尤其是層間結(jié)合質(zhì)量提供了有效的技術(shù)保證。

3 低熱水泥大壩混凝土施工

為了解決大體積混凝土澆筑的散熱問題，胡佛大壩創(chuàng)造性地發(fā)展了大體積混凝土的施工技術(shù)，采用了“柱狀塊澆筑法”和預(yù)埋冷卻水管的措施。柱狀的混凝土澆筑塊在豎直方向一個個地堆積在一起，塊體之間的縫隙由水泥灌漿填充，由此形成一個整體結(jié)構(gòu)，胡佛大壩按15 m×15 m×15 m的澆筑塊進(jìn)行澆筑。每個澆筑塊的側(cè)面留出垂直的鍵槽，和旁邊的澆筑塊搭扣起來，整個壩體共有230個柱狀塊。柱狀塊澆筑法與預(yù)埋冷卻水管措施對世界壩工技術(shù)影響深遠(yuǎn)，目前仍在應(yīng)用。

胡佛大壩設(shè)置了一系列的徑向和環(huán)向的伸縮縫以控制混凝土收縮。大壩要作為一個整體運行，施工縫不能張開，然而后期冷卻會引起大壩的收縮從而導(dǎo)致施工縫的張開。為解決這個問題胡佛大壩發(fā)展應(yīng)用了接縫灌漿技術(shù)。澆筑塊硬化之后，在接縫之間灌漿，使結(jié)構(gòu)形成整體。

修建大壩的目的是擋水，因此大壩自身不能出現(xiàn)開裂。大體積混凝土澆筑過程中水泥與水反應(yīng)產(chǎn)生的水化熱會不斷積累，而大壩混凝土的冷卻又是非常緩慢和不均勻的，由此在壩體內(nèi)產(chǎn)生的不均勻收縮很容易導(dǎo)致開裂。胡佛大壩為解決這個問題，在混凝土澆筑塊中埋入了一系列直徑為25.4 mm的冷卻水管，總長達(dá)到953 km，冷卻水溫度為4.5 ℃，冷卻水流量約0.9 m3/h。冷卻塔尺寸為43 m×4.9 m×13.1 m，額定冷卻能力是825 t/h，1934年9月冷卻站實現(xiàn)了平均1 815 t/h的冷卻效果。

壩體需要澆筑混凝土260萬m3(整個工程 340萬m3)，計劃工期4.5年，但采用低熱水泥混凝土柱狀塊澆筑技術(shù)后大壩于1935年3月23日澆筑完成，整個壩體混凝土澆筑僅用了21個月，最大月澆筑強(qiáng)度達(dá)到19.8萬m3/月。

4 實測溫度回升過程

為了校核大壩混凝土的冷卻效果、觀測大壩內(nèi)部溫度長期變化，胡佛大壩修建時在壩體內(nèi)部安裝了440只電阻溫度計。這些溫度計大多數(shù)安放在距離中央斷面約30 m的兩個對稱的橫截面上，幾乎全部溫度計都布置在距離廊道15～23 m的位置，電阻溫度計接出的導(dǎo)線延伸至壩內(nèi)廊道。

胡佛大壩混凝土在澆筑后的半年內(nèi)進(jìn)行通水冷卻，冷卻后混凝土的溫度值恰在或非常接近于最小值。因胡佛大壩混凝土采用C2S含量高的低熱水泥，C2S后期繼續(xù)水化，監(jiān)測結(jié)果顯示混凝土在人工冷卻結(jié)束后的0.5～14.5a間的實測溫度出現(xiàn)了較大幅度回升，圖1給出了實測溫度平均值與溫度回升平均值隨時間變化曲線，混凝土澆筑13.5a后，溫度平均回升12.6 ℃[6]。

圖1 胡佛大壩混凝土人工冷卻結(jié)束后的實測溫度平均值與溫度回升平均值

5 低熱水泥大壩混凝土長期性能

胡佛大壩定期鉆取芯樣進(jìn)行大壩混凝土長期性能測試。1994年12月～1995年1月，由美國墾務(wù)局下屬Lower Colorado、Phoenix Area Office、Exploration Section等部門聯(lián)合實施了胡佛大壩的取芯計劃，即沿壩頂打了5個垂直鉆孔，乘坐浮船在上游面打了4個水平鉆孔，共取出42 m直徑15.2 cm的混凝土芯樣。從壩頂垂直鉆取的5個芯樣中，3個沿著伸縮縫鉆取，2個取自無層面部位。4個上游面的水平芯樣，3個沿著澆筑層面鉆取，1個取自無層面混凝土，鉆取的混凝土芯樣密實、骨料漿體界面結(jié)合好。

對芯樣開展了抗壓強(qiáng)度、彈性模量和泊松比、抗拉強(qiáng)度、劈拉強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度測試，結(jié)果表明，芯樣抗壓強(qiáng)度在35～64 MPa之間，平均為50 MPa，遠(yuǎn)高于壩體混凝土設(shè)計強(qiáng)度25 MPa；芯樣平均彈性模量為45 GPa、泊松比為0.21；無層面混凝土芯樣的劈拉強(qiáng)度約為4 MPa，含有層面的混凝土芯樣的劈拉強(qiáng)度為3.8 MPa，不含層面混凝土芯樣的抗拉強(qiáng)度均值分別為1.96 MPa(垂直芯樣)和1.3 MPa(水平芯樣)，含層面混凝土芯樣的抗拉強(qiáng)度均值為1.99 MPa，表明含層面混凝土的抗拉強(qiáng)度與本體混凝土的抗拉強(qiáng)度基本處在相同水平。胡佛大壩芯樣的劈拉和抗拉強(qiáng)度測試結(jié)果表明，從1935年3月大壩建成到1995年，大壩運行60年后水平層面完好無損，粘結(jié)良好。

從1935年大壩建成到1995年，胡佛大壩混凝土的強(qiáng)度持續(xù)緩慢增長，但科羅拉多河上與胡佛大壩同期建設(shè)、位于胡佛大壩下游約250km處帕克(Parker)壩，受堿骨料反應(yīng)的影響，混凝土強(qiáng)度已經(jīng)比胡佛壩顯著降低。2005年P(guān)arker大壩芯樣平均抗壓強(qiáng)度低于30 MPa，約為胡佛大壩芯樣平均強(qiáng)度的2/3。胡佛大壩與Parker壩抗壓強(qiáng)度隨時間變化曲線見圖2[7]。

圖2 胡佛壩與Parker壩抗壓強(qiáng)度隨時間變化對比

2014年6月中國長江三峽集團(tuán)組織的技術(shù)交流團(tuán)現(xiàn)場參觀了胡佛大壩，發(fā)現(xiàn)大壩廊道混凝土和下游面混凝土表面的模板印跡清晰可見，大壩混凝土歷經(jīng)近80年的運行無風(fēng)化；因胡佛大壩采用低熱水泥混凝土，并采用了柱狀塊澆筑和通水冷卻，整座大壩僅在廊道內(nèi)發(fā)現(xiàn)一些運行初期出現(xiàn)的表面細(xì)微裂縫，1945年以后發(fā)現(xiàn)的裂縫較少。但20世紀(jì)50年代美國采用其他水泥修建的混凝土壩則出現(xiàn)了較多裂縫。

6 結(jié)論與啟示

(1)胡佛大壩是世界上第一座壩高超過200 m的重力拱壩，設(shè)計強(qiáng)度高、溫控防裂難度大。研發(fā)并應(yīng)用低熱水泥解決了大壩混凝土高強(qiáng)度和低溫升之間協(xié)調(diào)難題，配制的大壩混凝土性能優(yōu)越；采用柱狀塊澆筑和通水冷卻解決了大壩混凝土的散熱問題，實現(xiàn)了胡佛大壩混凝土高強(qiáng)度連續(xù)澆筑。

(2) 低熱水泥中的主要礦物C2S早期水化程度較低，后期持續(xù)水化，同時因胡佛大壩斷面大、混凝土散熱困難，監(jiān)測資料顯示大壩混凝土在人工冷卻結(jié)束后的0.5～14.5a溫度出現(xiàn)較大幅度回升，澆筑13.5a后大壩混凝土內(nèi)部測點實測最小溫度回升9.0 ℃，最大溫度回升16.5 ℃，平均為12.6 ℃。

(3) 胡佛大壩低熱水泥大壩混凝土強(qiáng)度持續(xù)緩慢增長，1995年鉆取的芯樣密實，平均強(qiáng)度達(dá)到50 MPa，為設(shè)計強(qiáng)度的2倍；層面結(jié)合良好，混凝土裂縫極少。

(4) 低熱水泥混凝土溫升低且綜合抗裂性能好，尤其適合于大體積混凝土，美國提供了很好的工程經(jīng)驗。目前我國在低熱水泥品質(zhì)性能、生產(chǎn)制備、混凝土特性、工程應(yīng)用等方面開展了系統(tǒng)研究，已具備大規(guī)模工程應(yīng)用條件。

(5) 我國當(dāng)前低熱水泥品質(zhì)、拱壩分縫分塊大小、施工方式等與美國胡佛大壩采用的技術(shù)有了較大不同，有必要進(jìn)一步結(jié)合工程實際情況，研究適用于低熱水泥大壩混凝土的施工技術(shù)和溫控防裂措施，并開展低熱水泥大壩混凝土的初始狀態(tài)參數(shù)及其長期性能演化規(guī)律試驗，為工程運行期持續(xù)研究大壩混凝土性能演化情況及其性態(tài)評價奠定基礎(chǔ)，進(jìn)而為安全運行與管理提供有效的技術(shù)支撐。

[1]DAVID P B，DONALD C J，MARTIN V M. The history of large federal dams：planning，design，and construction in the era of big dams[R]. U. S. Department of the Interior，Bureau of Reclamation，Denver，Colorado，2005.

[2]TIMOTHY P D. Advances in Mass Concrete Technology—The Hoover Dam Studies[C]∥75th Anniversary History Symposium of Hoover Dam，ASCE，2010: 58-73.

[3]ASTM C150/C150M-2016 Standard Specification for Portland Cement[S].

[4]STEPHEN B T，ALLEN J C，CANNON R W，et al. Guide to Mass Concrete[R]. ACI 207. 1R-05.

[5]GB 200—2003 中熱硅酸鹽水泥、低熱硅酸鹽水泥、低熱礦渣硅酸鹽水泥[S].

[6]Bureau of Reclamation. Cooling of Concrete Dams：Final Reports[R]. Bureau of Reclamation，Washington DC，USA，1949.

[7]KATIE B，WESTIN J. Long-term properties of Hoover Dam Mass Concrete[C]∥75th Anniversary History Symposium of Hoover Dam，ASCE，2010: 74-84.

(責(zé)任編輯 焦雪梅)

Application of Low Heat Portland Cement Concrete in Hoover Dam and Its Revelation

FAN Qixiang1, LI Wenwei1, LI Xinyu2, CHEN Gaixin3, YANG Huaquan4

(1. China Three Gorges Corporation, Beijing 100038, China; 2. PowerChina Huadong Engineering Corporation Limited, Hangzhou 311122, Zhejiang, China; 3. China Institute of Water Resources and Hydropower Research, Beijing 100038, China; 4. Changjiang River Scientific Research Institute, Wuhan 430010, Hubei, China)

The research background and process, concrete performance characteristics, application technology and effects of low heat Portland cement in Hoover Dam are summarized herein. The results show that, the dam concrete prepared by low heat Portland cement has excellent comprehensive performance and its compressive strength continue to grow with a slow speed, but the temperature of low heat Portland cement dam concrete appears to rise significantly in 0.5-14.5 years after the end of the artificial cooling. The measured temperature inside concrete dam has averagely risen 12.6℃ after 13.5 years of concrete placing. Based on the research results and experiences mentioned above, and combined with our own researches and practices, the application of low heat cement concrete technologies will be promoted in China.

low heat Portland cement; dam concrete; Hoover Dam

2016-08-02

國家重點研發(fā)計劃項目(2016YFB0303600)，國家自然科學(xué)基金青年基金項目(51209219)

樊啟祥(1963—)，男，湖北仙桃人，教授級高工，博士，主要從事水電工程管理和研究工作.

TV431

B

0559-9342(2016)12-0046-04