淺談混凝土熱學(xué)性能試驗在印尼巴丹托魯水電站中的應(yīng)用

施東松

(中國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)計流量207.6m3/s，設(shè)4臺機組，總裝機容量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℃，且該工程又屬于嚴格執(zhí)行美國標準的國際工程，合同技術(shù)條款對混凝土溫控的要求極其嚴格，即：混凝土任何時候最高溫度不超過40℃，不可避免地增加了工程設(shè)計和施工的難度。另外，該工程具有工程量大、工期緊、施工難度大等特點。工程所在地北蘇門答臘省屬于交通不便、建筑材料資源相對匱乏的地區(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，且被印度尼西亞作為有害廢棄物進行管制，導(dǎo)致其在運輸和使用上也非常困難。

設(shè)計前期勘探工作出現(xiàn)了一些問題，導(dǎo)致項目預(yù)選采石場無法按期生產(chǎn)項目所需的骨料，嚴重制約了工程主體混凝土配合比設(shè)計及溫控研究工作的開展。因此，經(jīng)項目部研究決定，利用工地現(xiàn)有資源，通過現(xiàn)場試驗室結(jié)合以往工程的經(jīng)驗及現(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，并進行混凝土的絕熱溫升和半絕熱溫升檢測，為大壩混凝土的原材料選擇、混凝土配合比優(yōu)化設(shè)計、混凝土溫控設(shè)計及溫控措施等提供試驗技術(shù)支撐資料。

2 混凝土原材料

原材料對混凝土的質(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)計時各混合材料的實際用量，特別是在混凝土水化熱方面的影響對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)條款和標準規(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。主要原材料試驗檢測結(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，初凝時間為120min，終凝時間為214min，蒸壓膨脹率為0.04%，28d抗折強度和抗壓強度分別為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，檢測結(jié)果滿足相關(guān)標準要求。

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抗壓強度比分別為設(shè)計值的90%、104%，燒失量0.75%，游離氧化鈣0.66%，SO3含量1.37%，堿含量0.33%，檢測結(jié)果滿足相關(guān)標準要求。

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)時間增加30min、終凝時間增加40min，7d、28d抗壓強度與基準混凝土同齡期抗壓強度之比分別為133%、123%，7d、28d抗折強度與基準混凝土同齡期抗折強度之比分別為119%、115%，與OPC型水泥相容性良好，檢測結(jié)果滿足相關(guān)標準要求。

3 混凝土配合比

經(jīng)現(xiàn)場試驗室配制，大壩關(guān)鍵部位常用混凝土配合比見表1。

表1 混凝土配合比

4 混凝土熱學(xué)性能檢測

4.1 混凝土絕熱溫升試驗

混凝土絕熱溫升是在絕熱條件下，檢測混凝土在水化過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)物降低開裂風(fēng)險的重要指標，精確、可靠的絕熱溫升發(fā)展曲線是實現(xiàn)正確判斷的前提條件。

本次混凝土絕熱溫升-歷時實測過程檢測采用DR-2A型混凝土熱物理參數(shù)測定儀直接測定，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-歷時檢測結(jié)果見表2，混凝土絕熱溫升-歷時實測過程曲線見圖1。

表2 混凝土絕熱溫升-歷時檢測結(jié)果

圖1 混凝土絕熱溫升-歷時實測過程曲線

4.2 混凝土半絕熱溫升試驗

4.2.1 試驗準備

a.混凝土半絕熱溫升模型。試驗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溫傳感器布置示意圖 (單位：mm)

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

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

4.2.2 試驗主要內(nèi)容及成果

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

b.試驗前每隔4h測量一次，測量試驗區(qū)環(huán)境溫度及地表溫度，共測量6次。

c.記錄完入倉溫度后，每1h記錄混凝土試件中各測溫傳感器溫度一次，歷經(jīng)24h后每8h記錄一次，達到最高溫升后每天記錄一次，試驗齡期以混凝土試件溫度降到環(huán)境溫度為準。試驗期間測量試驗區(qū)環(huán)境溫度和地表溫度，檢測頻率與混凝土試件測溫相同?；炷涟虢^熱溫升-歷時實測曲線見圖3。

圖3 混凝土半絕熱溫升-歷時實測曲線

5 試驗成果分析

通過本次混凝土用原材料檢測、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，水泥的類型及單位用量對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水泥水化熱過大，若可以采用Portland Cement Type Ⅳ或其他類似低水化熱水泥，對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，大摻量的粉煤灰對降低混凝土水化熱作用尤為明顯。另外，三級配混凝土配合比較二級配的單位用水量少，單位水泥用量也偏少，故大體積混凝土配合比設(shè)計時應(yīng)優(yōu)先考慮采用三級配且大摻量粉煤灰來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，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-歷時實測過程看，碾壓混凝土早期溫度增長緩慢，后期持續(xù)增加。

e.對常態(tài)混凝土而言，由于膠凝材料用量較高，混凝土早期水化強烈，其絕熱溫升值早期增長較快，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.由于檢測混凝土絕熱溫升-歷時實測曲線試驗周期長，且需要用試驗設(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)展過程平緩，因此需要一個恒定的試驗環(huán)境溫度。但試驗室內(nèi)溫度常用空調(diào)來控制，而且試驗設(shè)備在長周期下運轉(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，故很難達到真正意義上的“絕熱狀態(tài)”。而混凝土半絕熱溫升-歷時實測曲線試驗，則是在模擬現(xiàn)場施工條件下進行的，基本不考慮外界因素的干擾，更真實地反映了混凝土溫升、降溫的全過程，進一步從試驗成果上驗證了混凝土絕熱溫升試驗數(shù)據(jù)的準確性，為工程混凝土溫控設(shè)計和溫控措施提供了更真實、有效的試驗參數(shù)。

6 結(jié) 語

印尼巴丹托魯水電站試驗室通過對大壩關(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和探索，在為該工程混凝土溫控設(shè)計和溫控措施提供了有效試驗參數(shù)的同時，也為熱帶雨林地區(qū)大體積混凝土溫控積累了經(jīng)驗，值得推廣。