烏東德高拱壩大壩混凝土長(zhǎng)期性能試驗(yàn)研究

周世華

(1.長(zhǎng)江科學(xué)院 材料與結(jié)構(gòu)研究所，武漢 430010； 2.國(guó)家大壩安全工程技術(shù)研究中心， 武漢 430010)

1 研究背景

烏東德水電站雙曲拱壩最大壩高270 m，為300 m級(jí)特高拱壩。整個(gè)工程處于金沙江峽谷，兩岸岸坡壩段陡峻，受力條件復(fù)雜，同時(shí)面對(duì)干熱、大風(fēng)、低濕的建設(shè)環(huán)境，大壩混凝土溫控防裂要求非常高[1]。通常，大壩混凝土優(yōu)先采用中熱水泥方案，該技術(shù)方案成熟，工程應(yīng)用廣泛。但鑒于烏東德特高拱壩的重要性，為達(dá)到大壩混凝土抗裂安全系數(shù)>2.0的設(shè)計(jì)要求，首次采用了“低熱水泥+35% Ⅰ級(jí)粉煤灰”大壩混凝土設(shè)計(jì)方案[2]，是世界上首座全壩澆筑低熱水泥混凝土的特高拱壩[3-4]。

低熱水泥屬硅酸鹽水泥系列，以硅酸二鈣(C2S)為主導(dǎo)礦物[5]，又稱高貝利特水泥[6-7]。研究表明[8-10]，低熱水泥配制的混凝土具有水化溫升低、后期強(qiáng)度增長(zhǎng)高、抗裂性好等特點(diǎn)，非常適用于溫控防裂要求高的大體積混凝土工程。但由于C2S礦物早期水化活性較差，其配制混凝土的早期強(qiáng)度也較低，這影響了低熱水泥的應(yīng)用與發(fā)展。為了推廣低熱水泥的應(yīng)用，我國(guó)工程界做了大量的研究工作，積累了豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。三峽工程蝸殼二期、導(dǎo)流底孔、地下廠房等[11]工程部位先后澆筑了低熱水泥混凝土，彰顯了低熱水泥混凝土在溫控防裂方面的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。理論指導(dǎo)實(shí)踐，實(shí)踐推動(dòng)理論，在解決了自收縮偏大、外加劑適應(yīng)性不良等問題之后，低熱水泥混凝土又成功應(yīng)用到溪洛渡導(dǎo)流洞和向家壩消力池。最后，在溪洛渡大壩30#和31#壩段[12]的應(yīng)用實(shí)踐中，形成了低熱水泥大壩混凝土的成套施工工藝。

眾所周知，低熱水泥的水化進(jìn)程較慢，高摻量粉煤灰的加入，將導(dǎo)致整個(gè)膠凝體系的水化發(fā)展更為緩慢，使得設(shè)計(jì)齡期之后的大壩混凝土性能尚未達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，所以全面掌握大壩混凝土性能的長(zhǎng)期發(fā)展規(guī)律是非常有必要的。本文系統(tǒng)研究了烏東德大壩低熱水泥混凝土性能，揭示其長(zhǎng)期發(fā)展規(guī)律，一方面為烏東德電站工程的安全運(yùn)行提供技術(shù)支持，另一方面為低熱水泥的推廣應(yīng)用提供實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

2 試驗(yàn)材料與試驗(yàn)方法

2.1 原材料

水泥采用四川嘉華錦屏特種水泥有限責(zé)任公司生產(chǎn)的42.5低熱硅酸鹽水泥(以下簡(jiǎn)稱JL)、華新水泥(東川)有限公司42.5中熱硅酸鹽水泥(以下簡(jiǎn)稱HH)，2種水泥的礦物組成與比表面積見表1，其他各項(xiàng)指標(biāo)均滿足GB/T 200—2017[13]的技術(shù)要求。

表1 水泥的礦物組成與比表面積Table 1 Mineral composition and specific surface areaof test cement

粉煤灰取自云南曲靖電廠的Ⅰ級(jí)粉煤灰(以下簡(jiǎn)稱FA)，減水劑采用江蘇博特新材料有限公司生產(chǎn)的JM-II標(biāo)準(zhǔn)型高效減水劑(萘系)，引氣劑采用浙江龍游外加劑廠生產(chǎn)的ZB-1G引氣劑，各類原材料的品質(zhì)均滿足相應(yīng)規(guī)范技術(shù)要求。

試驗(yàn)用骨料為烏東德水電站施期料場(chǎng)灰?guī)r骨料，原巖表觀密度為2 750 kg/m3，細(xì)骨料細(xì)度模數(shù)為2.73，粗骨料堅(jiān)固性為0.8%，其余品質(zhì)指標(biāo)滿足相應(yīng)規(guī)范技術(shù)要求。

2.2 大壩混凝土配合比

試驗(yàn)研究采用烏東德大壩混凝土配合比，配合比參數(shù)與拌和物性能見表2。

表2 大壩混凝土配合比與拌和物性能Table 2 Mix proportions of dam concrete and properties of mixture

2.3 試驗(yàn)方法

膠凝材料水化熱的測(cè)試依據(jù)《水泥水化熱測(cè)定方法》(GB/T 12959—2008)[14]中溶解熱法進(jìn)行，膠凝材料組成的質(zhì)量比根據(jù)表2中水膠比、FA摻量、用水量等參數(shù)來計(jì)算?；炷翉?qiáng)度、彈性模量、干縮、自生體積變形、絕熱溫升等性能測(cè)試依據(jù)《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》(DL/T 5150—2001及DL/T 5150—2017)[15-16]進(jìn)行。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 膠凝材料水化程度

膠凝材料水化為混凝土性能發(fā)展提供能量，其水化程度決定了混凝土后續(xù)性能成長(zhǎng)空間，本文應(yīng)用水化熱法計(jì)算分析了烏東德水電站用低熱水泥膠凝體系的長(zhǎng)齡期水化程度，結(jié)果如圖1所示。摻入35%Ⅰ級(jí)粉煤灰后，低熱水泥膠凝材料體系的3 a齡期水化程度為90.4%、5 a齡期水化程度為91.7%，3 a齡期后水化程度的年增長(zhǎng)率不足1%，表明3 a齡期后“低熱水泥+35%粉煤灰”膠凝體系的水化基本處于穩(wěn)定狀態(tài)。同等條件下，如圖1所示，“中熱水泥+35%粉煤灰”膠凝體系于1 a齡期后達(dá)到水化穩(wěn)定狀態(tài)。

圖1 長(zhǎng)齡期水化程度對(duì)比Fig.1 Comparison of long-term hydration degree

3.2 膠凝材料長(zhǎng)期水化熱

膠凝材料水化放熱量及其放熱日增長(zhǎng)速度如圖2所示，水化放熱量主要集中在7 d齡期前，放熱速度非?？?，隨齡期迅速降低。烏東德水電站工程大壩混凝土用低熱水泥膠凝體系在7 d齡期后的水化熱日增長(zhǎng)量降至5 kJ/kg以下、3 a齡期后日增長(zhǎng)量已不足0.01 kJ/kg。

圖2 長(zhǎng)期水化熱及水化放熱速度對(duì)比Fig.2 Comparison of long-term hydration heat andhydration heat release speed

同水膠比、同粉煤灰摻量下，低熱水泥膠凝體系在整個(gè)齡期的水化熱均低于中熱水泥膠凝體系，雖然7 d齡期后低熱水泥的水化放熱速度反超中熱水泥，但由于7 d齡期后兩者的水化放熱速度均較低，且隨齡期延長(zhǎng)趨近于0，這使得盡管中熱水泥與低熱水泥的水化熱差值隨齡期延長(zhǎng)而有一定幅度降低，但最終推算的水化熱差值仍有30 kJ/kg左右。

3.3 混凝土力學(xué)性能

大壩混凝土抗壓強(qiáng)度及其增長(zhǎng)率見圖3 (a)和圖3(b)(圖3中均采用灰?guī)r骨料，四級(jí)配混凝土濕篩)，混凝土強(qiáng)度隨齡期增大而穩(wěn)步增長(zhǎng)，前期發(fā)展較快，后期逐步放緩。結(jié)合水化熱、水化程度試驗(yàn)結(jié)果，可以認(rèn)為烏東德大壩低熱水泥混凝土在3 a齡期后，其強(qiáng)度增長(zhǎng)處于穩(wěn)定狀態(tài)，也不會(huì)出現(xiàn)強(qiáng)度倒縮現(xiàn)象。與中熱水泥膠凝體系相比，低熱水泥混凝土強(qiáng)度發(fā)展略緩慢，但28 d強(qiáng)度增長(zhǎng)率開始超出(圖3(b))，使得90 d齡期后強(qiáng)度超過中熱水泥混凝土(圖3(a))。采用底數(shù)為e的指數(shù)函數(shù)對(duì)強(qiáng)度發(fā)展曲線進(jìn)行擬合得出最終抗壓強(qiáng)度，擬合公式為

C=Cmax[1-exp(-αdβ)] 。

(1)

式中：α、β為系數(shù)；d為齡期；Cmax為最終抗壓強(qiáng)度；C為齡期為d時(shí)的抗壓強(qiáng)度。

JL35和HH35對(duì)應(yīng)的擬合相關(guān)系數(shù)分別為0.997和0.996。如圖3(a)所示，烏東德大壩C18035混凝土的最終抗壓強(qiáng)度為70.5 MPa，較中熱水泥混凝土高約7 MPa。

圖3 JL35和HH35抗壓強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)率、彈性模量、彈強(qiáng)比對(duì)比Fig.3 Comparison of compressive strength,compressivestrength growth rate, elastic modulus, and elastic modulus-to-strength ratio between JL35 and HH35

1 a齡期后大壩混凝土彈性模量達(dá)到收斂狀態(tài)，穩(wěn)定在42 GPa左右，與同齡期中熱水泥混凝土相當(dāng)(如圖3(c))。從彈強(qiáng)比指標(biāo)來看，如圖3(d)所示，90 d齡期后低熱水泥混凝土彈強(qiáng)比較低，這對(duì)混凝土長(zhǎng)齡期的抗裂性有利。

3.4 混凝土變形性能

混凝土干縮是由于內(nèi)部孔隙失水后水泥水化產(chǎn)物產(chǎn)生體積收縮而引起，與干燥齡期呈正相關(guān)。烏東德大壩混凝土的干縮規(guī)律如圖4所示，早齡期干縮發(fā)展迅速，但干縮速度隨齡期而快速降低，至1a齡期后干縮基本不再增長(zhǎng)，最終干縮約380×10-6，比中熱水泥混凝土的干縮要低40×10-6左右。

圖4 干縮量與齡期關(guān)系Fig.4 Relation of drying shrinkage against age

烏東德水電站工程大壩混凝土自生體積變形呈“微膨脹-回落-微膨脹-收斂狀態(tài)”的發(fā)展趨勢(shì)，如圖5所示，180 d齡期后低熱水泥混凝土自生體積變形趨于穩(wěn)定，約為20×10-6。水泥是影響混凝土自生體積變形的重要因素，如硅酸鹽水泥4種主要礦物的水化收縮按C3A>C4AF>C3S>C2S次序排列，熟料中MgO可產(chǎn)生體積膨脹對(duì)補(bǔ)償收縮有良好作用[17]，在烏東德水電站工程中，低熱水泥不僅具有“低C3S高C2S”特點(diǎn)，而且MgO含量在4.5%左右，使得低熱水泥混凝土自生體積變形長(zhǎng)期穩(wěn)定值(膨脹)較中熱水泥混凝土約高10×10-6。

圖5 自生體積變形與齡期關(guān)系Fig.5 Relation of autogenous volumetric deformationagainst age

3.5 混凝土絕熱溫升

烏東德大壩混凝土采用“低熱水泥+35%Ⅰ級(jí)粉煤灰”方案，低熱水泥的應(yīng)用和高摻量粉煤灰的摻入，使整個(gè)膠凝體系的水化進(jìn)程較以往大壩混凝土用膠凝體系大為延后。鑒于烏東德高拱壩安全的重要性，有專家疑慮大壩混凝土的后期溫升何時(shí)穩(wěn)定？是否有“翹尾”現(xiàn)象？

烏東德大壩混凝土絕熱溫升的發(fā)展規(guī)律如圖6所示(圖中包括28 d齡期內(nèi)的絕熱溫升試驗(yàn)值和5 a齡期的絕熱溫升推定值)。根據(jù)膠凝材料水化熱來進(jìn)行推定，絕熱溫升ΔT為

ΔT=(mQ)/(cρ) 。

(2)

式中：m為膠凝材料用量；Q為同水膠比同齡期膠凝材料單位水化熱；c為同齡期混凝土比熱；ρ為混凝土密度。

由圖6可以發(fā)現(xiàn)絕熱溫升早期增長(zhǎng)快、后期逐步放緩并收斂，28 d、1 a、3 a、5 a的絕熱溫升值分別為19.2、24.5、25.2、25.6 ℃，擬合最終收斂值為27.9 ℃，28 d齡期后絕熱溫升日增長(zhǎng)<0.1 ℃、3 a齡期后絕熱溫升年增長(zhǎng)僅0.1 ℃，后期無“翹尾”現(xiàn)象。與中熱水泥混凝土相比，烏東德大壩低熱水泥混凝土同齡期絕熱溫升較低，推算的最終絕熱溫升值約低4 ℃。

圖6 絕熱溫升與齡期關(guān)系Fig.6 Relation of adiabatic temperature rise against age

4 結(jié) 論

(1)烏東德高拱壩大壩混凝土采用“低熱水泥+35% Ⅰ級(jí)粉煤灰”膠凝材料體系設(shè)計(jì)方案，該膠凝體系在3 a齡期后水化程度為90.4%，且水化程度年增長(zhǎng)率<1%，表明水化進(jìn)程達(dá)到準(zhǔn)穩(wěn)定狀態(tài)。

(2)烏東德大壩混凝土強(qiáng)度穩(wěn)定增長(zhǎng)，擬合得出C18035大壩混凝土最終抗壓強(qiáng)度為70.5 MPa，較中熱水泥混凝土高約7 MPa；長(zhǎng)齡期彈性模量穩(wěn)定在42 GPa左右，與同齡期中熱水泥混凝土相當(dāng)。大壩混凝土最終干縮約380×10-6，較中熱水泥混凝土低40×10-6左右；自生體積變形總體呈微膨脹發(fā)展趨勢(shì)，后期穩(wěn)定在20×10-6左右，較中熱水泥混凝土高10×10-6左右。綜合表明烏東德大壩低熱水泥混凝土較以往中熱水泥混凝土，具有長(zhǎng)期強(qiáng)度高、長(zhǎng)期體積穩(wěn)定性好等特點(diǎn)。

(3)烏東德大壩混凝土絕熱溫升早期增長(zhǎng)快、后期逐步放緩并收斂，擬合最終收斂值為27.9 ℃，3 a齡期后絕熱溫升年增長(zhǎng)量?jī)H0.1 ℃，后期無“翹尾”現(xiàn)象。與中熱水泥混凝土相比，烏東德大壩低熱水泥混凝土同齡期絕熱溫升較低，最終絕熱溫升值約低4 ℃。

(4)綜合分析膠凝體系水化程度和混凝土性能發(fā)展規(guī)律可得，烏東德大壩混凝土的各項(xiàng)性能約1 a齡期后逐步進(jìn)入緩慢收斂狀態(tài)，3 a齡期后基本達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。