汪倫，陳水兵

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

1 研究背景

犍為航電樞紐工程具有建筑物結構復雜(泄水閘、左右廠房、安裝間、船閘等)、混凝土澆筑塊尺寸大(主機間最大長度87.69m，最大寬度70.59m)、約束區(qū)范圍大(大部分位于強約束區(qū))、以及暴露面多受寒潮影響大等特點，溫控防裂的難度大。工程建設初期采用普通硅酸鹽水泥澆筑結構大體積混凝土，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混凝土的溫控防裂不利，混凝土水化放熱導致的溫度裂縫是大體積混凝土開裂的主要原因之一，需要進一步從混凝土原材料及配合比的源頭開展創(chuàng)新試驗研究。

溫度裂縫的產生與混凝土的性能密切相關，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礦物，從現有工程溫度監(jiān)測資料和室內研究成果看，采用低熱水泥配制的混凝土具有早期強度和溫升發(fā)展緩慢、后期強度高、最終溫升低的特點，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)已經開始推廣應用，取得了預期效果。我國在“九五”、“十五”期間在高貝利特水泥(亦即低熱水泥)生產和研究方面取得突破，現已頒布實施國家標準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特大型水電工程的全壩使用。

本文針對犍為航電樞紐的結構特點，對各設計指標混凝土進行了全面性能試驗，綜合比較普通硅酸鹽水泥與低熱硅酸鹽水泥混凝土各項性能，為工程應用提供依據。

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，是岷江樂山至宜賓長162km河段航電六級開發(fā)方案中的第三級，壩址位于犍為大橋上游約1.45km處。開發(fā)任務為以航運為主、結合發(fā)電，兼顧供水、灌溉，屬Ⅱ等大(2)型工程，船閘級別為Ⅲ級。水庫正常蓄水位335m，裝機容量500MW，船閘最大設計船型噸位數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、右儲門槽壩段、泄水閘、船閘、右岸重力壩等。

3 試驗方法及結果

3.1 試驗研究技術路線

根據混凝土配合比優(yōu)選試驗的一般步驟，首先進行原材料品質和性能檢測，評價其是否滿足相應的國標或行業(yè)標準的技術要求，掌握原材料基本性能，為混凝土配合比設計、優(yōu)選及性能試驗提供參考。

配合比設計和優(yōu)選試驗主要包括確定混凝土用水量、粗骨料最優(yōu)級配、最優(yōu)砂率、外加劑摻量、不同水膠比和粉煤灰摻量對混凝土基本性能的影響。采用普通硅酸鹽水泥進行二級配混凝土配合比優(yōu)選試驗，低熱硅酸鹽水泥進行三級配混凝土配合比優(yōu)選試驗，依據配合比優(yōu)選試驗結果，提出設計齡期為90d的各強度等級混凝土施工推薦配合比；進行混凝土全性能試驗，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性能，全面掌握犍為航電樞紐工程壩體混凝土的力學性能、變形性能、熱學性能和耐久性，為溫控防裂設計與施工提供依據。

3.2 原材料檢測成果

對試驗用原材料進行了品質和性能檢測，主要結論如下：

(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)試驗用粉煤灰細度為16%，需水量比為105%，品質檢測結果滿足F類Ⅱ級灰的技術要求。

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

(4)粗骨料的粒形一般，無明顯針片狀顆粒，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)定的技術要求。

(5)減水劑檢測結果表明，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規(guī)程》規(guī)定的技術要求。

3.3 混凝土配合比優(yōu)選

混凝土配合比計算采用絕對體積法，砂石混凝土配合比設計根據工程設計對混凝土力學、變形、熱學和耐久等性能的要求進行，并充分考慮施工和易性與經濟性的要求。根據原材料的品質特性，通過試拌和新拌混凝土的性能檢測，經濟合理地確定混凝土的用水量、砂率、骨料級配、外加劑摻量等配合比參數；根據各強度等級要求，進行不同水膠比和粉煤灰摻量的混凝土基本性能試驗；依據抗壓強度與膠水比的回歸關系和耐久性試驗結果，骨料以飽和面干狀態(tài)為基準。

通過配合比優(yōu)選試驗，推薦二級配常態(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%。

綜合考慮各設計指標混凝土使用部位、用量，以及普通硅酸鹽水泥和低熱硅酸鹽水泥混凝土特性，推薦強度等級為C9020的二級配和三級配混凝土采用普通硅酸鹽水泥進行全面性能試驗，強度等級為C9025的二級配和三級配混凝土采用低熱硅酸鹽水泥進行全面性能試驗。

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

針對本樞紐工程主要建筑物混凝土和溫控計算需要，對強度等級為C9020的二級配和三級配混凝土(普通硅酸鹽水泥)、強度等級為C9025的二級配和三級配混凝土(低熱硅酸鹽水泥)開展全面性能試驗，包括拌合物性能、力學性能、變形性能、熱學性能和耐久性等。試驗結果見表2-表8。

表2 新拌混凝土性能

表3 混凝土抗壓強度及增長率

表4 混凝土劈拉強度及增長率

表5 混凝土軸拉強度及增長率

表6 混凝土極限拉伸及增長率

表7 混凝土彈性模量試驗結果

表8 混凝土熱學性能試驗結果

根據混凝土絕熱溫升測定結果可知，二級配C9020混凝土(WP2-50-35)28d實測絕熱溫升為34.3℃，擬合最終溫升為35.7℃，三級配C9020混凝土(WP3-50-35)28d實測絕溫升為30.0℃，擬合最終溫升為32.1℃；二級配C9025混凝土(WL2-50-30)28d實測絕熱溫升為28.5℃，擬合最終溫升為31.3℃，三級配C9025混凝土(WL3-50-30)28d實測絕溫升為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，但實測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。

混凝土的設計抗?jié)B等級為W6，設計齡期為90d。結果見表9。

表9 混凝土抗?jié)B性能試驗結果

混凝土的設計抗凍等級為F50，設計齡期為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。結果見表10。

表10 混凝土抗凍性能試驗結果

4 試驗結果分析

(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。二級配混凝土實測容重分別為2464kg/m3和2465kg/m3，三級配混凝土實測容重分別為2517kg/m3和2525kg/m3，三級配混凝土容重大于二級配混凝土；混凝土初凝時間在10h15min至10h30min之間，終凝時間在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，初凝時間相差不大，終凝時間略長。

(2)各推薦配合比混凝土的抗壓強度、抗?jié)B和抗凍性能均可滿足設計要求。低熱硅酸鹽水泥混凝土的早期強度增長率低于普通硅酸鹽水泥混凝土，后期強度增長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)干縮試驗結果表明，截至180d齡期，強度等級為C9020的普通硅酸鹽水泥混凝土干縮率在-467×10-6～-483×10-6之間；強度等級為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)自生體積變形試驗結果表明，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在-34.4×10-6～-38.7×10-6之間；低熱硅酸鹽水泥混凝土的自變在-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)熱學性能試驗結果表明，級配相同情況下，低熱硅酸鹽水泥混凝土的實測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性能可知，采用低熱硅酸鹽水泥配制的混凝土具有早期強度和溫升發(fā)展緩慢、后期強度高、最終溫升低的特點，可從源頭解決混凝土溫升問題，有效降低混凝土最高溫度。在水電工程中應用低熱水泥混凝土，可有效提高混凝土結構的抗裂安全系數。

(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間的大體積混凝土，實際施工中通過有效的溫控標準和防裂措施，達到了減少混凝土溫度裂縫的目的。