浅谈混凝土热学性能试验在印尼巴丹托鲁水电站中的应用

施东松

(中国水利水电第十工程局有限公司，四川 都江堰 611830)

1 概 述

巴丹托鲁水电站工程位于印度尼西亚北苏门答腊省南部的巴丹托鲁河上，工程主要枢纽建筑物包括拦河坝挡水建筑物、泄洪建筑物、引水系统建筑物和发电系统建筑物等。拦河坝为拱形碾压混凝土重力坝，坝高74m，额定水头273.4m，设计流量207.6m3/s，设4台机组，总装机容量510MW。

巴丹托鲁水电站所处地区属于赤道热带雨林气候，全年降雨丰富，年平均气温为25.2℃，且该工程又属于严格执行美国标准的国际工程，合同技术条款对混凝土温控的要求极其严格，即：混凝土任何时候最高温度不超过40℃，不可避免地增加了工程设计和施工的难度。另外，该工程具有工程量大、工期紧、施工难度大等特点。工程所在地北苏门答腊省属于交通不便、建筑材料资源相对匮乏的地区，较难获得混凝土用的低水化热水泥，且粉煤灰资源稀少,需到其他岛采购，且被印度尼西亚作为有害废弃物进行管制，导致其在运输和使用上也非常困难。

设计前期勘探工作出现了一些问题，导致项目预选采石场无法按期生产项目所需的骨料，严重制约了工程主体混凝土配合比设计及温控研究工作的开展。因此，经项目部研究决定，利用工地现有资源，通过现场试验室结合以往工程的经验及现代化的数字建模技术等，模拟大坝关键部位混凝土配合比设计，并进行混凝土的绝热温升和半绝热温升检测，为大坝混凝土的原材料选择、混凝土配合比优化设计、混凝土温控设计及温控措施等提供试验技术支撑资料。

2 混凝土原材料

原材料对混凝土的质量和性能起着决定性的作用，其品质的好坏直接决定在混凝土配合比设计时各混合材料的实际用量，特别是在混凝土水化热方面的影响对混凝土温控的研究有着至关重要的作用。因此，在满足合同技术条款和标准规范要求的基础上，应优先考虑品质优良的混凝土原材料。主要原材料试验检测结果如下。

a.水泥。选用印尼本地生产的散装OPC型水泥，其密度为3.06g/cm3，比表面积为338m2/kg，初凝时间为120min，终凝时间为214min，蒸压膨胀率为0.04%，28d抗折强度和抗压强度分别为6.6MPa、38.9MPa，烧失量为2.8%，不溶残余物0.52%，MgO含量1.5%，SO3含量1.95%，氯离子含量0.04%，3d、7d水化热分别为252.9kJ/kg、330.4kJ/kg，检测结果满足相关标准要求。

b.粉煤灰。选用的粉煤灰其密度为2.58g/cm3，0.045mm筛余6.0%，蒸压膨胀率0.01%，含水率0.1%，需水量比97%，7d、28d抗压强度比分别为设计值的90%、104%，烧失量0.75%，游离氧化钙0.66%，SO3含量1.37%，碱含量0.33%，检测结果满足相关标准要求。

c.外加剂。选用Sikament NN高效减水剂(液体)，其最佳掺量为0.7%，减水率18.3%，含气量2.6%，初凝结时间增加30min、终凝时间增加40min，7d、28d抗压强度与基准混凝土同龄期抗压强度之比分别为133%、123%，7d、28d抗折强度与基准混凝土同龄期抗折强度之比分别为119%、115%，与OPC型水泥相容性良好，检测结果满足相关标准要求。

3 混凝土配合比

经现场试验室配制，大坝关键部位常用混凝土配合比见表1。

表1 混凝土配合比

4 混凝土热学性能检测

4.1 混凝土绝热温升试验

混凝土绝热温升是在绝热条件下，检测混凝土在水化过程中的温度变化及最高温升值，其直接影响混凝土的水化热温升，从而影响混凝土结构的最高温度、基础温度和内外温差。而混凝土绝热温升发展曲线是衡量混凝土配合比是否有利于大体积混凝土结构物降低开裂风险的重要指标，精确、可靠的绝热温升发展曲线是实现正确判断的前提条件。

本次混凝土绝热温升-历时实测过程检测采用DR-2A型混凝土热物理参数测定仪直接测定，该设备温度跟踪精度为±0.1℃，试件尺寸为φ200×400mm。混凝土绝热温升-历时检测结果见表2，混凝土绝热温升-历时实测过程曲线见图1。

表2 混凝土绝热温升-历时检测结果

图1 混凝土绝热温升-历时实测过程曲线

4.2 混凝土半绝热温升试验

4.2.1 试验准备

a.混凝土半绝热温升模型。试验用混凝土模型净孔尺寸为1000mm×1000mm× 1000mm，外模采用钢管做骨架，20mm厚聚丙烯塑料模板做外模，形成的内部容积为1210mm×1210mm×1210mm。内模采用5mm厚五合板，且内模与外模之间六面均填充100mm厚闭孔泡沫板，接缝处用玻璃胶进行密封处理，保证其密封性良好。图2为混凝土半绝热温升模型示意图。

图2 混凝土半绝热温升模型及测温传感器布置示意图 (单位：mm)

b.测温设备及其布置。测温设备由测温精度不小于0.1℃的JDC-2型测温计和若干测温传感器组成。混凝土半绝热温升模型的测温传感器布置如下：ⓐ 4个侧壁在五合板与混凝土之间的中心点各布置1个，按方位东、南、西、北分别为1号～4号测温传感器；ⓑ混凝土中心竖直预埋用PVC管固定好的5号～15号测温传感器砂浆棒；ⓒ16号测试验区环境温度，17号测试验区地表温度。见图2。

c.试验条件。试验场地选在干扰少、平整的混凝土地坪上进行，且搭设凉棚，防止混凝土半绝热温升模型在试验期间被雨水淋湿。

4.2.2 试验主要内容及成果

a.按表1中配比编号为CT-1的常态混凝土配合比配置混凝土，模拟施工现场罐车运输混凝土浇筑，φ50振捣棒振捣密实，并记录混凝土入仓温度为31.7℃。混凝土从拌和、振捣成型到记录入仓温度在2h内完成。

b.试验前每隔4h测量一次，测量试验区环境温度及地表温度，共测量6次。

c.记录完入仓温度后，每1h记录混凝土试件中各测温传感器温度一次，历经24h后每8h记录一次，达到最高温升后每天记录一次，试验龄期以混凝土试件温度降到环境温度为准。试验期间测量试验区环境温度和地表温度，检测频率与混凝土试件测温相同。混凝土半绝热温升-历时实测曲线见图3。

图3 混凝土半绝热温升-历时实测曲线

5 试验成果分析

通过本次混凝土用原材料检测、不同混凝土配合比下的混凝土绝热温升和半绝热温升检测结果分析可知：

a.水泥作为影响混凝土水化热的主要胶凝材料，水泥的类型及单位用量对大体积混凝土水化热起到至关重要的作用。本工程合同技术条款指定使用的Portland Cement Type Ⅰ水泥水化热过大，若可以采用Portland Cement Type Ⅳ或其他类似低水化热水泥，对大体积混凝土的温控和防裂极其有利。

b.作为碾压混凝土不可缺少的掺和料粉煤灰，不仅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热、推迟水化热的温度峰值，大掺量的粉煤灰对降低混凝土水化热作用尤为明显。另外，三级配混凝土配合比较二级配的单位用水量少，单位水泥用量也偏少，故大体积混凝土配合比设计时应优先考虑采用三级配且大掺量粉煤灰来降低混凝土的水泥用量，从而降低混凝土水化热。

c.在混凝土工程中，品质良好的减水剂可以改善混凝土的工作性，提高混凝土抗压强度，减少单位体积水泥用量，间接减少或推迟水泥水化热的温度峰值[5]，有利于大体积混凝土在高温条件下的施工。

d.由于碾压混凝土具有低水泥用量、高粉煤灰掺量的特点，因此，碾压混凝土的绝热温升值明显低于常态混凝土。从混凝土绝热温升-历时实测过程看，碾压混凝土早期温度增长缓慢，后期持续增加。

e.对常态混凝土而言，由于胶凝材料用量较高，混凝土早期水化强烈，其绝热温升值早期增长较快，7d后趋于平稳；随着水胶比和粉煤灰掺量降低，胶凝材料总用量和单位体积水泥用量的增加，混凝土绝热温升值增大。

f.由于检测混凝土绝热温升-历时实测曲线试验周期长，且需要用试验设备模拟出一种绝热状态，使混凝土试件处于完全不失去、不吸收热量的条件下，获得只凭自身水化反应产生热量引起的温升直至发展过程平缓，因此需要一个恒定的试验环境温度。但试验室内温度常用空调来控制，而且试验设备在长周期下运转，容易受空调精度、室外温度、断电、设备故障等因素的影响，故很难达到真正意义上的“绝热状态”。而混凝土半绝热温升-历时实测曲线试验，则是在模拟现场施工条件下进行的，基本不考虑外界因素的干扰，更真实地反映了混凝土温升、降温的全过程，进一步从试验成果上验证了混凝土绝热温升试验数据的准确性，为工程混凝土温控设计和温控措施提供了更真实、有效的试验参数。

6 结 语

印尼巴丹托鲁水电站试验室通过对大坝关键部位常用混凝土配合比绝热温升和半绝热温升的试验和探索，在为该工程混凝土温控设计和温控措施提供了有效试验参数的同时，也为热带雨林地区大体积混凝土温控积累了经验，值得推广。