乌东德高拱坝大坝混凝土长期性能试验研究

周世华

(1.长江科学院 材料与结构研究所，武汉 430010； 2.国家大坝安全工程技术研究中心， 武汉 430010)

1 研究背景

乌东德水电站双曲拱坝最大坝高270 m，为300 m级特高拱坝。整个工程处于金沙江峡谷，两岸岸坡坝段陡峻，受力条件复杂，同时面对干热、大风、低湿的建设环境，大坝混凝土温控防裂要求非常高[1]。通常，大坝混凝土优先采用中热水泥方案，该技术方案成熟，工程应用广泛。但鉴于乌东德特高拱坝的重要性，为达到大坝混凝土抗裂安全系数>2.0的设计要求，首次采用了“低热水泥+35% Ⅰ级粉煤灰”大坝混凝土设计方案[2]，是世界上首座全坝浇筑低热水泥混凝土的特高拱坝[3-4]。

低热水泥属硅酸盐水泥系列，以硅酸二钙(C2S)为主导矿物[5]，又称高贝利特水泥[6-7]。研究表明[8-10]，低热水泥配制的混凝土具有水化温升低、后期强度增长高、抗裂性好等特点，非常适用于温控防裂要求高的大体积混凝土工程。但由于C2S矿物早期水化活性较差，其配制混凝土的早期强度也较低，这影响了低热水泥的应用与发展。为了推广低热水泥的应用，我国工程界做了大量的研究工作，积累了丰富的实践经验。三峡工程蜗壳二期、导流底孔、地下厂房等[11]工程部位先后浇筑了低热水泥混凝土，彰显了低热水泥混凝土在温控防裂方面的技术优势。理论指导实践，实践推动理论，在解决了自收缩偏大、外加剂适应性不良等问题之后，低热水泥混凝土又成功应用到溪洛渡导流洞和向家坝消力池。最后，在溪洛渡大坝30#和31#坝段[12]的应用实践中，形成了低热水泥大坝混凝土的成套施工工艺。

众所周知，低热水泥的水化进程较慢，高掺量粉煤灰的加入，将导致整个胶凝体系的水化发展更为缓慢，使得设计龄期之后的大坝混凝土性能尚未达到稳定状态，所以全面掌握大坝混凝土性能的长期发展规律是非常有必要的。本文系统研究了乌东德大坝低热水泥混凝土性能，揭示其长期发展规律，一方面为乌东德电站工程的安全运行提供技术支持，另一方面为低热水泥的推广应用提供实践经验。

2 试验材料与试验方法

2.1 原材料

水泥采用四川嘉华锦屏特种水泥有限责任公司生产的42.5低热硅酸盐水泥(以下简称JL)、华新水泥(东川)有限公司42.5中热硅酸盐水泥(以下简称HH)，2种水泥的矿物组成与比表面积见表1，其他各项指标均满足GB/T 200—2017[13]的技术要求。

表1 水泥的矿物组成与比表面积Table 1 Mineral composition and specific surface areaof test cement

粉煤灰取自云南曲靖电厂的Ⅰ级粉煤灰(以下简称FA)，减水剂采用江苏博特新材料有限公司生产的JM-II标准型高效减水剂(萘系)，引气剂采用浙江龙游外加剂厂生产的ZB-1G引气剂，各类原材料的品质均满足相应规范技术要求。

试验用骨料为乌东德水电站施期料场灰岩骨料，原岩表观密度为2 750 kg/m3，细骨料细度模数为2.73，粗骨料坚固性为0.8%，其余品质指标满足相应规范技术要求。

2.2 大坝混凝土配合比

试验研究采用乌东德大坝混凝土配合比，配合比参数与拌和物性能见表2。

表2 大坝混凝土配合比与拌和物性能Table 2 Mix proportions of dam concrete and properties of mixture

2.3 试验方法

胶凝材料水化热的测试依据《水泥水化热测定方法》(GB/T 12959—2008)[14]中溶解热法进行，胶凝材料组成的质量比根据表2中水胶比、FA掺量、用水量等参数来计算。混凝土强度、弹性模量、干缩、自生体积变形、绝热温升等性能测试依据《水工混凝土试验规程》(DL/T 5150—2001及DL/T 5150—2017)[15-16]进行。

3 试验结果与分析

3.1 胶凝材料水化程度

胶凝材料水化为混凝土性能发展提供能量，其水化程度决定了混凝土后续性能成长空间，本文应用水化热法计算分析了乌东德水电站用低热水泥胶凝体系的长龄期水化程度，结果如图1所示。掺入35%Ⅰ级粉煤灰后，低热水泥胶凝材料体系的3 a龄期水化程度为90.4%、5 a龄期水化程度为91.7%，3 a龄期后水化程度的年增长率不足1%，表明3 a龄期后“低热水泥+35%粉煤灰”胶凝体系的水化基本处于稳定状态。同等条件下，如图1所示，“中热水泥+35%粉煤灰”胶凝体系于1 a龄期后达到水化稳定状态。

图1 长龄期水化程度对比Fig.1 Comparison of long-term hydration degree

3.2 胶凝材料长期水化热

胶凝材料水化放热量及其放热日增长速度如图2所示，水化放热量主要集中在7 d龄期前，放热速度非常快，随龄期迅速降低。乌东德水电站工程大坝混凝土用低热水泥胶凝体系在7 d龄期后的水化热日增长量降至5 kJ/kg以下、3 a龄期后日增长量已不足0.01 kJ/kg。

图2 长期水化热及水化放热速度对比Fig.2 Comparison of long-term hydration heat andhydration heat release speed

同水胶比、同粉煤灰掺量下，低热水泥胶凝体系在整个龄期的水化热均低于中热水泥胶凝体系，虽然7 d龄期后低热水泥的水化放热速度反超中热水泥，但由于7 d龄期后两者的水化放热速度均较低，且随龄期延长趋近于0，这使得尽管中热水泥与低热水泥的水化热差值随龄期延长而有一定幅度降低，但最终推算的水化热差值仍有30 kJ/kg左右。

3.3 混凝土力学性能

大坝混凝土抗压强度及其增长率见图3 (a)和图3(b)(图3中均采用灰岩骨料，四级配混凝土湿筛)，混凝土强度随龄期增大而稳步增长，前期发展较快，后期逐步放缓。结合水化热、水化程度试验结果，可以认为乌东德大坝低热水泥混凝土在3 a龄期后，其强度增长处于稳定状态，也不会出现强度倒缩现象。与中热水泥胶凝体系相比，低热水泥混凝土强度发展略缓慢，但28 d强度增长率开始超出(图3(b))，使得90 d龄期后强度超过中热水泥混凝土(图3(a))。采用底数为e的指数函数对强度发展曲线进行拟合得出最终抗压强度，拟合公式为

C=Cmax[1-exp(-αdβ)] 。

(1)

式中：α、β为系数；d为龄期；Cmax为最终抗压强度；C为龄期为d时的抗压强度。

JL35和HH35对应的拟合相关系数分别为0.997和0.996。如图3(a)所示，乌东德大坝C18035混凝土的最终抗压强度为70.5 MPa，较中热水泥混凝土高约7 MPa。

图3 JL35和HH35抗压强度、抗压强度增长率、弹性模量、弹强比对比Fig.3 Comparison of compressive strength,compressivestrength growth rate, elastic modulus, and elastic modulus-to-strength ratio between JL35 and HH35

1 a龄期后大坝混凝土弹性模量达到收敛状态，稳定在42 GPa左右，与同龄期中热水泥混凝土相当(如图3(c))。从弹强比指标来看，如图3(d)所示，90 d龄期后低热水泥混凝土弹强比较低，这对混凝土长龄期的抗裂性有利。

3.4 混凝土变形性能

混凝土干缩是由于内部孔隙失水后水泥水化产物产生体积收缩而引起，与干燥龄期呈正相关。乌东德大坝混凝土的干缩规律如图4所示，早龄期干缩发展迅速，但干缩速度随龄期而快速降低，至1a龄期后干缩基本不再增长，最终干缩约380×10-6，比中热水泥混凝土的干缩要低40×10-6左右。

图4 干缩量与龄期关系Fig.4 Relation of drying shrinkage against age

乌东德水电站工程大坝混凝土自生体积变形呈“微膨胀-回落-微膨胀-收敛状态”的发展趋势，如图5所示，180 d龄期后低热水泥混凝土自生体积变形趋于稳定，约为20×10-6。水泥是影响混凝土自生体积变形的重要因素，如硅酸盐水泥4种主要矿物的水化收缩按C3A>C4AF>C3S>C2S次序排列，熟料中MgO可产生体积膨胀对补偿收缩有良好作用[17]，在乌东德水电站工程中，低热水泥不仅具有“低C3S高C2S”特点，而且MgO含量在4.5%左右，使得低热水泥混凝土自生体积变形长期稳定值(膨胀)较中热水泥混凝土约高10×10-6。

图5 自生体积变形与龄期关系Fig.5 Relation of autogenous volumetric deformationagainst age

3.5 混凝土绝热温升

乌东德大坝混凝土采用“低热水泥+35%Ⅰ级粉煤灰”方案，低热水泥的应用和高掺量粉煤灰的掺入，使整个胶凝体系的水化进程较以往大坝混凝土用胶凝体系大为延后。鉴于乌东德高拱坝安全的重要性，有专家疑虑大坝混凝土的后期温升何时稳定？是否有“翘尾”现象？

乌东德大坝混凝土绝热温升的发展规律如图6所示(图中包括28 d龄期内的绝热温升试验值和5 a龄期的绝热温升推定值)。根据胶凝材料水化热来进行推定，绝热温升ΔT为

ΔT=(mQ)/(cρ) 。

(2)

式中：m为胶凝材料用量；Q为同水胶比同龄期胶凝材料单位水化热；c为同龄期混凝土比热；ρ为混凝土密度。

由图6可以发现绝热温升早期增长快、后期逐步放缓并收敛，28 d、1 a、3 a、5 a的绝热温升值分别为19.2、24.5、25.2、25.6 ℃，拟合最终收敛值为27.9 ℃，28 d龄期后绝热温升日增长<0.1 ℃、3 a龄期后绝热温升年增长仅0.1 ℃，后期无“翘尾”现象。与中热水泥混凝土相比，乌东德大坝低热水泥混凝土同龄期绝热温升较低，推算的最终绝热温升值约低4 ℃。

图6 绝热温升与龄期关系Fig.6 Relation of adiabatic temperature rise against age

4 结 论

(1)乌东德高拱坝大坝混凝土采用“低热水泥+35% Ⅰ级粉煤灰”胶凝材料体系设计方案，该胶凝体系在3 a龄期后水化程度为90.4%，且水化程度年增长率<1%，表明水化进程达到准稳定状态。

(2)乌东德大坝混凝土强度稳定增长，拟合得出C18035大坝混凝土最终抗压强度为70.5 MPa，较中热水泥混凝土高约7 MPa；长龄期弹性模量稳定在42 GPa左右，与同龄期中热水泥混凝土相当。大坝混凝土最终干缩约380×10-6，较中热水泥混凝土低40×10-6左右；自生体积变形总体呈微膨胀发展趋势，后期稳定在20×10-6左右，较中热水泥混凝土高10×10-6左右。综合表明乌东德大坝低热水泥混凝土较以往中热水泥混凝土，具有长期强度高、长期体积稳定性好等特点。

(3)乌东德大坝混凝土绝热温升早期增长快、后期逐步放缓并收敛，拟合最终收敛值为27.9 ℃，3 a龄期后绝热温升年增长量仅0.1 ℃，后期无“翘尾”现象。与中热水泥混凝土相比，乌东德大坝低热水泥混凝土同龄期绝热温升较低，最终绝热温升值约低4 ℃。

(4)综合分析胶凝体系水化程度和混凝土性能发展规律可得，乌东德大坝混凝土的各项性能约1 a龄期后逐步进入缓慢收敛状态，3 a龄期后基本达到稳定状态。