锦屏一级水电站中热水泥的技术指标与考核性生产成果分析

2012-12-20肖延亮

水电站设计 2012年3期

肖延亮，张洋，李翼

(中国水电顾问集团成都勘测设计研究院，四川成都 610072)

1 前言

锦屏一级水电站大坝为混凝土双曲拱坝，最大坝高305m，是目前世界上在建的最高混凝土双曲拱坝。大坝混凝土用量约595万m3。水泥作为混凝土的主要胶凝材料，其品质的优劣直接影响大坝混凝土的质量。使用品质较优且质量稳定的水泥是保障大坝混凝土质量的关键措施之一。

2 水泥技术指标

为了使锦屏一级水电站大坝混凝土能使用品质较优且质量稳定的中热硅酸盐水泥，业主组织相关技术人员对西南地区的水泥生产企业进行了调研，在对水泥企业的生产规模、中热水泥的生产能力、供应业绩等的考察基础上，选择综合指标较优的三家水泥企业进行中热水泥考核性生产。为使考核性生产更具针对性，通过专家咨询，并经过几次修改，确定了锦屏一级水电站中热硅酸盐水泥技术指标。

锦屏一级水电站中热硅酸盐水泥除满足GB200-2003《中热硅酸盐水泥、低热硅酸盐水泥、低热矿渣硅酸盐水泥》的要求外，还应达到锦屏一级工程的要求：

(1)水泥中内含MgO含量应控制在3.5%～5.0%；

(2)水泥7d水化热应控制在不大于283kJ/kg;

(3)水泥熟料中C4AF含量宜控制在不小于15%；

(4)水泥比表面积宜不大于320m2/kg(合格率不小于80%)，最大比表面积不超过340m2/kg；

(5)水泥中碱含量(Na2O+0.658K2O)应不大于0.5%；

(6)水泥28d强度应控制在48±3MPa，28d抗折强度不大于7.5MPa；

(7)水泥应使用G类二级以上天然二水石膏。

3 相关技术指标分析

3.1 水化热

GB200-2003规范要求P.MH42.5水泥的7d水化热满足不大于293kJ/kg的要求。锦屏一级水电站要求中热水泥7d水化热应控制在不大于283kJ/kg。

锦屏大坝采用只设横缝、不设纵缝的通仓浇筑方式，最大浇筑块体积达到2 000m3以上。由于混凝土的导热性能较差，浇筑后水泥水化所产生的热量在混凝土内部集聚，从而使混凝土的温度升高，大约升高20℃。在后期温度下降，由于混凝土的线膨胀系数大约为(8～10)×10-6/℃，相当于混凝土每降低1℃，将产生(8～10)×10-6的收缩变形，同时由于混凝土的弹性模量随着龄期增加逐渐增高，混凝土在降温过程中会产生较大的拉应力。为了有效降低大坝因温度应力而产生开裂的风险，有必要控制水泥的水化热。

3.2 C4AF含量

要求锦屏一级水电站中热水水泥熟料中C4AF含量宜控制在不小于15%。

研究表明，C4AF水化所产生的产物以禾束状出现，在混凝土中沿各个方向随机分布，并与其它水泥水化产生的凝胶、晶体连生，对混凝土抗裂性与极限拉伸值的提高有较好的促进作用。因此，适当提高水泥中的C4AF量，对混凝土抗裂性能有利。

为了降低烧成水泥的最高温度，在水泥配料中加入铝质和铁质矿化剂，通过固相反应形成C3A和C4AF[1]。由于C3A在水泥矿物中发热最大，要降低中热水泥水化热，需控制C3A的含量；然而水泥配料的铝率影响水泥的煅烧。铝率高，液相粘度大，矿物难烧；铝率过低，虽然液相粘度较小，液相中质点较易扩散，对C3S形成有利，但烧结范围变窄，窑内易结大块，不利于窑的操作。因此兼顾以上两方面，锦屏一级水电站水泥熟料中的C4AF含量宜控制在不小于15%。

3.3 MgO含量

由于混凝土导热性能差，因而大体积混凝土内水泥水化热集聚使其温度上升，这一温升需经相当长的时间才能慢慢降下来。降温过程伴随体积收缩，在混凝土内产生巨大的温度收缩应力[1]，这是其一。第二，大部分硅酸盐水泥在水化后体积减小[2]，表现为混凝土的自生体积变形为收缩。第三，混凝土拌和用水往往超过水泥水化的极限需水量的1～3倍，在混凝土停止养护后，在不饱和的空气中失去内部毛细孔和凝胶孔的吸附水而产生不可逆收缩，这也要产生较大的应力[3]。在实际工程中，往往这三种应力同时出现，使混凝土出现应力叠加产生更大的拉应力，当拉应力达到一定值后就使混凝土发生局部破坏而产生裂纹甚至裂缝。

20世纪70年代在东北高寒地区修建的白山重力拱坝，60%的基础坝块混凝土是在夏季浇筑的，最高温度和稳定温度之差达40℃，大大超过规范的要求，然而施工后基础未产生贯穿性裂缝，表面裂缝也很少，蓄水以来没有发生漏水现象。从原型观测资料中发现，白山大坝混凝土具有微膨胀性能，补偿了混凝土的收缩和温度变形，减少了裂缝的出现。后经试验研究证明：白山大坝所采用的抚顺水泥，其熟料中MgO接近5 %， MgO水化产生的膨胀是白山大坝裂缝较少的根本原因。当水泥熟料中MgO含量较低时，MgO以掺杂物的形态存在于其他水泥熟料矿物和玻璃相中，此形态的MgO对水泥的自生体积变形影响不大；当其含量超过一定时，它就能以方镁石的形态存在，方镁石会产生延迟性膨胀，对补偿大体积混凝土收缩有利。

因此，要求锦屏一级水电站水泥熟料中的MgO含量控制在3.5%～5.0%，使熟料中出现一定量的方镁石，达到补偿收缩的目的。

3.4 比表面积

GB200-2003规范要求：水泥的比表面积应不低于250m2/kg。只规定了下限，未规定上限。水泥的比表面积越高，水泥的水化速率越快，水泥的早期强度越高。只有当水泥的比表面积达到一定程度时，才能使水泥的性能得到充分发挥。

然而，水泥的比表面积过高，会对水泥乃至混凝土产生许多不利的影响。首先，由于水泥的比表面积过高，将导致水泥标准稠度的用水量增加，从而增加混凝土的单位用水量，使混凝土的干缩量增加，降低混凝土的抗裂性能；其次，水泥的比表面积过高，而水泥的早期水化速率增加，混凝土的温峰提高且放热集中，不利于大体积混凝土的温控防裂。因此，要求锦屏一级水电站大坝混凝土使用的中热水泥比表面积宜不大于320m2/kg(合格率不小于80%)，最大比表面积不超过340m2/kg。

3.5 碱含量

GB200-2003规范要求：当水泥在混凝土中和骨料可能发生有害反应并经用户提出低碱要求时，规定P.MH42.5水泥的碱含量(Na2O+0.658K2O)应不超过0.6%。锦屏一级水电站大坝坝高305m，大坝的安全不仅关系一个工程的成败，还关系到人民生命财产安全以及国家经济等诸多问题。锦屏大坝混凝土使用的砂岩骨料存在潜在碱活性，坝区附近没有其它优质的混凝土骨料料源，由于碱骨料反应产生的破坏性膨胀会降低混凝土的承载力，破坏混凝土结构，而且因碱骨料反应而产生的破坏不易修补。

试验研究证明，通过掺掺合料和降低混凝土总碱量是降低因碱活性而产生膨胀的有效方法。为提高大坝结构的安全性，提高混凝土的耐久性，要求锦屏一级水电站中热水泥的碱含量应不大于0.5%。

3.6 抗压强度与抗折强度

GB200-2003规范要求：P.MH42.5水泥28d抗压强度应不小于42.5MPa，28d抗折强度不小于6.5MPa。目前国内的中热水泥生产企业生产的水泥28d抗压强度指标比较容易满足规范要求。由于大坝混凝土施工配合比的水胶比是相对固定的，如果水泥强度波动过大，会造成大坝混凝土的抗压强度产生较大的波动，不利于大坝温度应力的控制。因此要求锦屏一级水电站水泥28d强度应控制在48±3MPa，使水泥的28d抗压强度在较小范围内波动，从而降低因水泥质量波动而对大坝混凝土产生的不利影响。要求水泥的28d抗折强度不小于7.5MPa，使大坝混凝土使用的水泥具有较低的脆性。