浅谈高原高寒地区普硅替代中热水泥在大体积混凝土的应用实践探索

蒙 伟 梁啟山

（中国水利水电建设工程咨询西北有限公司， 陕西 西安 710000）

1 概况及背景

1.1 工程概述

本工程为二等大(2)型工程，开发任务为发电，无航运、漂木、防洪、灌溉等综合利用要求。水电站拦河坝主要由两岸挡水段、溢流坝段、冲沙底孔坝段、安装间坝段、主机间坝段组成。挡水建筑物坝顶总长度为585.84m，拦河坝坝顶高程3249.00m，最低建基高程3164.50m，最大坝高84.5m。混凝土设计总方量约241万m³ 。

水电站位于高原温带季风半湿润气候地区，该地区年平均气温在8℃左右，最暖月平均气温超过15℃，全年有10 个月平均气温在0℃以上；极端最高气温和极端最低气温分别为 32.0℃、-16.6℃；多年平均相对湿度51%；年降水量在350～600mm；多年平均蒸发量为2075.2mm。

1.2 普硅替代中热水泥的背景

本工程受外部不利因素影响，中热硅酸盐水泥（P·MH42.5）暂时无法正常供应。中断供应3 个月。为保证工程顺利开展，经研究，复核试验论证，用普通硅酸盐水泥（P·O42.5）替换中热硅酸盐水泥（P·MH42.5），进行了混凝土配合比验证试验，根据试验结果，用于大体积混凝土施工，生产27.9 万m³ 混凝土。本文对普通硅酸盐水泥（P·O42.5）替换中热硅酸盐水泥（P·MH42.5）实践与经验的积累进行了探索、浅析。

2 普硅水泥与中热水泥的特点

普通硅酸盐水泥（简称普硅水泥）具有强度高、水化热大，抗冻性好、干缩小，耐磨性较好、抗碳化性较好、耐腐蚀性差、不耐高温的特性。中热硅酸盐水泥（简称中热水泥）是由适当成分的硅酸盐水泥熟料加入适量石膏，经磨细制成的具有中等水化热的水硬性胶凝材料。中热水泥除抗硫酸盐性能强，干缩低，耐磨性能好等优点外，较普硅水泥水化热较低，普硅水泥混凝土绝热温升较中热水泥提高约6℃。

3 准备工作

3.1 配合比复核

采用普硅水泥替代中热水泥生产前，现场试验室首先对56 个主要常用混凝土施工配合比进行了复核试验，从复核试验结果显示，混凝土拌和物及硬化指标均满足规范及设计要求，较同中热水泥配合比检测统计数据对比显示，普硅水泥较中热水泥配合比抗压强度值略高2MPa～3MPa(表3.1)。

表3 .1 普硅水泥与中热水泥配合比抗压强度及耐久性统计表

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3.2 设计复核

由于主体工程各部位混凝土受力状况不同，所处外界环境不同，需要满足的功能需求不同，大坝、厂房及消力池混凝土需按不同部位和不同的工作条件分成不同的区域，为此，设计单位提出了相应的技术指标，更为严格的温控措施，并根据温控措施进行了初步复核，认为在实施过程中严控混凝土峰值温度，局部采用普硅水泥代替中热水泥是基本可行的。

3.2.1 混凝土分区设计优化调整

施工阶段为进一步优化工程投资，缓解现场温控压力，设计单位开展了混凝土分区优化设计工作。主要优化内容：部分混凝土由采用28d 龄期强度调整为采用90d 龄期强度；部分混凝土优化了级配，二级配调整为三级配；优化了部分水下混凝土抗冻等级。

3.2.2 普硅代替中热水泥后温控设计复核计算成果（推算）

设计单位复核计算主要采用现场施工配合比参数，本次热、力学参数为推算值。

3.2.3 施工期温度应力设计仿真分析

(一)计算边界条件

浇筑开始时间：2017 年3 月。浇筑层厚：基础约束：1.5m；非基础约束：3.0m。浇筑温度：5～9 月14℃；4，10 月自然入仓；11～2 月10℃。制冷水温度：8～12℃；HDPE 材质冷却水管调整为黑铁管。冷却水管布置：1.5m×1.5m 调整为1.2（水平）×1.5m。冷却水管通水流量：前7 天1.5m³ 调整为2.0m³ 。

（二）设计典型计算模型及结论

温度包络图可以看出，混凝土最高温度29～30℃，比中热水泥高2～3℃，由最大应力包络云图可以看出，混凝土内部顺河向和横河向拉应力基本均满足相应分区混凝土的允许抗拉强度要求。在局部表面小范围存在应力超标。普硅水泥代替中热水泥后，经设计复核计算，方案基本可行。但仍存在风险，具体如下：

（1）普硅水泥混凝土较中热水泥混凝土绝热温升高约6℃，最高温度较中热混凝土增加2～3℃左右，而混凝土力学性质基本相当，若温控措施不到位，增加了混凝土开裂风险。

（2）从计算结果分析，应力超标部位主要集中在基础约束区的上、下游表面及与空气接触的外露面，施工过程应加强该部位的表面保温措施。

4 采取温控标准及措施

温控标准：普硅水泥代替中热水泥进行混凝土生产后，混凝土允许最高温度、上下层温差及内外温差等温度控制标准不变（见表4.1）。目前混凝土生产系统只生产出机口10℃及14℃的混凝土，可满足中热水泥混凝土浇筑温度14℃及18℃要求，因此，对于普硅混凝土，浇筑温度无法进一步降低。

温控措施：根据现场试验混凝土水化热资料，普硅水泥混凝土绝热温升较中热水泥提高约6℃。根据现场温控现状，现场普硅水泥生产混凝土的温控标准和措施采用了减少升层高度；铺设黑铁管并调整间排距；采用蓄、流水养护措施；保温措施；调整冷却通水参数。具体调整如下：

4.1 调整出机口温控混凝土生产时段

将原设计温控混凝土生产时段为5 月份～9 月份（≤14℃；≤10℃；），延长至11 月底，中热水泥恢复供应后，按原设计指标进行混凝土生产。

4.2 调整浇筑层厚

大坝混凝土浇筑层厚不大于1.5m（包括非约束区），而大坝非约束区中热混凝土正常浇筑层厚为2.0m～3.0m。

4.3 调整冷却水管布置

大坝混凝土在浇筑层厚1.5m 时，浇筑层面铺一层黑铁管，水管水平间距调整为1.2m。消力池常态混凝土铺2 层HDPE 塑料管，水平间距均调整为1.2m；抗冲耐磨混凝土1.25m 层厚铺设两层冷却水管，其中层面铺设l 层HDPE 塑料管，浇筑层中间铺设1 层黑铁管，水平间距均为1.2m。抗冲耐磨混凝土表面采用蓄水、流水养护。

4.4 调整冷却通水参数

大坝混凝土一期制冷冷却通水时段由原5～9 月份，延长至10 月底，且大坝标常态混凝土仓位，前7 天通水流量1.5～1.8 m2/h,抗冲耐磨混凝土仓位，前7 天通水流量1.5～2.0m2/h。过程中根据混凝土峰值温度及降温情况及时调整通水流量等参数，以达到控制调节峰值温度，从而达到温控目标的目的。

4.5 保温措施

（1）低温季节（11 月～3 月上旬）及冬歇期（12 月～翌年2 月）

低温季节浇筑的混凝土，采取在钢模板外侧嵌贴3cm 厚聚苯乙烯保温板，上、下游面混凝土拆模后，大坝上、下游面粘贴5cm 厚聚苯乙烯保温板，侧面拆模后，采用5cm 厚保温卷材封闭保温。每层混凝土浇筑结束后，在其上表面采用一层塑料薄膜和5cm 厚聚乙烯保温卷材压紧覆盖或采用同样效果的保温被。

在12 月～翌年2 月冬歇期间，其上表面采用一层塑料薄膜和两层5cm 聚乙烯保温卷材覆盖，卷材采取纵横交错铺设，卷材尺寸2m×3m，表面具有防水性能，并搭接严密。

（2）3 月中旬～10 月

3 月中旬～10 月浇筑混凝土，模板外侧嵌贴3cm 厚聚苯乙烯保温板，防内外温差和太阳幅射。新浇混凝土层面初凝后，前5 天进行采取洒水养护，保持潮湿状态，洒水结束后在其上表面采用一层塑料薄膜和5cm 厚聚苯乙烯保温卷材压紧覆盖或采用同样效果的保温被，直到上一层混凝土开始浇筑，在此期间，保持混凝土表面持续湿润。

对于抗冲耐磨混凝土浇筑层上表面，在浇筑后混凝土终凝后采用蓄水或流水养护散热，养护时间不少于28 天。养护结束后，采用5cm 厚聚苯乙烯保温卷材压紧覆盖。

（3）冬季浇筑的混凝土应适当推迟拆模时间，气温骤降期间不允许拆模。大坝廊道、底孔等孔洞部位，除按要求进行保护外，应及时进行洞口封闭，防止形成风道。

5 措施实施情况及效果

5.1 出机口及仓面检测结果

2017 年8 月15 日至2017 年11 月29 日，混凝土生产系统使用普通硅酸盐水泥生产混凝土方量27.9 万m³ ，混凝土生产期间，检测混凝土拌和物（含气量、塌落度及温度） 2280 组，合格 2279 组，合格率 99.9%。检测结果满足规范及设计要求。混凝土硬化指标检测（抗压、抗冻、抗渗、劈拉） 283 组，合格 283组，合格率 100%，检测结果满足规范及设计要求。

5.2 混凝土内部温控实施效果

普硅混凝土平均3～5 天达到峰值温度，共浇筑普硅混凝土仓位305 仓，峰值温度超过允许值仓位65 仓，超温仓位占21.3%，超温范围在0.5℃～10.6℃之间；经统计温控数据分析，混凝土峰值温度超标部位主要为消力池抗冲耐磨高标号混凝土层，消力池抗冲耐磨层混凝土水泥单耗量较大。闸墩结构部位混凝土高标号区钢筋较为密集入仓速度较慢，且采取平铺法施工，每坯层覆盖时间过长，易造成混凝土升温。

5.3 混凝土裂缝检查

监理、业主、设计及施工单位对主体工程普硅水泥混凝土43 个仓面进行了裂缝专项检查，未发现异常情况，未发现新增裂缝，保温效果良好，满足设计要求。消力池发现部分裂缝，缝深1.0m 范围内,缝长4.0m～8.0m，缝宽0.18mm～0.20mm。成因初步分析：高温时段浇筑；消力池抗冲耐磨层混凝土为C35W8F200 二级配混凝土，混凝土3m/层分层浇筑；水泥单耗量较大,水化热大；后期根据设计技术要求,对消力池产生的裂缝进行了普查、素描、分析并采取了刻槽、化灌、环氧砂浆封闭处理，经检测验收，裂缝处理结果满足设计要求。

5.4 混凝土事后取芯复核

对普硅水泥混凝土浇筑的大体积混凝土坝体进行了取芯复核，现场混凝土取芯长度合计182.4m。已完成的芯样外观表面光滑，骨料分散均匀，芯样局部有少量气泡，且不集中。取芯孔进行“单点法”分段压水，共完成67 段压水试验，透水率在0.007～0.083Lu 范围之间，满足设计≤0.1Lu 要求。芯样物理性能及耐久性指标检测满足设计要求。

5.5 专家咨询评价

为评价普硅水泥替代中热水泥的混凝土实施效果，业主组织召开了专家咨询会。专家组踏勘了现场，听取了各主要参建单位汇报，审阅了相关文件，形成专家咨询意见如下:

普硅水泥混凝土主要性能指标检测结果表明，混凝土拌和物性能及硬化混凝土性能指标均满足设计及规范要求；混凝土温控效果较好，满足设计及规范要求；冬歇期复工后参建各方全面排查未发现新增裂缝。采用普硅水泥替代中热水泥进行混凝土施工是可行的。相关参建单位对恢复供应后的中热水泥混凝土配合比开展了适应性试验，试验结果满足设计及规范要求，可在工程建设中正常使用。该水电工程目前的混凝土配合比参数选择与原材料品质指标较适应，混凝土配合比调整、优化的思路正确，成果符合一般规律。施工过程中应根据原材料品质变化情况进行动态调整。

6 结束语

普硅水泥混凝土主要性能指标检测结果表明，混凝土拌和物性能及硬化混凝土性能指标均满足设计及规范要求；采取了更加严格的温控措施，现场各项温控管理工作到位，混凝土温控效果较好，满足设计及规范要求。但在大坝消能结构部位混凝土高标号区域，存在温控难度大，易引发温度裂缝，结合工程实际情况，需进一步探索研究优化。

本工程该阶段使用普通硅酸盐硅水泥替代中热硅酸盐水泥期间所采取的措施，给我们在高海拔地区环境（昼夜温差大、紫外线辐射强、光照强度高、气候干燥、低气压）积累了一定的施工及监理工作经验，特别是温控相关工作的开展和研究。相对于藏区高原高寒，物资较为匮乏交通不便的地区，使用普通硅酸盐硅水泥进行混凝土重力坝的浇筑施工，过程中严格控制混凝土温控措施的落实，施工质量总体是有保障的，值得我们进一步研究探索与思考。