低热硅酸盐水泥在大坝混凝土的应用
针对大坝混凝土在浇筑过程中产生的温度效应易导致混凝土浇筑后产生表面或贯穿性裂缝的问题，从低热硅酸盐水泥材料性能出发，结合已有试验研究的成果和实际工程实践数据，分析低热硅酸盐水泥的性能特征，为低热硅酸盐水泥的推广提供依据。
关键词：大坝混凝土;温控防裂;低热硅酸盐水泥;材料性能
1概述
大坝混凝土的温控防裂问题一直是坝工建设中的研究重点。由于坝体混凝土具有水化温度高、散热差的特点，极易产生较大的内外温差，诱发结构表面或贯穿裂缝。为防止大坝混凝土产生温度裂缝，在施工过程中，主要采用骨料预冷、预埋冷却水管以及降低原材料水化热等方式来限制混凝土最高温度，进而控制混凝土内外温差达到温控防裂的目的。水泥水化产生的热量是混凝土温度升高的根源，是引起混凝土温度裂缝的重要因素，采用性能优异的水泥材料，降低水泥水化热是减小大坝混凝土温度裂缝最有效的措施。因此，研究满足坝工建设的低热水泥成为了国内外工程界关注的热点。随着我国解决了贝利特矿物的稳定与活化关键技术后，学者们展开了适用于坝工建设的低热硅酸盐水泥的研发、生产、施工方法等方面的研究工作。本文结合已有试验研究的成果和实际工程实践，分析低热硅酸盐水泥的性能特征，为低热硅酸盐水泥的推广提供依据。
2低热硅酸盐水泥的性能及其温控特征
2.1低热硅酸盐水泥简介
低热硅酸盐水泥是中国建筑材料科学研究总院于20世纪90年代研发的一种新型硅酸盐水泥。低热硅酸盐水泥与传统的中热及普热水泥的主要区别在于硅酸三钙(C3S)含量低，而硅酸二钙(C2S)含量高[1]。在生产过程中具有能耗低、有害气体排放少、生产成本低的特点。应用于大坝混凝土中，不仅具有早期放热速率慢、水化热总量低、早期强度低但后期强度增长明显的技术优势，还具有抗干缩、抗侵蚀、抗冲耐磨的性能优势。目前我国已先后在三峡工程三期纵向围堰、溪洛渡右岸泄洪洞、向家坝消力池和白鹤滩导流洞等工程部位对低热硅酸盐水泥进行了试验研究，取得了良好的应用效果。
2.2中低热水泥混凝土早期温度发展过程对比分析
相对普通硅酸盐水泥混凝土，低热硅酸盐水泥混凝土具有水化速率慢，水化总量低的特点，在研究混凝土热学性能时，可通过水化系数反映水化速率的快慢，最终绝热温升反映水化放热总量的大小，对于双曲线形式的绝热温升模型[3]，水化系数n越大，其水化速率越快，最终绝热温升越大，其水化放热总量越大。为比较不同混凝土早期温度变化特征，本文通过有限元仿真计算不同混凝土的温度发展过程。混凝土浇筑仓尺寸为50m×25m×3m，浇筑温度为12℃，内部预埋φ32mmHDPE冷却水管，水管间距为1.5m×1.5m，浇筑完成后即开始通水冷却，冷却水温为10℃，通水流量20L/min，假定外界环境气温恒定为20℃。中低热水泥混凝土热学参数参考文献[3-4]，如表1所示，其他材料参数相同。采用等效热传导法模拟水管的冷却效果，采用有限元软件ANSYS建立浇筑仓的网格模型，如图1所示。分别计算中热硅酸盐水泥混凝土的最高温度和最高温度出现的龄期，计算时长为10天，步长为0.5天/步。为进一步研究低热硅酸盐水泥水化系数n对混凝土温度发展过程的影响，固定最终绝热温升不变，增加n=2.75和n=4.75的计算方案，四种计算方案的温度过程曲线如图2所示，温度特征值如表2所示。从图2和表2可以看出，对比计算方案2和4，在相同条件下，中热混凝土最高温度要高于低热混凝土约2℃，最高温度发生时间要早1.5天，说明低热混凝土的最高温度控制成本要低于中热混凝土，加之低热混凝土发热缓慢，其最高温度控制难度也要低于中热混凝土。对比计算方案1~3，在相同条件下，水化系数越大，最高温度越低，最高温度发生时间越晚。可见，通过优化水泥材料的发热过程，减缓水化发热速率，对于水工混凝土的温控防裂是非常有利的。
3结论与展望
低热硅酸盐水泥在以往工程中的应用是成功的。同时，在上述仿真计算的结果中也进一步证明了低热硅酸盐水泥相较中热硅酸盐水泥而言，初期放热相对较为缓慢，最高温度明显偏低，且随着水化热上升速率n的增加，温度达到峰值的时间更晚，具有人工温控成本低、最高温度易于控制的特点。低热硅酸盐水泥作为一种极具优势的胶凝材料，在未来的其他大坝工程实体中的应用也将会越来越多。
参考文献
[1]殷海波,王述银,蒋科,等.白鹤滩导流洞工程中低热硅酸盐水泥的应用研究[J].混凝土,2017(12):71-74.
[2]樊启祥,李文伟,李新宇.低热硅酸盐水泥大坝混凝土施工关键技术研究[J].水利发电学报,2017,36(4):11-17.
[3]江凯,黄耀英,周宜红,等.基于光纤测温的大体积混凝土热学参数反演分析[J].人民长江,2012,43(2):50-53，69.
[4]田开平,郑晓辉,黄耀英,等.基于光纤传感技术的低热水泥混凝土温度检测及热学参数反演[J].水利发电,2014,40(4):50-53.
作者：兰宇 赵可欣 熊鑫 单位：三峡大学水利与环境学院
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