基于裂縫控制技術及配合比優化設計的混凝土應用研究

姜 峰

(葫蘆島市綏中縣大風口水庫管理處，遼寧 綏中 125200)

0 引 言

猴山水庫一期工程位于遼寧省綏中縣狗河中游，控制流域377km2。水庫最大庫容為0.8×108m3，主要作用為綏中縣東戴河新區供水，同時兼有防洪及農業灌溉。水庫擋水建筑物型式為常態混凝土重力壩，最大壩高40.4m，由右岸擋水壩段、引水壩段、溢流壩段、門庫壩段及左岸擋水壩段組成。壩頂全長281m，建基面最低高程86.6m，混凝土總量為18.4萬m3。工程所在地區最冷月平均氣溫為-7.7℃，為寒冷地區，多年平均氣溫僅為9.5℃，氣溫年內變幅大，晝夜溫差也較大。因大壩的溫度應力問題比較突出，有必要開展防裂控制技術及溫控方案的深入研究，提出合理的溫控標準和有效的溫控防裂措施。

1 常態混凝土配合比設計

1.1 優化混凝土配比原則

混凝土凝固過程中因水泥水化作用釋放大量熱量，從而導致其內部溫度快速增大，所以控制水泥摻量為有效降低溫升的關鍵所在?？刂苹炷恋臏厣紫冗M行配合比的優化，其優化原則為：

1)選用水化熱較低的中熱水泥(基礎及閘墩堰體混凝土采用P.MH42.5中熱水泥)。

2)滿足抗壓、抗滲、抗凍設計指標前提下，盡量減少水泥摻量，摻加適當比例粉煤灰，盡量降低混凝土的水化熱溫升。

3)有條件部位采用四級配混凝土(基礎及內部混凝土采用四級配，最大骨料粒徑為120mm)，以減少水泥用量，有效降低混凝土的水化熱溫升。

4)優選復合高效型外加劑(選用LSYT引氣減水劑)，降低混凝土單位水泥用量，以減少混凝土水化熱溫升。

1.2 試驗原材料

水泥：Ⅱ區混凝土P.O42.5普通水泥和P.MH42.5級中熱硅酸鹽水泥，其他分區選用P.O42.5級普通水泥；粉煤灰：通過供貨廠家調查，采用Ⅰ級或Ⅱ級灰。粉煤灰摻量通過試驗確定；骨料：采用綏中縣中游范家鄉趙家店甸村區的狗河的天然粗細骨料；外加劑：要求所選用的外加劑具有減水、引氣、緩凝、抗裂和能增加混凝土澆筑塊長度等功能。

1.3 配合比設計

根據設計要求，大壩混凝土共有5個分區，如圖1所示，其中Ⅱ區混凝土，即擋水壩和溢流壩壩體基礎混凝土。考慮其施工部位比較關鍵，為減少甚至避免由于溫度應力造成混凝土產生裂縫，同時考慮經濟因素，分別選用兩種水泥(普通硅酸鹽水泥、大壩中熱硅酸鹽水泥)進行對比試驗，同時考慮為減少溫度應力造成裂縫的概率，還要做摻與不摻膨脹劑的對比試驗，其膨脹劑的作用主要為補償收縮。其他分區的混凝土配合比均采用普通硅酸鹽水泥，不摻加膨脹劑進行配合比試驗。大壩混凝土配合比設計如表1，性能指標值如表2所示。

圖1 擋水壩段分區

表1 大壩混凝土推薦配合比

表2 性能指標值

1.4 優選外加劑試驗研究

優選復合高效型外加劑(LSYT引氣減水劑)，降低混凝土單位水泥用量，從而延緩水化熱散發速率及減少水化熱溫升，以增強結構的抗裂性。選用不同型號的外加劑，相同其他材料，分別在兩家甲級資質的實驗室,做相同配合比設計，在相同外界環境下，以壩體基礎混凝土(C9020F100W6)及內部混凝土(C9015F50W2)為例，外加劑試驗對比結果見表3。

表3 優化混凝土配合比對比表 kg

結果顯示，優化的新配合比，水泥用量較小、相對水化熱絕熱溫升小，能夠更好的控制混凝土內部溫度，因此該配合比為最佳配比。

2 絕熱溫升試驗研究

2.1 試驗目的

混凝土絕熱溫升值及其歷時函數關系是進行壩體溫控設計的參數，該參數是通過室內模擬試驗來確定的。模擬混凝土處在絕熱條件下，測定由于水化熱使得內部溫度隨齡期增長而上升的規律，推斷最終絕熱溫升并建立絕熱溫升與歷史關系的數學表達式。

本研究測定水庫大壩混凝土推薦配合比中，分別采用渤海牌P.O42.5及渾河牌PM.H42.5兩種水泥及摻與不摻膨脹劑的混凝土的絕熱溫升值。

2.2 數據的處理

由于混凝土的水化過程持續時間很長，最終溫升值很難由試驗直接測出，但根據水泥水化反應的規律，測定短齡期的絕熱溫升，建立數學模型(擬合曲線方程式)可推定混凝土最終溫升及反應混凝土絕熱溫升隨時間的發展規律，并為工程設計提供參考。

1)數學模型。任何時段方程式計算的溫升與實測溫升相差最小，為建立數學模型T=f(t)的條件，其中T為絕熱溫升(℃)、t歷時(d)。同時，方程式T=f(t)還應滿足使用條件：①初始條件t=0時，T=f(0)=0；②最終條件t=∞時，T=f(∞)為定值T0；③T=f(t)在(0，∞)區間單調增加；④dT/dt=g(t)，在d(0，∞)區間單調降低。

根據以上使用條件，初步建立雙曲線、指數Ⅱ型模型為：

(1)

T=T0[1-exp(-atb)]

(2)

式中：T0為混凝土最終絕熱溫升；M1、M2、a、b為試驗常數，與混凝土發熱速率有關。

2)絕熱溫升——歷時表達式。采用最小二乘法擬合方程，實測28d的混凝土絕熱溫升數據進行擬合，求得最終溫升和兩種數學模型的擬合方程式，并用擬合的兩種方程式計算絕熱溫升。其中，擬合方程式的精度由剩余標準差和相關系數來評價，即剩余標準差最小和相關系數最大為最優擬合，剩余標準差S和相差系數α計算方法如下：

(3)

(4)

2.3 結果分析

試驗結果擬合方程式見表4，擬合歷時過程線見圖2。

表4 絕熱溫升-歷時擬合方程

(a)HS-7

從表4和圖2可知，混凝土編號hs7、hs13、hs16中雙曲線型表達式剩余標準差最小，相關系數最大，故采用雙曲線表達式；混凝土編號hs10中指數Ⅱ表達式剩余標準差最小，相關系數最大，故采用指數Ⅱ表達式。因此，混凝土編號hs7、hs13、hs16絕熱溫升隨時間的發展規律推薦選用雙曲線型表達式，混凝土編號hs-10絕熱溫升推薦選用指數Ⅱ型表達式，最終各配合比絕熱溫升歷時表達式見表5。

表5 絕熱溫升-歷時表達式

依據對壩體進行的絕熱溫升分析結果，提出了相應的設計溫控標準，設計壩體溫控標準如表6所示。

表6 溫控標準

1)上下層溫差是指老混凝土面(混凝土齡期超過28d)上下各1/4塊長范圍內，上層新澆混凝土的最高平均溫度與開始澆筑混凝土時下層老混凝土的平均溫度之差，壩體混凝土上下層溫差≤16℃。

2)相鄰壩段高差.混凝土施工中，各分塊應均勻上升，相鄰分塊高差≤10-12m。

3)澆筑層高及間歇時間。為有利于混凝土澆筑塊散熱，基礎混凝土約束部位澆筑層高為1.5m，上下層澆筑間歇時間為6-10d。

3 混凝土重力壩綜合防裂體系

為滿足混凝土壩的溫度控制設計標準，達到防止混凝土產生裂縫的目的，需要采取一系列防裂措施。包括原材料的選擇、配合比的優化、降低混凝土出機口及入倉的溫度、倉面的降溫、混凝土的表面保溫防護、合理分縫分塊等結構措施、合理按排施工進度和施工季節以及加強混凝土質量提高其抗裂能力等綜合的防裂措施[1-3]。

通過研究構建了包括原材料選擇、施工進度安排、壩面保溫、內外降溫及壩體預留縫結構措施的混凝土重力壩綜合溫控防裂體系。

3.1 原材料選擇防裂措施

綜合考慮水泥品種對基礎約束區溫度應力的作用以及投資造價因素，在確?；A約束區混凝土抗裂安全前提下，優選水泥品種，充分利用當地水泥材料，節省投資。在大壩基礎約束區及閘墩堰體部位用中熱硅酸鹽水泥，其他部位采用普通水泥。優化大體積混凝土配合比，適當增加骨料粒徑和級配，調整比例外摻粉煤灰，降低混凝土的絕熱溫升。優選復合高效型外加劑(選用LSYT引氣減水劑)，增強結構的抗裂能力。外摻pp纖維提高混凝土抗拉能力，提高混凝土早期抗拉強度，防止混凝土早期裂縫[4-7]。

3.2 合理安排施工進度防裂措施

安排低溫季節澆筑基礎約束區混凝土，嚴格按照設計提出的要求控制相鄰塊、相鄰壩段的高差。施工中嚴格控制澆筑層厚和層間間歇期，短間歇均勻上升，避免出現薄層長間歇。高溫季節利用夜間澆筑，澆筑時間盡量安排在早、晚或夜間[8]。

3.3 壩面保溫防裂措施

施工期間每個冬季入冬前，所有大壩混凝土外露面均應進行嚴格越冬保溫。壩體上游面經常性水位以上部分采用GRC復合擠塑板實現上游壩面長期保溫，厚度采用10cm，經常性水位以下部分采用擠塑板保溫，厚度采用10cm，均采用錨栓固定于混凝土表面。溢流壩閘墩和堰面部位采用10cm厚巖棉被保溫，保溫材料至竣工后拆除。越冬壩體側立面采用10cm厚擠塑板保溫，待澆筑相鄰塊混凝土將其拆除。其他部位采用10cm厚擠塑板保溫，保溫材料至竣工后拆除。

在非冬季施工期間，尤其是春秋季節，混凝土停歇7天仍未全面覆蓋表層混凝土時，為防止混凝土受寒潮和晝夜溫差的沖擊上鋪防水氈布苫布。在氣溫驟降及低溫季節時，對底孔、廊道、輸水管、豎井等孔洞進出口處封堵或遮蔽[9]。

3.4 內外降溫防裂措施

依據計算結果，確定壩體允許澆筑和允許最高溫度防控標準，并采取以下降溫措施滿足相關要求。

1)混凝土出倉溫度控制。高溫季節采取骨料堆高、晚間進料，骨料、送料皮帶機、上料斗及外加劑料堆搭棚遮陽、料堆頂部冷水噴淋、水泥粉煤灰提前進料、蓄水池保溫并遮陽防曬，每次拌和上料控制不超過15min，采用冷水拌和、加冰冷水拌和及加冰拌和等措施降低混凝土出倉溫度。

2)混凝土澆筑溫度控制。對混凝土運輸車輛隔熱、遮陽、沖洗降溫，對吊罐隔熱、遮陽，從而降低運輸時的溫升和澆筑穩定。

3)設備及人員配備調度。增加機械設備，加強人員管理，加快入倉速度。

4)后期降溫。預埋φ32mm 壁厚2mmHDPE冷卻水管，采用河水及深井水通水降溫，已澆混凝土表面進行流水養護。

3.5 壩體結構防裂措施

大壩上、下游側越冬層面設置水平預留短縫，配合以預留縫的壩內端設置水平止水和限裂鋼筋，防止越冬面附近水平裂縫。在壩段長分別為20m和18m的導流底孔壩段及門庫壩段上游側預留豎向短縫。在溢流壩反弧段設置鉛直永久縱縫，防止溢流壩堰面反弧部位縱向裂縫。溢流壩內部混凝土臺階做成圓弧狀，進一步減小內部混凝土臺階尖角引起的堰面應力集中。

4 結 論

通過研究構建了混凝土重力壩綜合溫控防裂體系，即采取原材料選擇、施工進度安排、壩面保溫、內外降溫及壩體結構等綜合的混凝土防裂措施，達到了防止混凝土大壩重要裂縫的產生，大幅度減少次要裂縫數量的目標。

由于擋水壩段下游面外觀要求、溢流壩閘墩和堰面泄洪要求，運行期無法實現長期或永久性保溫防護。理論分析與工程實踐證明，大壩混凝土在施工期是裂縫高發期，在運行期，在環境溫度作用下，裂縫數量仍然不斷增加。在周期性外界溫度作用下，因混凝土的疲勞效應，仍然存在開裂的可能，大壩運行期永久性防護措施仍需要進一步深入研究。