水利樞紐工程結構裂縫成因及力學性能影響因素研究

吳之寶

(甘肅省武威市水利綜合事務中心，甘肅 武威 733000)

0 引言

超高層泵送、長距離大跨度以及大體積等項目實體拆模后，結構會不同程度地出現裂縫問題，有龜裂，有貫穿裂縫，嚴重的將會導致結構拆除，重新澆筑。影響結構開裂的因素有很多，比如水泥用量過高、整體砂率過大、鋼筋布局不合理、施工工藝錯誤等等，在確定施工項目因素排除后，針對混凝土質量原因導致的結構開裂問題，膠凝材料方面，為降低水泥用量，引入品質優異的粉煤灰、礦粉，降低早期水化熱，避免早期集中放熱導致的開裂問題，同時由于礦物摻合料的二次反應，可顯著提升不同齡期的抗壓強度；砂率方面，通過梯度實驗，驗證試塊收縮性能，優選最佳砂率[1]。結合工程存在的結構開裂、抗壓強度較低等問題，開展配合比設計驗證工作，對膠凝材料體系、砂石搭配比例重新設計驗證，通過測試流動度、倒筒時間、不同齡期抗壓強度等關鍵指標，開展水利樞紐工程混凝土技術攻關[2-4]。

1 工程概況

某水利樞紐工程主要結構為導流堤、擋潮泄洪閘以及左右岸連接壩等，結構中擋潮泄洪閘的總凈寬度為726 m，共設置33孔，閘孔凈寬度為22 m。按照體量、尺寸計算，屬大體積混凝土，由于鋼筋布局較為復雜，要求混凝土具有良好的流動性、粘聚性、保水性。通過實體預埋點位測量溫度，混凝土內部溫度超過100℃，水化放熱過快，局部溫升過快，拆模表面形成貫穿裂縫。

2 試驗原材料

試驗水泥為P·O42.5級水泥，測試標準稠度需水量27.7%，膠砂3 d抗壓強度29.1 MPa，28 d抗壓強度53.2 MPa；試驗粉煤灰為Ⅰ級粉煤灰，細度4.2%，燒失量2.3%，需水量比90%；試驗礦粉比表面積427 m2/kg，膠砂7 d活性指數78%，28 d活性指數101%；試驗硅灰需水比118%，膠砂7 d活性指數124%；試驗中粗河砂，細度模數2.7，含泥量1.9%，碎石5 mm～16 mm連續級配，壓碎指標9%，含泥量0.8%；外加劑為聚羧酸高效外加劑，固含量17.4%，減水率18%；水為飲用水。

3 水利樞紐工程混凝土配合比設計

膠凝材料用量初步確定為440 kg/m3～460 kg/m3，粉煤灰取代范圍0～40%，硅灰取代范圍0～3.3%，礦粉取代范圍0～30%，對比不同膠凝材料用量以及不同礦物摻合料取代比例的影響，優選合理膠凝材料用量，具體配合比見表1、表2。

表1 不同砂率混凝土配合比 單位：kg/m3

表2 不同膠凝材料混凝土配合比 單位：kg/m3

4 實驗結果分析

4.1 不同因素對水利樞紐混凝土基本性能的影響

研究不同不同膠凝材料用量及不同礦物摻合料取代率對于混凝土流動度、倒筒時間等關鍵指標的影響，具體測試結果見表3。

表3 混凝土性能測試

圖1 不同因素對水利樞紐工程混凝土流動性能的影響

影響混凝土流動度的主要因素包括砂率以及具有降低粘度的礦物摻合料，通過基礎工作性實驗，結合收縮試驗數據，確定體系最佳砂率為44%。粉煤灰由于自身具有的球形顆粒，可有效降低顆粒間的摩擦阻力，降低混凝土整體粘度。而礦粉屬于磨細礦物摻合料，因此，礦粉對于混凝土粘度及擴展度的改善不發揮作用。當膠凝材料用量為440 kg/m3，粉煤灰摻量為30%時，當硅灰摻量為2.3%時，混凝土流動性好，粘聚性好，倒筒時間3.7 s，混凝土整體粘度最低。

4.2 不同因素對水利樞紐工程混凝土抗壓強度的影響

研究礦物摻合料中不同取代率對于混凝土不同齡期抗壓強度的影響，具體測試結果見圖2。

圖2 混凝土不同齡期抗壓強度

固定砂率、水膠比，研究礦物摻合料取代率對混凝土不同齡期抗壓強度的影響。由測試結果知，膠凝材料用量為440 kg/m3時，混凝土不同齡期抗壓強度與460 kg/m3用量基本保持一致，沒有顯著區別，考慮到綜合性價比以及水化放熱等問題，最終體系膠凝材料確定為440 kg/m3。當膠凝材料用量為440 kg/m3，粉煤灰摻量為30%，硅灰摻量為2.3%，礦粉摻量為20%時，混凝土不同齡期抗壓強度達到最佳值，3 d抗壓強度為24.3 MPa，7 d抗壓強度為38.8 MPa，28 d抗壓強度為52.5 MPa，60 d抗壓強度為56.9 MPa。

4.3 水利樞紐工程混凝土收縮性能研究

研究模擬混凝土實體結構中膠凝材料用量及相應搭配比例下，混凝土收縮性能，確定設計配合比可行性，對優選配合比進行性能驗證。

在覆膜養護條件下，混凝土28 d的自收縮率較7 d僅僅增加2.57倍，28 d自收縮率開始增加幅度不大；而未覆膜養護時，7 d干燥收縮率較7 d自收縮率增加4.43倍，28 d干燥收縮率較28 d自收縮率增加3.88倍。通過測試可知，優選配合比滿足收縮性能的要求，同時混凝土的養護條件直接影響到混凝土的收縮性能，因此，除了考慮混凝土自身因素對于收縮值的影響，還要考慮施工養護條件的影響。

圖3 混凝土收縮性能試驗結果

5 結論

(1)良好的砂率，粉煤灰、硅灰對于提升混凝土流動性、粘聚性、保水性意義重大。隨著砂率的不斷增加，混凝土流動性持續增加，但砂率過大，混凝土收縮更加明顯；粉煤灰、硅灰對于流動度的貢獻呈現先增加后基本不變的趨勢。

(2)粉煤灰、礦粉可改善混凝土中長齡期的抗壓強度。持續不斷的二次水化反應，形成的水化產物使結構更加密實，強度更有保障。

(3)通過開展混凝土收縮性能實驗，覆膜與否將直接導致混凝土收縮值是否異常，通過優選后確定總膠凝材料用量及礦物摻合料最佳搭配比例為：膠凝材料用量為440 kg/m3，粉煤灰摻量30%、硅灰摻量2.3%、礦粉摻量20%。