混凝土面板防裂措施探討

高杰

中國水電建設集團十五工程局有限公司第二工程公司，中國·陜西 西安 710016

混凝土面板是堆石壩的主要防滲體。論文結合新疆烏魯瓦提混凝土面板砂礫石壩工程實例，介紹了干燥、多風、寒冷地區摻UEA膨脹劑配制成的微膨脹補償收縮混凝土（簡稱UEA混凝土）與非補償收縮普通混凝土的多項技術性能對比，實驗研究及在該工程上的實際運用，闡述了面板混凝土的防滲原理、材料性能和抗裂技術措施。

面板裂縫；防裂原理；補償收縮混凝土；UEA混凝土

1 引言

混凝土的裂縫問題是多年內未解決的問題。而對于面板堆石壩中的混凝土面板，施工過程中出現的裂縫問題，一直是工程科技人員關注的話題。由于水泥材料本身的抗拉強度低，韌性差，當氣候干燥或環境溫度下降時，混凝土很容易產生收縮，出現裂縫，從而導致鋼筋銹蝕、滲漏，耐久性下降。

據統計，混凝土裂縫80%以上都是由于混凝土自身變形引起，只有一小部分由于承載力不足導致。混凝土的自身變形包括化學收縮（也叫自身體積變形）、塑性收縮（終凝前的變形）、干濕變形（干縮濕脹）、溫度變形（熱脹冷縮），四種變形，主要是干縮和冷縮。而對于面板混凝土，早期硬化階段，在保濕的條件下防止冷縮，硬化以后在保溫的條件下防止干縮。

由于面板在厚度方向遠小于長度方向和寬度方向，因此在混凝土水化熱散熱及環境溫度改變時，其熱傳導主要是沿板厚方向進行的。而面板混凝土在澆筑后，由于底部受墊層、兩側受先澆板塊、內部受鋼筋約束，當面板混凝土溫度相對于澆筑溫度有改變時則會出現溫度應力。當溫度應力大于混凝土的抗拉強度，混凝土就會出現裂縫[1]。

補償收縮混凝土的出現，有效地解決了混凝土的抗裂問題，其抗裂原理就是利用限制膨脹率來補償限制收縮，簡單地可用下列公式表示：

式中，ε2m——補償收縮混凝土限制膨脹率（%）；

Se——彈性變性（%）；

S2——混凝土干縮率（%）；

St——混凝土冷縮率（%）；

SK——混凝土極限拉伸值；

D——剩余變形，D＞0 時，混凝土內不出現拉應力，D＜|SK|時，混凝土不會產生裂縫。

2 烏魯瓦提工程面板抗裂措施

烏魯瓦提水利樞紐工程位于新疆和田地區和田縣境內，喀拉喀什河中游河段，是一個具有灌溉、發電、防洪、保護生態等綜合效益的大Ⅱ型水利工程，主壩是混凝土面板砂礫石堆石壩，壩高131.8m?；炷撩姘蹇拷鼉砂妒芾瓍^6m 寬，中間受壓區12m 寬，面板厚度由t=0.3+0.003H（m）確定，面板最大厚度0.7m，最小厚度0.3m，面板內部采用單層雙向配筋。

該工程主要從原材料和施工工藝，加強養護幾個方面提高混凝土的抗裂能力。

2.1 混凝土配合比設計與優化

首先從原材料進行優選，其次從配合比上進行優化。

①水泥：選用和田地區杜瓦水泥廠中熱硅酸鹽425#水泥，七天水化熱為302J/g（一期面板），286J/g（二期面板），其化學成分和礦物成分見表1，物理、力學性能檢測結果見表2。

表1 水泥化學充分和礦物成分試驗結果

表2 水泥物理力學試驗結果

②砂石骨料：主要為花崗巖，片麻巖石料，硬度較高，粗骨料為卵、碎石混合料，砂為人工砂和河床砂混合砂，細度模數為2.8±0.2。

③外加劑：根據面板防裂、抗凍、抗滲等設計要求，選用了四種外加劑，膨脹劑為南京特種材料廠生產的UEA-Ⅲ。PMS-1、PMS-2：（抗裂防凍劑），由NF-1（高效減水劑烏魯木齊市南湖化工廠）、AE 引氣劑，南京特種材料廠生產的UEA-Ⅲ膨脹劑配制而成，具體見表3。

表3 外加劑摻量表

④粉煤灰：選用新疆瑪納斯火電廠的Ⅱ級粉煤灰。

⑤配合比設計及優化：面板先后采用了5 種配合比，分別是：W1-1、W1-2、W2-1、W2-2、W2-3，其中，W1-1、W1-2是一期面板的配合比。W1-1是補償收縮型，W1-2是普通型。W2-1、W2-2、W2-3是二期面板配合比，都屬于補償收縮型，具體配比見表4。

表4 面板混凝土配合比

2.2 施工中采取的防裂措施

面板混凝土施工中，為了嚴格控制其施工質量，對坍落度、含氣量、入倉溫度進行抽樣檢驗，坍落度控制在4～7cm，含氣量控制在4%～5%，控制入倉溫度不大于35℃（規范規定值）[2]。

2.3 面板混凝土養護

一、二期面板共采用了五種養護方法：①塑料膜（下）+草簾（上）；②化纖毯（下）+塑料膜（上）；③一層或二層化纖毯；④苯板（下）+化纖毯（上）；⑤塑料膜（下）+化纖毯（上）。

安排專人養護。養護期間安排專人每天測溫，測面板表面溫度，測氣溫，記錄每天的風速，為面板防裂積累現場數據。

經過比較，認為一層化纖毯或二層化纖毯養護效果好，發生裂縫較少。主要原因是：化纖毯散熱性較好，防風易固定。

3 面板混凝土發生裂縫的原因

面板混凝土的裂縫，主要由兩類：一類是結構性裂縫，其產生原因是面板自重和堆石壩的不均勻沉陷；另一類是非結構性裂縫，它是由于面板混凝土自身干縮及外界氣溫變化引起的冷縮，即收縮變形引起，后一類裂縫占主要比重。

4 補償收縮混凝土抗裂機理

UEA 膨脹劑加入混凝土中，會產生大量的膨脹結晶水化物——硫鋁酸鈣（3CaO·AL2O3?CaSO4·31H2O），即鈣礬石，使混凝土產生適量的膨脹，在鋼筋與其他約束的限制條件下，混凝土產生一定的壓應力，這種壓應力能夠抵消導致混凝土開裂的全部或部分拉應力，并減輕或避免混凝土開裂。補償模式如圖1 所示。

省去Se，就變成：

式中，ε2m——限制膨脹率；

Se——彈性變形，可省去

S2——干縮變形；

St——冷縮變形；

D——剩余變形；

SK——混凝土極限拉伸值。

D＞0，混凝土內不出現拉應力，D≤|SK|時，混凝土不會產生裂縫。

5 面板內部溫度場

在面板混凝土澆筑之后，由于受底部墊層及混凝土內部鋼筋的約束（后澆板塊還要受兩側先澆板塊的約束），當面板砼溫度相對于澆筑溫度有所改變時，就會出現溫度應力，溫度荷載計算可以混凝土水化熱溫升達到最高溫度時所對應的溫度場為基準。由于面板厚度（0.3～0.7m）遠小于寬度（6～12m）和長度（50～80m）。因此，在水化熱散發及環境溫度改變時，其熱傳導主要沿面板厚度方向進行，可簡化為一維熱傳導問題。沿厚度方向上任一點z 的溫度T，僅是z 和時間t 的函數，可建立如下定解問題：

（1）是非齊次的一維熱傳導方程，（2）和（3）為邊界條件（第一類與第三類邊界條件），（4）為初始條件。式中，θ=θ0(1-e-mt)——水化熱絕熱溫升公式；

θ0——最大絕熱溫升，m 與澆筑溫度有關；

TP——澆筑溫度；

T0(t)——墊層溫度，為常數C；

Tα(t)——外界氣溫，且Tα(0)=C；

α、λ、β——混凝土導溫系數、導熱系數及表面放熱系數；

h——面板厚度。運用分離變量法，固有函數法，拉普拉斯積分變換，逆變換求解得到：

可以看出它的解是一個無窮級數與一個關于Z 的一次線性函數的組合。

只要知道上述參數和常數，就可以求出其溫度分布，可以求出任一點各個時間所對應的溫度。

6 混凝土表面散熱系數β

要防止混凝土表面裂縫發生，就要根據當地的氣候條件、氣溫條件、空氣濕度條件，對混凝土表面進行適當的保護，做到表面保濕、保溫（利于散熱、防止風吹、冷縮、干縮）。

規范規定，混凝土的入倉溫度不大于35℃，不小于5℃，降溫速率不大于2℃/d。所以，選擇適當的覆蓋材料對混凝土的防裂至關重要。

大量的試驗結果表明：混凝土表面的放熱系數β，對混凝土表面的溫度梯度和溫度應力T 有重要影響，與表面的光滑（粗糙）有關，也與風速（或風力等級）有關[3]。

當混凝土表面無覆蓋時，其表面放熱系數為：

表面粗糙：β=21.06+17.58V0.910；

表面光滑：β=18.46+17.30V0.883；

V 為風速，β 為表面放熱系數。

當混凝土表面有覆蓋（保溫層）時，其表面等效放熱系數為：

β 為最外一層保溫層的表面放熱系數；

Hi，λi為第i 層保溫層的厚度與導熱系數，βs是等效放熱系數。

而烏魯瓦提工程的五種養護方法，以單層或雙層化纖毯養護效果最好，說明這種養護方法不僅保濕防風，也有利于均勻散熱，不會因為外界氣溫下降，大風而受影響。

7 結語

①采用中熱、低熱（水化熱較低）的水泥，可降低水化熱溫升，從而降低混凝土的干縮裂縫。

②采用摻“UEA”膨脹劑，粉煤灰，高效減水劑“三摻”技術。

摻粉煤灰能減少水泥用量，從而降低水化熱溫升，減小溫度應力。

摻高效減水劑，能減小水灰比，提高砼強度，延緩混凝土硬化時間，從而延遲混凝土干縮。

摻UEA 膨脹劑，用混凝土的膨脹來補償其收縮，延遲其收縮，減小甚至消除其收縮。

③構建面板砼溫度場，計算分析、研究面板混凝土熱學參數，包括水化熱溫升、導溫系數、導熱系數、表面放熱系數，為面板混凝土防裂提供理論依據。

④面板混凝土表面覆蓋保護，要根據當地氣候、氣溫、空氣濕度，選擇適當的保護材料。

⑤面板混凝土施工要選擇合適的季節進行，避免在低溫或高溫季節施工。