基于裂缝控制技术及配合比优化设计的混凝土应用研究

姜 峰

(葫芦岛市绥中县大风口水库管理处，辽宁 绥中 125200)

0 引 言

猴山水库一期工程位于辽宁省绥中县狗河中游，控制流域377km2。水库最大库容为0.8×108m3，主要作用为绥中县东戴河新区供水，同时兼有防洪及农业灌溉。水库挡水建筑物型式为常态混凝土重力坝，最大坝高40.4m，由右岸挡水坝段、引水坝段、溢流坝段、门库坝段及左岸挡水坝段组成。坝顶全长281m，建基面最低高程86.6m，混凝土总量为18.4万m3。工程所在地区最冷月平均气温为-7.7℃，为寒冷地区，多年平均气温仅为9.5℃，气温年内变幅大，昼夜温差也较大。因大坝的温度应力问题比较突出，有必要开展防裂控制技术及温控方案的深入研究，提出合理的温控标准和有效的温控防裂措施。

1 常态混凝土配合比设计

1.1 优化混凝土配比原则

混凝土凝固过程中因水泥水化作用释放大量热量，从而导致其内部温度快速增大，所以控制水泥掺量为有效降低温升的关键所在。控制混凝土的温升首先进行配合比的优化，其优化原则为：

1)选用水化热较低的中热水泥(基础及闸墩堰体混凝土采用P.MH42.5中热水泥)。

2)满足抗压、抗渗、抗冻设计指标前提下，尽量减少水泥掺量，掺加适当比例粉煤灰，尽量降低混凝土的水化热温升。

3)有条件部位采用四级配混凝土(基础及内部混凝土采用四级配，最大骨料粒径为120mm)，以减少水泥用量，有效降低混凝土的水化热温升。

4)优选复合高效型外加剂(选用LSYT引气减水剂)，降低混凝土单位水泥用量，以减少混凝土水化热温升。

1.2 试验原材料

水泥：Ⅱ区混凝土P.O42.5普通水泥和P.MH42.5级中热硅酸盐水泥，其他分区选用P.O42.5级普通水泥；粉煤灰：通过供货厂家调查，采用Ⅰ级或Ⅱ级灰。粉煤灰掺量通过试验确定；骨料：采用绥中县中游范家乡赵家店甸村区的狗河的天然粗细骨料；外加剂：要求所选用的外加剂具有减水、引气、缓凝、抗裂和能增加混凝土浇筑块长度等功能。

1.3 配合比设计

根据设计要求，大坝混凝土共有5个分区，如图1所示，其中Ⅱ区混凝土，即挡水坝和溢流坝坝体基础混凝土。考虑其施工部位比较关键，为减少甚至避免由于温度应力造成混凝土产生裂缝，同时考虑经济因素，分别选用两种水泥(普通硅酸盐水泥、大坝中热硅酸盐水泥)进行对比试验，同时考虑为减少温度应力造成裂缝的概率，还要做掺与不掺膨胀剂的对比试验，其膨胀剂的作用主要为补偿收缩。其他分区的混凝土配合比均采用普通硅酸盐水泥，不掺加膨胀剂进行配合比试验。大坝混凝土配合比设计如表1，性能指标值如表2所示。

图1 挡水坝段分区

表1 大坝混凝土推荐配合比

表2 性能指标值

1.4 优选外加剂试验研究

优选复合高效型外加剂(LSYT引气减水剂)，降低混凝土单位水泥用量，从而延缓水化热散发速率及减少水化热温升，以增强结构的抗裂性。选用不同型号的外加剂，相同其他材料，分别在两家甲级资质的实验室,做相同配合比设计，在相同外界环境下，以坝体基础混凝土(C9020F100W6)及内部混凝土(C9015F50W2)为例，外加剂试验对比结果见表3。

表3 优化混凝土配合比对比表 kg

结果显示，优化的新配合比，水泥用量较小、相对水化热绝热温升小，能够更好的控制混凝土内部温度，因此该配合比为最佳配比。

2 绝热温升试验研究

2.1 试验目的

混凝土绝热温升值及其历时函数关系是进行坝体温控设计的参数，该参数是通过室内模拟试验来确定的。模拟混凝土处在绝热条件下，测定由于水化热使得内部温度随龄期增长而上升的规律，推断最终绝热温升并建立绝热温升与历史关系的数学表达式。

本研究测定水库大坝混凝土推荐配合比中，分别采用渤海牌P.O42.5及浑河牌PM.H42.5两种水泥及掺与不掺膨胀剂的混凝土的绝热温升值。

2.2 数据的处理

由于混凝土的水化过程持续时间很长，最终温升值很难由试验直接测出，但根据水泥水化反应的规律，测定短龄期的绝热温升，建立数学模型(拟合曲线方程式)可推定混凝土最终温升及反应混凝土绝热温升随时间的发展规律，并为工程设计提供参考。

1)数学模型。任何时段方程式计算的温升与实测温升相差最小，为建立数学模型T=f(t)的条件，其中T为绝热温升(℃)、t历时(d)。同时，方程式T=f(t)还应满足使用条件：①初始条件t=0时，T=f(0)=0；②最终条件t=∞时，T=f(∞)为定值T0；③T=f(t)在(0，∞)区间单调增加；④dT/dt=g(t)，在d(0，∞)区间单调降低。

根据以上使用条件，初步建立双曲线、指数Ⅱ型模型为：

(1)

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

(2)

式中：T0为混凝土最终绝热温升；M1、M2、a、b为试验常数，与混凝土发热速率有关。

2)绝热温升——历时表达式。采用最小二乘法拟合方程，实测28d的混凝土绝热温升数据进行拟合，求得最终温升和两种数学模型的拟合方程式，并用拟合的两种方程式计算绝热温升。其中，拟合方程式的精度由剩余标准差和相关系数来评价，即剩余标准差最小和相关系数最大为最优拟合，剩余标准差S和相差系数α计算方法如下：

(3)

(4)

2.3 结果分析

试验结果拟合方程式见表4，拟合历时过程线见图2。

表4 绝热温升-历时拟合方程

(a)HS-7

从表4和图2可知，混凝土编号hs7、hs13、hs16中双曲线型表达式剩余标准差最小，相关系数最大，故采用双曲线表达式；混凝土编号hs10中指数Ⅱ表达式剩余标准差最小，相关系数最大，故采用指数Ⅱ表达式。因此，混凝土编号hs7、hs13、hs16绝热温升随时间的发展规律推荐选用双曲线型表达式，混凝土编号hs-10绝热温升推荐选用指数Ⅱ型表达式，最终各配合比绝热温升历时表达式见表5。

表5 绝热温升-历时表达式

依据对坝体进行的绝热温升分析结果，提出了相应的设计温控标准，设计坝体温控标准如表6所示。

表6 温控标准

1)上下层温差是指老混凝土面(混凝土龄期超过28d)上下各1/4块长范围内，上层新浇混凝土的最高平均温度与开始浇筑混凝土时下层老混凝土的平均温度之差，坝体混凝土上下层温差≤16℃。

2)相邻坝段高差.混凝土施工中，各分块应均匀上升，相邻分块高差≤10-12m。

3)浇筑层高及间歇时间。为有利于混凝土浇筑块散热，基础混凝土约束部位浇筑层高为1.5m，上下层浇筑间歇时间为6-10d。

3 混凝土重力坝综合防裂体系

为满足混凝土坝的温度控制设计标准，达到防止混凝土产生裂缝的目的，需要采取一系列防裂措施。包括原材料的选择、配合比的优化、降低混凝土出机口及入仓的温度、仓面的降温、混凝土的表面保温防护、合理分缝分块等结构措施、合理按排施工进度和施工季节以及加强混凝土质量提高其抗裂能力等综合的防裂措施[1-3]。

通过研究构建了包括原材料选择、施工进度安排、坝面保温、内外降温及坝体预留缝结构措施的混凝土重力坝综合温控防裂体系。

3.1 原材料选择防裂措施

综合考虑水泥品种对基础约束区温度应力的作用以及投资造价因素，在确保基础约束区混凝土抗裂安全前提下，优选水泥品种，充分利用当地水泥材料，节省投资。在大坝基础约束区及闸墩堰体部位用中热硅酸盐水泥，其他部位采用普通水泥。优化大体积混凝土配合比，适当增加骨料粒径和级配，调整比例外掺粉煤灰，降低混凝土的绝热温升。优选复合高效型外加剂(选用LSYT引气减水剂)，增强结构的抗裂能力。外掺pp纤维提高混凝土抗拉能力，提高混凝土早期抗拉强度，防止混凝土早期裂缝[4-7]。

3.2 合理安排施工进度防裂措施

安排低温季节浇筑基础约束区混凝土，严格按照设计提出的要求控制相邻块、相邻坝段的高差。施工中严格控制浇筑层厚和层间间歇期，短间歇均匀上升，避免出现薄层长间歇。高温季节利用夜间浇筑，浇筑时间尽量安排在早、晚或夜间[8]。

3.3 坝面保温防裂措施

施工期间每个冬季入冬前，所有大坝混凝土外露面均应进行严格越冬保温。坝体上游面经常性水位以上部分采用GRC复合挤塑板实现上游坝面长期保温，厚度采用10cm，经常性水位以下部分采用挤塑板保温，厚度采用10cm，均采用锚栓固定于混凝土表面。溢流坝闸墩和堰面部位采用10cm厚岩棉被保温，保温材料至竣工后拆除。越冬坝体侧立面采用10cm厚挤塑板保温，待浇筑相邻块混凝土将其拆除。其他部位采用10cm厚挤塑板保温，保温材料至竣工后拆除。

在非冬季施工期间，尤其是春秋季节，混凝土停歇7天仍未全面覆盖表层混凝土时，为防止混凝土受寒潮和昼夜温差的冲击上铺防水毡布苫布。在气温骤降及低温季节时，对底孔、廊道、输水管、竖井等孔洞进出口处封堵或遮蔽[9]。

3.4 内外降温防裂措施

依据计算结果，确定坝体允许浇筑和允许最高温度防控标准，并采取以下降温措施满足相关要求。

1)混凝土出仓温度控制。高温季节采取骨料堆高、晚间进料，骨料、送料皮带机、上料斗及外加剂料堆搭棚遮阳、料堆顶部冷水喷淋、水泥粉煤灰提前进料、蓄水池保温并遮阳防晒，每次拌和上料控制不超过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仓温度。

2)混凝土浇筑温度控制。对混凝土运输车辆隔热、遮阳、冲洗降温，对吊罐隔热、遮阳，从而降低运输时的温升和浇筑稳定。

3)设备及人员配备调度。增加机械设备，加强人员管理，加快入仓速度。

4)后期降温。预埋φ32mm 壁厚2mmHDPE冷却水管，采用河水及深井水通水降温，已浇混凝土表面进行流水养护。

3.5 坝体结构防裂措施

大坝上、下游侧越冬层面设置水平预留短缝，配合以预留缝的坝内端设置水平止水和限裂钢筋，防止越冬面附近水平裂缝。在坝段长分别为20m和18m的导流底孔坝段及门库坝段上游侧预留竖向短缝。在溢流坝反弧段设置铅直永久纵缝，防止溢流坝堰面反弧部位纵向裂缝。溢流坝内部混凝土台阶做成圆弧状，进一步减小内部混凝土台阶尖角引起的堰面应力集中。

4 结 论

通过研究构建了混凝土重力坝综合温控防裂体系，即采取原材料选择、施工进度安排、坝面保温、内外降温及坝体结构等综合的混凝土防裂措施，达到了防止混凝土大坝重要裂缝的产生，大幅度减少次要裂缝数量的目标。

由于挡水坝段下游面外观要求、溢流坝闸墩和堰面泄洪要求，运行期无法实现长期或永久性保温防护。理论分析与工程实践证明，大坝混凝土在施工期是裂缝高发期，在运行期，在环境温度作用下，裂缝数量仍然不断增加。在周期性外界温度作用下，因混凝土的疲劳效应，仍然存在开裂的可能，大坝运行期永久性防护措施仍需要进一步深入研究。