閑林水庫堆石壩趾板及面板混凝土防裂試驗研究

金 海，楊志祥，金建峰，徐 敏

(1.杭州市閑林水庫管理處，浙江 杭州 310007；2.中國水利水電第十二工程局有限公司，浙江 杭州 311600)

0 引 言

混凝土面板堆石壩的建設(shè)發(fā)源于美國,自19世紀(jì)末建成54 m高的Movena壩以來,經(jīng)過100余年的發(fā)展，目前技術(shù)已基本成熟.現(xiàn)代面板堆石壩絕大多數(shù)采用混凝土趾板、面板作為防滲結(jié)構(gòu)，因其具有造價低、工期短等優(yōu)點，得到了蓬勃的發(fā)展[1].

由于堆石體的沉降、混凝土收縮等原因，混凝土面板開裂很難避免，因而成為工程質(zhì)量控制的重點和難點問題.面板混凝土裂縫可分為結(jié)構(gòu)性裂縫和非結(jié)構(gòu)性裂縫.由于混凝土自身施工質(zhì)量和周邊環(huán)境因素使面板混凝土產(chǎn)生應(yīng)力而導(dǎo)致的裂縫為非結(jié)構(gòu)性裂縫；由于堆石體在自重和水壓力作用下產(chǎn)生不均勻沉降導(dǎo)致混凝土面板與墊層料或混凝土或混凝土擠壓邊墻脫空導(dǎo)致面板產(chǎn)生貫穿性的裂縫為結(jié)構(gòu)性裂縫[2].裂縫對大壩的危害是顯而易見的，它將降低混凝土面板的耐久性，進(jìn)而引發(fā)滲漏并危及大壩安全.美國的鹽泉面板壩和葡萄牙的伯勒代拉面板壩，均因面板嚴(yán)重斷裂和漏水而影響安全運行；中國溝后水庫大壩面板接縫止水的損壞，也是導(dǎo)致垮壩失事的原因之一[3].

杭州市閑林水庫大壩工程位于杭州市余杭區(qū)閑林鎮(zhèn)，工程任務(wù)以城市應(yīng)急備用、抗咸備用和抗咸供水為主，兼具防洪和改善水環(huán)境等功能.大壩工程包括面板堆石壩土建工程、泄洪兼導(dǎo)流洞土建工程、上壩道路土建工程、附屬金屬結(jié)構(gòu)、機(jī)電設(shè)備安裝工程、施工導(dǎo)流工程以及其他生產(chǎn)生活設(shè)施等.

為預(yù)防大壩面板非結(jié)構(gòu)性裂縫的產(chǎn)生，保證庫區(qū)安全，以及經(jīng)濟(jì)有效地解決趾板、面板混凝土的開裂問題，本文以VF防裂劑的摻量為變量對趾板、面板混凝土作了防裂試驗研究，為趾板、面板防裂混凝土的生產(chǎn)和施工提供依據(jù).

1 試驗方案

1.1 面板混凝土結(jié)構(gòu)概況

本工程混凝土面板堆石壩壩頂高程74 m，最低建基面高程34 m，最大壩高40 m，壩頂長度230 m，寬8 m，壩前坡比1∶1.4，壩后坡比為1∶1.6，面板混凝土厚度為400 mm，混凝土強(qiáng)度為C25、抗?jié)B等級W8、抗凍等級F100，混凝土級配為二級配，強(qiáng)度保證率≥95%，坍落度30～70 mm.混凝土工程量約為2萬m3，其中面板混凝土工程量為5 141m3，趾板混凝土工程量為854 m3.

1.2 補(bǔ)償收縮混凝土

混凝土澆筑后，膠凝材料在水化過程中散發(fā)大量的水化熱，由于混凝土的導(dǎo)熱性較差，在混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部聚集大量熱量而不能散發(fā).混凝土在降溫過程中，形成混凝土表里溫差，起因于表里溫差超過一定范圍，就有可能發(fā)生表面裂縫，進(jìn)而發(fā)展成貫穿性裂縫.另一種情況是混凝土構(gòu)件從最高的截面平均溫度逐漸降至環(huán)境大氣的平均溫度，降溫過程中起因于溫差的溫度應(yīng)變收到外部約束時所引發(fā)的裂縫是貫通性的[4].而補(bǔ)償收縮混凝土，能夠讓混凝土適度膨脹，受到外部、內(nèi)部約束后產(chǎn)生壓應(yīng)力抵消其有害的限制收縮拉應(yīng)力，從而達(dá)到避免或大大減輕混凝土開裂的目的，這就是補(bǔ)償收縮混凝土的防裂機(jī)理，也就是說，補(bǔ)償收縮混凝土防裂的原理就是利用限制膨脹來補(bǔ)償限制收縮[5].

在基準(zhǔn)混凝土配合比中摻入VF防裂劑，可以使混凝土產(chǎn)生微膨脹.膨脹變形在約束條件作用下使得混凝土內(nèi)部產(chǎn)生壓應(yīng)力從而對混凝土收縮變形產(chǎn)生的拉應(yīng)力進(jìn)行補(bǔ)償，拉應(yīng)力的峰值被均化并減小，最終達(dá)到防裂作用.VF防裂劑的摻量決定著混凝土的限制膨脹率的大小，而限制膨脹率是防裂混凝土設(shè)計中最為重要的參數(shù)，直接決定混凝土抗裂性能的優(yōu)劣.所以防裂混凝土試驗的核心內(nèi)容就是確定VF防裂劑的摻量.

1.3 試驗方案

根據(jù)廠家推薦摻量(膠凝材料用量的8%～12%)及以往多項同類工程的應(yīng)用經(jīng)驗，選擇10%、12%兩個摻量進(jìn)行試驗，另外制作不摻VF防裂劑(摻量為0)的試件作對比試驗.試驗項目主要有力學(xué)性能試驗(抗壓強(qiáng)度)、耐久性能(抗?jié)B、抗凍)、變形性能(極限拉伸值、限制膨脹率、干縮率).試拌方案及抗壓試驗結(jié)果(見表1).

表1 防裂混凝土抗壓試驗結(jié)果

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 防裂混凝土抗?jié)B試驗、抗凍試驗

根據(jù)《水工混凝土試驗規(guī)范》(SL 352-2006)，制作混凝土抗?jié)B試件，至設(shè)計齡期后進(jìn)行抗?jié)B試驗.采用逐級加壓法加壓至0.8 MPa，各組抗?jié)B試件均無滲水，試件的抗?jié)B等級均滿足W8要求.混凝土抗凍試驗按《水工混凝土試驗規(guī)范》快凍法進(jìn)行試驗.按試拌方案制備抗凍試件，至齡期后進(jìn)行抗凍試驗，各組混凝土均滿足設(shè)計F100抗凍要求.

2.2 防裂混凝土變形性能試驗

2.2.1 極限拉伸值試驗

混凝土極限拉伸試驗按《水工混凝土試驗規(guī)范》(4.5混凝土軸向拉伸試驗)進(jìn)行檢驗.按試拌方案制備軸向拉伸試件，至齡期后進(jìn)行混凝土軸向拉伸試驗，摻量0%、摻量10%、摻量12%三組試件的極限拉伸值分別為114×10-6、111×10-6、106×10-6，均符合設(shè)計要求.

2.2.2 防裂混凝土限制膨脹率及干縮試驗

為取得防裂混凝土限制膨脹率及干縮率兩個關(guān)鍵參數(shù)，試驗選取三種VF防裂劑摻量、兩種配筋率進(jìn)行混凝土變形試驗，試驗結(jié)果(見表2).

表2 防裂混凝土變形干縮試驗結(jié)果

2.3 防裂混凝土抗裂計算

2.3.1 極限拉伸值SK的確定

2.3.2 混凝土冷縮率ST值的確定

混凝土冷縮率取決于施工時段混凝土實際澆筑溫度，水化熱溫升和月平均最低溫度.計算公式ST=ΔT×α(ΔT為混凝土降溫過程的最大溫差，α為混凝土線膨脹系數(shù)，一般取α=1×10-5/℃)；混凝土溫差△T=混凝土內(nèi)部最高溫度TMAX-環(huán)境溫度.式中：TMAX-混凝土澆筑溫度+水化熱溫升；環(huán)境溫度-按最不利情況取施工期間工地月平均最低溫度.

閑林水庫大壩工程面板大約于2014年2月開始澆筑，根據(jù)當(dāng)?shù)貧庀蠼y(tǒng)計資料，該時段多年平均最低氣溫為0.9 ℃.考慮水泥水化熱，經(jīng)計算混凝土內(nèi)部最高溫度為27.8 ℃，則混凝土溫差：ΔT=27.8-0.9=26.9 ℃，混凝土線膨脹系數(shù)α=1×10-5/℃，則混凝土冷縮率為：ST=ΔT×α=26.9×1×10-5=2.69×10-4.

2.3.3 混凝土干縮率S2值的確定

混凝土干縮是由于混凝土中水分散失和環(huán)境濕度下降引起的，如能及時補(bǔ)充水份，或增加環(huán)境濕度，則干縮可逆特性可以發(fā)揮，使混凝土由收縮轉(zhuǎn)為微膨脹.本流域?qū)賮啛釒?，氣候溫暖，雨量充沛，多年平均降雨量? 448 mm，根據(jù)上述氣候條件，結(jié)合試驗實測的混凝土限制收縮的試驗成果及面板混凝土實際配筋率為0.40%，以60 d齡期配筋率為0.40%的試件的干縮值為基準(zhǔn)確定干縮應(yīng)變.摻量0%、摻量10%、摻量12%三組試件的干縮率分別為1.800×10-4、1.700×10-4、1.690×10-4.

2.3.4 限制膨脹率(e)的確定

通過補(bǔ)償收縮通式計算：|D|=|e-S2-ST|≤|SK|，得出摻量0%、摻量10%、摻量12%三組試件的e分別為≥2.780×10-4、≥2.700×10-4、≥2.790×10-4；摻量0%、摻量10%、摻量12%三組試件的e實測值分別為0.167×10-5、2.767×10-4、2.793×10-4.

從上述防裂計算結(jié)果可以看出，防裂劑摻量為10%和12%時，均可滿足防裂要求.從經(jīng)濟(jì)角度出發(fā)，選擇防裂劑摻量為10%.

3 施工建議

3.1 混凝土坍落度的控制

防裂混凝土，應(yīng)具有良好的工作性，既要滿足現(xiàn)場遠(yuǎn)距離運輸?shù)囊?，又要容易振搗密實，同時坍落度應(yīng)盡量小，以減小混凝土用水量達(dá)到降低混凝土干縮的目的.依據(jù)面板混凝土的施工工藝，混凝土入倉時坍落度宜控制在30～70 mm.因此坍落度損失直接影響混凝土的現(xiàn)場生產(chǎn)與施工的進(jìn)行.導(dǎo)致混凝土坍落度損失的原因很多，較為多見的有水泥的因素、施工及環(huán)境因素以及拌和方式等.現(xiàn)場拌合樓設(shè)置在壩下，混凝土從拌合樓到倉面的運輸時間大概5 min右，為此在室內(nèi)做了混凝土的坍落度損失試驗，以便確定出機(jī)口坍落度損失范圍.經(jīng)試驗，混凝土5 min坍落度損失27%，因此混凝土出機(jī)口坍落度應(yīng)控制在50～70 mm，才能滿足現(xiàn)場施工要求.

3.2 趾板、面板防裂混凝土施工配合比的確定

綜合混凝土各項試驗結(jié)果可以看出，編號為02的配合比施工和易性、力學(xué)性能、耐久性能、變形性能均能滿足防裂趾板、面板混凝土設(shè)計要求C25W8F100.因此，推薦編號為02的配合比為閑林水庫大壩面板工程趾板、面板混凝土施工配合比(見表3).

表3 趾板、面板防裂混凝土推薦施工配合比

3.3 混凝土的施工控制

(1)為了防止溫降過大，減少溫差，混凝土澆筑時間應(yīng)選環(huán)境溫度在5 ℃～20 ℃為宜.

(2)為提高混凝土的抗裂能力，混凝土拌和物應(yīng)具備粘聚性好，骨料不易分離、流動性好等特點，因此應(yīng)充分保證各種原材料的稱量準(zhǔn)確、拌和充分均勻.

(3)為了防止混凝土早期裂縫的出現(xiàn)，在混凝土初凝前應(yīng)采用二次壓面工藝.混凝土初凝后應(yīng)及時鋪蓋保溫材料并及時灑水養(yǎng)護(hù).

(4)認(rèn)真做好混凝土保溫保濕的養(yǎng)護(hù)工作以減少環(huán)境條件引起的干縮和冷縮.面板養(yǎng)護(hù)工作至少持續(xù)90 d，最好能養(yǎng)護(hù)到壩體蓄水.

(5)配合比中骨料均以飽和面干、標(biāo)準(zhǔn)粒徑為準(zhǔn)，現(xiàn)場混凝土澆筑時，應(yīng)根據(jù)骨料實際含水量和超遜徑情況進(jìn)行調(diào)整.

(6)嚴(yán)格控制機(jī)口坍落度.機(jī)口坍落度應(yīng)控制在50～70 mm.

(7)混凝土含氣量應(yīng)控制在4.5%～5.5%范圍內(nèi)，現(xiàn)場混凝土生產(chǎn)時應(yīng)根據(jù)混凝土的含氣量及時調(diào)整引氣劑的摻量，以保證現(xiàn)場混凝土含氣量達(dá)到控制要求.

4 結(jié) 語

試驗表明防裂劑摻量為10%最為合適，并據(jù)此確定防裂混凝土的施工配合比.混凝土的抗?jié)B、抗凍等各項指標(biāo)均滿足本工程面板混凝土的強(qiáng)度要求，為防裂混凝土的實施提供了理論依據(jù).同時，把握好從拌合、運輸、澆筑、養(yǎng)護(hù)的施工各個環(huán)節(jié)，嚴(yán)格控制好混凝土澆筑質(zhì)量，加入VF防裂劑能夠有效地減少面板非結(jié)構(gòu)性裂縫的發(fā)生，對于防止裂縫產(chǎn)生、保證工程質(zhì)量，具有重要作用.

參考文獻(xiàn)：

[1] 蔣國澄，徐澤平.國際混凝土面板堆石壩發(fā)展綜述——第一屆堆石壩國際研討會總報告[J].現(xiàn)代堆石壩技術(shù)進(jìn)展,2009(3):92-93.

[2] 趙樹冬.堆石壩面板混凝土裂縫修復(fù)技術(shù)研究[J].中國高新技術(shù)企業(yè),2010(1):150-151.

[3] 魏德榮，高偉中，秦一濤，等.混凝土面板裂縫的監(jiān)測[J].貴州水力發(fā)電,2004,18(4):39-41.

[4] 魯 電.堆石壩混凝土面板防裂機(jī)理研究[J].水利水電科技進(jìn)展,2001,21(4):48-49.

[5] 魯 電.補(bǔ)償收縮混凝土防裂機(jī)理研究[J].水利水電科技進(jìn)展,2003,23(4):8-17.