基于溫控防裂的西藏高寒地區(qū)摻石灰石粉混凝土應(yīng)用研究

劉 俊，李紅葉，黃 瑋，陳 強

(1.中國電建集團(tuán)成都勘測設(shè)計研究院有限公司, 四川 成都 610072; 2.成都市水務(wù)局, 四川 成都 610042)

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基于溫控防裂的西藏高寒地區(qū)摻石灰石粉混凝土應(yīng)用研究

劉 俊1，李紅葉2，黃 瑋1，陳 強1

(1.中國電建集團(tuán)成都勘測設(shè)計研究院有限公司, 四川 成都 610072; 2.成都市水務(wù)局, 四川 成都 610042)

基于客觀條件等因素,西藏高寒地區(qū)大壩混凝土的摻和料粉煤灰需從內(nèi)地長距離運輸獲得,這樣既增加了工程造價,同時也加大了對工程進(jìn)度的制約。結(jié)合藏木水電站工程實際, 采用三維動態(tài)仿真對比分析摻石灰石粉混凝土和摻粉煤灰混凝土的溫度場與徐變應(yīng)力場，研究證明西藏高寒地區(qū)摻石灰石粉混凝土應(yīng)用的可行性。

摻和料；石灰石粉；溫控防裂

0 引 言

粉煤灰用作混凝土摻和料，因其在降低混凝土內(nèi)部水化熱、減少混凝土溫差裂縫、改善混凝土的耐久性等方面的積極作用，被廣泛運用于混凝土工程。近年來，高摻粉煤灰(碾壓混凝土粉煤灰摻料達(dá)50%～60%)作為一種發(fā)展趨勢逐漸為工程界所接受[1]。但隨著我國工程建設(shè)規(guī)模不斷擴大，粉煤灰供應(yīng)市場日趨緊張，供應(yīng)保證率也在逐漸降低，供應(yīng)價格也逐漸提高。探索可替代粉煤灰的材料，在規(guī)避粉煤灰供應(yīng)緊張及保證率低的情況、確保工程建設(shè)順利進(jìn)行、降低工程費用等方面，均具有十分積極的意義。

藏木水電站混凝土總量約為300萬m3，需要摻合料約20萬t。而工程所處地區(qū)無火電廠，沒有粉煤灰供應(yīng)，需借助青藏鐵路從甘肅長距離運輸、轉(zhuǎn)運，成本較高，且受地域、氣候及運輸條件限制而在混凝土澆筑高峰期得不到保障，進(jìn)而影響工程工期。為此，摻合料供應(yīng)、運輸將成為制約藏木水電站建設(shè)的一個重要環(huán)節(jié)。

西藏地區(qū)石灰石資源豐富，易于加工，且加工、運輸成本相對較低，也能保障工程建設(shè)需要。但關(guān)于摻石灰石粉混凝土的溫控防裂技術(shù)卻并沒有太多的類似工程經(jīng)驗和成熟規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，且雅魯藏布江流域的廣大中上游地區(qū)屬高原溫帶或寒溫帶氣候, 氣候特征是冬寒夏涼, 年溫差小而日溫差大, 日照豐富而多大風(fēng)[2]。 諸多因素使得摻石灰石粉混凝土結(jié)構(gòu)工程的溫控防裂研究顯得尤為重要。

結(jié)合藏木水電站工程實際, 采用混凝土溫度場和徐變應(yīng)力場線彈性有限單元法的數(shù)值仿真計算方法[3], 實時動態(tài)仿真對比分析研究摻石粉混凝土和摻粉煤灰混凝土的溫度場與徐變應(yīng)力場，研究摻石灰石粉混凝土施工期的溫控防裂措施及應(yīng)用方案。

1 工程資料

藏木水電站大壩為混凝土重力壩,整個壩體分為19個壩段，壩體在澆筑期間設(shè)1條縱縫，最大壩高116 m，最大底寬95.1 m，大壩混凝土以常態(tài)混凝土為主。工程所在地區(qū)屬高原溫帶、寒溫帶氣候，壩區(qū)多年平均氣溫9.2℃，地基表面溫度為9.2℃，極端最高、最低氣溫分別為32.0℃、-16.6℃，最高氣溫多發(fā)生在6、7月，具有氣候寒冷、氣溫年變幅、日變幅均較大、氣候干燥、太陽輻射熱強、冬季施工期長等特點。工程所在區(qū)分月多年平均水溫、氣溫及日較差統(tǒng)計見表1;混凝土的熱學(xué)參數(shù)見表2；混凝土的力學(xué)參數(shù)見表3。

表1 各月多年平均水溫、氣溫及日較差統(tǒng)計 (℃)

表2 混凝土熱學(xué)參數(shù)

表3 混凝土力學(xué)參數(shù)

注：允許水平拉應(yīng)力按照極限拉伸×彈模/1.65比較后取小值控制；180d相應(yīng)值采用復(fù)合指數(shù)公式擬合。

混凝土徐變度計算公式采用指數(shù)函數(shù)式。根據(jù)資料，擬合混凝土徐變公式：

C(t,τ)=(0.066 1+45.082 7τ-0.259 3)

[1-e-0.993 3(t-τ)]+(0.014 8+91.54τ-0.394 7)

×[1-e-0.687 7(t-τ)]

(9)

不同摻合料混凝土干縮變形見表4。180d齡期時摻30%石粉混凝土比摻30%粉煤灰混凝土干縮率大12%，不利于減少大壩混凝土收縮裂縫。

不同摻合料混凝土自生體積變形試驗成果見表

表4 混凝土干縮變形

5。摻石灰石粉混凝土收縮變形值大于摻粉煤灰混凝土，在大壩混凝土中摻石粉對降低混凝土收縮裂縫較為不利。

表5 混凝土自生體積變形值 ×10-6

2 計算原理

2.1 溫度場計算原理

根據(jù)熱量平衡原理，可導(dǎo)出固體熱傳導(dǎo)基本方程[3]：

(1)

式中 ax、ay、az——導(dǎo)溫系數(shù);

λx、λy、λz——導(dǎo)熱系數(shù);

c——材料比熱;

ρ——材料容重;

τ——時間;

T——溫度。

根據(jù)變分原理,可導(dǎo)出滿足熱傳導(dǎo)基本方程和邊界條件的有限元支配方程[3]

[H]{T}+{F}=0

(2)

2.2 溫度應(yīng)力計算基本原理

混凝土的應(yīng)變由5部分組成，即：單元應(yīng)變、徐變應(yīng)變、變溫應(yīng)變、自生體積應(yīng)變和干縮應(yīng)變。其計算式為：

ε(t)=εe(t)+εC(t)+εT(t)+ε0(t)+εS(t)

(3)

在Δτ內(nèi)應(yīng)變增量：

(4)

整理后得一個計算時段Δτ內(nèi)應(yīng)力增量為：

(5)

各時段應(yīng)力計算平衡方程為：

[K]{Δδ}={ΔPn}L+{ΔPn}C+

{ΔPn}T+{ΔPn}0+{ΔPn}S

(6)

式中 [K]——剛度矩陣；

{ΔPn}L——外荷載引起的節(jié)點荷載增量；

{ΔPn}C——徐變引起的節(jié)點荷載增量；

{ΔPn}T——變溫引起的節(jié)點荷載增量；

{ΔPn}0——混凝土自生體積變形引起的節(jié)點荷載增量；

{ΔPn}S——混凝土干縮引起的節(jié)點荷載增量。

單元應(yīng)力等于各時段應(yīng)力增量之和，即：

{σn}={Δσ1}+{Δσ2}+{Δσ3}+

…+{Δσn}=∑{Δσn}

(7)

各時段的應(yīng)力增量為：

(8)

3 數(shù)值仿真分析

結(jié)合藏木水電站工程特點實際和其他相關(guān)工程經(jīng)驗[4-5]，選取溢流8號壩段作為計算模型，并擬定相應(yīng)計算工況。

2012年1月1日開始大壩澆筑，強基礎(chǔ)約束區(qū)按實際澆筑層厚設(shè)置1.5m一個澆筑層，共6個澆筑層，層間間歇期10d；其它區(qū)域按照3m一層澆筑模擬，層間間歇期15d。

5～9月強基礎(chǔ)約束區(qū)澆筑溫度為14℃、弱基礎(chǔ)約束區(qū)為16℃、自由區(qū)為16℃，11～3月上旬為6℃，3月中下旬、4、10月份按比氣溫高2℃澆筑；初期通水：5～9月通12℃的冷卻水，3月中下旬、4、10月份通天然河水，流量均為1.5m3/h，通水28d；其他月份不進(jìn)行初期冷卻；二期冷卻按照接縫灌漿要求提前40～60d進(jìn)行通水冷卻，通水流量為1.0m3/h，通水溫度為6℃；約束區(qū)水管布置為1.5m×1.5m(水平×豎直)方式，自由區(qū)水管布置為1.5m×3.0m(水平×豎直)方式；上下游表面全年保溫。

溢流8號壩段建基面高程為3 210m，寬19.5m，順河向長度86m；溢流面堰頂高程為3 291m。離散中混凝土與基巖采用空間8節(jié)點等參實體單元，整個計算域共離散為5 866個節(jié)點、4 318個單元，其中回填混凝土5 458個節(jié)點、4 024個單元。其溫度場及應(yīng)力場三維計算網(wǎng)格立體圖如圖1所示。

根據(jù)大壩溫度和應(yīng)力包絡(luò)圖，結(jié)合澆筑時間和澆筑高程，在壩體內(nèi)部選取以下特征點，各特征點具體位置見圖2，摻粉煤灰和摻石灰石粉最大溫度包絡(luò)圖見圖3、4，最大應(yīng)力包絡(luò)圖見圖5、6，摻粉煤灰混凝土內(nèi)部特征點溫度、摻石灰石粉混凝土內(nèi)部特征點溫度分別見圖7、8，應(yīng)力歷程曲線分別見圖9、10。

圖1 溢流壩段整體有限元網(wǎng)格 圖2 溢流壩段壩體縱剖面特征點布置示意

圖3 摻粉煤灰混凝土最高溫度包絡(luò)圖(℃) 圖4 摻石粉混凝土最高溫度包絡(luò)圖(℃)

圖5 摻粉煤灰混凝土順河向應(yīng)力包絡(luò)圖(MPa) 圖6 摻石粉混凝土順河向應(yīng)力包絡(luò)圖(MPa)

圖7 摻粉煤灰混凝土內(nèi)部特征點溫度歷程曲線 圖8 摻石粉混凝土內(nèi)部特征點溫度歷程曲線

圖9 摻粉煤灰混凝土內(nèi)部特征點順河向應(yīng)力歷程曲線 圖10 摻石粉混凝土內(nèi)部特征點順河向應(yīng)力歷程曲線

(1)由圖3、4可以看出，最高溫度區(qū)域主要出現(xiàn)在夏季澆筑的混凝土部分，摻粉煤灰混凝土和摻石灰石粉混凝土內(nèi)部最高溫度分別為30.99 ℃、27.06 ℃；由圖5、6可以看出，最大順河向水平拉應(yīng)力發(fā)生在底孔孔口附近和強約束區(qū)部位，摻粉煤灰混凝土和摻石灰石粉混凝土內(nèi)部順河向最大拉應(yīng)力分別為1.38MPa、1.41MPa。

(2)由圖7、8可以看出：在初期通水30d結(jié)束后，摻粉煤灰混凝土內(nèi)部溫度基本穩(wěn)定在18～20 ℃，摻石灰石粉混凝土的基本穩(wěn)定在17～19 ℃；其中特征點2處于強基礎(chǔ)約束區(qū)位置，水管布置為1.5m×1.5m(水平×豎直),降溫效果較好，初期冷卻結(jié)束后，摻粉煤灰混凝土和摻石灰石粉混凝土的內(nèi)部溫度最低分別達(dá)到14.5 ℃、13 ℃；二期通水通過40～50d的通水結(jié)束后均降到8～9 ℃，基本能夠滿足灌漿溫度要求。

由此可見，在溫度場方面摻石灰石粉混凝土與摻粉煤灰混凝土差別不大，由于石灰石粉屬于惰性材料，不參與水化反應(yīng)，摻石灰石粉混凝土的水化熱比摻粉煤灰的略小，故溫度峰值比摻粉煤灰的低，初期穩(wěn)定溫度也略低于摻粉煤灰的穩(wěn)定溫度。

(3)由圖9、10可以看出：初期通水冷卻結(jié)束后，混凝土拉應(yīng)力達(dá)到第一次峰值，其中內(nèi)部特征點2拉應(yīng)力最大，摻粉煤灰混凝土和摻石灰石粉混凝土的分別約為0.35MPa、0.52MPa，均小于相應(yīng)28d齡期允許值；二期通水冷卻時由于此時混凝土彈模較大，因此混凝土的拉應(yīng)力上升較快，二期通水結(jié)束時拉應(yīng)力達(dá)到第二次峰值，摻粉煤灰混凝土內(nèi)部特征點2拉應(yīng)力最大應(yīng)力達(dá)到0.62 MPa，小于相應(yīng)180 d齡期允許值，摻石灰石粉混凝土特征點3最大應(yīng)力達(dá)到1.6 MPa，大于相應(yīng)180 d齡期允許值，特征點1最大應(yīng)力達(dá)到1.2 MPa，略小于相應(yīng)180 d齡期允許值；究其原因，主要是因為特征點1處于基礎(chǔ)強約束區(qū)、特征點3處于孔口附近，約束較強，因此強基礎(chǔ)約束區(qū)和孔口約束區(qū)建議采用摻粉煤灰混凝土。

由此可見，在溫度應(yīng)力場方面摻石灰石粉混凝土與摻粉煤灰混凝土差別較大，石灰石粉屬干縮性較強的材料，自生體積收縮變形較大，且早期強度雖然略高于摻粉煤灰混凝土的強度，但其強度隨時間的增幅較小，后期強度略低于摻粉煤灰混凝土。但在基礎(chǔ)弱約束區(qū)和自由區(qū)內(nèi)，摻石灰石粉混凝土基本上能夠滿足大壩的強度要求，在溫控防裂設(shè)計中可以作為混凝土摻合料替代粉煤灰。

綜上所述，結(jié)合其他專業(yè)分析計算，最后可確定摻石灰石粉混凝土范圍，詳見圖11。在此范圍下，擬定計算工況中的溫控措施能夠取得較好的溫控防裂效果，提高大壩質(zhì)量安全保證。

4 結(jié) 論

(1)通過對摻石灰石粉和摻粉煤灰的混凝土溫控仿真計算分析可知，相同溫控措施情況下，摻石灰石粉混凝土的內(nèi)部拉應(yīng)力增大，允許拉應(yīng)力略小，安全系數(shù)相對降低。究其原因，主要是因為摻石灰石粉后的混凝土力學(xué)性能降低，抗拉強度減小，且石灰石粉混凝土的干縮和自生體積收縮變形較粉煤灰混凝土略有增大，故內(nèi)部拉應(yīng)力增加。

(2)從溫控防裂設(shè)計的角度，摻石灰石粉混凝土用于藏木水電站混凝土在技術(shù)上是基本可行的，但應(yīng)根據(jù)混凝土的使用范圍、分區(qū)指標(biāo)要求等，合理確定運用范圍。對耐久性和長效性要求較高的大壩部位，不推薦采用摻石灰石粉混凝土；對壩體內(nèi)部等部位推薦采用摻石灰石粉混凝土。

圖11 摻石灰石粉大壩混凝土區(qū)域范圍

(3)采用石灰石粉替代粉煤灰，在藏木水電站大壩中可替代的混凝土工程量約為68萬m3，節(jié)約投資763萬元，可實現(xiàn)規(guī)避粉煤灰供應(yīng)緊張、降低工程費用的目的，為工程建設(shè)順利進(jìn)行加強保障。

(4)雅魯藏布江流域后續(xù)水電工程以及國內(nèi)其他大型水電工程多在高山峽谷地區(qū)，運輸條件較差，摻石灰石粉替代粉煤灰的相關(guān)研究工作為后續(xù)水電工程打開了工作思路，市場運用前景廣闊。本工程對摻石粉混凝土用于大壩混凝土的研究應(yīng)用具有首創(chuàng)意義，其研究成果能夠為雅魯藏布江后續(xù)水電站建設(shè)提供了一定的借鑒。

[1] 陳改新，姜榮梅. 大摻量粉煤灰碾壓混凝土漿體體系的優(yōu)化研究 [J]. 水力發(fā)電，2007,33(4):65-68.

[2] 任美鍔.中國自然地理綱要3版[M].北京:商務(wù)印書館,2004.

[3] 朱伯芳.大體積混凝土溫度應(yīng)力與溫度控制[M].北京：中國電力出版社，1999.

[4] 侍克斌,等.高碾壓混凝土壩在嚴(yán)寒干旱地區(qū)的溫控探討[J].水力發(fā)電,2007(1).

[5] 胡平等.拉西瓦水電站混凝土雙曲拱壩溫控防裂研究[J].水力發(fā)電,2007(11).

2015-11-30

劉俊(1986-)，男，湖北麻城人，碩士研究生，從事施工組織設(shè)計工作。

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