淺析降低高溫差地區(qū)混凝土溫度裂縫缺陷率

潘 智

(四川二灘國(guó)際工程咨詢有限責(zé)任公司，成都 610072)

1 工程說(shuō)明

1.1 工程概況

金沙水電站位于金沙江干流中游攀枝花河段上，壩址位于四川省攀枝花市，樞紐布置為：右岸布置導(dǎo)流明渠，縱向圍堰壩段以左布置3個(gè)孔口尺寸為14.5m×23m(寬×高，下同)的泄洪表孔，以右布置2個(gè)孔口尺寸為14.5m×23m的泄洪表孔，河床及左岸布置河床式電站廠房，電站總裝機(jī)容量為560MW(4×140MW)，施工導(dǎo)流采用三期導(dǎo)流方式。河床混凝土重力壩頂高程為1027m，最大壩高66m，壩軸線長(zhǎng)度384.90m，電站廠房型式為河床式(2#-7#壩段)，布置于河道偏左岸，安裝4臺(tái)單機(jī)容量為140MW的水輪發(fā)電機(jī)。電站混凝土總量為150.72萬(wàn)m3，高峰月澆筑強(qiáng)度7萬(wàn)m3/月。其中預(yù)冷混凝土高峰強(qiáng)度5.5萬(wàn)m3/月。

1.2 氣象

攀枝花多年平均氣溫20.9℃，歷年最高氣溫40.4℃，全年無(wú)冬，日照充足，太陽(yáng)輻射強(qiáng)，晝夜溫差大等氣候特征，屬于典型的高溫差地區(qū)。施工大體積混凝土因溫度差而產(chǎn)生的裂縫缺陷相對(duì)于其他地區(qū)發(fā)生頻率較高。

2 大體積混凝土裂縫調(diào)查

金沙水電站2018年已澆筑混凝土澆筑68萬(wàn)m3，主要為基礎(chǔ)約束區(qū)部位的大體積混凝土。對(duì)已完成的大體積混凝土各部位開(kāi)展裂縫質(zhì)量缺陷調(diào)查，并對(duì)混凝土轉(zhuǎn)序以來(lái)所發(fā)現(xiàn)的混凝土裂縫進(jìn)行了詳細(xì)統(tǒng)計(jì)分析，見(jiàn)表1。

表1 金沙水電站裂縫調(diào)查統(tǒng)計(jì)表

根據(jù)調(diào)查數(shù)據(jù)，將大體積混凝土溫度裂縫的缺陷率定義為每澆筑1萬(wàn)m3混凝土所發(fā)現(xiàn)溫度裂縫的條數(shù)，則計(jì)算現(xiàn)場(chǎng)溫度裂縫缺陷率為26÷15=1.73條/萬(wàn)m3。

參考其它地區(qū)的同類電站建設(shè)過(guò)程發(fā)現(xiàn)的溫度裂縫缺陷進(jìn)行調(diào)查統(tǒng)計(jì)，見(jiàn)表2。

根據(jù)數(shù)據(jù)中可以看出，已澆筑混凝土所發(fā)現(xiàn)的裂縫中，混凝土溫度裂縫累計(jì)頻率達(dá)到55.32%，計(jì)算溫度裂縫的缺陷率為 1.73，而其他地區(qū)同類工程溫度裂縫平均缺陷率為0.94。故高溫差地區(qū)混凝土裂縫缺陷的主要癥結(jié)為溫度裂縫缺陷率偏高。

表2 其它地區(qū)同類電站裂縫調(diào)查統(tǒng)計(jì)表

3 原因分析

通過(guò)對(duì)已澆筑完成的混凝土溫度裂縫成因分析，綜合起來(lái)主要有以下主要因素影響：

1、骨料溫度偏高。4月份攀枝花進(jìn)入高溫季節(jié)，且混凝土月澆筑強(qiáng)度提升，拌和樓預(yù)冷混凝土超出原設(shè)計(jì)5.5萬(wàn)m3的月澆筑強(qiáng)度。通過(guò)檢測(cè)，混凝土月澆筑強(qiáng)度超過(guò)5.5萬(wàn)m3時(shí)，預(yù)冷骨料在高溫時(shí)段終溫達(dá)到12-13℃，混凝土出機(jī)口溫度在14-16℃，溫度超標(biāo)。主要為骨料風(fēng)冷時(shí)間不足，導(dǎo)致出機(jī)口混凝土溫度超標(biāo)。

2、水泥用量大。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)抽檢，已澆筑的90d齡期混凝土普遍高強(qiáng)，根據(jù)統(tǒng)計(jì)C9015W6F50與C9020W8F100兩組配合比實(shí)際齡期強(qiáng)度平均值分別為31.1MPa和35.5Mpa，混凝土超強(qiáng)不利于水化熱的控制。90d齡期普遍高強(qiáng)兩到三個(gè)等級(jí)，水泥用量偏大，配合比存在優(yōu)化空間。

3、采用泵機(jī)入倉(cāng)?；炷潦┕ひ蛸Y源投入不足，塔機(jī)投入數(shù)量偏少，隨著施工部位的升高，致使垂直入倉(cāng)手段受限，塔機(jī)不能覆蓋的范圍采用混凝土天泵或臥泵澆筑高塌落度泵送混凝土，導(dǎo)致泵送料偏多。因泵送混凝土塌落度大，水化熱較高，雖采用了預(yù)冷混凝土控制入倉(cāng)溫度，泵送混凝土終凝后大量釋放水化熱，初期溫升較高，混凝土內(nèi)外溫差陡增，特別是晝夜高溫差地區(qū)，更易造成大體積混凝土溫度裂縫的形成。除此以外，局部還存在泵送料與常態(tài)料混用情況，因不同塌落度混凝土釋放水化熱及溫升不同，混凝土內(nèi)部形成溫度差，也易造成溫度裂縫的產(chǎn)生。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)溫檢查，泵送混凝土與常態(tài)混凝土終凝后的初期溫升約3d達(dá)到峰值，最大溫差達(dá)到7.9℃，不同入倉(cāng)手段導(dǎo)致混凝土初期溫升差值大。

4、混凝土運(yùn)輸遮陽(yáng)措施薄弱。經(jīng)檢查，混凝土運(yùn)輸過(guò)程陽(yáng)光輻射大，環(huán)境溫度高，運(yùn)輸車遮陽(yáng)措施不完善，如平板車遮陽(yáng)蓬覆蓋不全，混凝土運(yùn)輸罐車未對(duì)罐體保溫覆蓋，混凝土車排隊(duì)打料時(shí)無(wú)遮陽(yáng)措施等，大大增加了混凝土與外界環(huán)境的接觸面，導(dǎo)致環(huán)境溫度較高時(shí)混凝土溫升很快。經(jīng)測(cè)量，在夏季高溫時(shí)段，環(huán)境溫度超過(guò)30℃時(shí)，運(yùn)輸過(guò)程從出機(jī)口到倉(cāng)面平均溫升達(dá)到4-5℃。

5、冷卻水管布置不合理。大體積混凝土澆筑完成后，按設(shè)計(jì)技術(shù)要求進(jìn)行了初期通水，原設(shè)計(jì)根據(jù)施工部位不同初設(shè)定的初期通水目標(biāo)平均最高溫度在36℃范圍內(nèi)。通過(guò)混凝土初期通水檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，混凝土澆筑完成后12h內(nèi)按設(shè)計(jì)技術(shù)要求啟動(dòng)初期冷卻通水，發(fā)現(xiàn)混凝土(常態(tài))內(nèi)部溫度升溫較快，在第4d混凝土內(nèi)部溫度達(dá)到峰值，見(jiàn)表3，之后混凝土內(nèi)部溫度開(kāi)始緩慢降溫，通過(guò)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，混凝土內(nèi)部最高平均溫度已超出設(shè)計(jì)允許范圍。

表3 混凝土通水冷卻檢測(cè)記錄表

4 制定對(duì)策

針對(duì)五個(gè)主要因素，認(rèn)真分析了問(wèn)題的根源，充分的討論和調(diào)研，制定了相應(yīng)的對(duì)策措施如下：

1)增加骨料預(yù)冷措施，降低骨料溫度，以降低出機(jī)口溫度。開(kāi)倉(cāng)前拌和樓提前足夠時(shí)間進(jìn)行骨料預(yù)冷，保證預(yù)冷時(shí)間；保持穩(wěn)定適量均衡生產(chǎn)，避免骨料預(yù)冷時(shí)間不足；增設(shè)骨料遮陽(yáng)雨棚，避免太陽(yáng)直射。

2)優(yōu)化配合比設(shè)計(jì)。減小90d齡期水泥用量；設(shè)計(jì)優(yōu)化限制水膠比；提高粉煤灰摻量。

3)改進(jìn)入倉(cāng)方式。嚴(yán)格限制泵送混凝土澆筑大體積倉(cāng)號(hào)，主要手段改為塔機(jī)澆筑5-7cm塌落度的常態(tài)混凝土或布料機(jī)澆筑9-11cm塌落度混凝土；禁止不同塌落度的混凝土同時(shí)入倉(cāng)。

4)減小混凝土運(yùn)輸過(guò)程溫升。在運(yùn)距確定的情況下，按照澆筑強(qiáng)度合理配置混凝土運(yùn)輸汽車數(shù)量，減少運(yùn)輸車輛排隊(duì)等料時(shí)間及在入倉(cāng)口等待入倉(cāng)；避免車輛暴曬，在拌和樓等料處和自卸車料斗上增加遮陽(yáng)棚；混凝土罐車覆蓋遮陽(yáng)被；同時(shí)盡量避開(kāi)高溫時(shí)段開(kāi)倉(cāng)。

5) 優(yōu)化設(shè)計(jì)布置。根據(jù)溫控?cái)?shù)據(jù)成果分析，及時(shí)討論優(yōu)化冷卻水管布置方案及冷卻水的水溫控制。

5 對(duì)策實(shí)施及取得的效果

1)增加骨料預(yù)冷措施降低出機(jī)口混凝土溫度。在預(yù)冷混凝土拌制前，檢查骨料預(yù)冷情況，包括檢測(cè)骨料溫度、骨料含水、風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀況、風(fēng)壓、冷風(fēng)溫度等與骨料預(yù)冷有關(guān)的指標(biāo)，保證在混凝土拌和之前將骨料的溫度降低到6℃以下，拌和生產(chǎn)過(guò)程中不能超過(guò)8℃。

效果：通過(guò)對(duì)拌和骨料采取一系列降低溫度的措施后，骨料預(yù)冷溫度達(dá)到控制目標(biāo)，高溫時(shí)段下骨料的終溫在8-10℃。經(jīng)為期7d檢測(cè)統(tǒng)計(jì)，共抽檢出機(jī)口溫度16組，僅有1組超標(biāo)，平均溫度在11.7℃左右，抽檢合格率達(dá)到93.8%，滿足出機(jī)口溫度10-12℃的生產(chǎn)控制。

2)優(yōu)化配合比設(shè)計(jì)。從生產(chǎn)實(shí)際情況出發(fā)，通過(guò)開(kāi)展配合比試驗(yàn)優(yōu)化與成果數(shù)據(jù)分析將原設(shè)計(jì)指標(biāo)限制水膠比進(jìn)行適當(dāng)放大，每方混凝土較少水泥用量8-17kg。

效果：配合比優(yōu)化后，通過(guò)對(duì)優(yōu)化前后混凝土強(qiáng)度數(shù)據(jù)對(duì)比，優(yōu)化后的配合比相對(duì)于優(yōu)化前90d齡期平均抗壓強(qiáng)度降低約10Mpa，抗?jié)B、極限拉伸等全性能滿足設(shè)計(jì)要求；同時(shí)試驗(yàn)中心(第三方)對(duì)優(yōu)化前后作的混凝土內(nèi)部絕熱溫升數(shù)據(jù)對(duì)比，優(yōu)化后的配合比相對(duì)于優(yōu)化前混凝土內(nèi)部絕熱溫升降低13.6%。

3)改進(jìn)入倉(cāng)方式，降低混凝土初期溫升。通過(guò)分析出問(wèn)題的所在后，嚴(yán)格限制混凝土入倉(cāng)手段。增加塔機(jī)入倉(cāng)，隨著大體積混凝土的升高，增加布料機(jī)入倉(cāng)等。嚴(yán)格倉(cāng)面設(shè)計(jì)，對(duì)不同塌落度的入倉(cāng)手段禁止開(kāi)倉(cāng)。

效果：入倉(cāng)手段改進(jìn)后，對(duì)所澆筑的混凝土進(jìn)行了初期溫升檢測(cè)，在正常通冷卻水的情況下，混凝土初期內(nèi)部溫升得到控制，低塌落度混凝土相對(duì)于之前的泵送混凝土初期平均溫升下降約6℃。

4)減小混凝土運(yùn)輸過(guò)程溫升，降低混凝土入倉(cāng)溫度。在拌和樓側(cè)搭建了汽車等候棚，防止陽(yáng)光直射使車廂溫度過(guò)高；混凝土運(yùn)輸罐車必須加裝遮陽(yáng)被；根據(jù)澆筑強(qiáng)度配置運(yùn)輸車輛，避免出現(xiàn)運(yùn)輸強(qiáng)度高于入倉(cāng)強(qiáng)度而使運(yùn)輸汽車在倉(cāng)外排隊(duì)等候，避免不必要的停歇引起混凝土溫升。運(yùn)輸途中，要求司機(jī)必須蓋好遮陽(yáng)棚布；隨時(shí)檢查道路通暢情況，保證混凝土快速運(yùn)到倉(cāng)面。

效果：通過(guò)運(yùn)輸保溫措施的落實(shí)，經(jīng)檢測(cè)環(huán)境溫度為34℃時(shí)，從機(jī)口至入倉(cāng)回升溫度為2-3℃，混凝土入倉(cāng)溫度基本控制在15℃以內(nèi)，保證了混凝土的入倉(cāng)溫度滿足設(shè)計(jì)要求。

5)優(yōu)化冷卻水管布置，提高冷卻通水效率。根據(jù)施工條件變化對(duì)冷卻水管布置進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整：澆筑層厚<1.5m的倉(cāng)位，冷卻水管水平間距為2.0m，澆筑層厚>1.5m、<2.0m的倉(cāng)位，冷卻水管水平間距為1.5m。澆筑層厚>2.0m的倉(cāng)位，在澆筑層中間增設(shè)一層水平間距為2m的冷卻水管。

效果：對(duì)冷卻水管布設(shè)間排距調(diào)整后，進(jìn)行初期冷卻通水，經(jīng)檢測(cè)，內(nèi)部溫度升溫趨于合理，普遍在6-7d混凝土內(nèi)部溫度達(dá)到峰值，未出現(xiàn)超出設(shè)計(jì)技術(shù)要求的36℃，初期通水過(guò)程中混凝土內(nèi)部溫度降溫滿足設(shè)計(jì)優(yōu)化后的降溫速度，見(jiàn)表4，平均降溫在0.4℃/d。

表4 混凝土通水冷卻檢測(cè)記錄表

6 結(jié)束語(yǔ)

大體積混凝土在現(xiàn)代工程建設(shè)中占有重要地位，對(duì)高溫差地區(qū)大體積混凝土施工階段的溫度裂縫控制進(jìn)行研究，具有重大意義，工程實(shí)踐證明，通過(guò)采用多種溫控措施，并進(jìn)行綜合運(yùn)用，可有效減少高溫差地區(qū)大體積混凝土溫度裂縫的發(fā)生數(shù)量、頻率，并能有效防止產(chǎn)生危害結(jié)構(gòu)安全的嚴(yán)重裂縫。