施工期補償收縮混凝土防滲面板抗裂性能分析

郭進軍 張世偉 夏炎 王珊珊

摘?要：河南省某混凝土壩防滲面板加固工程施工期拆模后出現多條溫度裂縫，影響整體工程質量。為研究防滲面板施工期開裂原因，選取試驗數據建立計算模型，對補償收縮混凝土防滲面板施工期溫度場及應力場進行實時數值分析，得出不同保溫措施條件下防滲面板的應力分布情況，分析了裂縫出現的原因。結果表明：無保溫措施情況下，施工期面板混凝土內外溫差較大，4 d時面板邊緣區(qū)域溫度應力達到峰值，高于相應齡期混凝土抗拉強度，易產生裂縫。采用保溫措施時，能極大降低由內外溫差產生的溫度梯度，10 mm的聚苯乙烯泡沫保溫塑料板可使4 d齡期的混凝土溫度應力下降29%，能有效地提高防滲面板的抗裂性能。

關鍵詞：補償收縮混凝土;施工期;溫度場;溫度應力;抗裂性能

中圖分類號：TV544?文獻標志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2020.02.025

Abstract：A number of temperature cracks appeared after demolishing a concrete dam reinforcement project of a concrete dam in Henan Province during construction， affecting the overall project quality. In order to study the cause of cracking of the anti-seepage panel during construction， the test data was selected to establish a calculation model， and the temperature field and stress field of the shrinkage-compensating concrete anti-seepage panel during construction were analyzed in real time to obtain the stress distribution of the anti-seepage panel under different thermal insulation measures. The results show that in the absence of insulation measures， the temperature difference between the inner and outer panels of the concrete during construction is larger. At the 4th day， the temperature stress in the edge region of the panel reaches to the peak value， which is higher than that of the tensile strength of the concrete and is prone to cracks. When using insulation measures， the temperature gradient caused by the temperature difference between inside and outside can be greatly reduced.10 mm polystyrene foam insulation plastic sheet can reduce the temperature stress of the 4th day by 29%， effectively improving the crack resistance of the anti-seepage panel.

Key words： shrinkage-compensating concrete; construction period; temperature field; temperature stress; crack resistance

防滲面板作為壩體的防滲主體結構，其安全性與可靠性關乎大壩能否正常運行。然而由于面板自身的結構特征及內部混凝土水化放熱作用，易導致混凝土內外溫差較大出現裂縫[1-2]。為預防混凝土面板開裂，工程中往往向混凝土中摻入一定量的膨脹劑制備補償收縮混凝土以抵消或部分抵消混凝土溫差產生的拉應力[3]，但實際效果并不理想，開裂現象時有發(fā)生。由于現階段針對薄壁補償收縮混凝土研究較少，混凝土溫度應力分析多集中在普通大體積混凝土，如李潘武等研究了澆筑溫度對大體積混凝土溫度應力的影響[4]，李凌旭等研究了跳倉澆筑施工方式對混凝土溫度應力的影響等[5]，因此開展施工期補償收縮混凝土防滲面板抗裂性能研究十分必要。

為真實反映補償收縮混凝土防滲面板施工期間的抗裂性能，本文以河南省某碾壓混凝土壩加固工程為背景，在進行補償收縮混凝土限制膨脹率、彈性模量以及劈拉強度試驗研究基礎上，采用三維非穩(wěn)定溫度場和溫度應力場的有限元計算方法，對補償收縮混凝土防滲面板結構在施工期的溫度場和應力場進行了實時數值模擬，分析補償收縮混凝土在施工期開裂原因，為今后實際工程施工提供參考。

1?工程與試驗概況

河南省某碾壓混凝土壩體防滲加固工程中，采用壩前設置C25補償收縮混凝土面板實現防滲功能，面板設計為0.5～1.0 m厚，高40.5 m，面板內、外層配置直徑為16 mm的鋼筋網。補償收縮混凝土防滲面板與原壩體采用植筋和鑿毛的結合方式，施工采用跳倉與平倉結合的澆筑方式，每倉長度為10 m，高度為6 m。

結合實際工程，采用42.5級普通硅酸鹽水泥;二級配碎石，5～20 mm粒徑摻量為40%，20～40 mm粒徑摻量為60%;普通河砂，細度模數2.80，表觀密度2 640 kg/m3;普通自來水;膨脹劑采用SP-GⅠ型膨脹劑，摻量為10%;粉煤灰采用F類Ⅰ級，摻量為20%;SN-2高效減水劑，摻量2.2%;實際工程配合比見表1。

為獲取數值計算過程中材料的真實力學和變形參數，進行了補償收縮混凝土彈性模量、抗拉強度和限制膨脹率隨混凝土齡期變化的試驗。

2?計算參數及模型

2.1?計算參數

（1）混凝土水化熱?；炷了鸁岷瘮禐閇6]

式中：Q（t）為混凝土t時刻累計水化熱，kJ/kg;Q0為t→∞時的最終水化熱，取330 kJ/kg;t為時間，d;m為水化常數，隨水泥品種、比表面積及澆筑溫度不同而不同，取0.318/d。

（2）混凝土彈性模量?；炷翉椥阅Ａ扛鶕端せ炷猎囼炓?guī)程》[7]，由混凝土靜力抗壓彈性模量試驗確定，試驗采用150 mm×150 mm×300 mm的棱柱體試模澆筑，抗壓彈性模量測定試件每組6個，共3個齡期18個試件，其中軸心抗壓強度3個。

補償收縮混凝土不同齡期彈性模量試驗結果見表2。

采用復合指數公式對混凝土的全齡期彈性模量進行擬合拓展，根據試驗結果，求得擬合公式如下：

（3）混凝土抗拉強度。根據混凝土劈裂抗拉強度試驗確定混凝土各齡期抗拉強度，試驗采用150 mm×150 mm×150 mm標準立方體，每組3個試件，共3個齡期9個試件。補償收縮混凝土不同齡期劈裂抗拉強度見表3。

根據《大體積混凝土施工標準》[8]，混凝土早期抗拉強度計算公式為

式中：ftk（t）為混凝土齡期為t時的抗拉強度標準值，MPa;ftk為混凝土抗拉強度標準值，MPa;γ為系數。

可采用式（3）對補償收縮混凝土早期劈裂抗拉強度進行全齡期擬合。由于劈拉強度的斷面是可控的，軸向拉伸的斷面較為隨機，主要在試件的薄弱位置破壞，因此實測的劈裂抗拉強度要大于軸向抗拉強度，兩者之間的關系見式（4）[6]（考慮最不利條件，系數取為0.81）。

式中：fs為補償收縮混凝土劈裂抗拉強度，MPa;ft為補償收縮混凝土軸向抗拉強度，MPa。

（4）混凝土預壓應力。面板混凝土預壓應力根據補償收縮混凝土限制膨脹率計算而得，限制膨脹率試件采用帶限位器的混凝土澆筑而成，試件尺寸為300 mm×100 mm×100 mm，取3個試件的平均值。補償收縮混凝土不同齡期限制膨脹率見表4。

水養(yǎng)條件下補償收縮混凝土早期的膨脹率增長較快，14 d齡期限制膨脹率可達到0.026%，水養(yǎng)14 d轉空氣養(yǎng)護至28 d齡期時，限制膨脹率為0.016%，滿足規(guī)范《混凝土膨脹劑》[9]對補償收縮混凝土限制膨脹率的要求。

補償收縮混凝土的膨脹應力按式（5）計算[10]：

式中：σ為膨脹或收縮應力，MPa;μ為配筋率，%;E為限制鋼筋的彈性模量，取2.0×105 MPa;ε為限制膨脹率，%。

補償收縮混凝土各齡期預壓應力見表5。

2.2?邊界條件

溫度場和應力場計算中，依據工程施工工藝，混凝土面板背面與原壩體按照完全固結處理，對其三向位移進行約束。面板施工時采用跳倉與平倉結合的澆筑方式，左右兩側結合面的約束形式分為兩種：工況1，先澆倉位，邊界無約束，按照自由面處理;工況2，后澆倉位，兩側受到先澆倉位約束，按照法向位移約束處理，面板其余面按照自由面處理。

2.3?氣溫條件

出現裂縫的防滲面板澆筑于2月份，根據養(yǎng)護方式，施工期當地日平均氣溫隨時間變化如圖1所示。

2.4?模型建立

結合施工工藝，對不同施工工藝方法下倉位混凝土面板建模計算，模型尺寸10.0 m×6.0 m×1.0 m，鋼筋直徑16 mm，間距150 mm，保護層厚度50 mm。溫度場分析采用Solid 70單元，應力場分析時采用Solid 45單元，網格密度為100 mm。補償收縮混凝土防滲面板有限元計算模型如圖2所示。

3?計算結果與分析

3.1?無保溫措施下面板溫度和應力場分析

3.1.1?溫度場分析

無保溫措施條件下，補償收縮混凝土防滲面板內、外溫度隨時間變化見圖3。從圖3可以看出，混凝土在澆筑完成之后，內、外部溫度隨時間發(fā)生變化大致可分為3個階段：第一階段為水化溫升階段，主要發(fā)生在澆筑完成4 d之內，在此階段內混凝土內部溫度達到最大值31.9 ℃，此時面板表面溫度為9.7 ℃左右，內外溫差約為22.2 ℃，符合《大體積混凝土施工標準》[8]規(guī)定的內外溫差25 ℃之內;第二階段為溫降階段，主要發(fā)生在4～10 d內，此階段內混凝土水化放熱溫度開始下降，內外溫差呈減小趨勢，表面溫度隨環(huán)境溫度變化，但始終高于環(huán)境溫度;第三階段為平穩(wěn)階段，混凝土內、外溫度持續(xù)降低，與環(huán)境溫度逐步接近。

3.1.2?應力場分析

（1）工況1第一主應力計算結果。

工況1無保溫措施條件下防滲面板早齡期第一主應力計算結果表明：在無外界保溫措施條件下，表面混凝土散熱加快，混凝土在澆筑完成后4 d內，面板內部的應力急劇增大，最大主拉應力峰值為1.16 MPa，由于結構端部位置雙向散熱且無約束，因此最大主拉應力出現在面板表面靠近端部區(qū)域，隨后應力逐漸降低?？紤]到補償收縮混凝土材料的膨脹作用抵消了一部分拉應力，補償收縮混凝土面板實際產生的拉應力會相應減小，將試驗測得的預壓應力與抗拉強度相疊加，得到補償收縮混凝土實際的抗裂性能指標。

《大體積混凝土施工標準》[8]中給出了混凝土防裂性能判斷公式：

試中：σx為綜合降溫差，在外約束條件下產生的拉應力，MPa; ftk（t）為混凝土齡期為t時抗拉強度標準值;λ為摻合料對混凝土抗拉強度影響系數，粉煤灰摻入20%時，λ取1.03;K為防裂安全系數，取1.15。

工況1無保溫措施條件下防滲面板混凝土溫度應力隨齡期變化見圖4，補償收縮混凝土材料的抗裂性能隨齡期不斷增強。補償收縮混凝土面板結構產生的溫度拉應力呈先增大后減小的趨勢，澆筑完成3 d和4 d為最危險時刻，在無外界保溫措施的養(yǎng)護條件下，補償收縮混凝土因溫差產生的溫度主拉應力為1 MPa和1.16 MPa，大于混凝土抗裂性能0.87 MPa和1 MPa，混凝土產生開裂。裂縫出現的位置在面板表面靠近邊緣區(qū)域。7 d時由于環(huán)境溫度驟降，7 d產生的溫度應力大于6 d的。

（2）工況2第一主應力計算結果。工況2無保溫措施條件下防滲面板表面早齡期第一主應力計算結果表明：在相同外界溫度環(huán)境條件下，工況2的散熱面積較工況1小，且工況2的約束多于工況1，因此工況2后澆倉位各齡期計算溫度應力均小于工況1，最大主拉應力所產生的位置也發(fā)生變化，面板左右兩端受到先澆倉位的約束，最大主拉應力位置出現在面板頂端靠近邊緣位置。4 d內面板溫度應力達到最大值1.04 MPa，大于此齡期材料抗拉強度0.87 MPa。考慮到補償收縮混凝土的膨脹作用，將混凝土產生的預壓應力與抗拉強度疊加得到混凝土抗裂性能。

工況2無保溫措施條件下防滲面板混凝土溫度應力隨齡期變化見圖5，由圖5可知，處于后澆倉位的混凝土面板，在澆筑完成后計算最大溫度應力為1.04 MPa，大于此時刻的混凝土抗裂性能1 MPa，混凝土會產生開裂。裂縫出現的位置在面板表面靠近上邊緣區(qū)域。

計算結果表明，在使用補償收縮混凝土的情況下，如果沒有保溫措施會導致混凝土產生的溫度應力大于補償收縮混凝土的預壓應力與抗拉強度之和，進而使混凝土開裂。實際工程中由于早期養(yǎng)護不善，沒有采取相應的混凝土保溫措施，在施工過程中發(fā)現有多條水平和豎向裂縫的產生，以豎向裂縫為主，多數裂縫寬度小于0.2 mm，裂縫多出現在倉位的邊緣位置，這與計算的最大溫度應力位置相吻合，因此需對早期混凝土采取相應的保溫措施，預防混凝土的開裂。

3.2?保溫措施下面板溫度、應力場分析

3.2.1?溫度場分析

上述計算結果表明，為預防混凝土開裂，需采取相應保溫措施降低混凝土內外溫差?？紤]到大壩表面進行澆筑支護作業(yè)，保溫材料需要貼于模板外側，因此保溫材料的選擇以輕便、易貼附為主。綜合考慮之后，選取聚苯乙烯泡沫塑料板作為其結構外側的保溫材料，分別取10 mm和25 mm兩種厚度進行分析。

采用等效表面散熱系數法來計算混凝土保溫效果[6]。

式中：β′為等效放熱系數;β為表面向空氣放熱系數;h為保溫板厚度，m;λ1為保溫板導熱系數，取0.125 6 kJ/（m·h·℃）

不同厚度保溫材料對混凝土內外溫差的影響計算結果見圖6，結果表明：保溫材料顯著降低了面板內、外溫差，延長了內外最高溫差出現的時間，4 d時，無保溫材料情況下內外溫差為22.2 ℃，采用厚度為10 mm保溫材料時內外溫差為12 ℃左右，采用厚度為25 mm保溫材料時內外溫差為7 ℃左右。同時保溫材料降低了環(huán)境溫度變化對面板表面混凝土溫度的影響。

3.2.2?應力場分析

工況1應力條件最為不利，采用不同厚度保溫材料進行溫度應力計算，結果見圖7。保溫材料顯著降低了混凝土因溫差產生的溫度應力，4 d時，保溫材料厚度為10 mm的溫度應力為0.83 MPa，較無保溫措施條件降低了29%，保溫材料厚度為25 mm的溫度應力較無保溫措施條件降低了42%。同時由于保溫材料減小了內、外混凝土散熱速率，推遲了混凝土內外最大溫差出現的時間，混凝土溫度有所增長，因此混凝土后期溫度應力呈上升趨勢，7 d時采用保溫措施的混凝土溫度應力達到最大值，隨后持續(xù)降低，混凝土溫度應力小于補償收縮混凝土的抗裂性能。

4?施工養(yǎng)護建議

4.1?加強混凝土養(yǎng)護濕度

本工程采用的SP-GⅠ型膨脹劑，膨脹劑早期水化反應對混凝土內部自由水消耗大，當養(yǎng)護濕度不足時，將導致膨脹劑不能產生有效的膨脹。同時現有研究結果表明，當混凝土表面養(yǎng)護濕度保持90%以上時，混凝土產生的干縮應力比干燥狀態(tài)下減小60%～70%[10]，養(yǎng)護濕度的提高對補償收縮混凝土的抗裂性能提升具有重要作用，所以應提高混凝土早期的養(yǎng)護濕度。

4.2?冬季低溫施工時，增強保溫措施

面板屬于薄壁大體積混凝土結構，在低溫條件下施工時，面板混凝土需要保證較小的內外溫差。研究表明，膨脹劑的水化反應對溫度較為敏感，溫度越高膨脹劑的水化反應速率越大[11]，補償收縮混凝土的預壓應力也越大，因此外部的保溫材料既能保證面板混凝土能產生足夠的膨脹，又能降低內外溫差，降低溫度應力。

5?結?論

（1）在外界無保溫措施情況下，薄壁大體積補償收縮混凝土內外易產生較大溫差，導致施工早期表面開裂，面板混凝土裂縫易出現在面板的邊緣區(qū)域。

（2）采用聚苯乙烯泡沫塑料板作為結構外側的保溫材料可以有效減小混凝土因溫差產生的拉應力，保溫板厚度選擇10 mm即可滿足抗裂性能的要求。

（3）一般施工養(yǎng)護時應保證混凝土養(yǎng)護濕度，尤其是采用SP-GⅠ型膨脹劑時，膨脹劑水化反應受混凝土養(yǎng)護濕度影響較大，養(yǎng)護濕度越高膨脹劑膨脹效果越好，早期養(yǎng)護濕度的提高有利于減小混凝土后期的收縮。

參考文獻：

[1]?楊彥鑫，周和祥，馬建林，等.大體積混凝土承臺溫度控制及分布規(guī)律[J].硅酸鹽通報，2019，38（05）：1497-1502.

[2]?何貝貝，侯維紅，紀憲坤，等.水化熱抑制劑對大體積混凝土溫度裂縫的影響研究[J].新型建筑材料，2018，45（11）：123-126.

[3]?戰(zhàn)永亮，王鴻凱，黃思凝，等.在不同膨脹劑摻入量下大體積混凝土膨脹后澆帶內部應變變化試驗研究[J].混凝土，2016（9）：128-131.

[4]?李潘武，曾憲哲，李博淵，等.澆筑溫度對大體積混凝土溫度應力的影響[J].長安大學學報（自然科學版），2011，31（5）：68-71.

[5]?李凌旭，王帥寶，馬明昌.跳倉法施工條件下大體積混凝土溫度場有限元分析[J].施工技術，2019，48（6）：84-87.

[6]?朱伯芳.大體積混凝土溫度應力與溫度控制[M].北京：中國電力出版社，1999：18-19.

[7]?水利部.水工混凝土試驗規(guī)程：SL 352—2006[S].北京：中國水利水電出版社，2006：108-109.

[8]?住房和城鄉(xiāng)建設部.大體積混凝土施工標準：GB 50496—2018[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2018：29-30.

[9]?中國建筑材料聯(lián)合會.混凝土膨脹劑：GB/T 23439—2017[S].北京：中國標準出版社，2017：11-12.

[10]?麥家煊，孫立勛.西北口堆石壩面板裂縫成因的研究[J].水利水電技術，1999（5）：32-34.

[11]?苗苗，米貴東，閻培渝，等.養(yǎng)護溫度和粉煤灰對補償收縮混凝土膨脹效能的影響[J].硅酸鹽學報，2012，40（10）：1427-1430.

【責任編輯?崔瀟菡】