大壩碾壓混凝土的溫控與防裂關(guān)鍵技術(shù)

孫培培 王作強(qiáng)

（山東臨沂水利工程總公司，山東 臨沂 276000）

經(jīng)過工程施工方與多個(gè)參與方的綜合討論后發(fā)現(xiàn)，目前大壩工程項(xiàng)目碾壓混凝土仍存在下述兩個(gè)方面的問題：（1）倉面澆筑范圍與澆筑量較大，盡管在施工中已經(jīng)在材料中摻入了大量粉煤灰材料，以此控制水泥的實(shí)際用量，但由于澆筑面的覆蓋速度較快，而倉內(nèi)作業(yè)環(huán)境的散熱性能較大，導(dǎo)致混凝土溫升并未能實(shí)現(xiàn)快速下降。（2）通常情況下，碾壓混凝土不設(shè)置橫縫，僅設(shè)置縱縫，且混凝土的特點(diǎn)是早期強(qiáng)度低，這些特點(diǎn)導(dǎo)致混凝土在后期極易受到自身性能的影響，從而出現(xiàn)裂縫。為解決此種問題，本文將重點(diǎn)置于混凝土的溫控研究中，并提出對(duì)應(yīng)的混凝土防裂技術(shù)[1]。

1 工程概況

本文此次研究的大壩碾壓混凝土工程為龍灘大壩，此大壩是我國目前在建的碾壓重力壩，工程現(xiàn)場(chǎng)如圖1。

圖1 大壩碾壓混凝土施工作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)

在此基礎(chǔ)上，獲取與此工程項(xiàng)目相關(guān)的概況信息，如表1。大壩沿著高程高度共存在三個(gè)主要分區(qū)，劃分壩體高程的界限分別為235m 與350m，其中建基面的高程高度約為1950m。目前，此大壩工程的兩岸位置已完成壩頂高程375m 的澆筑施工，河床溢流段已經(jīng)進(jìn)行到高程345m 的澆筑施工，目前，正在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行溢流面的施工作業(yè)[2]。工程項(xiàng)目所在地屬于亞熱帶地區(qū)，根據(jù)地方氣象臺(tái)統(tǒng)計(jì)的數(shù)據(jù)可知，此工程項(xiàng)目所在地的年均氣溫約為20攝氏度，最高氣溫可以達(dá)到39 攝氏度，水域溫度平均為22 攝氏度，大氣環(huán)境的相對(duì)濕度為78%，年均降雨量約為1357.14 毫米，根據(jù)數(shù)年的統(tǒng)計(jì)可知，該地區(qū)年均降雨天數(shù)約為155 天。此大壩工程項(xiàng)目在施工中具有下述幾個(gè)方面的特點(diǎn)，具體闡述內(nèi)容如下：項(xiàng)目所在地的每日早晚溫度差較大，平均溫度差在20 攝氏度及以上。在每年的雨季，場(chǎng)地暴雨次數(shù)發(fā)生較多，且無論是在冬季或是在夏季，所在地的太陽光照都較為強(qiáng)烈[3]。同時(shí)，場(chǎng)地施工倉較大，平均每個(gè)壩段的施工倉面積可以達(dá)到3800m2。由此可見，針對(duì)此項(xiàng)目的施工強(qiáng)度較高[4]。為滿足工程現(xiàn)場(chǎng)的現(xiàn)場(chǎng)施工需要，要求施工方在施工作業(yè)時(shí)嚴(yán)格遵循《地方水利水電站可行性研究報(bào)告》等相關(guān)參照性文件部署工程計(jì)劃。并要求大壩工程在進(jìn)行混凝土?xí)r段，需要經(jīng)歷3 個(gè)冬季階段與2 個(gè)夏季階段，因此，建設(shè)的成果應(yīng)當(dāng)滿足不同環(huán)境與極端氣候的考驗(yàn)。為滿足此工程項(xiàng)目連續(xù)降雨、高溫等惡劣環(huán)境下的連續(xù)澆筑施工需求，保證最終成果不發(fā)生裂縫，下述將對(duì)混凝土的溫控與防裂等關(guān)鍵技術(shù)展開研究。

表1 大壩碾壓混凝土工程項(xiàng)目概況信息

2 確定混凝土溫控分區(qū)及標(biāo)準(zhǔn)

混凝土上的裂縫分為宏觀和微觀兩種類型，其中宏觀裂縫是在微觀裂縫基礎(chǔ)上進(jìn)一步擴(kuò)展而來的。將宏觀層面裂縫類型進(jìn)行劃分，分為：表面裂縫、深層裂縫和貫穿裂縫三種，如圖2 所示。

圖2 三種裂縫結(jié)構(gòu)示意圖

在明確裂縫具體類型后，對(duì)其溫控進(jìn)行分區(qū)，在分區(qū)時(shí)還需要結(jié)合混凝土的施工規(guī)范要求，將大壩壩體的溫控區(qū)域劃分為以下三個(gè)分區(qū)：I 區(qū)（強(qiáng)約束區(qū)）：包含距離基巖0.25L 以內(nèi)的混凝土區(qū)，其中L 為澆筑塊邊長(zhǎng)；II 區(qū)（一般約束區(qū)）：包含距離基巖0.25L～0.45L 內(nèi)的混凝土區(qū)，L 同上；III 區(qū)（非約束區(qū)）：包含距離基巖0.45L 以外的所有混凝土區(qū)，L 同上。再對(duì)混凝土各個(gè)溫控區(qū)域的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行制定，得到如表2 所示的內(nèi)容。

表2 大壩碾壓混凝土溫控分區(qū)標(biāo)準(zhǔn)

對(duì)于大壩強(qiáng)約束區(qū)其溫控需要嚴(yán)格按照表2 中規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)完成，對(duì)于其他兩個(gè)區(qū)域其溫控標(biāo)準(zhǔn)可根據(jù)實(shí)際情況放寬±2.5°C。

3 混凝土溫控與防裂措施

在明確上述混凝土溫控分區(qū)及標(biāo)準(zhǔn)后，針對(duì)具體混凝土碾壓施工中各工序采取合理的溫控與防裂措施，下述將針對(duì)拌和及出機(jī)、混凝土運(yùn)輸、倉內(nèi)等各個(gè)方面分別提出相應(yīng)的溫控防裂措施。

3.1 拌和及出機(jī)溫控

在對(duì)混凝土拌和前，需要對(duì)原材料的溫度進(jìn)行合理控制。在混凝土原材料以及運(yùn)輸皮帶上，分別設(shè)置遮陽。防雨的棚結(jié)構(gòu)，同時(shí)在堆放材料時(shí)，要求堆放高度不得小于5m。在對(duì)混凝土進(jìn)行拌和時(shí)，所選擇的材料品質(zhì)必須符合大壩碾壓施工的規(guī)定要求。對(duì)于原材料的控制需要從控制部、物資部、實(shí)驗(yàn)室等部門共同負(fù)責(zé)完成實(shí)施。對(duì)于外加劑的配制，必須按照實(shí)驗(yàn)室簽發(fā)的比例進(jìn)行添加，并由實(shí)驗(yàn)室完成對(duì)配制結(jié)果的檢查和試驗(yàn)。

3.2 混凝土運(yùn)輸溫控

對(duì)于混凝土的運(yùn)輸溫控，需要在規(guī)定的具體月份中完成澆筑，一般情況下澆筑時(shí)間規(guī)定范圍在3 月～11 月之間。在施工過程中，需要對(duì)混凝土的運(yùn)輸進(jìn)行統(tǒng)一調(diào)度，確保運(yùn)輸車輛與纜機(jī)之間的相互配合，進(jìn)而縮短混凝土在運(yùn)輸和卸料時(shí)的時(shí)間。同時(shí)，對(duì)于運(yùn)輸車輛的選擇上，不采用尾氣設(shè)置在車廂中的車輛類型，對(duì)于運(yùn)輸車輛車廂的沖洗時(shí)間不得超過2h。除此之外，在運(yùn)輸時(shí)需要結(jié)合各種防護(hù)措施，保證混凝土材料在運(yùn)輸開始到結(jié)束時(shí)回升溫度不超過5°C，以此確?；炷吝\(yùn)輸環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)對(duì)其溫度控制，避免回升使混凝土出現(xiàn)裂縫。

在溫控過程中，還需要結(jié)合熱平衡原理，確定混凝土材料出機(jī)口位置的溫度，其公式為：

公式中T 為出機(jī)口溫度；W 為原材料重量；C 為比熱值；q 為機(jī)械熱。

3.3 倉內(nèi)溫控

針對(duì)澆筑倉當(dāng)中的混凝土溫控，若倉內(nèi)溫度超過25°C時(shí)，可采用倉內(nèi)噴霧的方式，營(yíng)造一個(gè)小范圍內(nèi)的氣候環(huán)境。可使用噴霧槍在倉內(nèi)上空以及附近噴灑水霧，以此能夠有效降低澆筑位置局部的溫度，從而避免熱量倒灌現(xiàn)象產(chǎn)生，避免混凝土結(jié)構(gòu)上產(chǎn)生裂縫[5]。對(duì)于高溫天氣，在完成對(duì)混凝土的振搗密實(shí)處理后，應(yīng)當(dāng)立即覆蓋具有等效交換系數(shù)的保溫材料，并在進(jìn)行混凝土鋪料時(shí)逐層揭開。需要將混凝土覆蓋的時(shí)間嚴(yán)格控制在5 個(gè)小時(shí)以上，8 個(gè)小時(shí)以下。

3.4 溫度檢測(cè)

4 混凝土分期冷卻

在明確混凝土溫控與防裂措施后，還需要對(duì)混凝土進(jìn)行分期冷卻處理，將其劃分為一期階段、中期階段和后期階段。下述將分別針對(duì)上述各階段進(jìn)行詳細(xì)說明：

一期階段：優(yōu)化混凝土的配合比，水泥可采用硅酸鹽水泥，并向其中添加水泥量二級(jí)粉煤灰以及緩凝高效減水劑，以此能夠達(dá)到降低水泥水化熱的效果，從而避免混凝土在制備過程中出現(xiàn)溫度升高的問題。為降低混凝土澆筑過程中的溫度，可采用一次風(fēng)冷與二次風(fēng)冷相結(jié)合的方式，對(duì)原材料進(jìn)行降溫處理，降低混凝土出機(jī)口的溫度。中期階段：針對(duì)中期冷卻的區(qū)域進(jìn)行劃分，將溫度超過32°C 的區(qū)域劃分為I 區(qū)；將溫度在29°C～32°C 的區(qū)域劃分為II 區(qū)；將溫度在26°C～29°C 的區(qū)域劃分為III 區(qū)。針對(duì)不同區(qū)域通過調(diào)節(jié)區(qū)域周邊管路通水流量的方式，減少相鄰兩個(gè)區(qū)域壩體冷卻降溫差異，從而達(dá)到對(duì)其溫度控制。在中期冷卻階段，需要嚴(yán)格按照溫度梯度的方式進(jìn)行對(duì)混凝頭的降溫冷卻處理，并在這一過程中做到均衡降溫，以此能夠保證中期階段的合理冷卻，并且不會(huì)使混凝土內(nèi)部出現(xiàn)溫差過大的問題。后期階段：結(jié)合以往經(jīng)驗(yàn)，大壩在蓄水初期上游和下游位置上極易出現(xiàn)裂縫。為了避免這一問題產(chǎn)生，對(duì)大壩上游和下游20m 范圍內(nèi)進(jìn)行通水降溫處理，從而達(dá)到內(nèi)外溫差降低的效果，實(shí)現(xiàn)對(duì)其溫度控制。

5 工程檢測(cè)試驗(yàn)

按照上文設(shè)計(jì)的溫控與防裂方法，對(duì)本文研究的大壩碾壓混凝土工程項(xiàng)目進(jìn)行施工。將冷卻后不同倉面在養(yǎng)護(hù)時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)的混凝土裂縫數(shù)量作為測(cè)試結(jié)果。統(tǒng)計(jì)試驗(yàn)結(jié)果：

A 倉面在養(yǎng)護(hù)周期內(nèi)均未出現(xiàn)混凝土裂縫。

B 倉面同上。

C 倉面同上。

D 倉面同上。

E 倉面在養(yǎng)護(hù)1～5 天內(nèi)均未出現(xiàn)混凝土裂縫。在養(yǎng)護(hù)的第6 天出現(xiàn)了細(xì)微裂縫，但在對(duì)此裂縫進(jìn)行持續(xù)觀察后發(fā)現(xiàn)，裂縫并未出現(xiàn)延伸與發(fā)展等趨勢(shì)。

F 倉面在養(yǎng)護(hù)周期內(nèi)均未出現(xiàn)混凝土裂縫。

G 倉面在養(yǎng)護(hù)1～7 天內(nèi)均未出現(xiàn)混凝土裂縫。在養(yǎng)護(hù)的第8 天出現(xiàn)了細(xì)微裂縫，裂縫在第9 天出現(xiàn)了細(xì)微延展，但并未對(duì)大壩主體結(jié)構(gòu)安全造成影響。

H 倉面在養(yǎng)護(hù)周期內(nèi)均未出現(xiàn)混凝土裂縫。

通過上述對(duì)A～H，8 個(gè)倉面的裂縫統(tǒng)計(jì)可以看出，本文此次研究設(shè)計(jì)的方法在實(shí)際應(yīng)用中具有一定的可靠性，可以起到整體防裂效果。

完成上述對(duì)設(shè)計(jì)方法防裂性能的檢測(cè)后，隨機(jī)選擇某一個(gè)倉面，對(duì)其進(jìn)行壓實(shí)試驗(yàn)，檢測(cè)倉面的透水率，通過此種方式，掌握倉面的透水率。此次壓力試驗(yàn)供選擇4 個(gè)測(cè)孔，對(duì)測(cè)孔進(jìn)行編號(hào)，分別為：YSK-1、YSK-2、YSK-3、YSK-4，對(duì)測(cè)孔進(jìn)行透水率計(jì)算，計(jì)算公式如下：

上述計(jì)算公式中：Z 為測(cè)孔透水率，計(jì)算單位設(shè)定為L(zhǎng)u，Q 為測(cè)孔在最大壓力下的流量，計(jì)算單位設(shè)定為L(zhǎng)/min，L 為測(cè)孔所在側(cè)段的長(zhǎng)度，計(jì)算單位設(shè)定為m，P 為壓實(shí)試驗(yàn)中的最大壓力值，計(jì)算單位設(shè)定為MPa。統(tǒng)計(jì)實(shí)驗(yàn)中相關(guān)參數(shù)，計(jì)算實(shí)驗(yàn)結(jié)果，見表3。

表3 壓水試驗(yàn)結(jié)果

從上述表3 測(cè)試得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，YSK-1、YSK-2、YSK-3、YSK-4 測(cè)孔的透水率均在0.1Lu 范圍內(nèi)，說明本文此次設(shè)計(jì)的方法不僅可以起到防裂效果，同時(shí)也可以起到緩解大壩碾壓混凝土滲漏的問題。綜合上述實(shí)驗(yàn)，得出以下結(jié)論：應(yīng)用本文設(shè)計(jì)的技術(shù)進(jìn)行大壩碾壓混凝土工程項(xiàng)目的施工作業(yè)，不僅可以實(shí)現(xiàn)對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)的裂縫有效控制，同時(shí)也可以解決混凝土壩體的滲漏問題，通過此種方式，全面提升工程項(xiàng)目的質(zhì)量。

結(jié)束語

本文以大壩碾壓混凝土工程為例，開展了此次研究，盡管此次研究成果經(jīng)過實(shí)際檢驗(yàn)后證明了其可行性，但在后續(xù)的施工中，仍不能對(duì)此項(xiàng)工程松懈，還需要結(jié)合項(xiàng)目的實(shí)際情況，從不同角度考慮混凝土在澆筑中的應(yīng)力問題，通過此種方式，進(jìn)一步提升施工行為的規(guī)范性，保證所建設(shè)的項(xiàng)目在市場(chǎng)內(nèi)可以發(fā)揮其應(yīng)用的價(jià)值。