混凝土面板防裂措施探討

高杰

中國(guó)水電建設(shè)集團(tuán)十五工程局有限公司第二工程公司，中國(guó)·陜西 西安 710016

混凝土面板是堆石壩的主要防滲體。論文結(jié)合新疆烏魯瓦提混凝土面板砂礫石壩工程實(shí)例，介紹了干燥、多風(fēng)、寒冷地區(qū)摻UEA膨脹劑配制成的微膨脹補(bǔ)償收縮混凝土（簡(jiǎn)稱UEA混凝土）與非補(bǔ)償收縮普通混凝土的多項(xiàng)技術(shù)性能對(duì)比，實(shí)驗(yàn)研究及在該工程上的實(shí)際運(yùn)用，闡述了面板混凝土的防滲原理、材料性能和抗裂技術(shù)措施。

面板裂縫；防裂原理；補(bǔ)償收縮混凝土；UEA混凝土

1 引言

混凝土的裂縫問(wèn)題是多年內(nèi)未解決的問(wèn)題。而對(duì)于面板堆石壩中的混凝土面板，施工過(guò)程中出現(xiàn)的裂縫問(wèn)題，一直是工程科技人員關(guān)注的話題。由于水泥材料本身的抗拉強(qiáng)度低，韌性差，當(dāng)氣候干燥或環(huán)境溫度下降時(shí)，混凝土很容易產(chǎn)生收縮，出現(xiàn)裂縫，從而導(dǎo)致鋼筋銹蝕、滲漏，耐久性下降。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，混凝土裂縫80%以上都是由于混凝土自身變形引起，只有一小部分由于承載力不足導(dǎo)致。混凝土的自身變形包括化學(xué)收縮（也叫自身體積變形）、塑性收縮（終凝前的變形）、干濕變形（干縮濕脹）、溫度變形（熱脹冷縮），四種變形，主要是干縮和冷縮。而對(duì)于面板混凝土，早期硬化階段，在保濕的條件下防止冷縮，硬化以后在保溫的條件下防止干縮。

由于面板在厚度方向遠(yuǎn)小于長(zhǎng)度方向和寬度方向，因此在混凝土水化熱散熱及環(huán)境溫度改變時(shí)，其熱傳導(dǎo)主要是沿板厚方向進(jìn)行的。而面板混凝土在澆筑后，由于底部受墊層、兩側(cè)受先澆板塊、內(nèi)部受鋼筋約束，當(dāng)面板混凝土溫度相對(duì)于澆筑溫度有改變時(shí)則會(huì)出現(xiàn)溫度應(yīng)力。當(dāng)溫度應(yīng)力大于混凝土的抗拉強(qiáng)度，混凝土就會(huì)出現(xiàn)裂縫[1]。

補(bǔ)償收縮混凝土的出現(xiàn)，有效地解決了混凝土的抗裂問(wèn)題，其抗裂原理就是利用限制膨脹率來(lái)補(bǔ)償限制收縮，簡(jiǎn)單地可用下列公式表示：

式中，ε2m——補(bǔ)償收縮混凝土限制膨脹率（%）；

Se——彈性變性（%）；

S2——混凝土干縮率（%）；

St——混凝土冷縮率（%）；

SK——混凝土極限拉伸值；

D——剩余變形，D＞0 時(shí)，混凝土內(nèi)不出現(xiàn)拉應(yīng)力，D＜|SK|時(shí)，混凝土不會(huì)產(chǎn)生裂縫。

2 烏魯瓦提工程面板抗裂措施

烏魯瓦提水利樞紐工程位于新疆和田地區(qū)和田縣境內(nèi)，喀拉喀什河中游河段，是一個(gè)具有灌溉、發(fā)電、防洪、保護(hù)生態(tài)等綜合效益的大Ⅱ型水利工程，主壩是混凝土面板砂礫石堆石壩，壩高131.8m?；炷撩姘蹇拷鼉砂妒芾瓍^(qū)6m 寬，中間受壓區(qū)12m 寬，面板厚度由t=0.3+0.003H（m）確定，面板最大厚度0.7m，最小厚度0.3m，面板內(nèi)部采用單層雙向配筋。

該工程主要從原材料和施工工藝，加強(qiáng)養(yǎng)護(hù)幾個(gè)方面提高混凝土的抗裂能力。

2.1 混凝土配合比設(shè)計(jì)與優(yōu)化

首先從原材料進(jìn)行優(yōu)選，其次從配合比上進(jìn)行優(yōu)化。

①水泥：選用和田地區(qū)杜瓦水泥廠中熱硅酸鹽425#水泥，七天水化熱為302J/g（一期面板），286J/g（二期面板），其化學(xué)成分和礦物成分見表1，物理、力學(xué)性能檢測(cè)結(jié)果見表2。

表1 水泥化學(xué)充分和礦物成分試驗(yàn)結(jié)果

表2 水泥物理力學(xué)試驗(yàn)結(jié)果

②砂石骨料：主要為花崗巖，片麻巖石料，硬度較高，粗骨料為卵、碎石混合料，砂為人工砂和河床砂混合砂，細(xì)度模數(shù)為2.8±0.2。

③外加劑：根據(jù)面板防裂、抗凍、抗?jié)B等設(shè)計(jì)要求，選用了四種外加劑，膨脹劑為南京特種材料廠生產(chǎn)的UEA-Ⅲ。PMS-1、PMS-2：（抗裂防凍劑），由NF-1（高效減水劑烏魯木齊市南湖化工廠）、AE 引氣劑，南京特種材料廠生產(chǎn)的UEA-Ⅲ膨脹劑配制而成，具體見表3。

表3 外加劑摻量表

④粉煤灰：選用新疆瑪納斯火電廠的Ⅱ級(jí)粉煤灰。

⑤配合比設(shè)計(jì)及優(yōu)化：面板先后采用了5 種配合比，分別是：W1-1、W1-2、W2-1、W2-2、W2-3，其中，W1-1、W1-2是一期面板的配合比。W1-1是補(bǔ)償收縮型，W1-2是普通型。W2-1、W2-2、W2-3是二期面板配合比，都屬于補(bǔ)償收縮型，具體配比見表4。

表4 面板混凝土配合比

2.2 施工中采取的防裂措施

面板混凝土施工中，為了嚴(yán)格控制其施工質(zhì)量，對(duì)坍落度、含氣量、入倉(cāng)溫度進(jìn)行抽樣檢驗(yàn)，坍落度控制在4～7cm，含氣量控制在4%～5%，控制入倉(cāng)溫度不大于35℃（規(guī)范規(guī)定值）[2]。

2.3 面板混凝土養(yǎng)護(hù)

一、二期面板共采用了五種養(yǎng)護(hù)方法：①塑料膜（下）+草簾（上）；②化纖毯（下）+塑料膜（上）；③一層或二層化纖毯；④苯板（下）+化纖毯（上）；⑤塑料膜（下）+化纖毯（上）。

安排專人養(yǎng)護(hù)。養(yǎng)護(hù)期間安排專人每天測(cè)溫，測(cè)面板表面溫度，測(cè)氣溫，記錄每天的風(fēng)速，為面板防裂積累現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)。

經(jīng)過(guò)比較，認(rèn)為一層化纖毯或二層化纖毯養(yǎng)護(hù)效果好，發(fā)生裂縫較少。主要原因是：化纖毯散熱性較好，防風(fēng)易固定。

3 面板混凝土發(fā)生裂縫的原因

面板混凝土的裂縫，主要由兩類：一類是結(jié)構(gòu)性裂縫，其產(chǎn)生原因是面板自重和堆石壩的不均勻沉陷；另一類是非結(jié)構(gòu)性裂縫，它是由于面板混凝土自身干縮及外界氣溫變化引起的冷縮，即收縮變形引起，后一類裂縫占主要比重。

4 補(bǔ)償收縮混凝土抗裂機(jī)理

UEA 膨脹劑加入混凝土中，會(huì)產(chǎn)生大量的膨脹結(jié)晶水化物——硫鋁酸鈣（3CaO·AL2O3?CaSO4·31H2O），即鈣礬石，使混凝土產(chǎn)生適量的膨脹，在鋼筋與其他約束的限制條件下，混凝土產(chǎn)生一定的壓應(yīng)力，這種壓應(yīng)力能夠抵消導(dǎo)致混凝土開裂的全部或部分拉應(yīng)力，并減輕或避免混凝土開裂。補(bǔ)償模式如圖1 所示。

省去Se，就變成：

式中，ε2m——限制膨脹率；

Se——彈性變形，可省去

S2——干縮變形；

St——冷縮變形；

D——剩余變形；

SK——混凝土極限拉伸值。

D＞0，混凝土內(nèi)不出現(xiàn)拉應(yīng)力，D≤|SK|時(shí)，混凝土不會(huì)產(chǎn)生裂縫。

5 面板內(nèi)部溫度場(chǎng)

在面板混凝土澆筑之后，由于受底部墊層及混凝土內(nèi)部鋼筋的約束（后澆板塊還要受兩側(cè)先澆板塊的約束），當(dāng)面板砼溫度相對(duì)于澆筑溫度有所改變時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)溫度應(yīng)力，溫度荷載計(jì)算可以混凝土水化熱溫升達(dá)到最高溫度時(shí)所對(duì)應(yīng)的溫度場(chǎng)為基準(zhǔn)。由于面板厚度（0.3～0.7m）遠(yuǎn)小于寬度（6～12m）和長(zhǎng)度（50～80m）。因此，在水化熱散發(fā)及環(huán)境溫度改變時(shí)，其熱傳導(dǎo)主要沿面板厚度方向進(jìn)行，可簡(jiǎn)化為一維熱傳導(dǎo)問(wèn)題。沿厚度方向上任一點(diǎn)z 的溫度T，僅是z 和時(shí)間t 的函數(shù)，可建立如下定解問(wèn)題：

（1）是非齊次的一維熱傳導(dǎo)方程，（2）和（3）為邊界條件（第一類與第三類邊界條件），（4）為初始條件。式中，θ=θ0(1-e-mt)——水化熱絕熱溫升公式；

θ0——最大絕熱溫升，m 與澆筑溫度有關(guān)；

TP——澆筑溫度；

T0(t)——墊層溫度，為常數(shù)C；

Tα(t)——外界氣溫，且Tα(0)=C；

α、λ、β——混凝土導(dǎo)溫系數(shù)、導(dǎo)熱系數(shù)及表面放熱系數(shù)；

h——面板厚度。運(yùn)用分離變量法，固有函數(shù)法，拉普拉斯積分變換，逆變換求解得到：

可以看出它的解是一個(gè)無(wú)窮級(jí)數(shù)與一個(gè)關(guān)于Z 的一次線性函數(shù)的組合。

只要知道上述參數(shù)和常數(shù)，就可以求出其溫度分布，可以求出任一點(diǎn)各個(gè)時(shí)間所對(duì)應(yīng)的溫度。

6 混凝土表面散熱系數(shù)β

要防止混凝土表面裂縫發(fā)生，就要根據(jù)當(dāng)?shù)氐臍夂驐l件、氣溫條件、空氣濕度條件，對(duì)混凝土表面進(jìn)行適當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)，做到表面保濕、保溫（利于散熱、防止風(fēng)吹、冷縮、干縮）。

規(guī)范規(guī)定，混凝土的入倉(cāng)溫度不大于35℃，不小于5℃，降溫速率不大于2℃/d。所以，選擇適當(dāng)?shù)母采w材料對(duì)混凝土的防裂至關(guān)重要。

大量的試驗(yàn)結(jié)果表明：混凝土表面的放熱系數(shù)β，對(duì)混凝土表面的溫度梯度和溫度應(yīng)力T 有重要影響，與表面的光滑（粗糙）有關(guān)，也與風(fēng)速（或風(fēng)力等級(jí)）有關(guān)[3]。

當(dāng)混凝土表面無(wú)覆蓋時(shí)，其表面放熱系數(shù)為：

表面粗糙：β=21.06+17.58V0.910；

表面光滑：β=18.46+17.30V0.883；

V 為風(fēng)速，β 為表面放熱系數(shù)。

當(dāng)混凝土表面有覆蓋（保溫層）時(shí)，其表面等效放熱系數(shù)為：

β 為最外一層保溫層的表面放熱系數(shù)；

Hi，λi為第i 層保溫層的厚度與導(dǎo)熱系數(shù)，βs是等效放熱系數(shù)。

而烏魯瓦提工程的五種養(yǎng)護(hù)方法，以單層或雙層化纖毯養(yǎng)護(hù)效果最好，說(shuō)明這種養(yǎng)護(hù)方法不僅保濕防風(fēng)，也有利于均勻散熱，不會(huì)因?yàn)橥饨鐨鉁叵陆?，大風(fēng)而受影響。

7 結(jié)語(yǔ)

①采用中熱、低熱（水化熱較低）的水泥，可降低水化熱溫升，從而降低混凝土的干縮裂縫。

②采用摻“UEA”膨脹劑，粉煤灰，高效減水劑“三摻”技術(shù)。

摻粉煤灰能減少水泥用量，從而降低水化熱溫升，減小溫度應(yīng)力。

摻高效減水劑，能減小水灰比，提高砼強(qiáng)度，延緩混凝土硬化時(shí)間，從而延遲混凝土干縮。

摻UEA 膨脹劑，用混凝土的膨脹來(lái)補(bǔ)償其收縮，延遲其收縮，減小甚至消除其收縮。

③構(gòu)建面板砼溫度場(chǎng)，計(jì)算分析、研究面板混凝土熱學(xué)參數(shù)，包括水化熱溫升、導(dǎo)溫系數(shù)、導(dǎo)熱系數(shù)、表面放熱系數(shù)，為面板混凝土防裂提供理論依據(jù)。

④面板混凝土表面覆蓋保護(hù)，要根據(jù)當(dāng)?shù)貧夂颉鉁?、空氣濕度，選擇適當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)材料。

⑤面板混凝土施工要選擇合適的季節(jié)進(jìn)行，避免在低溫或高溫季節(jié)施工。