寒冷地區(qū)碾壓混凝土重力壩溫控防裂研究

劉秀軍

(新疆額爾齊斯河投資開發(fā)(集團)有限公司,烏魯木齊,830000)

碾壓混凝土壩因具有水泥用量少、施工高效等特點而深受工程人員的青睞,且建設規(guī)模逐步擴大[1]。碾壓混凝土壩施工中可能出現(xiàn)壩面裂縫,為規(guī)避此類問題,需在施工中加強對溫度的控制,尤其是寒冷地區(qū)或其他溫度極端地區(qū),以此來保證碾壓混凝土重力壩施工作業(yè)的有效進行[2]。

1 工程概況

1.1 氣候條件

某碾壓混凝土重力壩工程,現(xiàn)場多年平均氣溫低,冬季長達5個月,極端最低氣溫-35.1℃,1月平均氣溫-17.1℃;夏季溫度高,極端最高氣溫36.5℃,7月平均氣溫22.2℃。如何在寒冷地區(qū)有效建設碾壓混凝土重力壩并保證壩體的正常使用是值得探討的技術課題[3-4]。

1.2 原材料選取

混凝土拌制所用的原材料為:P·MH42.5級中熱硅酸鹽水泥、Ⅱ級粉煤灰、天然砂礫石料(骨料)、工程地河水(要求水中不含有影響混凝土性能的雜物)、SK-2型緩凝高效減水劑和SK-H型引氣劑(外加劑)[5]。碾壓混凝土重力壩的壩體結(jié)構如圖1所示。

圖1 壩體結(jié)構示意

2 碾壓混凝土重力壩的溫度控制難點

(1)工程所在地區(qū)的氣候條件惡劣,屬于東北高寒地區(qū),11月中下旬至次年3月為嚴寒天氣,各月平均氣溫均為負溫。受極端低溫的影響,此時段不具備施工條件,伴隨較長的越冬間歇,期間可能出現(xiàn)部分混凝土開裂的異常狀況,防裂難度高。

(2)碾壓混凝土重力壩所用的水泥量少,但絕熱溫升易在短時間內(nèi)快速上升,面層散熱有限,由于熱量無法得到散失而出現(xiàn)壩體最高溫度偏大的問題。并且,碾壓混凝土的抗拉性能略差,防裂難度高。

(3)通倉澆筑混凝土,不設置縱縫,單體結(jié)構的尺寸大,不利于溫度控制。壩體澆筑塊較長,其中溢流壩段、擋水壩段、廠房壩段的長度分別達到58.07m、70.32m、73.45m,內(nèi)外溫差、基礎溫差易出現(xiàn)異常,從而存在強烈的溫度應力,如何在此特殊條件下防控裂縫是本工程的重難點。

3 碾壓混凝土重力壩裂縫的原因分析

各壩段在基礎強約束區(qū)、越冬面上層混凝土的上下游表面、引水鋼管外部下游面薄層周邊等多個部分的混凝土均伴隨強烈的拉應力,此部分力的作用明顯超出混凝土可承受的拉應力極限,混凝土結(jié)構的抗裂效果差。同時,工程地處東北嚴寒地區(qū),由于寒潮的存在導致現(xiàn)場氣溫偏低,隨著環(huán)境溫度的大幅度變化,混凝土表面產(chǎn)生強烈的溫度拉應力,此力的作用較強,也將加速混凝土表面裂縫的出現(xiàn)與發(fā)展。

(1)環(huán)境溫度下降時,基礎強約束區(qū)受到底部基巖約束,此部位的受力表現(xiàn)出應力集中的特點,伴隨明顯的應力作用,基礎強約束區(qū)有開裂的可能。

(2)越冬面上方的混凝土結(jié)構受到較強的應力作用,其中最為明顯的是越冬面的上、下游側(cè)。項目地處高寒地區(qū),受溫度條件的限制,每年11月至次年3月無法進行混凝土澆筑施工,進入4月環(huán)境溫度較高時才可恢復,此時底部原本存在的混凝土仍處于低溫狀態(tài),具有較大的彈性模量,而新澆部分的高溫較高,底部既有混凝土產(chǎn)生的約束作用較強,使得此區(qū)域應力明顯集中。

(3)夏季環(huán)境溫度較高,壩體內(nèi)部溫度變化緩慢,而表面溫度由于氣溫的升高而發(fā)生明顯的變化,內(nèi)外部溫差大,由于溫度的差異引起應力的激增,甚至超出許可范圍。

(4)混凝土施工期間遇到寒潮,環(huán)境溫度急劇下降,新舊混凝土的溫度降低,產(chǎn)生強烈的應力作用。相比之下,新澆部分的抗拉強度偏低,在寒潮特殊天氣環(huán)境中更易產(chǎn)生裂縫。

4 碾壓混凝土重力壩的溫控防裂措施

從混凝土配合比的優(yōu)化、澆筑層厚度的控制、制冷工藝的應用、降溫、加強養(yǎng)護等方面著手,實現(xiàn)對混凝土溫度的有效控制,以便混凝土在合理的溫度條件下有效成型,避免裂縫的產(chǎn)生。

4.1 注重配合比的優(yōu)化,提升混凝土抗裂性能

混凝土原材料的用量發(fā)生改變后,強度、抗裂性能、溫升等方面均隨之變化,因此合理選擇原材料并控制各類材料的用量尤為關鍵?；炷僚浜媳仍O計需要基于設計結(jié)果進行,采用低熱大壩水泥,適當增加粉煤灰摻量,用于取代部分水泥,拌制后的混凝土應具有水化熱溫升低、抗拉強度高的特性,在施工過程中無異常的水化熱溫升問題,使成型混凝土結(jié)構具有完整性。

混凝土配合比設計是一項系統(tǒng)性的工作,除了考慮混凝土標號、抗?jié)B、抗凍等關鍵的指標外,還需做好均質(zhì)性指標的控制工作。混凝土質(zhì)量管控貫穿至施工全流程中,例如拌合、運輸、澆筑階段均不可出現(xiàn)混凝土質(zhì)量異常狀況。

4.2 妥善規(guī)劃施工時間,合理設計澆筑層厚度

由于澆筑時間、邊界條件、約束程度的不同,大壩各部位混凝土的溫度應力存在差異,妥善規(guī)劃施工時間是控制溫度應力的關鍵舉措,在應力得到有效控制后,避免表面裂縫、貫穿性裂縫的出現(xiàn)。在本工程中,將混凝土澆筑時間段集中規(guī)劃在每年的4月-5月和9月-10月,此階段的溫度適中,適宜澆筑混凝土;6月-8月的環(huán)境溫度高,優(yōu)先安排在陰天、早晚時段施工;禁止在高溫季節(jié)及即將進入越冬期澆筑基礎墊層混凝土。根據(jù)前述規(guī)劃,本工程每年的施工時間僅為7個月,而為了滿足工期要求,不得已在6月-8月高溫季節(jié)施工,此時加強對溫度的監(jiān)測與控制,必須將溫度穩(wěn)定在合理范圍內(nèi)。

連續(xù)、均勻澆筑碾壓混凝土,優(yōu)先采取薄層、短間歇的方法?；A約束區(qū)、脫離基礎約束區(qū)的澆筑層厚度分別按1.5m、3.0m控制,保證各層厚度的均勻性;遇廊道或其他特殊部位時,視結(jié)構特點適當調(diào)整澆筑層的厚度。

4.3 應用制冷工藝,降低混凝土澆筑溫度

出機口溫度、運輸環(huán)節(jié)及倉面澆筑期間的溫度均屬于重點控制對象,具體做如下分析。

4.3.1 出機口溫度的控制

夏季環(huán)境溫度較高,混凝土出機口的溫度無法滿足現(xiàn)場澆筑的要求,因此聯(lián)合采取堆場初冷、冷水拌合、風冷粗骨料的方法,將混凝土出機口的溫度穩(wěn)定在合理范圍內(nèi)。

4.3.2 倉面澆筑時混凝土溫度的控制

盡可能縮短澆筑層覆蓋前的暴露時間,在不影響施工質(zhì)量的前提下盡快完成混凝土入倉作業(yè);針對澆筑的混凝土做碾壓處理,提升密實性,隨即覆蓋保溫材料。為優(yōu)化倉內(nèi)小環(huán)境,采取倉內(nèi)噴霧的方法,適度提高倉內(nèi)的濕度。

4.3.3 布設冷卻水管,通水冷卻降溫

溢流壩段基礎強約束區(qū),按水平間距0.75m、層間距1.5m布設冷卻水管;擋水壩段和發(fā)電引水壩段基礎強約束區(qū),按照水平間距1.0m、層間距1.5m布設冷卻水管;其他部位,冷卻水管的水平間距和層間距均取1.5m。

冷卻水管布設到位后,在新澆筑混凝土時通水,利用冷水降低混凝土的溫度。冬季環(huán)境溫度較低,盡可能減小混凝土的內(nèi)外部溫差,對于6月-8月高溫季節(jié)澆筑的混凝土,在10月下旬至11月上旬做二次通水冷卻,減小混凝土內(nèi)外部溫差,保證混凝土安全過冬。水管通水流量15L/min～20L/min,通水冷卻水溫穩(wěn)定在10℃～12℃,每24h互換一次進出水方向,通水時間持續(xù)15d～20d。

4.4 加強混凝土內(nèi)外溫差控制,有效防護混凝土表面

4.4.1 臨時保溫

大壩施工遇到寒潮,惡劣環(huán)境對混凝土結(jié)構產(chǎn)生嚴重的影響,施工時覆蓋2cm的聚氨酯保溫被,減小低溫環(huán)境對混凝土結(jié)構的影響。

4.4.2 永久保溫

重點針對壩體的上、下游表面采取永久保溫措施。上游面的保溫采用聚氨酯防滲涂層+XPS板+防腐面漆的綜合方案;下游面保溫采用XPS板+涂抹預裂聚合物砂漿+耐堿網(wǎng)格布的方案。

引水壩段下游面引水鋼管外部有薄層混凝土,此部分結(jié)構存在較強的拉應力作用,受力的影響,易產(chǎn)生表面裂縫。從結(jié)構的組成來看,以鋼筋和混凝土為主,缺乏足夠的抗裂能力,為使結(jié)構有效成型,建議采取永久保溫措施?？紤]到雨水、冰雪融水可能侵蝕結(jié)構內(nèi)部的情況,在表面涂刷防護材料,主動減小水對結(jié)構的侵蝕作用。

4.4.3 越冬面的保溫

越冬面采用等效放熱系數(shù)為29.79kJ/(m2·d·℃)的XPS板,厚度控制在8cm。首先,向越冬面鋪設0.6mm的塑料薄膜,再于上方設置XPS板,最后于外側(cè)設三防帆布。由于風力作用較強,越冬面的保溫材料可能被吹散,因此保溫后采取防風加固措施。

至于何時揭開越冬面保溫層是寒冷地區(qū)大壩工程施工中的重難點。若揭開時環(huán)境溫度偏低,將導致混凝土與環(huán)境產(chǎn)生明顯的溫差,外界環(huán)境中“冷擊”作用影響混凝土,尤其是表面,可見越冬頂面出現(xiàn)裂縫;若揭開時間偏遲,此時環(huán)境溫度較高,混凝土溫度與環(huán)境溫度的差值得到有效的控制,但施工工期延長,對于工期本就吃緊的項目而言并不具有可行性。因此,以適中的原則控制越冬面保溫層的揭開時間,宜在環(huán)境溫度等于或高于越冬頂面混凝土溫度時進行此項操作,此時在減小環(huán)境“冷擊”作用的同時還能夠縮短工期,兼顧工程質(zhì)量和效率的要求。

5 結(jié)語

綜上所述,碾壓混凝土壩的施工重難點豐富,項目建設在高寒地區(qū)時,由于環(huán)境因素的影響,工程難度隨之增加。在寒冷地區(qū)施工碾壓混凝土重力壩時,施工單位需明確環(huán)境特征,做好溫度控制和防裂工作,建設質(zhì)量可靠的碾壓混凝土重力壩。經(jīng)過本文有關工程實例的分析,提出一些溫控防裂措施,希望對同仁有參考作用。