混凝土坝温控防裂技术概述

摘 要: 混凝土坝温控防裂主要反映在坝体分缝分块、混凝土原材料优化和施工阶段防裂措施等几个方面,本文主要依据当前已建和在建的几个大型工程,综合分析和总结一般地区常态混凝土坝温控防裂基本技术措施,并对目前温控防裂技术措施进行了简单的探讨。

关键词: 混凝土坝 温控防裂技术 发展

1.概述

混凝土在现代工程建设,特别是水利水电工程中,占有重要地位。在水利水电工程中,大坝、厂房和隧洞衬砌混凝土都是温控防裂关键部位,随着不同坝型大坝的兴建,混凝土温度控制技术也在不断发展,其发展特点主要体现在:①工程建设中,建设各方对混凝土温控认知度、重视度的提高;②科研单位有限元温控仿真计算分析水平的提高;③施工单位责任、措施到位;④合理优化了混凝土配合比,减少了水化热温升。

目前,混凝土坝温控防裂已有了一套成熟的技术措施,其技术特点主要体现在:①有限元温控仿真计算分析水平较高。现在很多科研单位都可以进行温控仿真计算。②坝体混凝土内部最高温度控制措施多。如控制水泥用量,掺粉煤灰;风冷骨料,加冰拌合;运输过程中设遮阳蓬,控制温度回升;埋管通制冷水,表面保温等。③施工期温度监测手段准确合理。施工期坝体混凝土温度监测一般采用温度计和光纤光缆测温。④高标准、严要求,温控措施实施管理水平高。

本文主要依据上述特点对当前混凝土坝(除特殊地区、特殊大坝外)温控防裂技术作了简单的概括和探讨。

2.温控防裂综合措施

综合目前国内已建和在建的水利水电工程,混凝土坝温控防裂主要反映在坝体分缝分块、混凝土原材料优化和施工阶段防裂措施三个方面,具体分析如下。

(1)选择合理坝型及合理的分缝分块。

工程实践经验证明,大坝混凝土结构裂缝,绝大部分与温度应力有关,坝型选择时应考虑温度对不同大坝坝型的影响,尽量根据坝址气温条件,选择有利于大坝防裂的坝型,如寒冷、日温差较大地区不宜修建薄拱坝,拱坝防裂关键问题之一就是防止表面裂缝,薄拱坝受外界气温影响较大,容易产生裂缝。另外,混凝土坝应进行合理的分缝分块,分缝一般以横缝和纵缝为主,分缝分块应考虑坝址气候条件、坝体结构与施工水平,并应进行有限元温度应力的敏感性分析及温控仿真分析。根据已有工程经验,横缝一般以20m左右为宜,纵缝以30m―50m为宜,缝面宜采用直缝。国内典型工程坝体分缝见表1。

(2)混凝土原材料优化。

①提高混凝土自身抗裂能力

混凝土自身抗裂能力的影响因素有干缩变形、自身体积变形、极限拉伸值、抗拉强度、弹性模量、水化热温升、施工均质性指标、强度保证率与骨料的线膨胀系数等,综合各因素与混凝土抗裂能力的关系见表2,国内典型工程混凝土施工配合比见表3。

表2 混凝土抗裂能力与其影响因素关系表

表3 国内典型工程混凝土施工配合比

②控制混凝土水化热

采用发热量较低的水泥和减少单位水泥用量是降低混凝土水化热的最有效措施。在当前水电工程中,减少单位水泥用量主要措施有改善骨料级配、采用低流态混凝土、掺粉煤灰和采用减水缓凝型外加剂。目前大坝混凝土单位水泥用量与上世纪八九十年代相比(参见表4),单位水泥用量减少了30kg/m3左右,相应粉煤灰掺量提高了15kg/m3左右。

表4 国内典型工程混凝土材料水泥用量对比表

③控制混凝土自身体积变形

混凝土自身体积变形有收缩和膨胀,一般情况下膨胀作为混凝土抗裂能力的安全储备,但混凝土自变为收缩时,温控计算应考虑这一因素,在自变收缩较大情况,应优化混凝土性能,尽量采用微膨胀性混凝土(补偿收缩混凝土)。目前采用推广的微膨胀混凝土有两种,即掺MgO混凝土或掺膨胀水泥混凝土。水利水电工程中一般在消力池、溢流面、大坝基础、深槽及堵头等部位采用补偿收缩混凝土,且掺量一般为3%―5%,国内水电工程掺MgO实例见表5。

表5 国内水电工程采用补偿收缩混凝土实例表

(3)施工防裂控制措施。

①合理安排施工程序及施工进度

合理地安排施工程序及施工进度是防止基础贯穿裂缝、减少表面裂缝的主要措施之一。根据大坝混凝土温度应力分布特点,基础部位混凝土尽量安排在低温季节施工,并不应出现薄层长间歇,而应在设计的间歇期内连续均匀上升。目前工程中影响基础部位混凝土连续薄层上升的因素主要有固结灌浆和施工组织两个方面,因此,合理地安排固灌和浇筑仓面的关系也是温控防裂的重点之一。另外,各坝段、坝块应在允许的高差下同步上升,避免出现过大的高差。

②控制坝体最高温度

控制坝体最高温度是坝体防裂关键技术之一,其控制措施主要有控制出机口温度、减少混凝土运输过程中温度回升、通水冷却与表面养护等。目前水利水电工程中,常态混凝土出机口温度可控制在7℃左右,在混凝土运输过程中一般采用遮阳棚保温,通水冷却水温一般为8―10℃,流量为25―30L/min,表面养护采用流水或洒水养护。国内典型水电工程大坝基础混凝土允许最高温度统计见表6。

表6 国内典型水电工程大坝基础部位混凝土允许最高温度表

注:各工程大坝混凝土允许最高温度均取较严部位。

③表面保护

实践经验证明,大体积混凝土所产生的裂缝大部分为表面裂缝,引起表面裂缝的原因主要是干缩和温度应力。干缩裂缝的主要靠养护消除,气温骤降、温差变化一般发生在低温季节,气温骤降、温差变化引起的温度应力主要靠表面保护解决。表面保护一般在秋、冬季节交替之时和冬季进行,当前水电工程中表面保温材料一般选用聚乙烯泡沫卷材和苯板。国内典型水电工程采用保温材料及厚度统计见表7。

表7 国内典型水电工程采用保温材料及厚度统计表

3.温控技术发展探讨

(1)混凝土原材料、配合比的研究。

从二十世纪七十年代的100m混凝土坝到现在的300m级混凝土坝,大坝混凝土材料技术取得了已经取得了一定的成就。目前我国水电开发逐渐迈向西北、西南等地质条件复杂、气候条件恶劣的地区,对于混凝土及原材料又提出了新的课题。为保证我国水电资源的可持续性发展,应发动全行业技术力量,提早进行恶劣条件下的混凝土及原材料的研究。

(2)仿真系统与施工监测系统的拟合。

目前我国各科研单位都具备温控仿真分析的条件,计算理论和程序模式都相差不大,但缺乏理论与实际的结合。目前温控仿真分析主要在前期设计时进行,很少进行施工阶段跟踪反馈分析,且没有跟施工期监测相挂钩。混凝土温控防裂应形成一套统一的系统,更具数字化控制与统计,使其能够进行前期设计分析、现场预测、预警、复核及反馈分析等。

(3)出机口温度、温控标准简化。

温控设计时,出机口温度、温控标准应简化。对大坝混凝土应设计两种出机口温度,即基础约束区部位和脱离约束区,不宜设计过多出机口温度标准,出机口温度标准设计过多,会造成施工控制复杂、进度缓慢、影响施工质量等问题。另外,温控标准也应进行适当简化,不宜针对每个坝段提出相应的温控标准,应根据大坝各坝段边界条件相似性,制定统一温控标准,如混凝土重力坝,提出河床坝段、岸坡坝段和特殊部位标准即可,温控标准按最严部位(坝段)实施。由于受混凝土系统和温控措施限制,即使针对不同坝段提出不同温控标准,施工时也基本都是按统一标准实施的。

(4)增加温控基本措施试验。

目前水电工程中的现场混凝土试验基本都没有进行温控防裂措施的前期试验工作,应增加此部分试验工作。混凝土浇筑前期可根据设计温控标准与推荐温控措施,进行温控措施试验,以便更好地指导混凝土施工,避免混凝土施工时温控措施选用的盲目性。

参考文献:

[1]朱伯芳.大体积混凝土温度应力与温度控制[M].北京:中国电力出版社,1999.

[2]张超然,王忠诚,戴会超等.三峡水利枢纽混凝土工程温度控制研究[M].北京:中国水利水电出版社,2001.

[3]彭立海,阎士勤,张春生等.大体积混凝土温控与防裂[M].郑州:黄河水利出版社,2005.

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