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庶闪幸
5 years ago
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1 大坝混凝土抗裂性影响因素的分析陈改新姜福田 ( 中国水利水电科学研究院 ) 摘要 : 防止裂缝仍然是大坝混凝土技术的主要研究内容文章总结了作者对影响大坝混凝土抗裂性因素的一些认识, 如冷缩, 干缩自生体积变形和极限拉伸等极限拉伸值是评定大坝混凝土抗裂性的一个重要指标通过大幅度增加混凝土的水泥用量来提高混凝土的极限拉伸值是不切合实际的, 减少混凝土的体积收缩和降低绝热温升才是提高大坝混凝土抗裂性能的有效措施 1 引言新颁布的混凝土重力坝设计规范 DL [1] 规定在混凝土坝设计中用抗压强度等级 (C, P 95%) 代替抗压强度标号 (R, P 80%) 在实际工程施工中, 混凝土实测抗压强度普遍比设计验收抗压强度超强, 而大坝混凝土裂缝则依然较普遍存在但也有的坝裂缝甚少, 其关键是要认真对待每一个引起裂缝的因素在正常施工条件下, 大坝混凝土因结构应力引起的裂缝极少, 绝大多数裂缝是由于外界温湿度变化引起体积收缩造成的引起大坝混凝土裂缝的体积变形有约束条件下温度下降引起的冷缩应变混凝土表面湿度变化引起的干缩应变和混凝土自生体积收缩变形混凝土抵抗拉伸变形的能力称拉伸应变能力, 即极限拉伸大坝混凝土不发生裂缝的基本条件为 : t + sh + au p (1) 式中 : t 温度下降 (ΔT) 引起的冷缩应变, 自 ΔT=0 起始 ; sh 干缩应变, 自养护期终止开始 ; au 自身体积应变, 自浇筑后第 1 天开始 ; p 极限拉伸值, 以收缩发生时混凝土龄期计公式 (1) 左端 3 个参数可能不同时发生, 计算时应根据工程实际条件进行分析 2 冷缩应变水泥水化放热使混凝土温度升高, 产生体积膨胀, 因受到约束而产生压缩应变此时混凝土塑性较大, 压缩应变大部分为其塑性变形所消耗到后期混凝土冷却, 温度下降, 发生体积收缩, 冷缩应变受到约束, 容易使混凝土开裂混凝土冷缩应变可用公式 (2) 表示 : t =KαΔT (2) 式中 : t 冷缩应变,μ; K 与混凝土浇筑块尺寸基岩约束边界条件徐变等因素有关的系数, 对基础混凝土约为 0.5; α 热胀系数,μ/ ; ΔT 温差, 公式 (2) 说明降低冷缩应变有 3 条途径 :(1) 选择骨料料源时应选用热胀系数低的骨料拌制混凝土, 用不同类别骨料拌制混凝土的热胀系数差别较大, 见表 1 [2] (2) 适当降低水泥用量, 减少温升值, 从而降低降温幅度 (3) 表面保温, 减少内外温差

2 表 1 各种骨料混凝土的热胀系数骨料种类白云石花岗岩石灰岩砂岩热胀系数 (10-6 / ) 6.0~ ~ ~ ~ 干缩应变要了解混凝土干缩应变, 首先要了解混凝土内部湿度变化的基本规律和变形与相对湿度的关系混凝土内部相对湿度分布的规律和温度场相似, 可以较好地服从扩散方程与混凝土的温度场和温度应力相比, 有关混凝土的湿度场及其干缩应变, 人们了解得还很少, 有关参数及边界条件往往不易确定因此, 对于混凝土干缩应变和干缩应力的分析, 通常采用经验系数估算法为把试验室干缩试验结果 ( 试件尺寸 cm, 相对湿度 60%) 应用到实际工程中去, 国内外学者提出了多种估算混凝土干缩的方法, 如欧洲混凝土委员会 / 国际预应力联合会 (ECB/FIP) 方法美国混凝土学会 (ACI) 方法日本土木学会 (JCI) 方法等这些估算方法都采用多系数表达式, 以室内试验结果回归出来的干缩与龄期的关系表达式为基础, 考虑实际工程结构所处的环境温度湿度混凝土配合比养护方法结构断面尺寸及含筋率等因素, 乘上相应的修正系数, 得出混凝土结构的干缩值 [3] 在多种估算方法中我们选用了英国水泥和混凝土协会的 Parrott 图表法, 该方法适用于高质量密实不收缩的骨料, 有效用水量 160kg/m 3 ( 接近四级配大坝混凝土湿筛后单方用水量 ) 设定相对湿度为 50~82(%), 结构有效厚度为 0.2m, 查图得出 180d 龄期和 30 年龄期混凝土的干缩值列于表 2: 表 2 混凝土 180d 龄期和 30 年龄期的干缩估算值龄期相对湿度 (%) 干缩 (10-6 ) 平均值 (10-6 ) 180d 年粗略估算, 大坝混凝土表层 (0.2m 以内 ) 龄期 180d 干缩应变约为 60~70μ,90d 龄期约为 50~60μ 由此说明应重视对大坝混凝土表面的保湿养护 4 自生体积应变混凝土在约束条件下收缩是导致混凝土开裂的最主要原因, 利用混凝土自生体积膨胀变形, 可抵消部分有害的约束收缩, 这是一个来自工程实践的好理念 1977 年修建的白山拱坝, 使用了抚顺中热硅酸盐水泥, 其 MgO 含量为 4.3%, 通过埋在坝内的无应力计观测, 混凝土的自生体积变形为膨胀变形混凝土浇筑 7 天内自生体积变形为收缩, 之后开始膨胀, 半年内发展较快, 达 50μ, 1 年后膨胀变慢当大坝混凝土温度下降冷却时, 自生体积膨胀应变抵消了部分冷缩应变, 使收缩应变未超过当时混凝土的极限拉伸值, 因此避免了大坝混凝土开裂白山拱坝实测基础温差 40, 但没有发现基础混凝土产生贯穿性裂缝, 原因就在于此尔后我国研究开发了大坝混凝土外掺 MgO 微膨胀剂 90 年代初在主体工程应用, 如东风拱坝基础深槽回填, 青溪坝水口坝基础, 铜街子坝厂坝结构段及导流底孔封堵等近年来, 也有的混凝土面板堆石坝采用硫铝酸盐膨胀剂, 配制补偿收缩混凝土, 解决面板混凝土的收缩开裂问题硫铝酸盐膨胀剂在水工混凝土中的应用尚处在试用阶段, 有待进一步观测和总结经验

3 自生体积应变 (10-6 ) 近年来研制出的混凝土减缩剂, 是一种水溶性聚合物外加剂, 已在道路工程试用中国水利水电科学研究院也在进行此项研究, 试图用于大坝混凝土, 以提高其抗裂性图 1 是国内有代表性的几种膨胀剂的自生体积应变试验结果从图 1 可将混凝土的自生体积应变分为 3 种类型 :(1) 膨胀型, 又分为早期膨胀型, 曲线 4 和延时膨胀型, 曲线 2 3;(2) 先胀后缩型, 曲线 1;(3) 收缩型, 曲线历时 ( 天 ) t + sh + au = k 令公式 (1) 左端, 试图 1 几种膨胀剂的典型自生体积变形曲线分析自生体积应变 ( au ) 属于哪种类型对大坝混凝土抗裂性有利, 结果见表 3 从表 3 的分析结果可以得出两点建议 : (1) 设计大坝混凝土配合比时, 可通过调整水泥化学成分中 MgO 含量, 掺加特种外加剂添加料等方法, 使混凝土产生自生体积膨胀变形, 以增强大坝混凝土的抗裂性 (2) 大坝外部混凝土采用保温措施是防止表面裂缝的重要手段表 3 自生体积变形类型对大坝混凝土抗裂性的影响分析降温时期 k 的变化使用部位对大坝混凝土抗裂性的影响 t sh au k 基础和约束区 ( ) 0 ( ) 增大不利, 收缩叠加, 如 k >p 会开裂大坝内部 ( ) 0 (+) 减小有利, 胀缩抵消, 减少贯穿裂缝几率无表面 ( ) ( ) ( ) 增大不利, 遇到寒潮, 表面裂缝会发生大坝保温措施 ( ) ( ) (+) 减小有利, 遇到寒潮, 表面裂缝出现几率较大外部有表面量减小趋于 0 ( ) 增大不利, 当 k >p 时会出现裂缝保温措施量减小趋于 0 (+) 减小有利, 最有效防止大坝混凝土开裂方案表注 : 负号 ( ) 表示收缩, 正号 (+) 表示膨胀 5 大坝混凝土的极限拉伸值公式 (1) 表明, 极限拉伸值是评定大坝混凝土抗裂性的重要指标进行大坝混凝土温度应力计算及裂缝控制时, 往往会采取提高混凝土极限拉伸值的方法来满足防止裂缝的目的混凝土有其物性, 脆性材料的特征是难以改变的所以, 大坝混凝土极限拉伸值选用多少合适, 值得讨论 5.1 混凝土极限拉伸测试方法极限拉伸值可由直接拉伸混凝土试件试验测定, 计算时不必作任何理论上的假定, 测定结果接近混凝土实际应力应变状况进行混凝土轴向拉伸试验时要做到 :(1) 荷载沿轴向施加, 在试件断面上产生均匀的拉应力, 沿试件长度方向有一均匀应力段, 并且断裂发生在均匀应力段的概率要高 (2) 试件形状应易于制作, 费用低 (3) 试件夹具与试验机的连接简单易行, 且能重复使用国际材料与结构试验协会 (RILEM) 推荐采用试件两端用粘结剂粘结拉板的拉伸试验方

4 法, 但多数研究者认为粘贴手续烦琐时间冗长, 试验偏心问题依然存在国外对轴向拉伸试验方法的研究者众多, 但是还没有一种试验方法被权威性规范所接纳, 美国材料试验学会 (ASTM) 尚未发表有关混凝土轴向拉伸试验方法的标准我国水工混凝土试验规程 DL/T [4] 规定了极限拉伸试验方法, 但在试验过程中仍未能完全消除应力集中和偏心受拉等技术性问题, 致使极限拉伸试验误差偏大, 测值有较大的波动性 5.2 混凝土极限拉伸的特性试验表明, 混凝土轴拉强度与灰水比呈线性关系, 当用水量不变时随着水泥用量增加轴拉强度增加, 见图 2 但是, 混凝土极限拉伸与灰水比并不呈线性关系, 而呈指数函数关系, 即当水泥用量超过某一限值, 极限拉伸随水泥用量的增加变缓, 见图 3 亦即增加水泥用量获得的极限拉伸增量不足以抵消由水泥水化热温升增加而引起的冷缩变形 d, 坝 1 90d, 坝 d, 坝 1 90d, 坝轴拉强度 (MPa) d, 坝 1 7d, 坝 1 28d, 坝 2 7d, 坝 2 极限拉伸 ( 10-6 ) d, 坝 1 7d, 坝 1 (90) (75) (75) (80) 28d, 坝 2 7d, 坝 2 (90) (100) 灰水比 (C/W) 灰水比 ( C/W) 图 2 混凝土轴拉强度与灰水比的关系图 3 混凝土极限拉伸与灰水比的关系不同工程的混凝土原材料和设计技术指标不同, 经过试验都会寻找出一个与其相适应的水泥用量限值以龙滩大坝为例, 试验确定大坝下部碾压混凝土的水泥用量限值为 80kg/m 3,80kg/m 3 以下水泥用量增加极限拉伸增长比较明显,80kg/m 3 以上时增加水泥用量所取得极限拉伸增量抵偿不了水化热温升所产生的体积变形根据试验结果, 每增加 10kg/m 3 水泥用量, 混凝土绝热温升大约增加 2, 实测龙滩大坝混凝土热线胀系数为 /, 按公式 (2) 计算, 令 k=0.5, 则 Δt= =6μ, 而混凝土极限拉伸值只增加 2-3μ 显然用增加水泥用量方法来提高混凝土极限拉伸值是不可取的 5.3 大坝混凝土极限拉伸值设计龄期和大坝表面保温大坝混凝土裂缝可分为基础 ( 约束区内 ) 裂缝和表面裂缝两种从裂缝产生原因分析, 基础裂缝产生于大坝降温期, 发生时间多在浇筑 90 天以后, 所以极限拉伸设计龄期采用 90 天较为合理大坝表面发生裂缝的原因比较复杂, 除冷缩变形外还有干缩, 特别是夏末秋初浇筑的混凝土, 脱模后, 表面受外界随机因素的影响较多据多个大坝裂缝调查资料统计, 寒流袭击是大坝表面发生裂缝的主要原因, 所以对防止表面裂缝规定 28 天龄期极限拉伸值无实际工程意义, 起不到控制表面裂缝的作用采用表面长期保温措施防止发生表面裂缝是行之有效的表面保温同时又具有保湿的作用从表 3 的分析可以看出, 大坝表面保温能缓冲外界气温骤降对混凝土的冲击, 使温度应变 t 量减小, 干缩应变 sh 趋于零, 从而减少表面产生裂缝的几率有的工程将大坝混凝土极限拉伸设计龄期定为 28 天, 取用 80-85μ, 势必要通过增加水泥用量来增加混凝土的 28 天极限拉伸值, 这是不可取的

5 多个工程实践表明, 混凝土是脆性材料, 早期极限拉伸值较低, 大坝混凝土极限拉伸值设计龄期取用 90 天是合理的防止大坝混凝土表面裂缝应采取表面保温措施, 而不是依靠提高早期极限拉伸值 6 优化大坝混凝土的胶凝材料体系混凝土大坝中存在有两种类型的温差一种是指由胶凝材料水化放热引起的最高温升与大坝的最终稳定温度之差, 第二种是指由于散热引起的大坝外部混凝土与内部混凝土的温度之差由寒潮侵袭引起的第二类温差往往会导致大坝混凝土发生表面裂缝, 但可以采取长时间的表面保温避免而由第一类温差引起温度裂缝则会损害大坝的整体性, 进而影响大坝的安全性因此必须采取措施将第一类温差控制在允许温差范围内, 如降低混凝土浇筑温度, 减少水化热温升, 埋设冷却水管对混凝土进行后冷却等, 其中优化大坝混凝土的胶凝材料体系是降低大坝混凝土绝热温升的经济有效措施 [5] 6.1 水泥粉煤灰和石粉碾压混凝土中的三元粉体体系水泥粉煤灰和石粉组成三元粉体体系, 加水搅拌制成浆体一部分水被吸附在粉体颗粒表面, 称吸附水 ; 另一部分填充在粉体颗粒空隙中, 称空隙水 ; 剩余部分为自由水空隙水量和自由水量的变化影响浆体流变性如果水泥粉煤灰和石粉三者颗粒间发生填充效应, 优化流程 1 2- 优化流程 2 颗粒间的空隙减小, 使空隙水减少, 自由水增加, 则浆体的流变性能增大反之, 浆体的流变性能下降 7 把混凝土中的浆体作为一个独立单元取出, 研究水泥粉煤灰和石粉三元粉体体系对浆体流变性的影响是一个新的理念, 这在以往的混凝土配合比设计方法中没有提及以龙滩大坝碾压混凝土配合比石粉优化为例, 将碾压混凝土浆体当作一个独立单元, 用 Marsh 流动度计测定浆体流动度, 试石粉含量 ( %) 验结果见图 4 Marsh 流动度最低者, 石粉图 4 石粉含量对碾压混凝土浆体流变性能的影响填充效应最好, 该石粉含量称为最优石粉含量 Marsh 流动度 (s) [5] 6.2 石粉含量优化方法对于一个给定的, 能满足设计要求的混凝土配合比, 可按以下步骤进行石粉取代粉煤灰的优化试验第一步, 保持水泥用量不变, 用石粉取代粉煤灰, 测定浆体流动度和检验石粉含量增加对混凝土和易性和抗压强度的影响第二步, 保持水泥用量和粉煤灰用量不变, 增加人工砂中石粉含量, 测定浆体流动度和检验石粉含量增加对混凝土和易性和抗压强度的影响

6 第三步, 从上述两步试验中选出 1-2 个配合比, 进行力学性能极限拉伸和耐久性试验, 选出优化混凝土配合比以龙滩大坝混凝土配合比优化设计为例 : (1) 根据设计要求的极限拉伸值, 确定不同部位大坝混凝土的水泥用量如下 : 使用部位上游面 RCC 坝体下部 RCC 坝体中部 RCC 基础常态设计龄期 (d) 设计极限拉伸 (10-6 ) 水泥用量限值 (kg/m 3 ) (2) 从充分发挥粉煤灰活性效应理念, 确定活性效应最高的粉煤灰用量如下 : 部位上游面 RCC 坝下 RCC 坝中 RCC 基础常态活性效应最高的粉煤灰用量 (kg/m 3 ) 按石粉填充效应观点, 龙滩大坝碾压混凝土人工砂的石粉含量宜为 18±2(%) 通过用石粉代替胶凝材料的优化将大坝碾压混凝土的胶凝材料 ( 水泥粉煤灰 ) 用量降低了 20~40kg/m 3 在景洪碾压混凝土重力坝的建设中, 由于当地极度缺乏经济可用的粉煤灰, 研究了一种由水泥磨细锰铁矿渣和石灰石粉组成的三元胶凝材料体系经过大量的试验研究, 选定的碾压混凝土配合比采用了由 34% 水泥,23% 磨细锰铁矿渣和 43% 石灰石粉组成的三元复合胶凝材料 7 结语防止裂缝仍然是大坝混凝土技术的主要研究内容大坝混凝土配合比设计应通过调整水泥化学成分中 MgO 含量掺加外加剂和添加料等方法, 使混凝土能产生膨胀型自生体积变形, 以增强大坝混凝土的抗裂性表面保温是防止大坝外部混凝土发生裂缝的重要手段极限拉伸值是评定大坝混凝土抗裂性的一个重要指标选定大坝混凝土极限拉伸值和设计龄期时要考虑混凝土材料的脆性特征, 权衡得失混凝土极限拉伸的设计龄期选用 90d 比较合理应该尽可能采取措施防止危害性温度裂缝的发生优化大坝混凝土的胶凝材料体系, 降低绝热温升是防止危害性温度裂缝发生既经济又有效的措施参考文献 [1] 重力坝设计规范 DL , 中国电力出版社,2000 年 ; [2] 中国水利水电科学研究院 : 大体积混凝土, 水利水电出版社,1990 年,p.184; [3] 黄国兴, 惠荣炎 : 混凝土的收缩, 中国铁道出版社,1990 年, p ; [4] 水工混凝土试验规程 DL/T , 中国电力出版社,2002 年 ; [5] Chen Gaixing et al: Research on Optimization of RCC-paste System Incorporating High-volume Fly Ash, Proceedings of the 4th International Symposium On RCC Dams, Madrid, Spain, 2003.

年长江科学院院报骨料均为该工程料场生产的人工砂和人工碎石试验配合比本试验基准混凝土采用工程实际施工所用的配合比高掺量粉煤灰混凝土的配制采用等浆体体积法的思路按照上述公式计算可得到种混凝土的等效龄期种混凝土自由试件温度发展和自由应变发展如图所示降低用水量降低水胶比由此方

年长江科学院院报骨料均为该工程料场生产的人工砂和人工碎石试验配合比本试验基准混凝土采用工程实际施工所用的配合比高掺量粉煤灰混凝土的配制采用等浆体体积法的思路按照上述公式计算可得到种混凝土的等效龄期种混凝土自由试件温度发展和自由应变发展如图所示降低用水量降低水胶比由此方第卷第期年月ＶＮＤ长江科学院院报ＪＹｚｒＳＲＩｋｂ不同掺量粉煤灰混凝土热膨胀系数的确定赵志方陈建平王卫仑浙江工业大学建筑工程学院杭州深圳大学广东省滨海土木工程耐久性重点实验室广东深圳摘要为解决标准试验方法难以测定大坝混凝土早期热膨胀系数的难题采用温度应力试验以等效龄期为桥的种常态大坝混凝土的温度差与应变差曲线并分段进行线性拟合确