长洲水利枢纽工程混凝土热学性能试验研究.pdf

交流与探讨 GUANG XI DI AN YE 虞 它 谍 长洲水利枢纽工程混凝土热学性能试验研究 林康 ( 广西水电科学研究院， 南宁市5 3 0 0 2 1 ) 【 摘要】对长洲岛水利枢纽工程混凝土的力学性能、 热物理学性能和变形性能进行了试验研究， 为该工程混凝土温度、 应力 计算提供 了参数， 为现场混凝土温度应力控制提供了依据。 【 关键词】混凝土； 热学性能 1 前 言 在大体积混凝土f 如大坝内部混凝 土) 施工过程 中， 水泥要散发大量水化 热，由于白天与晚上温差大，混凝土 表面和内部产生的温差也大 ，在混凝 土表面引起拉应力 ；在后期降温的过 程 中，混凝土 内部产生收缩 ，又会在 内部出现拉应力 ，当这些应力超 出混 凝土的抗裂能力时，易引起混凝土裂 缝 而影 响混凝 土 的耐久 性 ，因此 有必 要对混凝土的热学性能进行试验研究。 2 热 学性 能与 混凝 土裂 缝 的 关 系 2 1 混凝土裂 缝是建筑 工程 中普遍存 在 的问题 产生裂缝 的原 因主要有 以下三种 2 I I 收缩裂缝 混凝土的收缩引起 收缩裂缝 。收 缩的主要影响因素是混凝土中的用水 量和水泥用量，用水量和水泥用量越 高，混凝土的收缩就越大。选用水泥 品种的不同，干缩 、收缩的量也不同。 混凝土逐渐散热和硬化过程引起 的收缩 ，会产生很大的收缩应力。如 果产生的收缩应力超过 当时的混凝土 极限抗拉强度 ，就会在混凝土中产生 收缩裂缝。在大体积混凝土里，即使 水灰比并不低，自身收缩量值也不大， 但是它与温度收缩叠加到一起，就要 使应力增大 ，所以在水工大坝施工时 早就将 自身收缩作为一项性能指标进 行测定和考虑 。 2 I 2 温差裂缝 混凝土内外部温差过大会产生裂 缝 。主要影响因素是水泥水化热引起 的混凝土内部和混凝土表面的温差过 大 。特别是大体积混凝土更易发生此 类裂缝 。 大体积混凝土结构一般要求一次 性整体浇筑。浇筑后，水泥因水化引 起水化热，由于混凝土体积大 ，聚集 在内部的水泥水化热不易散发 ，混凝 土内部温度将显著升高 ，而其表面则 散热较快 ，形成 了较大的温度差 ，使 混凝土内部产生压应力，表面产生拉 应力。此时，混凝龄期短，抗拉强度 很低。当温差产生的表面抗拉应力超 过混凝土极限抗拉强度，则会在混凝 土表面产生 裂缝 。 2 I 3 安定性裂缝 安定性裂缝表现为龟裂，主要是 因水泥安定性不合格而引起的。 2 _ 2预防措施 思路 ：从材料选择和混凝土配合 比设计方面考虑 2 2 I 根据实际工程结构的要求 选择合适的混凝土强度等级及水泥品 种 、等级。 2 2 2 选用级配优 良的砂 、石原 材料，含泥量应符合规范要求。 2 2 3 积极采用掺合料和混凝土 外加剂。掺合料和外加剂 目标 已作为 混凝土的第五、六大组份 ，可以明显 地起到降低水泥用量 、降低水化热 、 改善混凝土的工作性能和降低混凝土 成本的作用。 2 2 4 对 成 型后 的混 凝土 进 行热 学性能测试，找出其中的规律性 ，以 便对指导工程的设计提出可靠的依据。 3 工程 实例 3 1 长洲水利枢纽工程概况 长洲水利枢纽坝址位于珠江流域 西江水系干流浔江河段，在广西梧州 市上游 1 2 k m的浔江干流上 ，坝线横贯 长洲岛和泗化洲岛。长洲水利枢纽工 程是国务院批复的 ( 珠江流域综合利 用规划 中列为重点开发的项 目，是 一 座以发电、航运为主，兼有灌溉 、 养殖等综合效益的水利枢纽工程。主 要建筑物有混凝土泄水闸、混凝土重 力坝、左右岸接头坝 、土石坝 、河床 式厂房 、开关站 、船闸、鱼道等。校 核洪水位时库容为 5 6亿 IT I ， ，正常蓄水 位 时库 容 为 1 8 6亿 IT I ， 电站总 装机 6 3 0 M W， 船 闸最 大 设 计 船 型 吨 位 1 0 0 0 t ，工程的等级属一等工程。本工 程 的 混 凝 土 总 量 约 2 1 2万 IT I ， 左 岸 ( 内江)工程混凝土最高浇筑强度约 4 4 6万 m3 月，右岸 ( 中江、外江)工 程混凝土最大浇筑强度约 6 7 5万 m 3 月 。 3 2长洲水利枢纽工程热学性能试验 2 0 0 7 8 ( 总 第 8 9 期 ) 团 维普资讯 店 弩 檬 交流与探讨 GUANG XIDI AN YE 3 2 1 热学性能试验内容 混凝土导温系数：混凝土在受 热或冷却时，各部分温度趋于一致的 能力。 混凝土导热系数 ：在稳定传热 条件下，1 m厚的材料，两侧表面的温 差为 1度 ( K ， 。 C )， 在 1 小时内，通过 1 m： 面积传递的热量，单位为瓦 米 度 ( w， m K ， 此处的 K可用。 C代替) 混凝土比热：单位质量的某混 凝土温度升高或降低 I C 吸收的热量。 混凝土线膨胀系数 ：温度每变 化 1 度 ( K ， 。 C )混凝土长度变化的百分 率。 混凝土绝热温升值 ：在绝热的 条件下，混凝土在水化过程中的温度 变化及最高温升值。 此外 ，还进行 了混凝土的抗压强 度、劈裂抗拉强度 、抗压弹性 模量 、 轴心抗拉强度及极限拉伸值的测定。 3 2 2 混凝土配合比 原材料 ：水泥为广西华润红水 河水泥有限公司生产的红水河牌普通 4 2 5水泥( 3 d抗 压强度 2 3 0 MP a ，2 8 d 抗压强度 4 9 3 MP a ) ；粉煤灰为广西来 宾 B电厂生产的 级灰 夕 加剂为江苏 省建科院混凝土外加剂厂生产的J M一 缓凝高效减水剂以及为该试验项 目专 门配制的混合河砂 ( 中砂 ，细度模数 2 6 ) 、混 合 卵石( 骨 料最 大粒 径 为 8 0 m m) 。以上原材料检测结果均达到相 关规范技术要求。 混凝土配合比：本次试验选用 两种混凝土 ( C 1 0 、C 2 0三级配)进行 试验。具体配合比参数见表 1 。 3 2 3 试验结果 力学性能试验结果见表 2 。 从表中可以看 出，作为主要指标 的抗压强度均达到了设计要求 ，其余 的指标作为设计参考参数。 部分热学性能试验结果及绝热 温升试验结果分别见表 3 、表 4 。 混凝土绝热温升根据试验结果拟 合的双曲线公式如下 ： C 1 0三级 配 ：T r = 1 9 5 t ( 0 9 6 + t ) R Z = 0 9 9 9 8 固 2 0 0 7 8 ( 总 第 8 9 期 ) C 2 0三 级 配 ：T r = 2 3 6 t ( 0 9 7 + t ) ， R2 = 0 9 9 9 6 式中：T r 一 绝热温升值， t 一 龄期 ，d 3 2 4 结果分析 C 1 0 三级配混凝土的热学性能为 湿筛掉大于 4 0 mm骨料后的试验结果 ， C 2 0 三级配混凝土的热学性能为全级配 试验结果。本次试验的两组混凝土的 配合 比虽然不同，但 由于骨料为同一 种类 ，其各项热学性能差异不大。 从混凝土的导温系数得知 ，相 比较一般的材料 ，混凝土的热传导性 能极差。而混凝土在浇筑硬化过程中， 很难在短时问内将大量热量散发 ，内 部混凝土的非线性温度场， 限制混凝土 在降温阶段的自由收缩， 产生拉应力， 这 种拉应力极有可能由表面裂缝发展成 深层裂缝或贯穿裂缝 。因此 ，对混凝 土的导温系数的测定关系到如何有针 对性的提供有效施工和结构措施的预 防工作。 混凝土的热量是由水泥的水化 过程放热所致， 因而水泥品种和用量 ( 决定于混凝土强度等级)不同， 混合材 料品种及用量不同， 绝热温升也就不同， 这是混凝土热量的主要来源。混凝土 绝热温升试验有助于了解混凝土的放 热过程 ，从而为混凝土不同时间的温 控提供参考。 从混凝土的绝热温升试验看 出， 前 7 d混凝土的水化放热十分明显 ，绝 热温升值不断攀升 ，从 7 d开始到 2 8 d ， 混凝土的温升速率变得缓慢。试验结 果为施工方在混凝土保养方面提供了 重要的参考依据。混凝土养护过程的 温度控制措施 ，如三峡工程混凝土养 护过程的温度控制措施有： 混凝土冲毛 后， 可派专人落实表面洒水养护工作， 养 护时间为 2 8 d ， 以降低混凝土温度， 防止 混凝土干缩； 混凝土浇筑后， 及时铺设湿 草垫， 在混凝土初凝后， 不问断洒水进行 保湿养护 ；有条件的部位采用蓄水或 流水养护， 侧面形成水幕养护； 加强混凝 土的温控养护和冬季保温等。在不同的 时期采取不同的措施 ， 避免因气温骤降 而引起混凝表面急剧降温，导致混凝土 内部与外部产生较大的温度梯度， 从而 达到保持混凝土耐久性的目的。 4 结 语 4 1 对于混凝土热量扩散起决定 作用的是混凝土的导温系数， 它是反映 混凝土热量扩散的一项综合指标。导温 系数愈大 ， 愈有利于热量的扩散。其大 小主要取决于混凝土中的骨料成分。 4 - 2 导热系数是表示热量在物体 中的流动速度。对于大体积混凝土而 言， 骨料( 特别是骨料的矿物成分) 是影 响混凝土导热系数的主要因素， 导热系 数愈大传热能力愈强。由试验结果可以 看出， 骨料一致时， 导热系数的试验结 果相差不 大。 4 3 混 凝土 的线 膨胀 系数主要 取 决于骨料本身的热膨胀系数 ，由于骨 料种类不同，骨料本身的热膨胀系数 差别较大 ，也影响混凝土的线膨胀系 数的变化 。 4 4 混凝土的绝热温升是 由水泥 水化引起 的，故水泥用量的大小直接 影响混凝土绝热温升的大小。 4 5 本次试验虽内容不多， 但揭示 了混凝土热学性能研究的必要性 ， 在今 后的工作中， 还将继续对该方面进行更 多的研究， 争取提供更多的资料 ， 为工 程建设质量多添一份保障。 4 6 本次试验的检测结果已经提 交长洲水利枢纽 工程的勘察设计方 ， 为该工程的设计施工起到了积极的作 用 。 参考 文献 1 】马训义， 黄麟芬。乐滩水电站混 凝土工程温控设 计。红水河 ，2 0 0 6( 2 ) 。 2 余学芳 ， 董 邑宁 。粉煤 灰混 凝土 的热学 性能研究 。混凝土 ，2 0 0 3 f l o ) 。 3 】杨富亮。三峡工程混凝土的温度 控制措施。水利水电科技进展，2 0 0 2( 1 o ) 。 4 】 何真， 李北星， 梁文泉。三峡 工程永久船闸输水洞衬砌混凝土热学与变形 性能试验研究。混凝土。2 0 0 1( 1 ) 。 维普资讯 交流与探讨 表 1 混 凝 土 配 合 比 GUANG XI DI AN YE 店 孥 景 混凝土材料用量 ( k g m ) 强度等级 坍落度( mm) 水 泥 粉煤 灰 砂 石 外加剂 水 CI O三级配 1 0 6 7 1 6 1 7 1 5 7 0 0 8 8 5 1 0 4 5 0 7 0 C 2 0三级配 1 3 7 7 1 5 6 8 1 5 9 3 1 0 4 1 0 4 5 0 7 0 备注 三级配卵石 比例 为：( D 8 0 ： D 4 0 ： D 2 0 ： 4 5 ： 3 0 ： 2 5 ) 表 2混凝土力学性能试验结果 抗压强度 劈裂抗拉 强度 抗压弹模 轴心抗拉强 极限拉伸值 ( M P a ) ( M P a ： ( 1 0 M P a ) ( M P a ) ( 1 0 I 4 ) 强度等级 7 d 2 8 d 9 0 d 7 d 2 8 d 9 0 d 2 8 d 9 0 d 2 8 d 9 0 d 2 8 d 9 0 d C I O三级配 9 5 1 6 2 2 1 3 0 9 2 1 2 8 1 5 6 1 7 9 2 1 2 1 4 2 1 7 9 0 6 9 0 7 5 C 2 0三级配 1 7 7 2 7 6 3 3 7 1 4 2 2 0 3 2 5 5 2 2 8 2 6 6 1 8 2 2 4 1 0 8 2 0 8 7 备注 三级 配卵石比例为：( D 8 0： D 4 0 ： D 2 0 ： 4 5 ： 3 0 ： 2 5 ) 表 3混 凝 土 热 学 性 能试 验 结 果 导温系数 a 比热 C 导热系数 k 线膨胀系数 强度等级 m 。 h J ( ) W ( m h) a1 0 C I O三级配 0 0 0 4 7 2 2 9 7 1 3 4 3 5 4 9 1 0 9 C 2 0三级配 0 0 0 5 3 6 8 9 5 4 5 9 3 5 2 4 1 1 2 计算比热时取 0 = 3 0 C 。附部分材料的导温系数：铝为 2 0 3 ，钢为 5 8 ，P V C塑料为 0 1 4 ， 备 注 木材为 0 2 0 0 2 8 ，玻璃钢为 0 4 0 5 。 表 4混凝土绝热温升试验结果 强度等级 C 1 0 三级配 C 2 0 三级配 入仓温 度 2 1 8 2 1 _ 9 龄期( d ) 混凝土绝热温升 ( ) 1 75 78 2 1 21 137 3 1 4 5 1 6 6 4 1 5 8 1 8 3 5 166 1 9 4 6 1 72 20 2 7 1 76 207 1 0 1 8 1 2 1 5 1 4 1 84 2 21 2 1 1 8 7 22 4 28 1 88 225 2 0 0 7 8 ( 总 第 8 g 期 ) 固 维普资讯