寒区面板混凝土早期裂缝抑制措施研究.pdf

2 0 1 4 年第 l 2 期 东北水利水电 水利科研 文章编号 1 0 0 2 -0 6 2 4 ( 2 0 1 4 ) 1 2 -0 0 5 1 -0 3 寒区面板混凝土早期裂缝抑制措施研究 黄如卉 ， 李艳萍， 雷秀玲 ， 李中田 ( 中水东北勘测设计研究有限责任公司， 吉林 长春 1 3 0 0 6 1 ) 摘 要】 蒲石河抽水蓄能电站地处寒区， 上库为面板堆石坝， 水位变化频繁。本文从混凝土的 变形机理进行分析， 讨论 了水泥、 膨胀剂、 高效减水剂、 引气剂、 聚丙烯纤维及粉煤灰等原材料 对混凝土抗裂性能的影响 ，基于大板试验结果，认为纤维和膨胀剂的共同作用抑制了混凝土 的开裂过程， 是抵抗混凝土开裂的有效途径之一。 关键词 】 寒区； 面板混凝土； 早期裂缝； 抑制措施； 蒲石河抽水蓄能电站 中图分类号 T V 6 9 8 2 3 1 文献标识码 A 1 概述 混凝土面板堆石坝以其就地取材、 施工方便、 工期短、 造价低 、 安全性好正在被国内外坝工界普遍重视 ， 而成为 当今筑坝技术的一大趋势。 但是， 由于面板堆石坝 的趾板是 座落于基岩上的混凝土薄板结构 ， 混凝土面板也是浇筑在 垫层斜坡的薄板 ， 厚度小而不均匀， 施工期裸露， 对环境温 度和湿度的变化影响较敏感 ，特别是基岩凹凸约束作用、 气温骤变和混凝土干缩将使趾板及面板较薄部位产生较 大的拉应变 ， 容易产生裂缝而影响混凝土的防渗效果。因 此， 对于以挡水为主要 目的的水工混凝土面板及趾板防裂 就显得尤为重要。 下面根据混凝土裂缝产生的机理 ， 结合蒲石河抽水蓄 能电站面板混凝土配合比试验 ， 从原材料优选和混凝土配 合比设计方面开展研究工作，通过混凝土大板裂缝试验 ， 论证混凝土原材料对混凝土抗裂性能的影响。 3 ) 骨料 ： 细骨料为天然河砂、 粗骨料为天然卵石。 河砂 细度模数为 2 8 O ， 属中砂 ， 颗粒级配良好。天然砂及粗骨料 品质符合 DL T 5 1 4 4 2 0 0 1 水工混凝土施工规范 的规定。 4 ) 膨胀剂： 选用北京新中州建筑材料有限责任公司生 产的 HE A一 1型膨胀剂。 5 ) 聚丙烯纤维 ： 采用深圳市维特耐工程材料有限公司 生产的维克抗裂抗渗聚丙烯纤维( 纤维长度 1 9 r n r n 、 掺量 0 6 k g m 3 ) ，以综合评价膨胀剂与聚丙烯纤维在混凝土中 复合应用的可行性。 2 3 混凝土配合 比设 计 通过混凝土配合比参数设计和试拌试验， 确定了满足 面板混凝土技术要求的基准配合比。水胶比为 O 3 1 ， O 3 5 ， 粉煤灰掺量为 2 5 ，砂率为 3 5 ，小石： 中石的比例为 4 0 ： 6 0 ， 用水量为 1 0 9 k g m a 。采用与水泥适应性良好的上海陶 正产 S R 3 聚羧酸高效减水剂、 河北省混凝土外加剂厂生产 的 DH9 高效引气剂。 2 面板混凝土抗裂性能试验研究 3 混凝土早期抗裂性 能 2 1 性能指标要求 蒲石河抽水蓄能电站地处东北寒冷地区， 上库挡水建 筑物为面板堆石坝 ， 极端最高气温 3 5 0 ， 极端最低气温 一 3 8 5， 极端温差近 7 3。混凝土面板设计指标为二级 配 C3 0 F 3 O O W8 混凝土。 2 2 原材料 1 ) 水泥 ： 采用抚顺水泥有限责任公 司生产的浑河牌 P MH 4 2 5 级中热硅酸盐水泥，该水泥各项指标满足国标 G B 2 0 0 2 0 0 3要求。 2 ) 粉煤灰 ： 选用辽宁省抚顺市能港实业有限公司生产 的 I 级、 级粉煤灰。检验结果满足 DL T 5 0 5 5 2 0 0 7要求。 当混凝土处于半流态或塑性阶段 ，由于沉降运动、 毛 细管压力、 早期化学收缩以及 自收缩等引起的塑性收缩受 到约束 ， 且约束应力超过混凝土抗拉应力时便产生了宏观 塑性裂缝。混凝土的收缩主要产生在初期， 前 1 4 d的收缩 超过前 9 0 d的 5 0 ， 所以控制混凝土初期收缩是控制裂缝 的关键。 通过混凝土大板干缩试验来研究混凝土早期抗裂性 能， 比较膨胀剂、 聚丙烯纤维 、 粉煤灰掺合料在一定条件下 对混凝土早期收缩裂缝的抑制效果。此次研究的混凝土配 合比列于表 1 。 5 1 水利科研 东北水利水电 2 0 1 4 年第 1 2 期 袭 1此次研究混凝土配合比 槭 比攀嚣 器 混疆土材=用量 榴 觥 剂 3 1 试验 方法 混凝土大板试件为 6 0 0 m inx 6 0 0 minx 6 3 I l l il l 的平面 薄板 。试模边框内设 p 6 n 矾 直径 ， 间距 6 0 mm的双排栓 钉 ， 栓钉长度分别为 5 0 mi l l 和 1 0 0 mm， 间隔布置。 混凝土 成型 2 h时后 ， 用电风扇吹试件表面 ， 风速距试件 中心点 为 5 m s ， 成型 2 4 h 后 ， 观察裂缝数量、 宽度和长度 ， 最终 比较不同掺合料混凝土产生的裂缝情况。室内气温为 2 1 3 O。试验按照 纤维混凝土结构技术规程 的有关方法 进 行 。 3 2 试 验结 果 根据工程结构裂缝 的基本概念， 混凝土的裂缝分为微 观裂缝与宏观裂缝两种， 混凝土微观裂缝必须借助显微镜 才可见。微观裂缝宽度范围一般以 0 0 5 m m为界： 裂缝宽 度不小于 O 0 5 m m的称为宏观裂缝 ；裂缝宽度小于 0 O 5 m m 的， 属无害裂缝 ， 对防水 、 防腐蚀与承重的影响均可忽 略不计。 此次试验的裂缝测试主要为宏观可见裂缝， 裂缝条数 划分以裂缝不连续为准 ， 逐条编序进行测试。以折线长度 之和代表裂缝长度 ，裂缝宽度是指该条裂缝宽度的最大 值 ， 使用读数显微镜读取裂缝宽度。试验结果见表 2 。 按下列公式计算裂缝总面积 ： n A = z ( 1 ) I 式中： A ， - 一 试件裂缝名义总面积， m r n 2 ，对于纤维混凝土 试件记作A ，对于对比用的基体试件记作 A ； 一 第 i 条裂缝名义最大裂缝宽度，取该裂缝中点附近裂缝宽 度 ， m m； l 第 i 条裂缝长度， n 吼 。 计算裂缝降低系数 田： = ( 2 ) 5 2 表 2 混凝土早期抗裂性能试验结果 O 0 5 0 5 3 l F F I 一 2 - 1 8 3 5 0 0 nO 5 O 8 1 0 2 2 2 4 2 5 9 0 4 8 o IO 1 2 3 5 9 0 l 8 O 0 5 O 56 0 2 2 F HW一 2 1 8 3 5 0 0 6 3 9 5 5 O 9 2 0 O 5 o O 8 0 6 8 注： 限裂等级评定标准 ： 一级 0 7 ； 二级 0 5 5 O 。 7； 三 级0 4 0 竹 0 5 5 。 大板抗裂性能试验结果表明 ：编号为 F H一 0 ， F H W一 0 ， F W一 2的 3块混凝土大板使用风扇吹过 2 4 h后搬到室 外 ， 再经过 2 8 6 0 d f 室外温度 7 3 0) 风吹、 曰晒 、 雨淋 ， 观察裂缝的变化情况发现 ： 1 ) 编号为 F HW一 0 ( 掺纤维+ 膨胀剂 ) 的混凝土不但没 有出现新的裂缝 ，而且早期产生的裂缝也基本全部闭合 ， 仅存在 1 条宽 0 0 8 mm、 长 4 0 c m的微小裂缝。 2 ) 编号为 F H一 0 单掺膨胀剂的混凝土在钢筋部位增加 少量的微裂隙，宽小于 0 0 5 m m、长 3 0 5 5 c m的裂缝 4 条 ， 宽 o 0 5 mm、 长 2 5 6 0 c m 的裂缝 4条 ， 宽 0 1 1 i n i n 、 长 5 0 c m的裂缝 1 条。 3 ) 编号为 F W一 2 ( - -掺纤维) 的混凝土表面新增宽 O O 5 mm、长 5 5 6 0 C m的裂缝 7条 ， 宽 0 0 8 il l m、 长 3 0 5 0 c m的裂缝 2 条 ，早期产生的裂缝无闭合现象。分析认为， 新增裂缝 同样 因混凝土体积收缩变形超过混凝土极限拉 伸值所致。因混凝土中未掺膨胀剂， 不能产生有效的膨胀 能 ， 故早期产生的裂缝无闭合现象。 4 ) 编号为 F HW一 2 1 的混凝土( 膨胀剂+ 掺纤维)裂 缝总面积 3 9 5 5 m l 2 ， 裂缝降低系数为 O 9 2 。 此配合比为施 工推荐配合比。 4 结语 1 ) 纤维对于塑性阶段或硬化初期的混凝土具有良好的 止裂作用 ； 对于龄期稍长的混凝土， 纤维的功能则体现在 2 0 1 4 年第 1 2 期 东北水利水电 水利科研 阻止裂缝扩展或使裂缝细化两方面 。 2 ) 膨胀剂的效能则使一定宽度范围内的裂缝因混凝土 的膨胀而闭合。 3 ) 纤维和膨胀剂的共同作用抑制了混凝土的开裂过程， 这种将膨胀剂及聚丙烯纤维的特点合二为一的复掺混凝 土无疑是抵抗混凝土开裂 的有效途径之一。 参考 文 献 1 中国水科院材料结构所 大体积混凝土【 M】 2 李东升， 金正浩 ， 等 混凝土冬季- r MI 北京： 中国水 利水电出版社， 2 0 0 8 【 收稿日期】 2 0 1 4 - 0 9 - 0 1 ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， l ( 上接第 1 2页 ) 表 1 各 正常蓄水 位方 案技术经济 指标表 项 目 方案一 方案二 方案三 方案四 正常 蓄 水 位 m 正常蓄水位以下库容 万 正常蓄 水位的水面面积 万 装机容量 k w 多年平均发电量 万k W h 装 机 利用 小 时 数， i l 渠化航道里程 l a n 航运 效 益 万 元 改 善水 环 境 效 益 万 元 发电效益 万元 旅 游效 益 万 元 供 水灌 溉 效 益 万元 防洪排涝效益 万元 凇 标 对 连 州 城区 排 水系 统 补 偿 费 历元 对连州城区浸没补偿费 万元 减 少 上 游 彬源 电 站 发电 量 万k W h 多年平均有效电 量 万k W h 工程静态总投资 万元 发电 部 分 静 态投 资 ， 万 元 工 程静 态 总 投资 差 万 元 发电 部 分 静 态 投资 差 万 元 航运 效 益差 管万元 改 善水 环 境 效 益差 值 万 元 发电效益差值 万元 旅游效益差值历 元 供 水灌 溉 效 益差 万 元 防 洪 排涝 效 益差 值 万 元 正 常 蓄水 位 的 水 面面 积 差 值 万m 2 淹没 农用 地差 值 h 装 机 容量 差 值 ， k w 多 年 平 均 有效电 量 差 值， 万k W h 电 站补充单位千瓦投资， 元 - 电 站 补 充单 位电 度投 资 i l C k W h 卜 经 济内 部 收 益率 ， 差额经济内部收益率 8 6 8 l 8 8 8 1 8 9 8 j 9 0 8 l 2 2 4 5 1 3 9 7 1 3 8 l1 6 9 t i 7 8 1 7 4 2 2 I 7 3 3 f 9 4 2 0 0 0 5 0 0 o 6 0 0 o 7 o 0 0 8 4 7 2 l 3 2 2 5 6 2 3 o 4 5 4 2 3 5 4 2 6 4 4 2 7 0 4 3 5 o 4 8 6 -5 8 0 2 8 6 2 2 7 1 4 9 2 8 6 5 7 3 0 1 6 6 3 3 1 8 2 1 5 9 1 2 加 6 3 2 i 6 3 8 3 4 1 o o 8 6 9 5 1 8 8 o 3 1 o 6 7 9 2 8 2 2 2 9 7 8 3 1 3 5 3 4 4 9 4 7 1 4 9 7 5 2 3 5 7 6 4 4 7 2 4 4 7 2 4 4 7 2 4 0 2 4 0 0 1 4 6 0 2 1 9 0 2 6 8 0 0 0 0 0 0 1 0 o 1 0 o o O 0 5 0 2 3 0 0 0 2 3 2 I 1 6 8 4 7 21 3 0 2 5 3 0 2 9 3 5 1 9 6 8 7 0 9 2 5 5 盯0 9 2 8 8 鹋9 3 5 4 8 7 0 9 2 6 0 0 6 5 0 0 7 8 0 0 91 0 ( 5 9 0 o 0 3 3 0 1 8 6 5 9 8 2 3 9 0 0 0 t 3 0 0 0 1 3 0 0 0 1 5 0 8 1 5 0 8 3 0 1 7 8 1 5 8 1 0 6 1 8 5 9 4 3 1 8 5 3 1 8 7 _6 1 S 6 l 5 7 3 1 4 2 6 2 6 5 3 0 0 0 O 一 4 4 7 5 6 4 4 3 1 l 0 2 1 0 1 4 6 0 0 7 3 O o l； 5 3 o 0 o l 0 0 o 1 0 o 0 l 2 8 3 4 0 0 3 9 9 1 3 0 0 0 l 3 o 0 0 1 3 0 0 0 3 0 4 3 2 5 3 2 I 1 2 B 7 l 29 2 l 2 9 4 儿7 2 l 3 1 2 l 3 0 5 5 4 6 年发电量 的 0 7 ； 方案三减少其年发 电量的 1 1 1 ； 方案 四减少其年发电量的 4 0 1 。因此 ， 方案四不宜选 。 5 ) 淹没及浸没指标 各方案均无迁安人口。随着正常蓄水位的抬高 。 水库 淹没随之增加 ， 由于库区内连州市防洪堤外河段的土地在 修建防洪堤时已经全部被征用， 故各方案间差额淹没实物 指标没有突变。由各方案间增加的对连州城区排水系统的 补偿投资可知， 正常蓄水位的上限方案为方案三。 由于城区街道最低高程仅为 9 O 8 1 m， 方案一、 方案二 不会对城区产生浸没问题 ， 而方案三水位与城区街道最低 高程相差 1 i n ， 基本不会对城区产生浸没问题。 但是方案四 的正常蓄水位与城区最低高程持平 ， 这会对城区建筑物产 生影响， 从各方案对连州城区浸没补偿投资及其方案间差 额也可反映这一点。因此， 从对连州市城区的浸没影响指 标分析 ， 正常蓄水位不宜选择方案四。 6 ) 能量指标和综合效益 从能量指标看 ， 正常蓄水位越高， 年发电量越大。 考虑 各方案回水对上游彬源电站的影响， 各方案年净发电量增 加值分别为 1 2 8 3 ， 4 0 0 ， 3 9 9万 k W h ，随水位提高方案 间 增加的电量有所减少。随着正常蓄水位的抬高， 发电效益 是增加的， 方案三、 方案四发电效益较好。 7 ) 经济指标比较 各方案间静态总投资差先减小、 后增大， 故从工程投资 指标看方案三较好。各方案间补充单位投资指标基本在合 理范围， 故从单位经济指标上看方案三、 方案四相对较优。 方案三的经济内部收益率最大。 因此， 从经济内部收益 率来看 ， 方案三较优。正常蓄水位从方案一提高到方案二和 方案二提高到方案三差额投资经济内部收益率均大于 8 。 是经济的；正常蓄水位从方案三提高到方案四差额投资经 济内部收益率小于 8 ， 是不经济的。因此 ， 方案三较优。 4 3 推荐方 案 综上所述 ， 又根据连州市政府的意愿 ： 为了加快连州 区域经济建设 ， 对龙船厂( 马面滩 ) 枢纽工程拆除重建 ， 同 时将龙船厂航电枢纽的正常蓄水位由原来的 8 6 8 1 m ( 方 案一 ) 抬高到 8 9 8 1 m( 方案三 ) 。因此 ， 推荐龙船厂航电枢 纽正常蓄水位为方案三， 即 8 9 8 1 m。 方案一对上游彬源电站无影响 ； 方案二减少彬源电站 收稿日 期 】 2 0 1 4 0 9 2 6 5 3