补偿收缩混凝土在防渗面板裂缝控制中的应用.pdf

第 3 5卷第 l 2期 2 0 1 3年 l 2月 人民黄河 YE L L OW RI V ER Vo 1 3 5 No 1 2 De c 2 Ol 3 【 水利水 电工程 】 补偿收缩混凝土在防渗面板裂缝控制中的应用 曹先升 ( 河南省河 口村水库工程建设管理局， 河南 济源 4 5 9 0 0 0 ) 摘要： 河口村水库大坝面板混凝土长度超长， 面板基础为挤压式边墙混凝土， 对后期施工的面板混凝土沿长度方向易 产生较大约束应力， 从而限制面板混凝土的收缩变形 施工及运行期易导致混凝土面板产生裂缝。对大坝面板采用了补 偿收缩混凝土， 在混凝土中添加了防裂剂， 并进行 了补偿收缩混凝土抗裂计算， 最终确定了满足抗裂要求的补偿收缩混 凝土配合比， 解决了超长面板混凝土裂缝控制问题。检查已施工的面板发现其效果良好 ， 达到了面板防裂的目的。 关键词：面板堆石坝；超长混凝土面板；补偿收缩混凝土；裂缝控制；河口村水库 中图分类号：T V 5 2 3 ； T V 5 4 4 文献标志码： A d o i ： 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 0 1 3 7 9 2 0 1 3 1 2 0 3 7 Ap p l i c a t i o n o f t h e Co mp e n s a t e S h r i n k Co n c r e t e i n F a c e S l a b Cr a c k Co n t r o l CAO Xi a n s h e n g ( H e k o u c u n R e s e r v o i r C o n s t r u c t i o n A d m i n i s t r a t i v e B u r e a u o f He n a n ， J i y u a n 4 5 9 0 0 0 ，C h i n a ) Ab s t r a c t ：T wo f a c t o r s wi l l p o s s i b l y l e a d t o c r a c k o f f a c e c o n c r e t e t o c o me i n t o b e i n g d u ri n g t h e c o n s t ruc t i o n a n d o p e r a t i o n p e rio d i n He k o u c u n Re s e rvo i r Th e o n e i s t h e o v e r l e n g t h a n d t h e o t h e r i s e x t rud e d s id e wa l l c o n c r e t e，wh i c h t h e y ma y p r o d u c e l a r g e r r e s t r a i n t s t r e s s alo n g t h e l e n g t h d i r e c t i o n a n d r e s t ri c t s h rin k a g e d e f o r ma t i o n o f f a c e c o n c r e t e T h i s pa p e r i n t r o d u c e d t h e me t h o d o f s o l v i n g t h e c r a c k c o n t r o l i s s u e th r o u g h d e s i g n i n g c o n p e n s a t i o n c o n s t ri c t i v e c o n c r e t e mi x p r o p o r ti o n By a d d i n g a d mi x t u r e wi t h c o mp e n s a t i o n p r o p e r t i e s i n t o c o mmo n c o n c r e t e a n d c r a c k c h e c k i n g c o mp u - t a t i o n，t h e f a c e c o n c r e t e c o n s t r u c t i o n h a d r e a c h e d i t s g o o d e f f e c t i n p r e v e n t i n g c r a c k s Ke y wo r d s ：c o n c r e t e f a c e r o c k fil l d a m ；o v e r - l e n g t h c o n c r e t e f a c e；c o mp e n s a t i v e c o n s t ri c t i v e c o n c r e t e；c r a c k c o n t r o l ；He k o u c u n Re s e rvo i r 1 工程概况 河口村水库是一座 以防洪、 供水为主， 兼顾灌溉、 发 电、 改 善河道基流等综合利用的大( 2 ) 型水利枢纽。工程位于黄河一 级支流沁河最后一段峡谷出口处， 属河南省济源市克井镇， 水 库总库容 3 1 7 亿 m 。水库大坝为混凝土面板堆石坝， 最大坝 高 1 2 2 5 m， 坝顶高程 2 8 8 5 m， 坝顶长 5 3 0 0 m， 坝顶宽9 0 n 3 ， 上游坡比 1 ： 1 5 。大坝上游混凝土面板为不等厚薄壁结构， 顶 部厚 3 0 0 c m， 底部最大厚度为 7 1 6 c m， 面板最大单块长度为 2 1 4 4 m。面板共计 4 7条块， 分块宽度为 1 2 m和6 m两种， 其 中宽 1 2 m的有3 9块， 宽 6 m的有 8 块。面板配双层双向钢筋。 混凝 土 面 板 表 面 积 6 9 万 m 。 ， 面 板 混 凝 土 设 计 为 C 3 0 W1 2 F 2 0 0 ， 二级配混凝土， 工程量 3 1 2万 m ， 面板基础为挤 压式边墙混凝土。面板分两期施工： 高程 2 2 5 0 m以下为第一 期 ， 最大坡长 1 0 4 5 m； 高程2 2 5 0 2 8 6 0 i n 为第二期， 最大坡 长 1 0 9 9 m 2 补偿收缩混凝土防裂原理 约束应力 ， 从而限制面板混凝土的收缩变形 ， 施工及运行期易 导致混凝土面板产生裂缝。有关资料表明： 堆石坝混凝土面板 裂缝中8 0 是收缩变形裂缝， 为了减少混凝土面板收缩裂缝的 出现， 常规措施有： 设置伸缩缝以减少结构连续的长度 ； 结 构措施， 如提高混凝土强度等级， 采用双层配筋等； 减小基础 约束， 如在挤压边墙与面板之间涂刷隔离剂等； 优化混凝土 配合比； 严格控制施工工艺， 如避开高温季节施工、 控制出机 口坍落度及面板拉模速度 、 做好面板保温保湿措施等 J 。除 了常规措施外， 目前最具有代表性的是采用补偿收缩混凝土来 达到消除混凝土裂缝 的 目的。 混凝土胶凝材料在水化过程中散发大量水化热， 由于 昆 凝 土的导热性较差 ， 因此热量在混凝土结构内部大量聚集而不能 散发， 混凝土在降温过程中， 形成表里温差， 表层温度收缩应变 受到内部约束， 产生拉应力， 当混凝土表里温差超过一定范围， 就有可能发生表面裂缝 ， 进而发展成贯穿性裂缝。另外， 混凝 土构件从最高的截面平均温度逐渐降至环境大气平均温度的 过程中， 起因于温差的温度应变受到外部约束时所引发的裂 收稿 日期 ： 2 0 1 3 0 7 - 2 5 河 口 村 水 库 大 坝 面 板 混 凝 土 长 度 超 长 ， 面 板 基 础 为 挤 压 式 工 曩 妻 9 6 一 河 南 信 阳 人 高 级 程 师 ，主 要 从 事 水 利 水 电 边墙混凝土， 对后期施工的面板混凝土沿长度方向易产生较大 E - m a i l ： c a ia n s b e n g 1 6 3 c 1 l 5 人 民 黄 河2 0 1 3年第 1 2 期 缝是贯通性的。因此， 采用水化热低、 有一定膨胀性能的补偿 收缩混凝土， 同时加 以适当的温控措施 ， 就可以经济 、 合理、 有 效地解决面板混凝土的开裂问题。 补偿收缩混凝土是利用在混凝土中添加具有膨胀性能的 外加剂( 膨胀剂或防裂剂) 使硬化后的混凝土体积膨胀， 并在钢 筋下产生压应力来补偿混凝土的收缩应力， 即让混凝土适度膨 胀， 受到外部 、 内部约束后产生压应力来抵消其有害的拉应力， 从而达到避免或大大减轻混凝土开裂的目的， 这就是补偿收缩 混凝土的防裂机理， 也就是说， 补偿收缩混凝土防裂的原理就 是利用限制膨胀来补偿限制收缩。 为防止河口村水库大坝 昆 凝土面板出现有害裂缝， 经有关 技术人员现场论证 ， 确定河口村水库大坝面板混凝土采用补偿 收缩混凝土的技术方案； 同时将原设计面板单层配筋优化为直 径较小的双层配筋， 采用在挤压边墙基础涂刷“ 三油两砂” 隔 离 、 严格控制施工工艺等措施。 3 补偿收缩混凝土配合比设计 3 1 原材料 水泥采用河南省大地水泥有限公 司生产 的强度等级为 4 2 5 级的普通硅酸盐水泥。骨料为工地砂石加工厂加工的人 工砂及碎石。粉煤灰为郑州金龙源 I级粉煤灰。外加剂为中 国水利水电第十二工程局施工科研所混凝土外加剂厂生产的 V F防裂剂、 N MRI 高效减水剂、 B L Y引气剂。 3 2 补偿收缩混凝土配合比 根据该工程的特点和原材料情况， 考虑混凝土的强度等 级、 水化热 、 膨胀性及工作性能， 经反复试验， 提出混凝土配合 比， 见表 1 。 表 1 C 3 0 W1 2 F 2 0 0面板补偿收缩混凝土配合 比 注 ： N MRI高效减水剂及 B L Y i 气剂均为液剂。 4 补偿收缩混凝土抗裂计算 混凝土限制膨胀率补偿限制收缩而使面板不产生有害裂 缝的判别式为 D = 2一 S d S t S k 式中： D为混凝土最终收缩变形； s ： 为混凝土的限制膨胀率； S 为混凝土的干缩变形率； S 为混凝土的冷缩变形率； S 为混凝 土的极限延伸率。 ( 1 ) 混凝土的限制膨胀率。该工程混凝土的限制膨胀率设 计值 s ， = 2 51 0 。 ( 2 ) 混凝 土的干缩 变形率。坝址 区多年平均降雨量为 6 0 0 3 rain ， 年平均蒸发能力为 1 6 1 1 m m。3月份多年平均相对 湿度为6 5 左右， 3 5月各月相对湿度变化不大， 根据这样的 气候条件 ， 面板混凝土实际配筋率为0 4 5 ， 钢筋直径 d=1 6 c m， 以6 0 d龄期为基准确定于缩应变 S =1 3 5 x1 0 。 ( 3 ) 混凝土的冷缩变形率 。水泥水化热引起的混凝土最 高绝热温升为 T m = ( l Q l + Q 2+ Q 3 ) ( r h C )：4 6 式中： T m 为水泥水化热引起的混凝土最高绝热温升； 为单 方混凝土水泥用量； 为单方混凝土防裂剂用量； 为单方 混凝土粉煤灰用量； Q 为水泥水化热值 ； Q 为防裂剂水化热 值； 为粉煤灰水化热值 ； r h 为混凝土容重； C 为混凝土比热。 面板只考虑沿厚度方向一维散热 ， 散热系数取0 6， 则由水 泥水化热引起的温升值 T = 4 60 6=2 7 6 o c， 昆凝土的平均 入仓温度 =1 8， 预计混凝土中心最高温度 =T + = 4 5 6 。 河口村水库面板混凝土计划于2 0 1 3年 3月开始施工， 5月 1 5日前完成 ， 根据当地气象统计资料 ， 该时段多年月平均最高 气温为 1 4 0 o c， 多年最低气温平均值为 2 0 。根据面板结 构形式及施工季节情况， 经计算混凝土内部最高温度为 4 5 6 l 1 6 ， 则混凝土温差 = 4 5 62 0=4 3 6 c c， 混凝土线膨胀系 数 = 1 1 0 。 ， 混凝土受到钢筋和基础的约束 ， 取约束系数 R： 0 6， 则混凝土冷缩率为 S =o 【 R= 2 61 0一。 ( 4 ) 混凝土的极限延伸率 J 。计算式为 S k=0 5 R f ( 1+ d )1 0 =1 1 5 31 0 一 式中： 为混凝土抗拉强度 为配筋率； d为钢筋直径。 在考虑徐变情况下混凝土的极限延伸率为 S k =S k X( 1+0 5 )= 1 7 3 X 1 0 ( 5 ) 混凝土的最终收缩变形。补偿收缩混凝土的最终收缩 变形 D=s ： 一 S d S =一1 4 5 X1 0 ( 负号表示收缩， 混凝土 处于受拉状态) 。而Js 1 7 31 0 一， 这说明补偿收缩混凝土 的剩余变形值小于混凝土的极限延伸率， 即 Ds ， 故t 昆 凝土 不会开裂。对于普通混凝土而言， 最终收缩变形 D=一( S + S 。 )=一 3 9 5 X 1 0， 混凝土的最大变形率大于混凝土的极限 延伸率 ， 故混凝土会开裂。 5 应用效果 该工程大坝一期填筑到 2 4 5 m高程后， 一期面板混凝土于 2 0 1 3年3月 1 2日开始浇筑。面板混凝土采用钢滑模跳仓浇 筑， 混凝土采用坝下游拌和站拌制； 81 2 m 混凝土罐车运输 至坝面 2 4 5 m高程； 每仓采用 2道铁皮 u形溜槽坡面运输； 混 凝土分层均匀摊铺入模 ， 振捣棒分层振捣， 分层厚度 2 53 O c m； 在混凝土浇筑过程中， 钢筋的架立筋在混凝土埋没前用气 割或电焊即时贴坡割断； 滑模每层滑升一次， 坡面滑升速度 1 0 1 5 m h 混凝土脱模后人工抹面； 混凝土终凝后及时覆 盖并适时洒水养护， 每仓滑升到顶后， 沿坡面 3 0 m左右水平布 置 3道花管， 通水喷淋养护至水库蓄水。到 2 0 1 3年 5月 6日， 一 期混凝土面板已完成浇筑 l 6块( 共 2 4 块) ， 经对已施工面板 混凝土的跟踪观察 ， 尚未发 现有害裂缝 ， 达到了面板 防裂的 目的。 ( 下转第 1 1 9页 ) 人 民 黄 河2 0 1 3年第 l 2期 表4 碎石桩+ C F G桩复合地基压缩模量计算结果 接近计算值 ， 说明新公式的计算公式更合理一些。 鬣 瓣 碎 嚣模C F最G E桩 复J M 地P a 基 分 层 地 基 承 载 力 特 征 值 竺 里 k P a 旧公 式 新公式 注 ： 碎石桩 +C F G桩复合地 基r i 缩模量计算更 为复杂 ， 把碎 石桩 复合 地基近 似为均匀地 基 ， 再计算碎 往 +C F G桩 复合地基压缩模量 。 4 2结果分析 碎石桩复合地基载荷曲线见图 1 ， 根据图 1分析计算， 碎石 桩复合地基变形模量 E 为 7 6 MP a ， 承压板影响深度为 4 5 m， 主要以粉士为主， 泊松比 取 0 3 5 ， 根据压缩模量与变形模 1 2 量的关系 E =( 1一 ) ， 相 应土层 的压 缩模量 为 l 2 2 J 一 “ MP a ， 与新公式计算值更接近。 g 擞 蜒 荷载 k P a 图 1 碎石桩复合地基载荷 曲线 碎石桩 +C F G桩复合地基载荷试验曲线见图 2 ， 根据图2 分析计算 ， 碎石桩 +C F G桩复合地基变形模量 E 为2 6 8 MP a ， 承压饭影响深度为 6 in ， 其中： 4 I n以上以粉土为主， 泊松 比 取 0 3 5 ； 4 6 m为粉质黏土， 泊松比 取0 3 8 。影响深度范围 内综合土层泊松比按深度加权平均取 0 3 6 。根据压缩模量与 1 2 变形模量 的关系 E =( 1一 一 ) E ， 相应土层的压缩模量为 I 一 4 5 0 M P a ， 与新公式计算值更接近。 受理论假设的影响， 变形模量理论计算值与实际值有一定 误差 ， 但按照新公式从荷载试验得出的压缩模量比旧公式更 ( 上接 第 1 1 6页) 6 结语 ( 1 ) 在超长 昆 凝土结构中采用补偿收缩混凝土可有效减少 混凝 土收缩变形 。 ( 2 ) 采用 V F防裂剂通过合理地配比， 可有效提高混凝土 的抗 裂能 力。 ( 3 ) 对面板基础， 也就是挤压边墙的外表面进行找平处理 并喷洒“ 三油两砂” ， 可有效减小基础对面板的约束； 另外 ， 随时 割除钢筋的架立筋也是减小基础对面板的约束 、 防止面板裂缝 的措施之 一。 ( 4 ) 采用喷淋保湿养护方式更有利于面板混凝土膨胀性能 茸 越 吲 l 髅 媾 f 降量 荷载k P a 图2 碎石桩 +C F G桩复合地基载荷 曲线 5 结语 从复合地基压缩模量计算结果可以看出， 新旧公式的计算 误差为 2 0 左右 ， 旧公式的计算方法相对保守。旧公式中压缩 模量的计算忽略了非挤密增强体的挤密作用， 以及增强体和土 体承载力发挥不协调等因素 ， 压缩模量的计算不严密。压缩模 量的理论基础是基于地基土的各向同性假设 ， 为了计算建筑物 沉降， 必须计算压缩模量 ， 复合地基的出现给水利工程技术人 员提出一个难题 ， 目前的办法只能把复合地基近似作为均匀地 基来计算。应当指出， 地基变形计算远不如承载力计算研究得 深入、 成熟， 特别是复合地基， 不同材料增强体的存在， 使得变 形计算更为复杂， 土和增强体本构关系的研究远没达到普遍推 广应用的成熟阶段 ， 今后需要广大水利工程技术人员进行不断 的研究和总结。 参考文献： 1 龚晓南 复合地基理论及工程应用 M 2版 北京： 中国建筑工业出版社 ， 2 0 o 7 2 中国建筑科学研究院 G B 5 0 0 0 7 -2 0 1 1 建筑地基基础设计规范 S 北京： 中国建筑工业 出版社 ， 2 0 1 1 3 杜文义， 蒙学礼 关于水泥土搅拌桩复合地基压缩模量的探讨 J 探矿工 程 ， 2 0 1 1 ( 3) ： 5 45 7 4 中国建筑科学研究院 J G J 7 9 2 o o 2建筑地基处理技术规范 S 北京： 中 国建筑工业 出版社 2 0 0 2 5 闫明礼， 曲秀莉， 刘伟， 等 复合地基的复合模量分析 J 建筑科学， 2 0 0 4 ( 4)： 2 73 2 6 陈念军， 李方柱 土的变形模量与压缩模量 J 武汉大学学报， 2 0 1 0 ( 8 ) ： 2 6 2 2 65 【 责任编辑吕艳梅】 - 一- _ _ 一+m_ 一一 的发挥。 ( 5 ) 河 口村水库工程大坝混凝土面板采用补偿收缩混凝土 作为面板裂缝控制的主要措施 ， 效果 良好。补偿收缩混凝土的 防裂机理清晰， 应用情况表明， 在水工建筑超长结构中其作为 控制混凝土裂缝的方法是可行的。 参考文献： 1 王铁梦 工程结构裂缝控制 M 北京： 中国建筑工业出版社， 1 9 9 7 2 游宝坤 混凝土膨胀剂及其应用 M 北京： 中国建材工业出版社， 2 0 0 2 3 游宝坤， 李乃珍 膨胀剂及其补偿收缩混凝土 M ： 北京： 中国建材工业出 版社 ， 2 0 0 4 4 李海潮 混凝土面板堆石坝施工技术及应用 M ： 北京： 黄河水利出版社， 2 oo 8 【 责任编辑张华岩】 l l 9 0 托 站 舭 昭 m 0 m 加 如 们 如 阳 舳