張 波

（中國(guó)水利水電建設(shè)集團(tuán)公司十五工程局科研設(shè)計(jì)院，712100，咸陽(yáng)）

一、工程概況

新疆某地處高緯度、嚴(yán)寒干燥地區(qū)的大（1）型水庫(kù)，是具有供水、發(fā)電和防洪功能的水利樞紐工程。該工程壩址處氣候條件惡劣，冬季寒冷且歷時(shí)較長(zhǎng)，夏季炎熱、干燥，平日多風(fēng)，極端最低氣溫-40℃以下，極端最高氣溫為40℃以上，多年平均氣溫2.7℃，晝夜變化劇烈。多年平均相對(duì)濕度60%，最大凍土深175 cm?！袄洹?、風(fēng)、干”是制約該工程溫度控制的主要環(huán)境因素。

二、壩體混凝土應(yīng)力

該水利樞紐高碾壓混凝土（RCC）重力壩裂縫問題的產(chǎn)生主要是晝夜溫差大且氣溫年較差大。高寒、高溫差的環(huán)境，易引發(fā)RCC溫度裂縫。

1.壩體內(nèi)外溫差應(yīng)力

該水利樞紐工程有效施工期只有6個(gè)月 （4月中旬至10月中旬）。施工期裂縫產(chǎn)生規(guī)律：4—6月氣溫逐步回升，RCC內(nèi)外溫差逐步縮小，一般裂縫不會(huì)在此時(shí)間段發(fā)生；7—8月外界氣溫相對(duì)較高，混凝土內(nèi)外溫差不大；9—10月外界氣溫變化頻繁、變幅較大、氣溫低，而RCC內(nèi)部溫度仍然很高，過大的溫度梯度產(chǎn)生的溫差應(yīng)力是導(dǎo)致開裂的主要因素。

根據(jù)溫控仿真計(jì)算成果和壩體混凝土特性，參考有關(guān)規(guī)范及資料，確定該工程壩體混凝土允許最高溫度，見表 1。

表1 壩體設(shè)計(jì)允許最高溫度

2.基礎(chǔ)約束應(yīng)力

該工程于2006年10月至2007年4月進(jìn)行基礎(chǔ)開挖，開挖后的巖石經(jīng)歷了一個(gè)冬季，2007年4—6月進(jìn)行蓋重區(qū)混凝土澆筑時(shí)，巖石與混凝土溫差較大，基礎(chǔ)約束應(yīng)力大，對(duì)抗裂很不利。根據(jù)溫控仿真計(jì)算成果和壩體混凝土特性，參考有關(guān)規(guī)范及資料，確定了該大壩基礎(chǔ)允許溫差，見表2。

3.干縮應(yīng)力

混凝土施工過程中為保證必要的和易性，混凝土用水量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于水泥水化熱所需要的水分，由此混凝土中留有大量的游離水，這部分水分蒸發(fā)后混凝土中留下許多孔隙，混凝土將產(chǎn)生體積收縮。另外，水泥品種、混凝土配合比、骨料、外加劑、環(huán)境溫濕度等都與混凝土的干縮變形有關(guān)。

混凝土干縮變形隨環(huán)境相對(duì)濕度的增加而減少，直至相對(duì)濕度達(dá)100%時(shí)表現(xiàn)為濕脹。

混凝土表面采用覆蓋，可有效減小混凝土濕度梯度，從而降低干縮應(yīng)力，干縮變形相應(yīng)也變小。

三、防裂措施

該工程采取降低混凝土溫度、加強(qiáng)監(jiān)測(cè)并通水冷卻以及優(yōu)化混凝土配合比等抗裂措施，有效地減少了混凝土裂縫。

1.控制混凝土溫度

從混凝土攪拌前到混凝土入倉(cāng)碾壓后的溫度控制措施主要有：

（1）降低骨料溫度，采用制冷水拌和

首先，砂石成品料堆在使用前盡量增加其堆存高度，一般高度不低于6 m,并從料堆底部取料。在運(yùn)輸砂石的皮帶機(jī)上搭設(shè)涼棚，以防太陽(yáng)直曬。高溫季節(jié)白天陽(yáng)光照射時(shí),在料堆頂上鋪設(shè)自動(dòng)噴頭，一方面降低骨料溫度，另一方面可以充分濕潤(rùn)骨料，有利于碾壓混凝土VC值的控制。其次，采用中轉(zhuǎn)料倉(cāng)一次風(fēng)冷和拌和樓二次風(fēng)冷。再次，使用制冷水拌和混凝土，保證混凝土出機(jī)口溫度小于16℃。

（2）運(yùn)輸過程中安裝遮陽(yáng)篷布

混凝土在運(yùn)輸和入倉(cāng)前往往要等待一定的時(shí)間，混凝土溫度倒灌嚴(yán)重，在運(yùn)輸汽車上安裝遮陽(yáng)篷布可以防止陽(yáng)光直射、溫度倒灌，有效控制混凝土入倉(cāng)溫度。

（3）加快攤鋪和碾壓速度，并輔以帆布覆蓋

碾壓混凝土入倉(cāng)后能否快速攤鋪和碾壓，對(duì)碾壓混凝土澆筑溫度影響甚大。夏季施工時(shí)在環(huán)境溫度和出機(jī)口溫度基本一樣的情況下，通過試驗(yàn)，找出混凝土升溫與歷時(shí)的關(guān)系，為施工提供參考。

（4）碾壓混凝土倉(cāng)內(nèi)噴淋保濕、降溫

施工現(xiàn)場(chǎng)購(gòu)置兩臺(tái)公稱流量70 L/min的噴霧沖毛機(jī)，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)噴霧前后對(duì)比，可以降低倉(cāng)內(nèi)氣溫5℃～8℃，有效地改善倉(cāng)內(nèi)小環(huán)境，防止溫度倒灌和減少VC值的損失。另外，針對(duì)當(dāng)?shù)氐臍夂颦h(huán)境條件，盡量避開白天中午陽(yáng)光直射時(shí)段施工，利用早晚和夜間低溫時(shí)段開倉(cāng)澆筑混凝土。如果連續(xù)澆筑經(jīng)過白天時(shí)，可提高混凝土入倉(cāng)強(qiáng)度，做到隨攤鋪隨碾壓隨用保溫被覆蓋。

2.加強(qiáng)監(jiān)測(cè)，通水冷卻

現(xiàn)場(chǎng)配置一臺(tái)KF216螺桿氟壓縮機(jī)，其標(biāo)準(zhǔn)制冷量為每小時(shí)可輸出60m3冷水的制冷機(jī)組。由水泵將制冷水供給冷卻水管進(jìn)入壩體混凝土，經(jīng)壩內(nèi)循環(huán)后又重新進(jìn)入制冷機(jī)組，形成一個(gè)閉合水循環(huán)系統(tǒng)，有利于冷卻水的重復(fù)利用。

混凝土澆筑完成后12 h開始通水，全天專人負(fù)責(zé)監(jiān)測(cè)，通水流量為20～25 L/min，每 12 h變換一次通水方向。壩體通水分為一期通水和二期通水。一期通水根據(jù)不同部位和月份分別通河水或10℃～12℃制冷水，一期通水冷卻時(shí)間不少于20d。當(dāng)一期通水降溫不能滿足低溫季節(jié)壩體內(nèi)外溫差要求時(shí)，就進(jìn)行二期通水降溫，根據(jù)當(dāng)?shù)貧夂蛱攸c(diǎn)，該工程二期通水時(shí)間定為10月份，針對(duì)當(dāng)年4—9月澆筑的混凝土，通水時(shí)間20～30d。為防止水管冷卻時(shí)水溫與混凝土澆筑塊溫度相差過大和冷卻速度過快而產(chǎn)生裂縫，初期通水冷卻溫差按15℃～18℃控制，后期水管冷卻溫差為20℃～22℃，混凝土日降溫不超過1℃。

表2 基礎(chǔ)允許溫差標(biāo)準(zhǔn)

表3 配合比優(yōu)化方案及考察因素

表4 水泥的物理性能

3.優(yōu)化配合比

該工程RCC重力壩的抗裂問題的特殊性在于晝夜溫差大且氣溫年較差大。在施工期，這會(huì)帶來(lái)25℃～60℃的壩體內(nèi)外溫差。通過對(duì)已采取的不同降溫措施（外部保溫、降低澆筑溫度、通冷卻水）進(jìn)行效率分析，認(rèn)為要保證大壩內(nèi)外溫差小于25℃，進(jìn)一步降低混凝土絕熱溫升是必不可少的措施。結(jié)合前期現(xiàn)場(chǎng)配合比試驗(yàn)數(shù)據(jù)，本次配合比優(yōu)化從表3中所列的3個(gè)方面進(jìn)行優(yōu)化，以降低混凝土絕熱溫升。

本文就降低水泥比表面積進(jìn)行如下分析論證：

將天山水泥廠專門生產(chǎn)的兩種細(xì)度的P.I 42.5水泥 （比表面積分別為 304m2/kg、336m2/kg）， 與工程上采用的比表面積為398 m2/kg的典型細(xì)度P.O 42.5水泥進(jìn)行對(duì)比。

上述3種水泥的物理性能試驗(yàn)結(jié)果詳見表4，化學(xué)和礦物組分分析結(jié)果見表5。其中2種P.I 42.5水泥（編號(hào)C-37、C-36）為天山水泥廠專門少量試生產(chǎn)，其試產(chǎn)量均小于500 kg；1種取樣自工程上實(shí)際所用的天山P.O 42.5 水泥（編號(hào) C 355）。

由表5可知，該批試產(chǎn)粗水泥的C3S含量偏低、C2S含量偏高，且2種粗水泥的礦物成分含量稍有差異——比表面積較小的C-37水泥的C3S含量高于比表面積較大的C-36水泥，即2種粗水泥的細(xì)度和礦物成分對(duì)其水化熱、強(qiáng)度發(fā)展的影響各有利弊。

水泥水化熱是影響混凝土絕熱溫升的最關(guān)鍵因素之一。按照 《水泥水化熱測(cè)定方法 （溶解熱法）》（GB/T 12959—1991）， 測(cè)試了 3種水泥并模擬大壩內(nèi)部三級(jí)配混凝土的膠凝材料體系，測(cè)試結(jié)果見表6、表7。

與較細(xì)的C 355普硅水泥相比，粗P.I 42.5水泥的水化熱明顯降低。C-37 水泥的 3 d、7 d、14 d、28 d、90 d水化熱分別降低 12%、7%、16%、14%、13%，C-36 水泥的 3 d、7 d、14 d、28 d、90 d水化熱分別降低11%、1%、10%、9%、10%。

表5 水泥的化學(xué)和礦物成分 （%）

表6 水泥的水化熱

表7 模擬大壩內(nèi)部混凝土實(shí)際膠凝材料體系的水化熱

雖然C-37與C-36比表面積小了32m2/kg，但水泥的礦物成分也是影響水化熱的主要因素之一，由于C-37的C3S含量高于C-36，因此兩者的水化熱差值沒有預(yù)期的那么明顯。

由表6、表7可知，與純水泥體系相比，在模擬膠凝材料體系中，水泥細(xì)度對(duì)水化熱的影響明顯較大。2種細(xì)度 P.I 42.5 水泥的 3 d 、7 d、14 d、28 d、90 d 水化熱差異分別為 2、6、6、5、3個(gè)百分點(diǎn)，而分別采用這2種細(xì)度水泥的模擬膠凝材料體系的3 d、7d、14d、28d、90d 水化熱差異分別為9、11、22、29、2 個(gè)百分點(diǎn)。原因可能是在模擬實(shí)際膠凝材料的體系中，摻入大量粉煤灰后，粉煤灰對(duì)水泥產(chǎn)生了“稀釋”作用，改善了水泥的水化環(huán)境，突顯了水泥細(xì)度對(duì)水化熱的影響。

2008年開始使用比表面積為310±10 m2/kg的特供水泥后，既滿足設(shè)計(jì)要求的強(qiáng)度和耐久性要求，同時(shí)有效地改善了水化熱集中帶來(lái)的混凝土裂縫問題，裂縫明顯減少，效果顯著。

四、結(jié) 語(yǔ)

綜上所述，混凝土裂縫問題是一個(gè)多種因素共同作用下的產(chǎn)物，分析其產(chǎn)生的原因，采取有效的技術(shù)措施，可減少或避免裂縫的出現(xiàn)。2009年取出16.46 m長(zhǎng)的混凝土芯樣，芯樣室內(nèi)物理性能試驗(yàn)均滿足設(shè)計(jì)等級(jí)要求。

[1]丁凱,曹征齊.水利水電工程質(zhì)量檢測(cè)人員從業(yè)資格考核培訓(xùn)系列教材（混凝土工程類）[M].鄭州：黃河水利出版社，2008.

[2]新疆水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)院.混凝土工程溫控技術(shù)要求[S].2007.