郭進(jìn)軍 張世偉 夏炎 王珊珊

摘?要：河南省某混凝土壩防滲面板加固工程施工期拆模后出現(xiàn)多條溫度裂縫，影響整體工程質(zhì)量。為研究防滲面板施工期開裂原因，選取試驗(yàn)數(shù)據(jù)建立計(jì)算模型，對(duì)補(bǔ)償收縮混凝土防滲面板施工期溫度場(chǎng)及應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)值分析，得出不同保溫措施條件下防滲面板的應(yīng)力分布情況，分析了裂縫出現(xiàn)的原因。結(jié)果表明：無(wú)保溫措施情況下，施工期面板混凝土內(nèi)外溫差較大，4 d時(shí)面板邊緣區(qū)域溫度應(yīng)力達(dá)到峰值，高于相應(yīng)齡期混凝土抗拉強(qiáng)度，易產(chǎn)生裂縫。采用保溫措施時(shí)，能極大降低由內(nèi)外溫差產(chǎn)生的溫度梯度，10 mm的聚苯乙烯泡沫保溫塑料板可使4 d齡期的混凝土溫度應(yīng)力下降29%，能有效地提高防滲面板的抗裂性能。

關(guān)鍵詞：補(bǔ)償收縮混凝土;施工期;溫度場(chǎng);溫度應(yīng)力;抗裂性能

中圖分類號(hào)：TV544?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2020.02.025

Abstract：A number of temperature cracks appeared after demolishing a concrete dam reinforcement project of a concrete dam in Henan Province during construction， affecting the overall project quality. In order to study the cause of cracking of the anti-seepage panel during construction， the test data was selected to establish a calculation model， and the temperature field and stress field of the shrinkage-compensating concrete anti-seepage panel during construction were analyzed in real time to obtain the stress distribution of the anti-seepage panel under different thermal insulation measures. The results show that in the absence of insulation measures， the temperature difference between the inner and outer panels of the concrete during construction is larger. At the 4th day， the temperature stress in the edge region of the panel reaches to the peak value， which is higher than that of the tensile strength of the concrete and is prone to cracks. When using insulation measures， the temperature gradient caused by the temperature difference between inside and outside can be greatly reduced.10 mm polystyrene foam insulation plastic sheet can reduce the temperature stress of the 4th day by 29%， effectively improving the crack resistance of the anti-seepage panel.

Key words： shrinkage-compensating concrete; construction period; temperature field; temperature stress; crack resistance

防滲面板作為壩體的防滲主體結(jié)構(gòu)，其安全性與可靠性關(guān)乎大壩能否正常運(yùn)行。然而由于面板自身的結(jié)構(gòu)特征及內(nèi)部混凝土水化放熱作用，易導(dǎo)致混凝土內(nèi)外溫差較大出現(xiàn)裂縫[1-2]。為預(yù)防混凝土面板開裂，工程中往往向混凝土中摻入一定量的膨脹劑制備補(bǔ)償收縮混凝土以抵消或部分抵消混凝土溫差產(chǎn)生的拉應(yīng)力[3]，但實(shí)際效果并不理想，開裂現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生。由于現(xiàn)階段針對(duì)薄壁補(bǔ)償收縮混凝土研究較少，混凝土溫度應(yīng)力分析多集中在普通大體積混凝土，如李潘武等研究了澆筑溫度對(duì)大體積混凝土溫度應(yīng)力的影響[4]，李凌旭等研究了跳倉(cāng)澆筑施工方式對(duì)混凝土溫度應(yīng)力的影響等[5]，因此開展施工期補(bǔ)償收縮混凝土防滲面板抗裂性能研究十分必要。

為真實(shí)反映補(bǔ)償收縮混凝土防滲面板施工期間的抗裂性能，本文以河南省某碾壓混凝土壩加固工程為背景，在進(jìn)行補(bǔ)償收縮混凝土限制膨脹率、彈性模量以及劈拉強(qiáng)度試驗(yàn)研究基礎(chǔ)上，采用三維非穩(wěn)定溫度場(chǎng)和溫度應(yīng)力場(chǎng)的有限元計(jì)算方法，對(duì)補(bǔ)償收縮混凝土防滲面板結(jié)構(gòu)在施工期的溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行了實(shí)時(shí)數(shù)值模擬，分析補(bǔ)償收縮混凝土在施工期開裂原因，為今后實(shí)際工程施工提供參考。

1?工程與試驗(yàn)概況

河南省某碾壓混凝土壩體防滲加固工程中，采用壩前設(shè)置C25補(bǔ)償收縮混凝土面板實(shí)現(xiàn)防滲功能，面板設(shè)計(jì)為0.5～1.0 m厚，高40.5 m，面板內(nèi)、外層配置直徑為16 mm的鋼筋網(wǎng)。補(bǔ)償收縮混凝土防滲面板與原壩體采用植筋和鑿毛的結(jié)合方式，施工采用跳倉(cāng)與平倉(cāng)結(jié)合的澆筑方式，每倉(cāng)長(zhǎng)度為10 m，高度為6 m。

結(jié)合實(shí)際工程，采用42.5級(jí)普通硅酸鹽水泥;二級(jí)配碎石，5～20 mm粒徑摻量為40%，20～40 mm粒徑摻量為60%;普通河砂，細(xì)度模數(shù)2.80，表觀密度2 640 kg/m3;普通自來(lái)水;膨脹劑采用SP-GⅠ型膨脹劑，摻量為10%;粉煤灰采用F類Ⅰ級(jí)，摻量為20%;SN-2高效減水劑，摻量2.2%;實(shí)際工程配合比見表1。

為獲取數(shù)值計(jì)算過程中材料的真實(shí)力學(xué)和變形參數(shù)，進(jìn)行了補(bǔ)償收縮混凝土彈性模量、抗拉強(qiáng)度和限制膨脹率隨混凝土齡期變化的試驗(yàn)。

2?計(jì)算參數(shù)及模型

2.1?計(jì)算參數(shù)

（1）混凝土水化熱。混凝土水化生熱函數(shù)為[6]

式中：Q（t）為混凝土t時(shí)刻累計(jì)水化熱，kJ/kg;Q0為t→∞時(shí)的最終水化熱，取330 kJ/kg;t為時(shí)間，d;m為水化常數(shù)，隨水泥品種、比表面積及澆筑溫度不同而不同，取0.318/d。

（2）混凝土彈性模量?；炷翉椥阅Ａ扛鶕?jù)《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》[7]，由混凝土靜力抗壓彈性模量試驗(yàn)確定，試驗(yàn)采用150 mm×150 mm×300 mm的棱柱體試模澆筑，抗壓彈性模量測(cè)定試件每組6個(gè)，共3個(gè)齡期18個(gè)試件，其中軸心抗壓強(qiáng)度3個(gè)。

補(bǔ)償收縮混凝土不同齡期彈性模量試驗(yàn)結(jié)果見表2。

采用復(fù)合指數(shù)公式對(duì)混凝土的全齡期彈性模量進(jìn)行擬合拓展，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，求得擬合公式如下：

（3）混凝土抗拉強(qiáng)度。根據(jù)混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)確定混凝土各齡期抗拉強(qiáng)度，試驗(yàn)采用150 mm×150 mm×150 mm標(biāo)準(zhǔn)立方體，每組3個(gè)試件，共3個(gè)齡期9個(gè)試件。補(bǔ)償收縮混凝土不同齡期劈裂抗拉強(qiáng)度見表3。

根據(jù)《大體積混凝土施工標(biāo)準(zhǔn)》[8]，混凝土早期抗拉強(qiáng)度計(jì)算公式為

式中：ftk（t）為混凝土齡期為t時(shí)的抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，MPa;ftk為混凝土抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，MPa;γ為系數(shù)。

可采用式（3）對(duì)補(bǔ)償收縮混凝土早期劈裂抗拉強(qiáng)度進(jìn)行全齡期擬合。由于劈拉強(qiáng)度的斷面是可控的，軸向拉伸的斷面較為隨機(jī)，主要在試件的薄弱位置破壞，因此實(shí)測(cè)的劈裂抗拉強(qiáng)度要大于軸向抗拉強(qiáng)度，兩者之間的關(guān)系見式（4）[6]（考慮最不利條件，系數(shù)取為0.81）。

式中：fs為補(bǔ)償收縮混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度，MPa;ft為補(bǔ)償收縮混凝土軸向抗拉強(qiáng)度，MPa。

（4）混凝土預(yù)壓應(yīng)力。面板混凝土預(yù)壓應(yīng)力根據(jù)補(bǔ)償收縮混凝土限制膨脹率計(jì)算而得，限制膨脹率試件采用帶限位器的混凝土澆筑而成，試件尺寸為300 mm×100 mm×100 mm，取3個(gè)試件的平均值。補(bǔ)償收縮混凝土不同齡期限制膨脹率見表4。

水養(yǎng)條件下補(bǔ)償收縮混凝土早期的膨脹率增長(zhǎng)較快，14 d齡期限制膨脹率可達(dá)到0.026%，水養(yǎng)14 d轉(zhuǎn)空氣養(yǎng)護(hù)至28 d齡期時(shí)，限制膨脹率為0.016%，滿足規(guī)范《混凝土膨脹劑》[9]對(duì)補(bǔ)償收縮混凝土限制膨脹率的要求。

補(bǔ)償收縮混凝土的膨脹應(yīng)力按式（5）計(jì)算[10]：

式中：σ為膨脹或收縮應(yīng)力，MPa;μ為配筋率，%;E為限制鋼筋的彈性模量，取2.0×105 MPa;ε為限制膨脹率，%。

補(bǔ)償收縮混凝土各齡期預(yù)壓應(yīng)力見表5。

2.2?邊界條件

溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)計(jì)算中，依據(jù)工程施工工藝，混凝土面板背面與原壩體按照完全固結(jié)處理，對(duì)其三向位移進(jìn)行約束。面板施工時(shí)采用跳倉(cāng)與平倉(cāng)結(jié)合的澆筑方式，左右兩側(cè)結(jié)合面的約束形式分為兩種：工況1，先澆倉(cāng)位，邊界無(wú)約束，按照自由面處理;工況2，后澆倉(cāng)位，兩側(cè)受到先澆倉(cāng)位約束，按照法向位移約束處理，面板其余面按照自由面處理。

2.3?氣溫條件

出現(xiàn)裂縫的防滲面板澆筑于2月份，根據(jù)養(yǎng)護(hù)方式，施工期當(dāng)?shù)厝掌骄鶜鉁仉S時(shí)間變化如圖1所示。

2.4?模型建立

結(jié)合施工工藝，對(duì)不同施工工藝方法下倉(cāng)位混凝土面板建模計(jì)算，模型尺寸10.0 m×6.0 m×1.0 m，鋼筋直徑16 mm，間距150 mm，保護(hù)層厚度50 mm。溫度場(chǎng)分析采用Solid 70單元，應(yīng)力場(chǎng)分析時(shí)采用Solid 45單元，網(wǎng)格密度為100 mm。補(bǔ)償收縮混凝土防滲面板有限元計(jì)算模型如圖2所示。

3?計(jì)算結(jié)果與分析

3.1?無(wú)保溫措施下面板溫度和應(yīng)力場(chǎng)分析

3.1.1?溫度場(chǎng)分析

無(wú)保溫措施條件下，補(bǔ)償收縮混凝土防滲面板內(nèi)、外溫度隨時(shí)間變化見圖3。從圖3可以看出，混凝土在澆筑完成之后，內(nèi)、外部溫度隨時(shí)間發(fā)生變化大致可分為3個(gè)階段：第一階段為水化溫升階段，主要發(fā)生在澆筑完成4 d之內(nèi)，在此階段內(nèi)混凝土內(nèi)部溫度達(dá)到最大值31.9 ℃，此時(shí)面板表面溫度為9.7 ℃左右，內(nèi)外溫差約為22.2 ℃，符合《大體積混凝土施工標(biāo)準(zhǔn)》[8]規(guī)定的內(nèi)外溫差25 ℃之內(nèi);第二階段為溫降階段，主要發(fā)生在4～10 d內(nèi)，此階段內(nèi)混凝土水化放熱溫度開始下降，內(nèi)外溫差呈減小趨勢(shì)，表面溫度隨環(huán)境溫度變化，但始終高于環(huán)境溫度;第三階段為平穩(wěn)階段，混凝土內(nèi)、外溫度持續(xù)降低，與環(huán)境溫度逐步接近。

3.1.2?應(yīng)力場(chǎng)分析

（1）工況1第一主應(yīng)力計(jì)算結(jié)果。

工況1無(wú)保溫措施條件下防滲面板早齡期第一主應(yīng)力計(jì)算結(jié)果表明：在無(wú)外界保溫措施條件下，表面混凝土散熱加快，混凝土在澆筑完成后4 d內(nèi)，面板內(nèi)部的應(yīng)力急劇增大，最大主拉應(yīng)力峰值為1.16 MPa，由于結(jié)構(gòu)端部位置雙向散熱且無(wú)約束，因此最大主拉應(yīng)力出現(xiàn)在面板表面靠近端部區(qū)域，隨后應(yīng)力逐漸降低?？紤]到補(bǔ)償收縮混凝土材料的膨脹作用抵消了一部分拉應(yīng)力，補(bǔ)償收縮混凝土面板實(shí)際產(chǎn)生的拉應(yīng)力會(huì)相應(yīng)減小，將試驗(yàn)測(cè)得的預(yù)壓應(yīng)力與抗拉強(qiáng)度相疊加，得到補(bǔ)償收縮混凝土實(shí)際的抗裂性能指標(biāo)。

《大體積混凝土施工標(biāo)準(zhǔn)》[8]中給出了混凝土防裂性能判斷公式：

試中：σx為綜合降溫差，在外約束條件下產(chǎn)生的拉應(yīng)力，MPa; ftk（t）為混凝土齡期為t時(shí)抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值;λ為摻合料對(duì)混凝土抗拉強(qiáng)度影響系數(shù)，粉煤灰摻入20%時(shí)，λ取1.03;K為防裂安全系數(shù)，取1.15。

工況1無(wú)保溫措施條件下防滲面板混凝土溫度應(yīng)力隨齡期變化見圖4，補(bǔ)償收縮混凝土材料的抗裂性能隨齡期不斷增強(qiáng)。補(bǔ)償收縮混凝土面板結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的溫度拉應(yīng)力呈先增大后減小的趨勢(shì)，澆筑完成3 d和4 d為最危險(xiǎn)時(shí)刻，在無(wú)外界保溫措施的養(yǎng)護(hù)條件下，補(bǔ)償收縮混凝土因溫差產(chǎn)生的溫度主拉應(yīng)力為1 MPa和1.16 MPa，大于混凝土抗裂性能0.87 MPa和1 MPa，混凝土產(chǎn)生開裂。裂縫出現(xiàn)的位置在面板表面靠近邊緣區(qū)域。7 d時(shí)由于環(huán)境溫度驟降，7 d產(chǎn)生的溫度應(yīng)力大于6 d的。

（2）工況2第一主應(yīng)力計(jì)算結(jié)果。工況2無(wú)保溫措施條件下防滲面板表面早齡期第一主應(yīng)力計(jì)算結(jié)果表明：在相同外界溫度環(huán)境條件下，工況2的散熱面積較工況1小，且工況2的約束多于工況1，因此工況2后澆倉(cāng)位各齡期計(jì)算溫度應(yīng)力均小于工況1，最大主拉應(yīng)力所產(chǎn)生的位置也發(fā)生變化，面板左右兩端受到先澆倉(cāng)位的約束，最大主拉應(yīng)力位置出現(xiàn)在面板頂端靠近邊緣位置。4 d內(nèi)面板溫度應(yīng)力達(dá)到最大值1.04 MPa，大于此齡期材料抗拉強(qiáng)度0.87 MPa?？紤]到補(bǔ)償收縮混凝土的膨脹作用，將混凝土產(chǎn)生的預(yù)壓應(yīng)力與抗拉強(qiáng)度疊加得到混凝土抗裂性能。

工況2無(wú)保溫措施條件下防滲面板混凝土溫度應(yīng)力隨齡期變化見圖5，由圖5可知，處于后澆倉(cāng)位的混凝土面板，在澆筑完成后計(jì)算最大溫度應(yīng)力為1.04 MPa，大于此時(shí)刻的混凝土抗裂性能1 MPa，混凝土?xí)a(chǎn)生開裂。裂縫出現(xiàn)的位置在面板表面靠近上邊緣區(qū)域。

計(jì)算結(jié)果表明，在使用補(bǔ)償收縮混凝土的情況下，如果沒有保溫措施會(huì)導(dǎo)致混凝土產(chǎn)生的溫度應(yīng)力大于補(bǔ)償收縮混凝土的預(yù)壓應(yīng)力與抗拉強(qiáng)度之和，進(jìn)而使混凝土開裂。實(shí)際工程中由于早期養(yǎng)護(hù)不善，沒有采取相應(yīng)的混凝土保溫措施，在施工過程中發(fā)現(xiàn)有多條水平和豎向裂縫的產(chǎn)生，以豎向裂縫為主，多數(shù)裂縫寬度小于0.2 mm，裂縫多出現(xiàn)在倉(cāng)位的邊緣位置，這與計(jì)算的最大溫度應(yīng)力位置相吻合，因此需對(duì)早期混凝土采取相應(yīng)的保溫措施，預(yù)防混凝土的開裂。

3.2?保溫措施下面板溫度、應(yīng)力場(chǎng)分析

3.2.1?溫度場(chǎng)分析

上述計(jì)算結(jié)果表明，為預(yù)防混凝土開裂，需采取相應(yīng)保溫措施降低混凝土內(nèi)外溫差?？紤]到大壩表面進(jìn)行澆筑支護(hù)作業(yè)，保溫材料需要貼于模板外側(cè)，因此保溫材料的選擇以輕便、易貼附為主。綜合考慮之后，選取聚苯乙烯泡沫塑料板作為其結(jié)構(gòu)外側(cè)的保溫材料，分別取10 mm和25 mm兩種厚度進(jìn)行分析。

采用等效表面散熱系數(shù)法來(lái)計(jì)算混凝土保溫效果[6]。

式中：β′為等效放熱系數(shù);β為表面向空氣放熱系數(shù);h為保溫板厚度，m;λ1為保溫板導(dǎo)熱系數(shù)，取0.125 6 kJ/（m·h·℃）

不同厚度保溫材料對(duì)混凝土內(nèi)外溫差的影響計(jì)算結(jié)果見圖6，結(jié)果表明：保溫材料顯著降低了面板內(nèi)、外溫差，延長(zhǎng)了內(nèi)外最高溫差出現(xiàn)的時(shí)間，4 d時(shí)，無(wú)保溫材料情況下內(nèi)外溫差為22.2 ℃，采用厚度為10 mm保溫材料時(shí)內(nèi)外溫差為12 ℃左右，采用厚度為25 mm保溫材料時(shí)內(nèi)外溫差為7 ℃左右。同時(shí)保溫材料降低了環(huán)境溫度變化對(duì)面板表面混凝土溫度的影響。

3.2.2?應(yīng)力場(chǎng)分析

工況1應(yīng)力條件最為不利，采用不同厚度保溫材料進(jìn)行溫度應(yīng)力計(jì)算，結(jié)果見圖7。保溫材料顯著降低了混凝土因溫差產(chǎn)生的溫度應(yīng)力，4 d時(shí)，保溫材料厚度為10 mm的溫度應(yīng)力為0.83 MPa，較無(wú)保溫措施條件降低了29%，保溫材料厚度為25 mm的溫度應(yīng)力較無(wú)保溫措施條件降低了42%。同時(shí)由于保溫材料減小了內(nèi)、外混凝土散熱速率，推遲了混凝土內(nèi)外最大溫差出現(xiàn)的時(shí)間，混凝土溫度有所增長(zhǎng)，因此混凝土后期溫度應(yīng)力呈上升趨勢(shì)，7 d時(shí)采用保溫措施的混凝土溫度應(yīng)力達(dá)到最大值，隨后持續(xù)降低，混凝土溫度應(yīng)力小于補(bǔ)償收縮混凝土的抗裂性能。

4?施工養(yǎng)護(hù)建議

4.1?加強(qiáng)混凝土養(yǎng)護(hù)濕度

本工程采用的SP-GⅠ型膨脹劑，膨脹劑早期水化反應(yīng)對(duì)混凝土內(nèi)部自由水消耗大，當(dāng)養(yǎng)護(hù)濕度不足時(shí)，將導(dǎo)致膨脹劑不能產(chǎn)生有效的膨脹。同時(shí)現(xiàn)有研究結(jié)果表明，當(dāng)混凝土表面養(yǎng)護(hù)濕度保持90%以上時(shí)，混凝土產(chǎn)生的干縮應(yīng)力比干燥狀態(tài)下減小60%～70%[10]，養(yǎng)護(hù)濕度的提高對(duì)補(bǔ)償收縮混凝土的抗裂性能提升具有重要作用，所以應(yīng)提高混凝土早期的養(yǎng)護(hù)濕度。

4.2?冬季低溫施工時(shí)，增強(qiáng)保溫措施

面板屬于薄壁大體積混凝土結(jié)構(gòu)，在低溫條件下施工時(shí)，面板混凝土需要保證較小的內(nèi)外溫差。研究表明，膨脹劑的水化反應(yīng)對(duì)溫度較為敏感，溫度越高膨脹劑的水化反應(yīng)速率越大[11]，補(bǔ)償收縮混凝土的預(yù)壓應(yīng)力也越大，因此外部的保溫材料既能保證面板混凝土能產(chǎn)生足夠的膨脹，又能降低內(nèi)外溫差，降低溫度應(yīng)力。

5?結(jié)?論

（1）在外界無(wú)保溫措施情況下，薄壁大體積補(bǔ)償收縮混凝土內(nèi)外易產(chǎn)生較大溫差，導(dǎo)致施工早期表面開裂，面板混凝土裂縫易出現(xiàn)在面板的邊緣區(qū)域。

（2）采用聚苯乙烯泡沫塑料板作為結(jié)構(gòu)外側(cè)的保溫材料可以有效減小混凝土因溫差產(chǎn)生的拉應(yīng)力，保溫板厚度選擇10 mm即可滿足抗裂性能的要求。

（3）一般施工養(yǎng)護(hù)時(shí)應(yīng)保證混凝土養(yǎng)護(hù)濕度，尤其是采用SP-GⅠ型膨脹劑時(shí)，膨脹劑水化反應(yīng)受混凝土養(yǎng)護(hù)濕度影響較大，養(yǎng)護(hù)濕度越高膨脹劑膨脹效果越好，早期養(yǎng)護(hù)濕度的提高有利于減小混凝土后期的收縮。

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