1-17-卢治文高温干燥地区碾压混凝土温控防裂技术研究与应用

高温干燥地区碾压混凝土温控防裂技术研究与应用卢治文 凌春海（中水珠江规划勘测设计有限公司，广东省广州，510610）摘要：针对南沙水电站高温干燥地区的特点，通过采用三维混凝土温度场和徐变应力场非稳定场问题求解的有限元法数值仿真计算，预测了南沙碾压混凝土结构可能的开裂部位和开裂时间，并提出相应的控制指标和防裂措施，取得了一定的效果。

关键词：碾压混凝土；高温干燥；仿真计算；温控防裂技术；应用；1 工程简介南沙水电站工程位于云南省元阳县境内红河干流元江的中下游段，是以发电为主的大（Ⅱ）型工程。

大坝为碾压混凝土重力坝，水库总库容2.65亿m3，总装机容量为150MW，多年平均发电量7.023亿kW·h，最大坝高为85.0m，混凝土浇筑量65万m3。

南沙水电站位于红河中游段，属元江炎热气候区，流域海拔在高程100m～1500m之间，受红河河谷地带干热焚风的影响，气候干燥炎热，绝对最高气温达41.7℃，高温季节长达8个月,年平均气温高达23.5℃,高温季节平均相对湿度50%。

南沙水电站大坝碾压混凝土施工必须面临高温干燥季节条件下施工的技术难题，在这样恶劣的环境条件下进行碾压混凝土施工在国内外是少有的，具有很大的挑战性。

大坝碾压混凝土温控防裂是制约大坝快速施工的首要关键技术问题，直接影响工程建设的成败。

2 温控防裂关键技术研究近年来，随着混凝土热传导理论、工程力学、试验方法和数值仿真计算技术的快速发展和日臻完善，对水工结构混凝土裂缝成因的认识和防裂技术水平都得到了很大的提高，特别是通过对施工期混凝土温度场和应力场的非恒定时空复杂问题的精细仿真计算求解，已经能够对整个工程施工期乃至运行期的全过程情况进行严密的数值模拟，能够正确模拟工程建设中所遇到的绝大多数主要影响因素；也可以结合具体工程的气候条件、设计情况和施工计划，进行多种施工方法与工艺的防裂方法对比仿真计算分析，重要参数的敏感性对比计算分析,从而指导混凝土的实际浇筑过程，满足工程混凝土的防裂要求。

2.1 研究方法采用三维混凝土温度场和徐变应力场非稳定场问题求解的有限元法数值仿真计算理论和方法，选取南沙碾压混凝土重力坝的6＃溢流坝段和3＃厂房坝段作为典型研究对象，进行整个施工期的数值仿真建模和计算分析，认识和掌握混凝土施工过程中温度、应力的时空变化规律和主要影响因素，为施工过程中进行混凝土防裂提供参考。

对于不同配合比的混凝土材料，导温系数和导热系数往往变化不大。

所以对混凝土温度场影响较大的因素有混凝土的浇筑温度、绝热温升、放热系数和环境温度。

在温度应力场的计算中，弹性应变的大小主要决定于混凝土的弹模，而混凝土的弹模在不同的龄期是不同的，其变化是一个由弱变强的过程。

在温控工作中，应尽量利用早期弹模小的特点，使混凝土的内外温差最大的时刻尽早出现。

2.2 大坝混凝土施工期开裂机理混凝土裂缝的发生发展，不仅和混凝土浇筑块的温度、混凝土的强度、浇筑质量、环境温度、结构形式和混凝土块尺寸等有关，也与混凝土块在施工过程中所处的地理气候环境、拆模时间等密切相关。

根据裂缝出现的时间来分，主要可分为早期裂缝、施工期第一个冬季时裂缝和后期裂缝三类。

早期出现的混凝土裂缝多数发生在浇筑初期10d以内。

一般情况，裂缝的表现形式是“由表及里”型，启裂点往往位于混凝土的表面。

开裂的主要原因是内外温差，内部温度温升幅度大的混凝土膨胀变形受到外部混凝土的约束，在混凝土表面产生拉应力，而在混凝土内部产生压应力。

内外温差越大，早期表面拉应力越大，表面开裂的风险也越大。

当表面裂缝出现后，很可能向纵深发展，最终形成贯穿性裂缝或深层裂缝。

因此，在施工早期应特别注意混凝土表面的防裂工作。

仿真计算结果表明，混凝土浇筑后如果没有采用合适的温控措施，坝体强约束区混凝土表面最大拉应力可能会超过混凝土当时的抗拉强度，存在开裂的可能性。

因此，早期防裂是温控防裂工作的一个重点。

一般来讲，施工期第一个冬季出现的混凝土裂缝和早期裂缝形式一样，同样是“由表及里”型，启裂点也往往位于混凝土的表面。

开裂的主要原因也是内外温差，随着外界温度的下降，表面混凝土的温度也随之下降，发生冷缩变形而受到内部混凝土的约束，在混凝土表面产生拉应力。

外界温度越低，导致内外温差越大，则表面拉应力越大，表面开裂的风险也越大。

当表面裂缝出现后，很可能向纵深发展，最终形成贯穿性裂缝或深层裂缝。

因此，在施工期应特别注意混凝土表面的防裂工作。

有限元法数值仿真计算结果表明，在施工期的第一个冬季，如果外界气温很低的话，坝体强约束区混凝土表面最大拉应力可能会超过混凝土当时的抗拉强度，存在开裂可能性，建议在施工期外界气温较低的季节或遭遇寒潮温度骤降时，在已浇筑混凝土表面采用合适的保温措施，防止过大的内外温差而造成坝体混凝土表面开裂。

后期裂缝的出现主要是由于内部温降和外在约束，其表现形式往往为“由里及表”型。

混凝土内部温度达到峰值后温度将缓慢降低，早期的压应力将逐渐转化为拉应力，越到后期温降幅度越大，温缩变形也就越大，混凝土内部后期的拉应力也越大。

因此，后期若出现裂缝的话，其启裂点通常位于混凝土内部。

在大坝混凝土工程中，相对其它部位，坝体强约束区混凝土是防裂难度最大的部位。

该部位由于直接浇筑于岩基之上，受到岩基的强约束作用，且无论沿坝轴线方向还是沿上下游方向坝体的约束长度也相当长，因此，无论是早期还是后期都容易出现裂缝。

针对裂缝形成机理和容易产生裂缝的部位，在混凝土施工过程必须在早期采用合理的方法，降低混凝土温度峰值，从而降低混凝土后期的温降收缩量；并在整个施工期采用合理的保温措施，控制过大的内外温差，防止坝体混凝土在表面开裂，这是温控防裂技术控制措施的关键。

3 温控防裂技术应用运用温度场和应力场的计算理论，针对南沙碾压混凝土重力坝的6＃溢流坝段和3＃厂房坝段建立了有限元模型，进行了数值仿真计算分析。

预测了混凝土结构可能的开裂部位和开裂时间，并提出相应的控制指标和防裂措施，具体如下：3.1 仿真计算结果及控制指标6＃溢流坝段：1）坝体强约束区混凝土的温控防裂工作可以分为早期、施工期的第一个冬季和后期三个阶段。

该区域混凝土在夏季浇筑，温度较高且日夜温差变幅不大，混凝土表面早期拉应力不是很大，小于混凝土的即时允许抗拉强度，早期开裂风险较小。

施工中采用冷却水管进行早期降温后，内外温差得到了进一步的改善，基本可以保证早期不出现“由表及里”型裂缝。

对于施工期的第一个冬季，由于外界气温降到相对全年最低，混凝土内外温差增大，导致在混凝土表面由于温降收缩产生较大的拉应力，最大达到1.59MPa，小于当时的允许抗拉强度1.76MPa，一般不会出现表面温度裂缝，但相对比较危险。

建议在外界温度较低的季节或者温度骤降时，坝体表面混凝土采取一定程度的保温措施，这样有利于防止表面温度裂缝的产生。

而后期混凝土，由于在夏季浇筑，外界气温较高且混凝土的浇筑温度很高（最高到达36℃），坝体内部混凝土温度相对较高，后期温降幅度相对比较大，加上受到地基的约束作用，出现较大的拉应力，最大达到1.75MPa，小于当时的允许抗拉强度1.76MPa，可幅度很小，出现内部裂缝的可能性小，但是安全度相对不高，建议混凝土浇筑时要尽量降低混凝土的浇筑温度，同时允许条件下，加强水管通水冷却的力度，尽量降低混凝土的最高温度，已达到减小内部混凝土后期的降温幅度，减小内部混凝土拉应力，防止坝体强约束区混凝土内部出现裂缝。

2）对于坝体弱约束区和非约束区的混凝土，由于受地基的约束相对降低了很多，且混凝土的浇筑季节也安排在春秋季节，外界气温和混凝土的浇筑温度相对低了不少，所以后期降温幅度很大的降低，则后期混凝土内部温降拉应力比强约束区的混凝土内部拉应力小了很多，一般不会出现温度裂缝；至于早期和施工期第一个冬季出现由于过大内外温差而产生拉应力开裂现象的可能性也不是很大，和强约束区相同的温控措施的情况下，一般不会有温度裂缝产生。

3＃厂房坝段：1）施工期垫层区内表温差在3℃，水管通水冷却结束时，混凝土平均温度为25.6℃。

垫层区处于基础强约束区，龄期10d左右，混凝土拉应力达到最大，内部拉应力达到1.16MPa，表面拉应力达到1.22MPa，均在混凝土允许应力范围内。

坝面过水期间，拉应力增大，其中上游面拉应力达到2.21MPa，没有超过混凝土允许抗拉强度2.48MPa。

2）坝面过水对坝体的影响。

过水期间，表层和内部混凝土应力均在允许范围内。

过水完毕后，已浇坝体温度为26℃～27℃,再往上浇筑混凝土后，过水层面与新浇筑层之间温差达到8℃左右。

过水完毕后，上层混凝土进行浇筑，过水层面上拉应力值达到1.0MPa左右，超过该龄期碾压混凝土允许抗拉强度0.8MPa（混凝土抗拉强度为1.32MPa）。

3）输水管道以下的混凝土施工完毕后，坝体有两个高温区，第一个在闸门下方的混凝土区域（高程236.0～239.0m），高温区中心温度为31℃，内表温差为5℃；第二个高温区分布在靠近下游侧的碾压混凝土区（高程215.0m～238.0m），高温区中心温度为30℃，内表温差为4℃。

虽然坝体存在两个高温区，由于第一个高温区范围小，内表温差也小，没有形成大的拉应力区；第二个高温区拉应力为1.2MPa，在允许拉应力2.18MPa范围之内。

坝体中心区域的混凝土受0.6MPa左右的拉应力。

4）对于输水管道以上的常态混凝土，龄期2d左右，水泥水化热充分反应，内部温度峰值达到37℃左右，表层温度达到33℃左右。

当通水结束后，温度有小幅回升。

厂房坝段进水口顶部结构施工完并通水结束后，在高程268.5m至277.5m坝体存在一个高温区，高温区温度为24℃。

3.2 防裂控制措施根据上面裂缝成因和仿真计算结果，南沙水电站大坝碾压混凝土施工防裂方法主要从以下方面进行控制：1）混凝土配合比控制混凝土配合比由南京市水利科学研究院经试验研究后提供。

同时，大坝基础填塘、大坝强约束区混凝土（▽215m高程以下常态混凝土）外掺氧化镁（MgO掺4%）补偿收缩，减小大坝温度应力，防裂效果明显，对减少强约束区的裂缝起到重要作用。

运用改进型高温超缓凝型高效减水剂、人工造雾和喷洒缓凝剂等综合技术，解决高温干燥条件下碾压混凝土初凝时间短的问题，实现了40℃高温环境条件下其初凝时间达到6~8h，满足了特殊环境的技术要求。

运用消解、陈化、大型磨机粉磨的方法，并对大掺量高钙粉煤灰碾压混凝土的物理、力学、热力学及其耐久性等性能进行了研究，解决大掺量（60%）高钙粉煤灰碾压混凝土安定性问题，得出大掺量高钙粉煤灰碾压混凝土性能满足水工大体积混凝土的技术要求并在工程中得到成功应用。

表1 南沙水电站碾压混凝土配合比(kg/m 3) 编 号 设计 标号 水胶比 砂率 % 粉煤灰%减水剂(粉剂) 引气剂 (粉剂) 每m 3混凝土材料用量(kg) 水水泥粉煤灰胶材减水剂 引气剂 砂 粗骨料(cm) 品种掺量 % 品种掺量/万 0.5～22～44～81 C 90100(W4)0.59 29 60 RCC-15 0.7 ZB-1G 2.08256 84 1400.98 0.028 647 4816414812 C 90100(W4)0.59 29 65 RCC-15 0.7 ZB-1G 2.08249 91 1400.98 0.028 646 4806404803 C 90200(W8) 0.53 33 50 RCC-15 0.7 ZB-1G2.011215462 216 1.51 0.043 717 663810—4 C 28250 0.4536 30 FDN-Ⅳ 0.7 — — 150233100 333 2.30 — 677 780487—2）混凝土浇筑过程控制措施（1）骨料采用遮阳防晒和高堆料、水泥罐灰罐淋水、地下水（22℃）拌合等综合措施，降低混凝土出机口温度。