水布埡工程面板混凝土抗裂性試驗(yàn)研究

摘要: 面板混凝土作為堆石體大壩的主要防滲結(jié)構(gòu)，其質(zhì)量對(duì)保證大壩的安全運(yùn)行具有重要的作用。國(guó)內(nèi)外面板堆石壩工程實(shí)踐表明，面板混凝土存在普遍的混凝土裂縫問(wèn)題。分析了面板混凝土裂縫的分類、成因和特性，探討了提高面板混凝土自身抗裂防裂能力的技術(shù)。通過(guò)試驗(yàn)，研究了人工合成纖維及人工合成纖維與鋼纖維復(fù)摻對(duì)水布埡工程面板混凝土各項(xiàng)性能尤其是抗裂性能的影響，得到了高抗拉強(qiáng)度和極限拉伸值、低收縮、低彈模、耐久性良好的高抗裂面板混凝土。

關(guān) 鍵詞: 面板混凝土;裂縫成因;抗裂試驗(yàn);水布埡水利樞紐

1 概述

面板混凝土作為堆石體大壩的主要防滲結(jié)構(gòu)，其質(zhì)量對(duì)保證大壩的安全運(yùn)行具有重要的作用。國(guó)內(nèi)外面板堆石壩工程實(shí)踐表明，面板混凝土存在普遍的混凝土裂縫問(wèn)題。與普通的水工大體積混凝土不同，面板混凝土是典型的薄型長(zhǎng)條板狀結(jié)構(gòu)，長(zhǎng)、寬、厚三向尺寸相差懸殊，若不采取有效措施，極易產(chǎn)生裂縫。面板混凝土一旦出現(xiàn)裂縫，不僅破壞結(jié)構(gòu)的整體性，而且將直接降低混凝土的抗?jié)B耐久性，由于凍融循環(huán)、化學(xué)物質(zhì)侵蝕、碳化等造成的混凝土劣化加劇，使結(jié)構(gòu)功能逐漸喪失。水布埡工程面板堆石壩最大壩高233m，是目前世界上已建和在建工程中最高的面板堆石壩，因此提高面板混凝土的抗裂性能是工程建設(shè)的重要研究課題。

2 面板混凝土的裂縫成因

混凝土是由多種材料組成的、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的多相非勻質(zhì)材料，在混凝土水化硬化過(guò)程中，由于骨料與水泥漿具有不同的熱力學(xué)性能，它們之間的不均勻變形產(chǎn)生的相互約束應(yīng)力導(dǎo)致在骨料與水泥漿界面上以及在水泥漿體中產(chǎn)生大量的原生微裂縫。在無(wú)應(yīng)力或較小的應(yīng)力作用下，混凝土原生微裂縫處于穩(wěn)定狀態(tài)，但在較大的應(yīng)力作用下，原生微裂縫將逐漸延伸擴(kuò)展直至破壞?；炷恋目箟簭?qiáng)度遠(yuǎn)大于抗拉強(qiáng)度，因此混凝土的開(kāi)裂主要是由于混凝土中的拉應(yīng)力超過(guò)了抗拉強(qiáng)度而引起的。

按產(chǎn)生拉應(yīng)力的不同原因，面板混凝土的裂縫可分為結(jié)構(gòu)裂縫和收縮裂縫。面板混凝土的結(jié)構(gòu)裂縫主要是由壩體不均勻變形所引起，可通過(guò)合理設(shè)計(jì)，改進(jìn)施工工藝和質(zhì)量，在面板澆筑前使壩體有一段預(yù)沉降期來(lái)避免。收縮裂縫是混凝土的收縮變形受到約束產(chǎn)生的拉應(yīng)力大于混凝土的抗拉強(qiáng)度而引起的?；炷恋氖湛s主要包括溫降收縮、自收縮、塑性收縮、碳化收縮和干燥收縮。

溫降收縮主要由水泥水化熱和外界氣溫變化引起，當(dāng)溫度變形受到混凝土外部約束和內(nèi)部各質(zhì)點(diǎn)間的約束產(chǎn)生的應(yīng)力超過(guò)混凝土的抗拉強(qiáng)度，就會(huì)產(chǎn)生溫度裂縫。面板混凝土厚度較薄，面積較大，較易散熱，且受墊層約束較小，因此無(wú)論是水化初期水化放熱升溫引起的內(nèi)表溫差及混凝土硬化后期溫度降低形成的溫度應(yīng)力均較小，不易形成裂縫。但面板混凝土在澆筑后不久若受寒潮侵襲，會(huì)形成較大的內(nèi)外溫差，此時(shí)混凝土抗拉強(qiáng)度較低，易形成溫度裂縫。為有效防止面板混凝土的溫度裂縫，一方面應(yīng)減小水泥用量，使用低水化熱水泥，并提高混凝土的抗拉強(qiáng)度和極限拉伸值;另一方面在施工時(shí)應(yīng)采取有效的表面保溫措施，減少混凝土的內(nèi)外溫差。

自收縮是由水泥水化作用引起自干燥而造成的混凝土宏觀體積的減少，主要產(chǎn)生于水化前幾天尤其是第一天。自收縮的大小主要取決于水泥品種和細(xì)度、礦物摻和料品種和細(xì)度及水膠比。低水膠比及大量細(xì)粒礦物摻和料的使用增加了混凝土的自收縮。

塑性收縮是指混凝土硬化前由于表面水分的蒸發(fā)速度大于混凝土的泌水速度而引起的收縮，此時(shí)混凝土強(qiáng)度很低，不能抵抗這種變形應(yīng)力將導(dǎo)致開(kāi)裂，混凝土基底或模板材料的干燥吸水會(huì)加劇混凝土的塑性收縮，使用收縮率較大的水泥和水泥用量過(guò)大也會(huì)增加混凝土的塑性收縮。選擇好的澆筑季節(jié)，采取措施降低混凝土表面的水分蒸發(fā)率可以降低面板混凝土的塑性收縮。

碳化收縮是混凝土水泥漿中的Ca2 與空氣中的CO2 作用生成CaCO3 而引起的表面體積收縮，碳化收縮受到結(jié)構(gòu)內(nèi)部未碳化混凝土的約束，將導(dǎo)致表面開(kāi)裂。面板混凝土水膠比小，結(jié)構(gòu)致密，碳化一般只限于淺表層。

干燥收縮是由于環(huán)境濕度降低，混凝土表層水份散失產(chǎn)生的體積收縮。干燥收縮是一個(gè)長(zhǎng)期的收縮過(guò)程，其收縮速率隨著干燥時(shí)間增加而急劇減小。面板混凝土表面積與體積之比很大，受干燥收縮影響很大，及時(shí)良好的養(yǎng)護(hù)可以推遲混凝土的干燥收縮，避免與混凝土自收縮和溫度收縮疊加，減少混凝土的收縮裂縫。

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