水閘結構高性能礦渣混凝土防裂措施研究

李 濤，程 鯤，王振紅

（1.國家能源局大壩安全監察中心，浙江杭州，311122；2.黃河上中游管理局，陜西西安，710021；3.中國水利水電科學研究院，北京，100038）

隨著社會的快速發展和國家對基礎設施投入的加大，越來越多的水閘、渡槽、倒虹吸、涵洞、擋土墻和泵站等混凝土結構出現，這類結構相對大壩等超大體積混凝土結構而言比較單薄，施工期混凝土裂縫問題也一直是工程界所面臨的一大難題，其影響因素眾多，形成機理復雜。從裂縫成因［1-4］分析來看，國內普遍認為溫度荷載是重要因素，解決問題的途徑主要從兩方面來著手：一種是減小早期混凝土結構的內外溫差，一種是減小底板對上部結構的約束，或者說減小后期的溫降幅度。可以看出，無論從哪一方面著手，都涉及到混凝土的溫度，因此，混凝土的溫度控制就成為問題的關鍵。

對于沿海水閘，為防止鋼筋銹蝕和鹽類侵蝕［5-8］，這類結構大都采用抗滲性能和防腐蝕性能較好的高性能礦渣混凝土，混凝土水膠比低、密實性好、耐久性強，可以滿足沿海工程的需要，但是其絕熱溫升高、水化反應劇烈，給施工期的溫控防裂帶來更大的壓力。針對這一問題，分析了施工期高性能礦渣混凝土結構的開裂機理和防裂方法，并依托某河口水閘工程，仿真分析了工程在表面保溫和內部水管［9-21］降溫相結合措施下的溫控防裂效果，可為沿海類似工程施工期的溫控防裂提供參考。

1 計算原理與方法

1.1 不穩定溫度場基本理論和有限元方法

在計算域R內任何一點處，不穩定溫度場T（x，y，z，t）須滿足熱傳導方程：

式中：T為溫度（℃）；a為導溫系數（m2/h）；θ為混凝土絕熱溫升（℃）；t為時間（d）；τ為齡期（d）。

利用變分原理，對式（1）采用空間域離散，時間域差分，引入初始條件和邊界條件后，可得向后差分的溫度場有限元計算遞推方程：

式中：［H］為熱傳導矩陣；［R］為熱傳導補充矩陣；｛Tn｝和｛Tn+1｝為結點溫度列陣；｛Fn+1｝為結點溫度荷載列陣；n為時段序數；Δt為時間步長。根據遞推公式（2），已知上一時刻的結點計算溫度｛Tn｝，可以推出下一時刻的結點溫度｛Tn+1｝，詳見文獻[17]。

1.2 水管冷卻混凝土溫度場計算原理與方法

根椐傅立葉熱傳導定律和熱量平衡條件，可得水管沿程水溫的增量：

式中：qw、cw和ρw分別為冷卻水的流量、比熱和密度；λ為導熱系數；n為混凝土與水管之間混凝土面的外法線。

由于冷卻水的入口溫度已知，利用上述公式，對每一根冷卻水管沿水流方向可以逐段推求沿程管內水體的溫度。水管的沿程水溫計算與溫度梯度?T/?n有關，因此帶冷卻水管的混凝土溫度場是一個邊界非線性問題，溫度場的解無法一步得出，必須采用迭代解法逐步逼近真解，詳見文獻［17］。

1.3 應力場基本理論和有限元方法

混凝土在復雜應力狀態下的應變增量包括彈性應變增量、徐變應變增量、溫度應變增量、干縮應變增量和自生體積應變增量，因此有：

式中：{Δδi}為區域Ri內所有節點三個方向上的位移增量分別為Δti時段內由外荷載、徐變、變溫、干縮和自生體積變形引起的等效結點力增量，詳見文獻［17］。

2 高性能礦渣混凝土結構的開裂機理與防裂方法

2.1 開裂機理

混凝土結構的裂縫在工程界屢見不鮮，工程經驗表明，裂縫的產生主要是由混凝土結構的內外溫差、底板的強約束和混凝土的收縮所致。

混凝土是熱性材料，在剛澆筑后不久，由于水泥水化反應的影響，混凝土的溫度不斷上升；同時，混凝土又是熱惰性材料，內部熱量散發慢、表面熱量散發快，內部溫度高、表面溫度低，形成內外溫差。過大的內外溫差導致結構內外變形不一致，產生相對變形，表面產生拉應力，當拉應力超過混凝土即時抗拉強度時，裂縫就會產生。

降溫階段，新澆混凝土的溫降收縮變形受到底板的強約束而產生拉應力。新舊混凝土間隙時間越長、溫降幅度越大，約束作用越明顯。由于水閘混凝土結構長度方向的尺寸遠大于厚度方向，結構整體收縮表現出來的拉應力都比較大，裂縫一旦出現都將是貫穿性的。

此外，由于混凝土中水分的遷移，混凝土就會發生干縮、自身收縮和塑性收縮等現象，很容易在混凝土表面產生裂縫。

2.2 防裂方法

針對混凝土結構的開裂機理，防止裂縫的產生，關鍵是降低混凝土結構內外溫差，減小底板約束和混凝土收縮變形。主要從下面幾方面進行考慮。

2.2.1 施工改進

通過改變混凝土的澆筑次序，控制混凝土的澆筑間歇時間和澆筑溫度來改善混凝土的應力狀態。主要包括以下施工技術：（1）對混凝土進行合理的分塊、分縫；（2）限制混凝土的澆筑層厚和澆筑間歇時間等。

2.2.2 材料優化

主要通過改變混凝土的組成成分來改善混凝土的特性，包括：（1）選用中低熱水泥或改良混凝土的配合比來降低混凝土的最終絕熱溫升；（2）提升混凝土的抗拉強度，尤其是提升混凝土早期抗拉強度；（3）選擇質地較好的骨料，減小混凝土的線膨脹系數；（4）在混凝土中摻入膨脹性的材料，如MgO；（5）摻入一定數量的減水劑等。

2.2.3 表面保溫

外部保溫使用具有一定保溫性能的模板或在表面覆蓋保溫材料來減小混凝土的內外溫差。但是，保溫材料如何選取、厚度如何確定、如何拆除保溫措施都是在溫控設計中應該詳盡考慮的問題。

2.2.4 內部降溫

在混凝土結構當中埋設冷卻水管，用冷卻水把水化熱量帶走，起到降低混凝土溫度的作用。冷卻水管不但能降低早期混凝土溫度，起到削峰減差的作用，而且能降低后期的溫降幅度，減小收縮變形，緩解后期防裂壓力。

3 工程應用

3.1 工程概況

某水閘樞紐工程位于浙江省紹興市，錢塘江主要支流某河口，屬河口水閘，是浙東引水工程的配水樞紐。工程為Ⅰ等工程，主要建筑物為一級建筑物，擋潮泄洪閘總凈寬560 m，共設28孔，閘孔凈寬20.0 m，閘墩長度達25 m、高10.5 m、厚4 m，閘底板厚2.5 m、長26 m。水閘采用高性能礦渣混凝土，施工期的溫控防裂任務復雜而艱巨。配合比及閘墩混凝土熱力學特性見表1～3。

3.2 計算模型

考慮工程的結構型式以及結構的對稱性，取一半結構參與計算。閘墩表面附近溫度受環境溫度影響較大，早期溫度梯度和應力梯度大，同時表層混凝土的溫度和應力變化情況也正是混凝土溫控防裂研究的重點，為精確計算，設置相對較薄的單元。為了模擬分層澆筑過程，計算網格在高度方向上的單元厚度取0.4 m，為一個澆筑層的厚度。計算模型的單元和結點總數分別為21 719和26 177個，典型點和水管布置見圖1，帶冷卻水管的計算網格如圖2所示（地基取部分網格）。

針對裂縫成因，采取的溫控防裂措施包括：原材料方面，通過試驗優化混凝土配合比，并采用外加劑以減少水泥用量和降低混凝土自生體積收縮；施工工藝方面，對于底板，在混凝土澆筑完畢后，上表面覆蓋一層草袋進行保溫養護，對于閘墩，則采用適度表面保溫和內部降溫相結合的防裂措施，即閘墩的澆筑采用鋼模板，外貼土工布進行保溫，同時在閘墩內部埋設冷卻水管。冷卻水管通水時間2.5d，水溫22℃，通水流量8.00m3/h，7d拆模。

表1 水閘混凝土溫控試驗配合比（單位：kg/m3）Table 1 Mix proportion of the sluice concrete in temperature control test(unit:kg/m3)

表2 水閘混凝土力學參數Table 2 Mechanical parameters of sluice concrete

表3 水閘混凝土熱學參數Table 3 Thermal parameters of sluice concrete

圖1 典型點和水管布置圖Fig.1 Distribution of typical point and water pipe in sluice

圖2 仿真計算網格Fig.2 Mesh for simulative calculation

3.3 計算結果分析

仿真計算結果見圖3和圖4所示，以典型點和典型剖面典型時刻的溫度、σ1為分析對象，典型點布置見圖1。

3.3.1 溫度場計算結果分析

從溫度歷時曲線看，典型點溫度大約在1～2 d時達到最高溫度。由于通水時間短，且是分層澆筑的，水管停水時，閘墩上部混凝土還沒有達到峰值，會出現溫度反彈、峰值后移現象，見圖3（a）。隨著時間的推移，溫度最終維持在30℃左右。就內外溫差來看，無論是胸墻下面2 m厚閘墩處還是門槽處，混凝土內部和表面的溫差大約在5℃左右，溫差很小，冷卻水管減差效果明顯。

混凝土是在高溫季節澆筑，且采用的是高性能礦渣混凝土，水化反應比較劇烈，閘內混凝土溫度普遍較高，最高溫度出現在無水管區，達68℃，其他部位相對較低，冷卻水管削峰降溫效果明顯。閘墩3個門槽處的溫度要比同一高程的其他部位低，平均低將近10℃。究其原因，主要是門槽處厚度較小（1 m），為其他部位的1/2，熱量更容易散發，見圖4。

圖3 1～7號典型點溫度歷時曲線Fig.3 Graphs of temperature at typical points 1～7

圖4 閘墩澆筑完2 d時不同剖面溫度等值線（單位：℃）Fig.4 Temperature contour of two cross-sections of sluice pier on the second day after placement(unit:℃)

3.3.2 應力場計算結果分析

初期內部溫升高，表面溫升低，混凝土內外收縮不一致，產生相互約束，內部為壓應力，表面為拉應力；后期內部溫降幅度較大，表面溫降幅度相對較小，內部為拉應力，表面為壓應力，見圖5（a）。初期最大拉應力發生在跨中表面，接近混凝土即時抗拉強度。拆模后，表面受晝夜溫差的影響，應力有些波動，但是影響不大。后期無論表面還是內部，應力都很小，大約在-0.3～0.2 MPa，開裂的可能性微乎其微，見圖6。

從計算結果來看，由于合理選擇了原材料，施工階段采取了適度的表面保溫和內部降溫相結合的溫控防裂新方法，閘墩早期表面拉應力和后期內部拉應力的值都很小。從防裂效果來看，已澆筑的水閘底板和閘墩上均未發現裂縫，說明該防裂方案在該高性能礦渣混凝土河口水閘的應用是成功的。

4 結語

（1）對于河口或者海洋混凝土工程，其混凝土絕熱溫升高，內外溫差和基礎溫差比較大，再加上結構型式相對單薄，裂縫一旦出現都將是貫穿性裂縫，嚴重影響結構的使用壽命，尤其是結構薄弱處，應給予足夠的重視。

圖6 閘墩澆筑完2 d時不同剖面應力等值線（單位：MPa）Fig.6 Stress contour of two cross-sections of sluice pier on the second day after placement(unit:MPa)

（2）表面保溫和內部水管降溫相結合的方法是一種經濟上合理、技術上可行的溫控防裂措施，適合于沿海和海洋混凝土結構的溫控防裂。需要注意的是，在這些地區的混凝土工程中使用冷卻水管，應做好水管的防銹工作，特別是伸出混凝土表面的部分水管。冷卻水根據現場情況可使用淡水也可使用海水，如果通海水冷卻，停止通水后需用淡水沖洗。

（3）工程建設的影響因素很多，建議施工前進行多參數多工況的仿真計算分析，篩選合理的溫控防裂方案，確定保溫厚度、水管布置形式、通水時間和通水方式等，確保不產生裂縫。