鄂北地區水資源配置工程摻加水化熱抑制劑控制混凝土裂縫試驗研究

趙容 熊治明 沈育陽

摘要：暗涵要承受荷載、抵抗地下水滲透破壞，必須具備耐久優良的質量。在暗涵施工過程中，防止裂縫產生對保證暗涵質量尤為重要。通過鄂北地區水資源配置工程兩段暗涵側墻混凝土澆筑施工試驗，對比摻加水化熱抑制劑和未摻加的混凝土溫度和裂縫產生的效果，結果表明：摻加水化熱抑制劑后能降低混凝土溫峰值，推遲溫峰時間，并能有效控制裂縫的產生。研究成果可為類似工程暗涵施工的裂縫控制提供參考。

關鍵詞：混凝土;裂縫控制;水化熱抑制劑;有限元分析法;暗涵工程;鄂北地區水資源配置工程

中圖法分類號：TV543文獻標志碼：ADOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2020.11.018

Abstract： Since buried culvert must possess durable and excellent quality to bear loads and resist seepage damage of groundwater， preventing cracks is particularly important for ensuring culvert quality during the construction. The concrete placement construction of the side wall of two sections of buried culvert in North Hubei Water Transfer Project is used to conduct test. By comparing the concrete temperature and crack generation effect with and without hydration heat inhibitor， it was found that adding hydration heat inhibitor could reduce the peak temperature of concrete， delay the occurrence time of peak temperature， so can effectively control the crack generation. The test results can provide reference for crack control of the similar buried culvert construction.

Key words： concrete; crack control; ?hydration heat inhibitor;finite element; buried culvert; North Hubei Water Transfer Project

1 研究背景

鄂北地區水資源配置工程（以下簡稱“鄂北工程”）是解決鄂北地區水資源短缺問題，滿足鄂北工程受水區生活、生產及生態用水需求，促進該地區經濟社會可持續發展的戰略性基礎工程。鄂北工程從丹江口水庫清泉溝隧洞進口引水，輸水線路全長269.67 km，工程多年平均引水量7.7億m3，渠首設計流量38 m3/s，主要建筑物由取水建筑物、明渠、暗涵、隧洞、倒虹吸、渡槽、節制閘、分水閘、檢修閘、退水閘、放空設施、排洪建筑物及王家沖擴建水庫等組成[1]。輸水線路共布置渠道91段，長54.97 km，其中矩形暗涵38段，長30.96 km，占渠道長度的56.33%，暗涵所占比重較大。為保證工程質量達到優良等級，需要嚴格控制暗涵的施工質量。在暗涵施工過程中，混凝土一次性澆筑方量大，水化熱產生高，容易產生裂縫，特別是貫穿性裂縫會嚴重影響暗涵的使用功能和壽命，因此在暗涵施工中對裂縫的有效控制尤為重要[2]。

鄂北工程分2個年度開工，均包含暗涵工程施工，從已完成的暗涵混凝土質量來看，部分暗涵邊墻產生了裂縫，根據現場勘查、調研及收集到的裂縫資料，分析認為裂縫主要是施工溫度引起的。為保證暗涵施工質量，減少后續暗涵施工裂縫，特選取鄂北工程2016年開工項目4標八里坡暗涵中兩段側墻作為試驗段，針對混凝土因水化熱升溫過高而產生的溫度收縮裂縫，檢驗摻加HHC-S水化熱抑制劑（以下簡稱“摻加抑制劑”）是否能有效控制裂縫[3]。試驗選取的八里坡暗涵側墻澆筑長10 m，高5.5 m，厚1 m，結構為鋼筋混凝土（標號為C25W6F150），側墻混凝土一次性澆筑方量約為220 m3。

2 試驗材料和方法

2.1 試驗材料

八里坡暗涵側墻澆筑混凝土各項物理性能試驗指標均采用現場混凝土實際生產配合比，具體見表1。由于抑制劑摻量較小，為膠凝材料的1%，故摻入方式為直接外摻。

選用武漢三源特種建材有限責任公司生產的一種新型混凝土外加劑——HHC-S水化熱抑制劑，該產品主要成分為多羥基羧酸酯，微溶于水。抑制劑在堿性環境下逐步溶解，特征官能團在水泥顆粒及水化產物表面產生吸附，形成一定的吸附層，從而抑制早期C3S相的快速水化，降低水泥加速期的水化速率，調控水泥水化放熱進程。

混凝土和易性檢驗結果如表2所示，與未摻加混凝土相比，混凝土初始坍落度及損失相差不大。

2.2 試驗方法

試驗段暗涵側墻底部受已澆暗涵底板混凝土約束，且暗涵處于深基坑中，通風條件差，特別是在高溫季節施工時，易受溫度應力作用過大影響而產生裂縫，因此，通過混凝土配合比的設計調整，摻加抑制劑同步和未摻加抑制劑的試驗段側墻進行平行施工和試驗，對現場混凝土溫度數據進行實時監測，收集各時段溫度數據，對比分析溫控效果，確定摻加抑制劑是否能有效控制混凝土裂縫。

3 試驗結果與分析

3.1 混凝土溫度數據及其分析

暗涵結構簡圖及溫度傳感器見圖1，溫度傳感器的埋設參照GB 50496-2009《大體積混凝土工程施工規范》，埋設部位選在混凝土側墻的中心部位，溫度數據通過電子溫度監控儀監測。

摻加抑制劑組和未摻加組側墻中心部位混凝土溫升對比曲線見圖2。

由圖2可知，未摻加組側墻中心混凝土到達溫峰61.9 ℃的時間為22 h，摻加抑制劑組側墻中心混凝土到達溫峰55.5 ℃的時間為35 h。說明摻加抑制劑組混凝土中心溫度較未摻加組相比降低了6.4 ℃，溫峰延遲13 h。混凝土溫升數據對比見表3。

3.2 有限元分析

3.2.1 有限元幾何模型

根據實測溫度監測數據，采用MIDAS/Civil軟件中的水化熱分析模塊，對所研究的側墻混凝土面板進行有限元分析[4]。根據軸對稱性，截取實體長度的1/2作為幾何模型（見圖3）。

3.2.2 計算結果與分析

（1）溫度分布。根據模型運算結果，提取關鍵時間未摻加組與摻加抑制劑組溫度分布（見圖4）。

從圖4可以看出：在前10 h的溫升階段，摻加抑制劑組混凝土內部升溫較未摻加組更緩慢。隨著水化反應的進行產生大量熱量，22 h時未摻加組中內部已積聚大量熱量并達到峰值，且位于峰區的面積較大，由于混凝土導熱性差，加之外界的散熱作用，使外部邊角部位的混凝土溫度接近環境溫度，導致里表溫差高達32.1℃;摻加抑制劑組溫峰時間推遲至35 h，內部峰值區面積較小，內外溫度梯度過渡平緩。在未摻加組22～56 h的降溫階段，35 h時混凝土內部還有較大的高溫區，但表面已基本降至環境溫度，56 h時高溫區消失，這種溫度的陡降極易造成混凝土收縮開裂;摻加抑制劑組降溫較平緩，降溫過程中結構內部沒有產生較大的溫度梯度。

（2）裂縫產生風險。混凝土裂縫的產生是由于拉應力超過了抗拉強度，溫差變化會導致拉應力的產生及分布。根據模型運算結果，以裂縫指數來判斷某一部位產生裂縫可能性的大小，即裂縫指數不小于1時，混凝土無裂縫風險;當裂縫指數小于1，且越接近0，其產生裂縫的風險越大。

未摻加組與摻加抑制劑組裂縫指數見圖5，列舉了上面同一時間側墻產生裂縫部位的分布。無裂縫產生風險的部位為透明色，裂縫產生部位用顏色標注，且顏色從藍色到紅色，裂縫產生概率逐漸升高。

由圖5可知，混凝土升溫和降溫階段，裂縫產生部位面積較大，這與溫度分布的結論相一致：升溫階段未摻加組混凝土內部溫度加速上升，而還未傳至表面，產生第一次里表溫差的極值，此時混凝土抗拉強度尚在逐漸形成，抵抗溫差收縮應力的能力較差，而由于混凝土面板的限制作用，產生裂縫概率較低;在混凝土降溫階段，特別是拆模后表面散熱加快，但此時內部還留存著大量水化熱，產生了第二次里表溫差的極值，此時產生的溫度應力大于混凝土的抗拉強度，導致產生裂縫的概率很大。而摻加抑制劑組的混凝土不僅溫峰值降低6.4 ℃，且升溫及降溫速率也較大程度地減小，使整個過程的溫度梯度比較平緩，降低了溫差收縮應力。

4 試驗小結

（1）在本次暗涵工程側墻混凝土澆筑試驗中，與未摻加組混凝土相比，摻加抑制劑組降溫效果明顯，混凝土極值溫度低了6.4 ℃，溫峰時間延遲了約13 h，表明摻加抑制劑能夠有效降低混凝土溫度和延長溫峰時間。

（2）通過有限元分析未摻加組及摻加抑制劑組溫度分布情況，數據結果表明：摻加抑制劑組溫度分布較均勻，溫峰部位面積較未摻加組相比顯著減小，各時段的溫度梯度都比較平緩。進一步模擬分析裂縫指數分布情況發現，摻加抑制劑后混凝土裂縫產生概率較未摻加減小，且有裂縫產生部位也明顯變小。

5 結 語

在混凝土工程施工中，摻加抑制劑不僅能降低混凝土的溫峰值，還使混凝土施工整個過程的溫度梯度相對平緩，降低了溫差收縮應力，能有效控制裂縫的產生。研究結論對大體積混凝土的施工質量控制具有參考意義。

參考文獻：

[1] 陳雁鳴. 粉煤灰抑制骨料堿活性試驗在鄂北工程中的應用[J]. 中國水利，2017（22）：31-33.

[2] 王鐵夢. 建筑物裂縫與控制[M]. 上海：上海科學技術出版社，1993.

[3] 張曉果. 水化熱抑制劑對大體積混凝土性能影響的研究[J]. 商品混凝土，2017（5）：33-35.

[4] 楊陽. X基于midas/Civil的大體積承臺混凝土水化熱分析[J].科技風，2012（23）：107-108.

（編輯：唐湘茜）