蒙城樞紐大體積混凝土溫度應力試驗分析

王旭光 朱學英 王 珩

（1 蒙城縣水利局；2 中水北方勘測設計研究有限責任公司；3 南京水利科學研究院）

大體積混凝土在澆筑后，熱量不易擴散，一旦內(nèi)外溫差過大，容易形成溫度應力，造成結構開裂，因此在澆注大體積混凝土時一方面需要研究合理的配合比，降低其水泥用量，另一方面，需進行合理的溫控措施[1]。

蒙城樞紐位于蒙城縣城北關的渦河上，由節(jié)制閘、分洪閘、船閘三座建筑物組成。船閘主體結構主要由上閘首、閘室和下閘首三個主要部分組成。船閘閘室有效尺度為240×23×4.20m（長×寬×門檻水深），閘室采用整體式鋼筋砼倒“Π”型結構，順水流向分成12 節(jié)，每節(jié)分縫長度20.0m。底板總寬38.80m，厚2.80m。邊墻底部廊道臨土側壁厚1.5m，頂板厚1.30m。上閘首為整體式閘室，鋼筋砼筏式平底板，底板厚2.8m，兩邊墩為空箱式結構。閘首順水流方向長度30m，底寬42.6m。下閘首為整體式閘室，鋼筋混凝土筏式平底板，底板厚3.5m，兩邊墩為空箱式結構。閘首順水流方向長度30.20m，底寬42.6m。上閘首鋼筋混凝土底板設計厚度為2.8m，一次性澆筑方量最大1310m3，下閘首鋼筋混凝土底板設計厚度為3.5m，一次性澆筑方量最大1649m3；閘室鋼筋混凝土底板設計厚度為2.8m，一次性澆筑方量最大874m3。節(jié)制閘為開敞式結構，共16 孔，單孔凈寬10m。閘室底板采用縫墩式結構，共8 聯(lián)16 孔，閘室長23.0m，底板厚度1.8m，一次性澆筑方量為1106m3。

因此船閘和節(jié)制閘均屬于大體積混凝土，溫度及裂縫控制是施工一大難點。為了避免或減少溫度裂縫產(chǎn)生，需研究混凝土在約束條件下的抗裂性能。而對于混凝土來說，早期的約束應力是多個因素綜合結果，難以通過研究單個因素（如溫濕度、收縮、約束、荷載、材料性能等）來找到該因素與約束應力的直接關系[2]。因此，依托該工程，對混凝土配合比進行優(yōu)化并采用溫度應力試驗機研究了不同配合比的溫度應力，其結果可為配合比優(yōu)選和溫度控制提供技術參考。

1 混凝土配合比及基本性能

原材料為淮北南坪中聯(lián)P.O42.5 水泥，淮南常發(fā)Ⅱ級粉煤灰，江西鄱陽湖河砂，外加劑為蒙城萬佛新型建材有限公司的WF-J6 減水劑，河北省混凝土外加劑廠的DH9 引氣劑，聚丙烯纖維來自蘭溪市科建建設工程材料有限公司。粗骨料為泉頭棗莊金橋碎石，分兩個批次，其中第一批為5～20mm，20～40mm 中石，第二批為5～16mm 小石和16～32mm 中石。

通過試驗前后兩批骨料對應的配合比見表1，其中M1 組采用第一批粗骨料，M2 組采用第二批粗骨料。配合比變化的原因主要為骨料的粒型變化，同時根據(jù)實際情況調(diào)整了粉煤灰摻量。綜合比較，兩組混凝土的力學性能和其他性能接近，但M2 的水泥用量降低了29kg/m3。

表1 混凝土配合比

兩組混凝土的基本性能見表2。

表2 混凝土基本性能

2 溫度應力試驗方法

溫度應力試驗是評價混凝土早期溫度裂縫的一種方法，它可以模擬混凝土在約束條件下，由于溫度變化而開裂的風險，該方法在20 世紀90 年代引入國內(nèi)，被認為是一種較為直觀和綜合性的評價方法。相對傳統(tǒng)的評價方法，該方法考慮了約束度及溫升歷程，更加接近工程實際，數(shù)據(jù)采集從混凝土澆筑就開始，連續(xù)性好，可靠性高，試驗工作量小[3]。

傳統(tǒng)的混凝土抗裂指標一般是基于混凝土小試件的強度、彈模、徐變、極限拉伸值等性能指標通過計算得到，但這些指標之間差異較大，無法形成統(tǒng)一認識，且忽略了實際結構中混凝土受到的約束和溫度歷程，而這兩點很大程度上決定了混凝土的開裂敏感性。

歐洲先進混凝土結構改進生產(chǎn)項目（IPACS）[4]采用了開裂風險來評價混凝土的抗裂性，如式⑴所示。

式中：

η——開裂風險系數(shù)；

t——時間；

σ（t）——混凝土內(nèi)拉應力；

f（t）——混凝土抗拉強度。

其判斷標準為：

η＞1，已經(jīng)開裂；

η=1，臨界狀態(tài)；

0.7 ≤η＜1，開裂可能性較大；

η＜0.7，開裂可能性較小。

本次試驗采用的溫度應力試驗機是南京水利科學研究院與國內(nèi)廠家合作開發(fā)研制的，其結構見圖1。試件有效總長為1500mm，截面為150mm×150mm。試驗機的兩夾頭，一個固定在基架上，另外一個為活動夾頭。活動夾頭與荷載傳感器連接在步進電機的減速箱上。溫控模板通過循環(huán)介質(zhì)可以對試件進行加熱或冷卻。試件兩側平行設置兩個位移傳感器，精度為0.1μm。控制系統(tǒng)通過溫度傳感器、荷載傳感器和位移傳感器自動記錄試件的溫度、應力、活動夾頭及試件的變形。試驗時將攪拌好的混凝土拌合物直接澆筑在試驗機模板里，在試件中心埋設溫度傳感器，蓋上上模板，使試件處于密封狀態(tài)下。當活動夾頭的位移（由試件膨脹或收縮引起的）超過設定值（比如5μm）時，控制系統(tǒng)就開始控制電機工作轉動使得活動夾頭回到原點，從而保證試件長度絕對不變。通過埋設在試件中心的溫度傳感器反饋的數(shù)據(jù)來調(diào)整循環(huán)介質(zhì)的溫度，使試件處于半絕熱或預先設定的溫度歷程下。

圖1 溫度應力試驗機結構示意

溫度-應力試驗機能夠為混凝土試件提供可控的溫度條件和0～100%約束程度（軸向約束）的各種工況，即測量半絕熱及模擬實際溫度歷程下混凝土力學及變形性能的發(fā)展規(guī)律、監(jiān)測不同約束狀態(tài)下的應力應變發(fā)展、測量混凝土的真實開裂溫度以及混凝土早期拉徐變性能，并能根據(jù)上述參數(shù)對混凝土早期開裂敏感性進行綜合分析評價，量化混凝土自澆筑開始的早期溫度應力的發(fā)展規(guī)律，優(yōu)化混凝土配合比設計，避免了以往通過單一指標，如極限拉伸值、絕熱溫升值等進行判斷早期開裂風險。

3 試驗結果及分析

本次試驗采取了給定溫控曲線模式對優(yōu)化前后的混凝土配合比（M1、M2）進行溫度應力試驗對比。由于兩個配合比比較接近，設備的絕熱性能不夠理想，若采用絕熱模式，與混凝土實際絕熱情況相差較大，可能無法對比出兩個配合比的差異，故采用相同的給定升溫曲線進行溫度應力試驗，記錄其中心溫度、主應力，見圖2、圖3。

圖2 M1 組的主應力和中心溫度

圖3 M2 組的主應力和中心溫度

溫度升降制度為：起始中心溫度穩(wěn)定在10℃后，48小時內(nèi)升溫至24℃，然后恒溫48 小時，再繼續(xù)升溫48小時至38℃，再恒溫48 小時后，開始以0.442℃/h 的速率降溫直至試件被拉斷。

由于設備的溫降存在極限，約-10℃，如果降溫階段試件沒有拉斷，則采用設備的手動拉斷功能將試件拉斷，記錄最大拉應力，并根據(jù)拉應力擬合方程（見圖4、圖5）推測出溫降過程可能的斷裂溫度和時間。試驗結果和擬合計算得到的主要參數(shù)見表3。

圖4 M1 組主應力擬合

圖5 M2 組主應力擬合

表3 溫度應力試驗主要參數(shù)

由表3 可見，M1 組由于水泥用量多29kg/m3，因此在升溫階段，內(nèi)部發(fā)熱量較大，中心溫度控制難度加大，壓應力波動也較大，因此產(chǎn)生的最大壓應力值較大。在降溫階段，M1 組出現(xiàn)零應力的時間為200 小時，較M2組早，即主應力由壓變拉的轉變點較早，說明M1 組的拉應力出現(xiàn)時間早，對抗裂不利。由于兩組試件在溫度降低到最低點-10℃時，均未拉斷，因此采用手動拉斷，并記錄了斷裂拉應力，分別為1.86MPa 和1.98MPa，根據(jù)試件250 小時至300 小時的主應力擬合曲線可得到擬合方程，將斷裂拉應力代入，得到擬合斷裂時間和擬合斷裂溫降。可以看出，M1 組的擬合斷裂時間較短，擬合斷裂溫降較小。斷裂溫降是評價混凝土抗裂性能的關鍵性指標，且該指標并非是水泥含量越小越好[5]。因此對比來看，M1 組的抗裂性能較差，水泥用量較少的M2 組抗裂性能更好。

4 結論

針對渦河蒙城樞紐工程船閘和節(jié)制閘的大體積混凝土，采用了溫度應力試驗機對比了不同配合比的溫度應力參數(shù)。通過試驗及分析，得出以下結論：

⑴采用溫度應力試驗機的給定溫控曲線模式進行試驗，可以對比出水泥用量不同的兩組配合比的抗裂性差異；

⑵水泥用量較少的M2 組，其零應力出現(xiàn)時間較晚，零應力出現(xiàn)溫度較低，經(jīng)擬合得到的斷裂時間較晚，斷裂溫降較大，說明其具有較好的抗裂性。