高寒地带碾压混凝土重力坝应力分析及防裂措施

张 波

（中国水利水电建设集团公司十五工程局科研设计院，712100，咸阳）

一、工程概况

新疆某地处高纬度、严寒干燥地区的大（1）型水库，是具有供水、发电和防洪功能的水利枢纽工程。该工程坝址处气候条件恶劣，冬季寒冷且历时较长，夏季炎热、干燥，平日多风，极端最低气温-40℃以下，极端最高气温为40℃以上，多年平均气温2.7℃，昼夜变化剧烈。多年平均相对湿度60%，最大冻土深175 cm。“冷、热、风、干”是制约该工程温度控制的主要环境因素。

二、坝体混凝土应力

该水利枢纽高碾压混凝土（RCC）重力坝裂缝问题的产生主要是昼夜温差大且气温年较差大。高寒、高温差的环境，易引发RCC温度裂缝。

1.坝体内外温差应力

该水利枢纽工程有效施工期只有6个月 （4月中旬至10月中旬）。施工期裂缝产生规律：4—6月气温逐步回升，RCC内外温差逐步缩小，一般裂缝不会在此时间段发生；7—8月外界气温相对较高，混凝土内外温差不大；9—10月外界气温变化频繁、变幅较大、气温低，而RCC内部温度仍然很高，过大的温度梯度产生的温差应力是导致开裂的主要因素。

根据温控仿真计算成果和坝体混凝土特性，参考有关规范及资料，确定该工程坝体混凝土允许最高温度，见表 1。

表1 坝体设计允许最高温度

2.基础约束应力

该工程于2006年10月至2007年4月进行基础开挖，开挖后的岩石经历了一个冬季，2007年4—6月进行盖重区混凝土浇筑时，岩石与混凝土温差较大，基础约束应力大，对抗裂很不利。根据温控仿真计算成果和坝体混凝土特性，参考有关规范及资料，确定了该大坝基础允许温差，见表2。

3.干缩应力

混凝土施工过程中为保证必要的和易性，混凝土用水量远远大于水泥水化热所需要的水分，由此混凝土中留有大量的游离水，这部分水分蒸发后混凝土中留下许多孔隙，混凝土将产生体积收缩。另外，水泥品种、混凝土配合比、骨料、外加剂、环境温湿度等都与混凝土的干缩变形有关。

混凝土干缩变形随环境相对湿度的增加而减少，直至相对湿度达100%时表现为湿胀。

混凝土表面采用覆盖，可有效减小混凝土湿度梯度，从而降低干缩应力，干缩变形相应也变小。

三、防裂措施

该工程采取降低混凝土温度、加强监测并通水冷却以及优化混凝土配合比等抗裂措施，有效地减少了混凝土裂缝。

1.控制混凝土温度

从混凝土搅拌前到混凝土入仓碾压后的温度控制措施主要有：

（1）降低骨料温度，采用制冷水拌和

首先，砂石成品料堆在使用前尽量增加其堆存高度，一般高度不低于6 m,并从料堆底部取料。在运输砂石的皮带机上搭设凉棚，以防太阳直晒。高温季节白天阳光照射时,在料堆顶上铺设自动喷头，一方面降低骨料温度，另一方面可以充分湿润骨料，有利于碾压混凝土VC值的控制。其次，采用中转料仓一次风冷和拌和楼二次风冷。再次，使用制冷水拌和混凝土，保证混凝土出机口温度小于16℃。

（2）运输过程中安装遮阳篷布

混凝土在运输和入仓前往往要等待一定的时间，混凝土温度倒灌严重，在运输汽车上安装遮阳篷布可以防止阳光直射、温度倒灌，有效控制混凝土入仓温度。

（3）加快摊铺和碾压速度，并辅以帆布覆盖

碾压混凝土入仓后能否快速摊铺和碾压，对碾压混凝土浇筑温度影响甚大。夏季施工时在环境温度和出机口温度基本一样的情况下，通过试验，找出混凝土升温与历时的关系，为施工提供参考。

（4）碾压混凝土仓内喷淋保湿、降温

施工现场购置两台公称流量70 L/min的喷雾冲毛机，经现场喷雾前后对比，可以降低仓内气温5℃～8℃，有效地改善仓内小环境，防止温度倒灌和减少VC值的损失。另外，针对当地的气候环境条件，尽量避开白天中午阳光直射时段施工，利用早晚和夜间低温时段开仓浇筑混凝土。如果连续浇筑经过白天时，可提高混凝土入仓强度，做到随摊铺随碾压随用保温被覆盖。

2.加强监测，通水冷却

现场配置一台KF216螺杆氟压缩机，其标准制冷量为每小时可输出60m3冷水的制冷机组。由水泵将制冷水供给冷却水管进入坝体混凝土，经坝内循环后又重新进入制冷机组，形成一个闭合水循环系统，有利于冷却水的重复利用。

混凝土浇筑完成后12 h开始通水，全天专人负责监测，通水流量为20～25 L/min，每 12 h变换一次通水方向。坝体通水分为一期通水和二期通水。一期通水根据不同部位和月份分别通河水或10℃～12℃制冷水，一期通水冷却时间不少于20d。当一期通水降温不能满足低温季节坝体内外温差要求时，就进行二期通水降温，根据当地气候特点，该工程二期通水时间定为10月份，针对当年4—9月浇筑的混凝土，通水时间20～30d。为防止水管冷却时水温与混凝土浇筑块温度相差过大和冷却速度过快而产生裂缝，初期通水冷却温差按15℃～18℃控制，后期水管冷却温差为20℃～22℃，混凝土日降温不超过1℃。

表2 基础允许温差标准

表3 配合比优化方案及考察因素

表4 水泥的物理性能

3.优化配合比

该工程RCC重力坝的抗裂问题的特殊性在于昼夜温差大且气温年较差大。在施工期，这会带来25℃～60℃的坝体内外温差。通过对已采取的不同降温措施（外部保温、降低浇筑温度、通冷却水）进行效率分析，认为要保证大坝内外温差小于25℃，进一步降低混凝土绝热温升是必不可少的措施。结合前期现场配合比试验数据，本次配合比优化从表3中所列的3个方面进行优化，以降低混凝土绝热温升。

本文就降低水泥比表面积进行如下分析论证：

将天山水泥厂专门生产的两种细度的P.I 42.5水泥 （比表面积分别为 304m2/kg、336m2/kg）， 与工程上采用的比表面积为398 m2/kg的典型细度P.O 42.5水泥进行对比。

上述3种水泥的物理性能试验结果详见表4，化学和矿物组分分析结果见表5。其中2种P.I 42.5水泥（编号C-37、C-36）为天山水泥厂专门少量试生产，其试产量均小于500 kg；1种取样自工程上实际所用的天山P.O 42.5 水泥（编号 C 355）。

由表5可知，该批试产粗水泥的C3S含量偏低、C2S含量偏高，且2种粗水泥的矿物成分含量稍有差异——比表面积较小的C-37水泥的C3S含量高于比表面积较大的C-36水泥，即2种粗水泥的细度和矿物成分对其水化热、强度发展的影响各有利弊。

水泥水化热是影响混凝土绝热温升的最关键因素之一。按照 《水泥水化热测定方法 （溶解热法）》（GB/T 12959—1991）， 测试了 3种水泥并模拟大坝内部三级配混凝土的胶凝材料体系，测试结果见表6、表7。

与较细的C 355普硅水泥相比，粗P.I 42.5水泥的水化热明显降低。C-37 水泥的 3 d、7 d、14 d、28 d、90 d水化热分别降低 12%、7%、16%、14%、13%，C-36 水泥的 3 d、7 d、14 d、28 d、90 d水化热分别降低11%、1%、10%、9%、10%。

表5 水泥的化学和矿物成分 （%）

表6 水泥的水化热

表7 模拟大坝内部混凝土实际胶凝材料体系的水化热

虽然C-37与C-36比表面积小了32m2/kg，但水泥的矿物成分也是影响水化热的主要因素之一，由于C-37的C3S含量高于C-36，因此两者的水化热差值没有预期的那么明显。

由表6、表7可知，与纯水泥体系相比，在模拟胶凝材料体系中，水泥细度对水化热的影响明显较大。2种细度 P.I 42.5 水泥的 3 d 、7 d、14 d、28 d、90 d 水化热差异分别为 2、6、6、5、3个百分点，而分别采用这2种细度水泥的模拟胶凝材料体系的3 d、7d、14d、28d、90d 水化热差异分别为9、11、22、29、2 个百分点。原因可能是在模拟实际胶凝材料的体系中，掺入大量粉煤灰后，粉煤灰对水泥产生了“稀释”作用，改善了水泥的水化环境，突显了水泥细度对水化热的影响。

2008年开始使用比表面积为310±10 m2/kg的特供水泥后，既满足设计要求的强度和耐久性要求，同时有效地改善了水化热集中带来的混凝土裂缝问题，裂缝明显减少，效果显著。

四、结 语

综上所述，混凝土裂缝问题是一个多种因素共同作用下的产物，分析其产生的原因，采取有效的技术措施，可减少或避免裂缝的出现。2009年取出16.46 m长的混凝土芯样，芯样室内物理性能试验均满足设计等级要求。

[1]丁凯,曹征齐.水利水电工程质量检测人员从业资格考核培训系列教材（混凝土工程类）[M].郑州：黄河水利出版社，2008.

[2]新疆水利水电勘测设计院.混凝土工程温控技术要求[S].2007.