基于温控防裂的西藏高寒地区掺石灰石粉混凝土应用研究

2016-12-21李红叶

水电站设计 2016年4期

关键词：石粉石灰石温控

刘俊，李红叶，黄玮，陈强

(1.中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司, 四川成都 610072; 2.成都市水务局, 四川成都 610042)

基于温控防裂的西藏高寒地区掺石灰石粉混凝土应用研究

刘俊1，李红叶2，黄玮1，陈强1

(1.中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司, 四川成都 610072; 2.成都市水务局, 四川成都 610042)

基于客观条件等因素,西藏高寒地区大坝混凝土的掺和料粉煤灰需从内地长距离运输获得,这样既增加了工程造价,同时也加大了对工程进度的制约。结合藏木水电站工程实际, 采用三维动态仿真对比分析掺石灰石粉混凝土和掺粉煤灰混凝土的温度场与徐变应力场，研究证明西藏高寒地区掺石灰石粉混凝土应用的可行性。

掺和料；石灰石粉；温控防裂

0 引言

粉煤灰用作混凝土掺和料，因其在降低混凝土内部水化热、减少混凝土温差裂缝、改善混凝土的耐久性等方面的积极作用，被广泛运用于混凝土工程。近年来，高掺粉煤灰(碾压混凝土粉煤灰掺料达50%～60%)作为一种发展趋势逐渐为工程界所接受[1]。但随着我国工程建设规模不断扩大，粉煤灰供应市场日趋紧张，供应保证率也在逐渐降低，供应价格也逐渐提高。探索可替代粉煤灰的材料，在规避粉煤灰供应紧张及保证率低的情况、确保工程建设顺利进行、降低工程费用等方面，均具有十分积极的意义。

藏木水电站混凝土总量约为300万m3，需要掺合料约20万t。而工程所处地区无火电厂，没有粉煤灰供应，需借助青藏铁路从甘肃长距离运输、转运，成本较高，且受地域、气候及运输条件限制而在混凝土浇筑高峰期得不到保障，进而影响工程工期。为此，掺合料供应、运输将成为制约藏木水电站建设的一个重要环节。

西藏地区石灰石资源丰富，易于加工，且加工、运输成本相对较低，也能保障工程建设需要。但关于掺石灰石粉混凝土的温控防裂技术却并没有太多的类似工程经验和成熟规范标准，且雅鲁藏布江流域的广大中上游地区属高原温带或寒温带气候, 气候特征是冬寒夏凉, 年温差小而日温差大, 日照丰富而多大风[2]。诸多因素使得掺石灰石粉混凝土结构工程的温控防裂研究显得尤为重要。

结合藏木水电站工程实际, 采用混凝土温度场和徐变应力场线弹性有限单元法的数值仿真计算方法[3], 实时动态仿真对比分析研究掺石粉混凝土和掺粉煤灰混凝土的温度场与徐变应力场，研究掺石灰石粉混凝土施工期的温控防裂措施及应用方案。

1 工程资料

藏木水电站大坝为混凝土重力坝,整个坝体分为19个坝段，坝体在浇筑期间设1条纵缝，最大坝高116 m，最大底宽95.1 m，大坝混凝土以常态混凝土为主。工程所在地区属高原温带、寒温带气候，坝区多年平均气温9.2℃，地基表面温度为9.2℃，极端最高、最低气温分别为32.0℃、-16.6℃，最高气温多发生在6、7月，具有气候寒冷、气温年变幅、日变幅均较大、气候干燥、太阳辐射热强、冬季施工期长等特点。工程所在区分月多年平均水温、气温及日较差统计见表1;混凝土的热学参数见表2；混凝土的力学参数见表3。

表1 各月多年平均水温、气温及日较差统计 (℃)

表2 混凝土热学参数

表3 混凝土力学参数

注：允许水平拉应力按照极限拉伸×弹模/1.65比较后取小值控制；180d相应值采用复合指数公式拟合。

混凝土徐变度计算公式采用指数函数式。根据资料，拟合混凝土徐变公式：

C(t,τ)=(0.066 1+45.082 7τ-0.259 3)

[1-e-0.993 3(t-τ)]+(0.014 8+91.54τ-0.394 7)

×[1-e-0.687 7(t-τ)]

(9)

不同掺合料混凝土干缩变形见表4。180d龄期时掺30%石粉混凝土比掺30%粉煤灰混凝土干缩率大12%，不利于减少大坝混凝土收缩裂缝。

不同掺合料混凝土自生体积变形试验成果见表

表4 混凝土干缩变形

5。掺石灰石粉混凝土收缩变形值大于掺粉煤灰混凝土，在大坝混凝土中掺石粉对降低混凝土收缩裂缝较为不利。

表5 混凝土自生体积变形值 ×10-6

2 计算原理

2.1 温度场计算原理

根据热量平衡原理，可导出固体热传导基本方程[3]：

(1)

式中 ax、ay、az——导温系数;

λx、λy、λz——导热系数;

c——材料比热;

ρ——材料容重;

τ——时间;

T——温度。

根据变分原理,可导出满足热传导基本方程和边界条件的有限元支配方程[3]

[H]{T}+{F}=0

(2)

2.2 温度应力计算基本原理

混凝土的应变由5部分组成，即：单元应变、徐变应变、变温应变、自生体积应变和干缩应变。其计算式为：

ε(t)=εe(t)+εC(t)+εT(t)+ε0(t)+εS(t)

(3)

在Δτ内应变增量：

(4)

整理后得一个计算时段Δτ内应力增量为：

(5)

各时段应力计算平衡方程为：

[K]{Δδ}={ΔPn}L+{ΔPn}C+

{ΔPn}T+{ΔPn}0+{ΔPn}S

(6)

式中 [K]——刚度矩阵；

{ΔPn}L——外荷载引起的节点荷载增量；

{ΔPn}C——徐变引起的节点荷载增量；

{ΔPn}T——变温引起的节点荷载增量；

{ΔPn}0——混凝土自生体积变形引起的节点荷载增量；

{ΔPn}S——混凝土干缩引起的节点荷载增量。

单元应力等于各时段应力增量之和，即：

{σn}={Δσ1}+{Δσ2}+{Δσ3}+

…+{Δσn}=∑{Δσn}

(7)

各时段的应力增量为：

(8)

3 数值仿真分析

结合藏木水电站工程特点实际和其他相关工程经验[4-5]，选取溢流8号坝段作为计算模型，并拟定相应计算工况。

2012年1月1日开始大坝浇筑，强基础约束区按实际浇筑层厚设置1.5m一个浇筑层，共6个浇筑层，层间间歇期10d；其它区域按照3m一层浇筑模拟，层间间歇期15d。

5～9月强基础约束区浇筑温度为14℃、弱基础约束区为16℃、自由区为16℃，11～3月上旬为6℃，3月中下旬、4、10月份按比气温高2℃浇筑；初期通水：5～9月通12℃的冷却水，3月中下旬、4、10月份通天然河水，流量均为1.5m3/h，通水28d；其他月份不进行初期冷却；二期冷却按照接缝灌浆要求提前40～60d进行通水冷却，通水流量为1.0m3/h，通水温度为6℃；约束区水管布置为1.5m×1.5m(水平×竖直)方式，自由区水管布置为1.5m×3.0m(水平×竖直)方式；上下游表面全年保温。

溢流8号坝段建基面高程为3 210m，宽19.5m，顺河向长度86m；溢流面堰顶高程为3 291m。离散中混凝土与基岩采用空间8节点等参实体单元，整个计算域共离散为5 866个节点、4 318个单元，其中回填混凝土5 458个节点、4 024个单元。其温度场及应力场三维计算网格立体图如图1所示。

根据大坝温度和应力包络图，结合浇筑时间和浇筑高程，在坝体内部选取以下特征点，各特征点具体位置见图2，掺粉煤灰和掺石灰石粉最大温度包络图见图3、4，最大应力包络图见图5、6，掺粉煤灰混凝土内部特征点温度、掺石灰石粉混凝土内部特征点温度分别见图7、8，应力历程曲线分别见图9、10。

图1 溢流坝段整体有限元网格图2 溢流坝段坝体纵剖面特征点布置示意

图3 掺粉煤灰混凝土最高温度包络图(℃) 图4 掺石粉混凝土最高温度包络图(℃)

图5 掺粉煤灰混凝土顺河向应力包络图(MPa) 图6 掺石粉混凝土顺河向应力包络图(MPa)

图7 掺粉煤灰混凝土内部特征点温度历程曲线图8 掺石粉混凝土内部特征点温度历程曲线

图9 掺粉煤灰混凝土内部特征点顺河向应力历程曲线图10 掺石粉混凝土内部特征点顺河向应力历程曲线

(1)由图3、4可以看出，最高温度区域主要出现在夏季浇筑的混凝土部分，掺粉煤灰混凝土和掺石灰石粉混凝土内部最高温度分别为30.99 ℃、27.06 ℃；由图5、6可以看出，最大顺河向水平拉应力发生在底孔孔口附近和强约束区部位，掺粉煤灰混凝土和掺石灰石粉混凝土内部顺河向最大拉应力分别为1.38MPa、1.41MPa。

(2)由图7、8可以看出：在初期通水30d结束后，掺粉煤灰混凝土内部温度基本稳定在18～20 ℃，掺石灰石粉混凝土的基本稳定在17～19 ℃；其中特征点2处于强基础约束区位置，水管布置为1.5m×1.5m(水平×竖直),降温效果较好，初期冷却结束后，掺粉煤灰混凝土和掺石灰石粉混凝土的内部温度最低分别达到14.5 ℃、13 ℃；二期通水通过40～50d的通水结束后均降到8～9 ℃，基本能够满足灌浆温度要求。

由此可见，在温度场方面掺石灰石粉混凝土与掺粉煤灰混凝土差别不大，由于石灰石粉属于惰性材料，不参与水化反应，掺石灰石粉混凝土的水化热比掺粉煤灰的略小，故温度峰值比掺粉煤灰的低，初期稳定温度也略低于掺粉煤灰的稳定温度。

(3)由图9、10可以看出：初期通水冷却结束后，混凝土拉应力达到第一次峰值，其中内部特征点2拉应力最大，掺粉煤灰混凝土和掺石灰石粉混凝土的分别约为0.35MPa、0.52MPa，均小于相应28d龄期允许值；二期通水冷却时由于此时混凝土弹模较大，因此混凝土的拉应力上升较快，二期通水结束时拉应力达到第二次峰值，掺粉煤灰混凝土内部特征点2拉应力最大应力达到0.62 MPa，小于相应180 d龄期允许值，掺石灰石粉混凝土特征点3最大应力达到1.6 MPa，大于相应180 d龄期允许值，特征点1最大应力达到1.2 MPa，略小于相应180 d龄期允许值；究其原因，主要是因为特征点1处于基础强约束区、特征点3处于孔口附近，约束较强，因此强基础约束区和孔口约束区建议采用掺粉煤灰混凝土。

由此可见，在温度应力场方面掺石灰石粉混凝土与掺粉煤灰混凝土差别较大，石灰石粉属干缩性较强的材料，自生体积收缩变形较大，且早期强度虽然略高于掺粉煤灰混凝土的强度，但其强度随时间的增幅较小，后期强度略低于掺粉煤灰混凝土。但在基础弱约束区和自由区内，掺石灰石粉混凝土基本上能够满足大坝的强度要求，在温控防裂设计中可以作为混凝土掺合料替代粉煤灰。

综上所述，结合其他专业分析计算，最后可确定掺石灰石粉混凝土范围，详见图11。在此范围下，拟定计算工况中的温控措施能够取得较好的温控防裂效果，提高大坝质量安全保证。

4 结论

(1)通过对掺石灰石粉和掺粉煤灰的混凝土温控仿真计算分析可知，相同温控措施情况下，掺石灰石粉混凝土的内部拉应力增大，允许拉应力略小，安全系数相对降低。究其原因，主要是因为掺石灰石粉后的混凝土力学性能降低，抗拉强度减小，且石灰石粉混凝土的干缩和自生体积收缩变形较粉煤灰混凝土略有增大，故内部拉应力增加。

(2)从温控防裂设计的角度，掺石灰石粉混凝土用于藏木水电站混凝土在技术上是基本可行的，但应根据混凝土的使用范围、分区指标要求等，合理确定运用范围。对耐久性和长效性要求较高的大坝部位，不推荐采用掺石灰石粉混凝土；对坝体内部等部位推荐采用掺石灰石粉混凝土。