施工期补偿收缩混凝土防渗面板抗裂性能分析

郭进军 张世伟 夏炎 王珊珊

摘 要：河南省某混凝土坝防渗面板加固工程施工期拆模后出现多条温度裂缝，影响整体工程质量。为研究防渗面板施工期开裂原因，选取试验数据建立计算模型，对补偿收缩混凝土防渗面板施工期温度场及应力场进行实时数值分析，得出不同保温措施条件下防渗面板的应力分布情况，分析了裂缝出现的原因。结果表明：无保温措施情况下，施工期面板混凝土内外温差较大，4 d时面板边缘区域温度应力达到峰值，高于相应龄期混凝土抗拉强度，易产生裂缝。采用保温措施时，能极大降低由内外温差产生的温度梯度，10 mm的聚苯乙烯泡沫保温塑料板可使4 d龄期的混凝土温度应力下降29%，能有效地提高防渗面板的抗裂性能。

关键词：补偿收缩混凝土;施工期;温度场;温度应力;抗裂性能

中图分类号：TV544 文献标志码：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2020.02.025

Abstract：A number of temperature cracks appeared after demolishing a concrete dam reinforcement project of a concrete dam in Henan Province during construction， affecting the overall project quality. In order to study the cause of cracking of the anti-seepage panel during construction， the test data was selected to establish a calculation model， and the temperature field and stress field of the shrinkage-compensating concrete anti-seepage panel during construction were analyzed in real time to obtain the stress distribution of the anti-seepage panel under different thermal insulation measures. The results show that in the absence of insulation measures， the temperature difference between the inner and outer panels of the concrete during construction is larger. At the 4th day， the temperature stress in the edge region of the panel reaches to the peak value， which is higher than that of the tensile strength of the concrete and is prone to cracks. When using insulation measures， the temperature gradient caused by the temperature difference between inside and outside can be greatly reduced.10 mm polystyrene foam insulation plastic sheet can reduce the temperature stress of the 4th day by 29%， effectively improving the crack resistance of the anti-seepage panel.

Key words： shrinkage-compensating concrete; construction period; temperature field; temperature stress; crack resistance

防滲面板作为坝体的防渗主体结构，其安全性与可靠性关乎大坝能否正常运行。然而由于面板自身的结构特征及内部混凝土水化放热作用，易导致混凝土内外温差较大出现裂缝[1-2]。为预防混凝土面板开裂，工程中往往向混凝土中掺入一定量的膨胀剂制备补偿收缩混凝土以抵消或部分抵消混凝土温差产生的拉应力[3]，但实际效果并不理想，开裂现象时有发生。由于现阶段针对薄壁补偿收缩混凝土研究较少，混凝土温度应力分析多集中在普通大体积混凝土，如李潘武等研究了浇筑温度对大体积混凝土温度应力的影响[4]，李凌旭等研究了跳仓浇筑施工方式对混凝土温度应力的影响等[5]，因此开展施工期补偿收缩混凝土防渗面板抗裂性能研究十分必要。

为真实反映补偿收缩混凝土防渗面板施工期间的抗裂性能，本文以河南省某碾压混凝土坝加固工程为背景，在进行补偿收缩混凝土限制膨胀率、弹性模量以及劈拉强度试验研究基础上，采用三维非稳定温度场和温度应力场的有限元计算方法，对补偿收缩混凝土防渗面板结构在施工期的温度场和应力场进行了实时数值模拟，分析补偿收缩混凝土在施工期开裂原因，为今后实际工程施工提供参考。

1 工程与试验概况

河南省某碾压混凝土坝体防渗加固工程中，采用坝前设置C25补偿收缩混凝土面板实现防渗功能，面板设计为0.5～1.0 m厚，高40.5 m，面板内、外层配置直径为16 mm的钢筋网。补偿收缩混凝土防渗面板与原坝体采用植筋和凿毛的结合方式，施工采用跳仓与平仓结合的浇筑方式，每仓长度为10 m，高度为6 m。

结合实际工程，采用42.5级普通硅酸盐水泥;二级配碎石，5～20 mm粒径掺量为40%，20～40 mm粒径掺量为60%;普通河砂，细度模数2.80，表观密度2 640 kg/m3;普通自来水;膨胀剂采用SP-GⅠ型膨胀剂，掺量为10%;粉煤灰采用F类Ⅰ级，掺量为20%;SN-2高效减水剂，掺量2.2%;实际工程配合比见表1。

为获取数值计算过程中材料的真实力学和变形参数，进行了补偿收缩混凝土弹性模量、抗拉强度和限制膨胀率随混凝土龄期变化的试验。

2 计算参数及模型

2.1 计算参数

（1）混凝土水化热。混凝土水化生热函数为[6]

式中：Q（t）为混凝土t时刻累计水化热，kJ/kg;Q0为t→∞时的最终水化热，取330 kJ/kg;t为时间，d;m为水化常数，随水泥品种、比表面积及浇筑温度不同而不同，取0.318/d。

（2）混凝土弹性模量。混凝土弹性模量根据《水工混凝土试验规程》[7]，由混凝土静力抗压弹性模量试验确定，试验采用150 mm×150 mm×300 mm的棱柱体试模浇筑，抗压弹性模量测定试件每组6个，共3个龄期18个试件，其中轴心抗压强度3个。

补偿收缩混凝土不同龄期弹性模量试验结果见表2。

采用复合指数公式对混凝土的全龄期弹性模量进行拟合拓展，根据试验结果，求得拟合公式如下：

（3）混凝土抗拉强度。根据混凝土劈裂抗拉强度试验确定混凝土各龄期抗拉强度，试验采用150 mm×150 mm×150 mm标准立方体，每组3个试件，共3个龄期9个试件。补偿收缩混凝土不同龄期劈裂抗拉强度见表3。

根据《大体积混凝土施工标准》[8]，混凝土早期抗拉强度计算公式为

式中：ftk（t）为混凝土龄期为t时的抗拉强度标准值，MPa;ftk为混凝土抗拉强度标准值，MPa;γ为系数。

可采用式（3）对补偿收缩混凝土早期劈裂抗拉强度进行全龄期拟合。由于劈拉强度的断面是可控的，轴向拉伸的断面较为随机，主要在试件的薄弱位置破坏，因此实测的劈裂抗拉强度要大于轴向抗拉强度，两者之间的关系见式（4）[6]（考虑最不利条件，系数取为0.81）。

式中：fs为补偿收缩混凝土劈裂抗拉强度，MPa;ft为补偿收缩混凝土轴向抗拉强度，MPa。

（4）混凝土预压应力。面板混凝土预压应力根据补偿收缩混凝土限制膨胀率计算而得，限制膨胀率试件采用带限位器的混凝土浇筑而成，试件尺寸为300 mm×100 mm×100 mm，取3个试件的平均值。补偿收缩混凝土不同龄期限制膨胀率见表4。

水养条件下补偿收缩混凝土早期的膨胀率增长较快，14 d龄期限制膨胀率可达到0.026%，水养14 d转空气养护至28 d龄期时，限制膨胀率为0.016%，满足规范《混凝土膨胀剂》[9]对补偿收缩混凝土限制膨胀率的要求。

补偿收缩混凝土的膨胀应力按式（5）计算[10]：

式中：σ为膨胀或收缩应力，MPa;μ为配筋率，%;E为限制钢筋的弹性模量，取2.0×105 MPa;ε为限制膨胀率，%。

补偿收缩混凝土各龄期预压应力见表5。

2.2 边界条件

温度场和应力场计算中，依据工程施工工艺，混凝土面板背面与原坝体按照完全固结处理，对其三向位移进行约束。面板施工时采用跳仓与平仓结合的浇筑方式，左右两侧结合面的约束形式分为两种：工况1，先浇仓位，边界无约束，按照自由面处理;工况2，后浇仓位，两侧受到先浇仓位约束，按照法向位移约束处理，面板其余面按照自由面处理。

2.3 气温条件

出现裂缝的防渗面板浇筑于2月份，根据养护方式，施工期当地日平均气温随时间变化如图1所示。

2.4 模型建立

结合施工工艺，对不同施工工艺方法下仓位混凝土面板建模计算，模型尺寸10.0 m×6.0 m×1.0 m，鋼筋直径16 mm，间距150 mm，保护层厚度50 mm。温度场分析采用Solid 70单元，应力场分析时采用Solid 45单元，网格密度为100 mm。补偿收缩混凝土防渗面板有限元计算模型如图2所示。

3 计算结果与分析

3.1 无保温措施下面板温度和应力场分析

3.1.1 温度场分析

无保温措施条件下，补偿收缩混凝土防渗面板内、外温度随时间变化见图3。从图3可以看出，混凝土在浇筑完成之后，内、外部温度随时间发生变化大致可分为3个阶段：第一阶段为水化温升阶段，主要发生在浇筑完成4 d之内，在此阶段内混凝土内部温度达到最大值31.9 ℃，此时面板表面温度为9.7 ℃左右，内外温差约为22.2 ℃，符合《大体积混凝土施工标准》[8]规定的内外温差25 ℃之内;第二阶段为温降阶段，主要发生在4～10 d内，此阶段内混凝土水化放热温度开始下降，内外温差呈减小趋势，表面温度随环境温度变化，但始终高于环境温度;第三阶段为平稳阶段，混凝土内、外温度持续降低，与环境温度逐步接近。

3.1.2 应力场分析

（1）工况1第一主应力计算结果。

工况1无保温措施条件下防渗面板早龄期第一主应力计算结果表明：在无外界保温措施条件下，表面混凝土散热加快，混凝土在浇筑完成后4 d内，面板内部的应力急剧增大，最大主拉应力峰值为1.16 MPa，由于结构端部位置双向散热且无约束，因此最大主拉应力出现在面板表面靠近端部区域，随后应力逐渐降低。考虑到补偿收缩混凝土材料的膨胀作用抵消了一部分拉应力，补偿收缩混凝土面板实际产生的拉应力会相应减小，将试验测得的预压应力与抗拉强度相叠加，得到补偿收缩混凝土实际的抗裂性能指标。

《大体积混凝土施工标准》[8]中给出了混凝土防裂性能判断公式：

试中：σx为综合降温差，在外约束条件下产生的拉应力，MPa; ftk（t）为混凝土龄期为t时抗拉强度标准值;λ为掺合料对混凝土抗拉强度影响系数，粉煤灰掺入20%时，λ取1.03;K为防裂安全系数，取1.15。

工况1无保温措施条件下防渗面板混凝土温度应力随龄期变化见图4，补偿收缩混凝土材料的抗裂性能随龄期不断增强。补偿收缩混凝土面板结构产生的温度拉应力呈先增大后减小的趋势，浇筑完成3 d和4 d为最危险时刻，在无外界保温措施的养护条件下，补偿收缩混凝土因温差产生的温度主拉应力为1 MPa和1.16 MPa，大于混凝土抗裂性能0.87 MPa和1 MPa，混凝土产生开裂。裂缝出现的位置在面板表面靠近边缘区域。7 d时由于环境温度骤降，7 d产生的温度应力大于6 d的。

（2）工况2第一主应力计算结果。工况2无保温措施条件下防渗面板表面早龄期第一主应力计算结果表明：在相同外界温度环境条件下，工况2的散热面积较工况1小，且工况2的约束多于工况1，因此工况2后浇仓位各龄期计算温度应力均小于工况1，最大主拉应力所产生的位置也发生变化，面板左右两端受到先浇仓位的约束，最大主拉应力位置出现在面板顶端靠近边缘位置。4 d内面板温度应力达到最大值1.04 MPa，大于此龄期材料抗拉强度0.87 MPa。考虑到补偿收缩混凝土的膨胀作用，将混凝土产生的预压应力与抗拉强度叠加得到混凝土抗裂性能。

工况2无保温措施条件下防渗面板混凝土温度应力随龄期变化见图5，由图5可知，处于后浇仓位的混凝土面板，在浇筑完成后计算最大温度应力为1.04 MPa，大于此时刻的混凝土抗裂性能1 MPa，混凝土会产生开裂。裂缝出现的位置在面板表面靠近上边缘区域。

计算结果表明，在使用补偿收缩混凝土的情况下，如果没有保温措施会导致混凝土产生的温度应力大于补偿收缩混凝土的预压应力与抗拉强度之和，进而使混凝土开裂。实际工程中由于早期养护不善，没有采取相应的混凝土保温措施，在施工过程中发现有多条水平和竖向裂缝的产生，以竖向裂缝为主，多数裂缝宽度小于0.2 mm，裂缝多出现在仓位的边缘位置，这与计算的最大温度应力位置相吻合，因此需对早期混凝土采取相应的保温措施，预防混凝土的开裂。

3.2 保温措施下面板温度、应力场分析

3.2.1 温度场分析

上述计算结果表明，为预防混凝土开裂，需采取相应保温措施降低混凝土内外温差。考虑到大坝表面进行浇筑支护作业，保温材料需要贴于模板外侧，因此保温材料的选择以轻便、易贴附为主。综合考虑之后，选取聚苯乙烯泡沫塑料板作为其结构外侧的保温材料，分别取10 mm和25 mm两种厚度进行分析。

采用等效表面散热系数法来计算混凝土保温效果[6]。

式中：β′为等效放热系数;β为表面向空气放热系数;h为保温板厚度，m;λ1为保温板导热系数，取0.125 6 kJ/（m·h·℃）

不同厚度保温材料对混凝土内外温差的影响计算结果见图6，结果表明：保温材料显著降低了面板内、外温差，延长了内外最高温差出现的时间，4 d时，无保温材料情况下内外温差为22.2 ℃，采用厚度为10 mm保温材料时内外温差为12 ℃左右，采用厚度为25 mm保温材料时内外温差为7 ℃左右。同时保温材料降低了环境温度变化对面板表面混凝土温度的影响。

3.2.2 应力场分析

工况1应力条件最为不利，采用不同厚度保温材料进行温度应力计算，结果见图7。保温材料显著降低了混凝土因温差产生的温度应力，4 d时，保温材料厚度为10 mm的温度应力为0.83 MPa，较无保温措施条件降低了29%，保温材料厚度为25 mm的温度应力较无保温措施条件降低了42%。同时由于保温材料减小了内、外混凝土散热速率，推迟了混凝土内外最大温差出现的时间，混凝土温度有所增长，因此混凝土后期温度应力呈上升趋势，7 d时采用保温措施的混凝土温度应力达到最大值，随后持续降低，混凝土温度应力小于补偿收缩混凝土的抗裂性能。

4 施工养护建议

4.1 加强混凝土养护湿度

本工程采用的SP-GⅠ型膨胀剂，膨胀剂早期水化反应对混凝土内部自由水消耗大，当养护湿度不足时，将导致膨胀剂不能产生有效的膨胀。同时现有研究结果表明，当混凝土表面养护湿度保持90%以上时，混凝土产生的干缩应力比干燥状态下减小60%～70%[10]，养护湿度的提高对补偿收缩混凝土的抗裂性能提升具有重要作用，所以应提高混凝土早期的养护湿度。

4.2 冬季低温施工时，增强保温措施

面板属于薄壁大体积混凝土结构，在低温条件下施工时，面板混凝土需要保证较小的内外温差。研究表明，膨胀剂的水化反应对温度较为敏感，温度越高膨胀剂的水化反应速率越大[11]，补偿收缩混凝土的预压应力也越大，因此外部的保温材料既能保证面板混凝土能产生足够的膨胀，又能降低内外温差，降低温度应力。

5 结 论

（1）在外界无保温措施情况下，薄壁大体积补偿收缩混凝土内外易产生较大温差，导致施工早期表面开裂，面板混凝土裂缝易出现在面板的边缘区域。

（2）采用聚苯乙烯泡沫塑料板作為结构外侧的保温材料可以有效减小混凝土因温差产生的拉应力，保温板厚度选择10 mm即可满足抗裂性能的要求。

（3）一般施工养护时应保证混凝土养护湿度，尤其是采用SP-GⅠ型膨胀剂时，膨胀剂水化反应受混凝土养护湿度影响较大，养护湿度越高膨胀剂膨胀效果越好，早期养护湿度的提高有利于减小混凝土后期的收缩。

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【责任编辑 崔潇菡】