鄂北地区水资源配置工程掺加水化热抑制剂控制混凝土裂缝试验研究

赵容 熊治明 沈育阳

摘要：暗涵要承受荷载、抵抗地下水渗透破坏，必须具备耐久优良的质量。在暗涵施工过程中，防止裂缝产生对保证暗涵质量尤为重要。通过鄂北地区水资源配置工程两段暗涵侧墙混凝土浇筑施工试验，对比掺加水化热抑制剂和未掺加的混凝土温度和裂缝产生的效果，结果表明：掺加水化热抑制剂后能降低混凝土温峰值，推迟温峰时间，并能有效控制裂缝的产生。研究成果可为类似工程暗涵施工的裂缝控制提供参考。

关键词：混凝土;裂缝控制;水化热抑制剂;有限元分析法;暗涵工程;鄂北地区水资源配置工程

中图法分类号：TV543文献标志码：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

鄂北地區水资源配置工程（以下简称“鄂北工程”）是解决鄂北地区水资源短缺问题，满足鄂北工程受水区生活、生产及生态用水需求，促进该地区经济社会可持续发展的战略性基础工程。鄂北工程从丹江口水库清泉沟隧洞进口引水，输水线路全长269.67 km，工程多年平均引水量7.7亿m3，渠首设计流量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、节制闸、分水闸、检修闸、退水闸、放空设施、排洪建筑物及王家冲扩建水库等组成[1]。输水线路共布置渠道91段，长54.97 km，其中矩形暗涵38段，长30.96 km，占渠道长度的56.33%，暗涵所占比重较大。为保证工程质量达到优良等级，需要严格控制暗涵的施工质量。在暗涵施工过程中，混凝土一次性浇筑方量大，水化热产生高，容易产生裂缝，特别是贯穿性裂缝会严重影响暗涵的使用功能和寿命，因此在暗涵施工中对裂缝的有效控制尤为重要[2]。

鄂北工程分2个年度开工，均包含暗涵工程施工，从已完成的暗涵混凝土质量来看，部分暗涵边墙产生了裂缝，根据现场勘查、调研及收集到的裂缝资料，分析认为裂缝主要是施工温度引起的。为保证暗涵施工质量，减少后续暗涵施工裂缝，特选取鄂北工程2016年开工项目4标八里坡暗涵中两段侧墙作为试验段，针对混凝土因水化热升温过高而产生的温度收缩裂缝，检验掺加HHC-S水化热抑制剂（以下简称“掺加抑制剂”）是否能有效控制裂缝[3]。试验选取的八里坡暗涵侧墙浇筑长10 m，高5.5 m，厚1 m，结构为钢筋混凝土（标号为C25W6F150），侧墙混凝土一次性浇筑方量约为220 m3。

2 试验材料和方法

2.1 试验材料

八里坡暗涵侧墙浇筑混凝土各项物理性能试验指标均采用现场混凝土实际生产配合比，具体见表1。由于抑制剂掺量较小，为胶凝材料的1%，故掺入方式为直接外掺。

选用武汉三源特种建材有限责任公司生产的一种新型混凝土外加剂——HHC-S水化热抑制剂，该产品主要成分为多羟基羧酸酯，微溶于水。抑制剂在碱性环境下逐步溶解，特征官能团在水泥颗粒及水化产物表面产生吸附，形成一定的吸附层，从而抑制早期C3S相的快速水化，降低水泥加速期的水化速率，调控水泥水化放热进程。

混凝土和易性检验结果如表2所示，与未掺加混凝土相比，混凝土初始坍落度及损失相差不大。

2.2 试验方法

试验段暗涵侧墙底部受已浇暗涵底板混凝土约束，且暗涵处于深基坑中，通风条件差，特别是在高温季节施工时，易受温度应力作用过大影响而产生裂缝，因此，通过混凝土配合比的设计调整，掺加抑制剂同步和未掺加抑制剂的试验段侧墙进行平行施工和试验，对现场混凝土温度数据进行实时监测，收集各时段温度数据，对比分析温控效果，确定掺加抑制剂是否能有效控制混凝土裂缝。

3 试验结果与分析

3.1 混凝土温度数据及其分析

暗涵结构简图及温度传感器见图1，温度传感器的埋设参照GB 50496-2009《大体积混凝土工程施工规范》，埋设部位选在混凝土侧墙的中心部位，温度数据通过电子温度监控仪监测。

掺加抑制剂组和未掺加组侧墙中心部位混凝土温升对比曲線见图2。

由图2可知，未掺加组侧墙中心混凝土到达温峰61.9 ℃的时间为22 h，掺加抑制剂组侧墙中心混凝土到达温峰55.5 ℃的时间为35 h。说明掺加抑制剂组混凝土中心温度较未掺加组相比降低了6.4 ℃，温峰延迟13 h。混凝土温升数据对比见表3。

3.2 有限元分析

3.2.1 有限元几何模型

根据实测温度监测数据，采用MIDAS/Civil软件中的水化热分析模块，对所研究的侧墙混凝土面板进行有限元分析[4]。根据轴对称性，截取实体长度的1/2作为几何模型（见图3）。

3.2.2 计算结果与分析

（1）温度分布。根据模型运算结果，提取关键时间未掺加组与掺加抑制剂组温度分布（见图4）。

从图4可以看出：在前10 h的温升阶段，掺加抑制剂组混凝土内部升温较未掺加组更缓慢。随着水化反应的进行产生大量热量，22 h时未掺加组中内部已积聚大量热量并达到峰值，且位于峰区的面积较大，由于混凝土导热性差，加之外界的散热作用，使外部边角部位的混凝土温度接近环境温度，导致里表温差高达32.1℃;掺加抑制剂组温峰时间推迟至35 h，内部峰值区面积较小，内外温度梯度过渡平缓。在未掺加组22～56 h的降温阶段，35 h时混凝土内部还有较大的高温区，但表面已基本降至环境温度，56 h时高温区消失，这种温度的陡降极易造成混凝土收缩开裂;掺加抑制剂组降温较平缓，降温过程中结构内部没有产生较大的温度梯度。

（2）裂缝产生风险。混凝土裂缝的产生是由于拉应力超过了抗拉强度，温差变化会导致拉应力的产生及分布。根据模型运算结果，以裂缝指数来判断某一部位产生裂缝可能性的大小，即裂缝指数不小于1时，混凝土无裂缝风险;当裂缝指数小于1，且越接近0，其产生裂缝的风险越大。

未掺加组与掺加抑制剂组裂缝指数见图5，列举了上面同一时间侧墙产生裂缝部位的分布。无裂缝产生风险的部位为透明色，裂缝产生部位用颜色标注，且颜色从蓝色到红色，裂缝产生概率逐渐升高。

由图5可知，混凝土升温和降温阶段，裂缝产生部位面积较大，这与温度分布的结论相一致：升温阶段未掺加组混凝土内部温度加速上升，而还未传至表面，产生第一次里表温差的极值，此时混凝土抗拉强度尚在逐渐形成，抵抗温差收缩应力的能力较差，而由于混凝土面板的限制作用，产生裂缝概率较低;在混凝土降温阶段，特别是拆模后表面散热加快，但此时内部还留存着大量水化热，产生了第二次里表温差的极值，此时产生的温度应力大于混凝土的抗拉强度，导致产生裂缝的概率很大。而掺加抑制剂组的混凝土不仅温峰值降低6.4 ℃，且升温及降温速率也较大程度地减小，使整个过程的温度梯度比较平缓，降低了温差收缩应力。

4 试验小结

（1）在本次暗涵工程侧墙混凝土浇筑试验中，与未掺加组混凝土相比，掺加抑制剂组降温效果明显，混凝土极值温度低了6.4 ℃，温峰时间延迟了约13 h，表明掺加抑制剂能够有效降低混凝土温度和延长温峰时间。

（2）通过有限元分析未掺加组及掺加抑制剂组温度分布情况，数据结果表明：掺加抑制剂组温度分布较均匀，温峰部位面积较未掺加组相比显著减小，各时段的温度梯度都比较平缓。进一步模拟分析裂缝指数分布情况发现，掺加抑制剂后混凝土裂缝产生概率较未掺加减小，且有裂缝产生部位也明显变小。

5 结 语

在混凝土工程施工中，掺加抑制剂不仅能降低混凝土的温峰值，还使混凝土施工整个过程的温度梯度相对平缓，降低了温差收缩应力，能有效控制裂缝的产生。研究结论对大体积混凝土的施工质量控制具有参考意义。

参考文献：

[1] 陈雁鸣. 粉煤灰抑制骨料碱活性试验在鄂北工程中的应用[J]. 中国水利，2017（22）：31-33.

[2] 王铁梦. 建筑物裂缝与控制[M]. 上海：上海科学技术出版社，1993.

[3] 张晓果. 水化热抑制剂对大体积混凝土性能影响的研究[J]. 商品混凝土，2017（5）：33-35.

[4] 杨阳. X基于midas/Civil的大体积承台混凝土水化热分析[J].科技风，2012（23）：107-108.

（编辑：唐湘茜）