水利枢纽工程结构裂缝成因及力学性能影响因素研究

吴之宝

(甘肃省武威市水利综合事务中心，甘肃 武威 733000)

0 引言

超高层泵送、长距离大跨度以及大体积等项目实体拆模后，结构会不同程度地出现裂缝问题，有龟裂，有贯穿裂缝，严重的将会导致结构拆除，重新浇筑。影响结构开裂的因素有很多，比如水泥用量过高、整体砂率过大、钢筋布局不合理、施工工艺错误等等，在确定施工项目因素排除后，针对混凝土质量原因导致的结构开裂问题，胶凝材料方面，为降低水泥用量，引入品质优异的粉煤灰、矿粉，降低早期水化热，避免早期集中放热导致的开裂问题，同时由于矿物掺合料的二次反应，可显著提升不同龄期的抗压强度；砂率方面，通过梯度实验，验证试块收缩性能，优选最佳砂率[1]。结合工程存在的结构开裂、抗压强度较低等问题，开展配合比设计验证工作，对胶凝材料体系、砂石搭配比例重新设计验证，通过测试流动度、倒筒时间、不同龄期抗压强度等关键指标，开展水利枢纽工程混凝土技术攻关[2-4]。

1 工程概况

某水利枢纽工程主要结构为导流堤、挡潮泄洪闸以及左右岸连接坝等，结构中挡潮泄洪闸的总净宽度为726 m，共设置33孔，闸孔净宽度为22 m。按照体量、尺寸计算，属大体积混凝土，由于钢筋布局较为复杂，要求混凝土具有良好的流动性、粘聚性、保水性。通过实体预埋点位测量温度，混凝土内部温度超过100℃，水化放热过快，局部温升过快，拆模表面形成贯穿裂缝。

2 试验原材料

试验水泥为P·O42.5级水泥，测试标准稠度需水量27.7%，胶砂3 d抗压强度29.1 MPa，28 d抗压强度53.2 MPa；试验粉煤灰为Ⅰ级粉煤灰，细度4.2%，烧失量2.3%，需水量比90%；试验矿粉比表面积427 m2/kg，胶砂7 d活性指数78%，28 d活性指数101%；试验硅灰需水比118%，胶砂7 d活性指数124%；试验中粗河砂，细度模数2.7，含泥量1.9%，碎石5 mm～16 mm连续级配，压碎指标9%，含泥量0.8%；外加剂为聚羧酸高效外加剂，固含量17.4%，减水率18%；水为饮用水。

3 水利枢纽工程混凝土配合比设计

胶凝材料用量初步确定为440 kg/m3～460 kg/m3，粉煤灰取代范围0～40%，硅灰取代范围0～3.3%，矿粉取代范围0～30%，对比不同胶凝材料用量以及不同矿物掺合料取代比例的影响，优选合理胶凝材料用量，具体配合比见表1、表2。

表1 不同砂率混凝土配合比 单位：kg/m3

表2 不同胶凝材料混凝土配合比 单位：kg/m3

4 实验结果分析

4.1 不同因素对水利枢纽混凝土基本性能的影响

研究不同不同胶凝材料用量及不同矿物掺合料取代率对于混凝土流动度、倒筒时间等关键指标的影响，具体测试结果见表3。

表3 混凝土性能测试

图1 不同因素对水利枢纽工程混凝土流动性能的影响

影响混凝土流动度的主要因素包括砂率以及具有降低粘度的矿物掺合料，通过基础工作性实验，结合收缩试验数据，确定体系最佳砂率为44%。粉煤灰由于自身具有的球形颗粒，可有效降低颗粒间的摩擦阻力，降低混凝土整体粘度。而矿粉属于磨细矿物掺合料，因此，矿粉对于混凝土粘度及扩展度的改善不发挥作用。当胶凝材料用量为440 kg/m3，粉煤灰掺量为30%时，当硅灰掺量为2.3%时，混凝土流动性好，粘聚性好，倒筒时间3.7 s，混凝土整体粘度最低。

4.2 不同因素对水利枢纽工程混凝土抗压强度的影响

研究矿物掺合料中不同取代率对于混凝土不同龄期抗压强度的影响，具体测试结果见图2。

图2 混凝土不同龄期抗压强度

固定砂率、水胶比，研究矿物掺合料取代率对混凝土不同龄期抗压强度的影响。由测试结果知，胶凝材料用量为440 kg/m3时，混凝土不同龄期抗压强度与460 kg/m3用量基本保持一致，没有显著区别，考虑到综合性价比以及水化放热等问题，最终体系胶凝材料确定为440 kg/m3。当胶凝材料用量为440 kg/m3，粉煤灰掺量为30%，硅灰掺量为2.3%，矿粉掺量为20%时，混凝土不同龄期抗压强度达到最佳值，3 d抗压强度为24.3 MPa，7 d抗压强度为38.8 MPa，28 d抗压强度为52.5 MPa，60 d抗压强度为56.9 MPa。

4.3 水利枢纽工程混凝土收缩性能研究

研究模拟混凝土实体结构中胶凝材料用量及相应搭配比例下，混凝土收缩性能，确定设计配合比可行性，对优选配合比进行性能验证。

在覆膜养护条件下，混凝土28 d的自收缩率较7 d仅仅增加2.57倍，28 d自收缩率开始增加幅度不大；而未覆膜养护时，7 d干燥收缩率较7 d自收缩率增加4.43倍，28 d干燥收缩率较28 d自收缩率增加3.88倍。通过测试可知，优选配合比满足收缩性能的要求，同时混凝土的养护条件直接影响到混凝土的收缩性能，因此，除了考虑混凝土自身因素对于收缩值的影响，还要考虑施工养护条件的影响。

图3 混凝土收缩性能试验结果

5 结论

(1)良好的砂率，粉煤灰、硅灰对于提升混凝土流动性、粘聚性、保水性意义重大。随着砂率的不断增加，混凝土流动性持续增加，但砂率过大，混凝土收缩更加明显；粉煤灰、硅灰对于流动度的贡献呈现先增加后基本不变的趋势。

(2)粉煤灰、矿粉可改善混凝土中长龄期的抗压强度。持续不断的二次水化反应，形成的水化产物使结构更加密实，强度更有保障。

(3)通过开展混凝土收缩性能实验，覆膜与否将直接导致混凝土收缩值是否异常，通过优选后确定总胶凝材料用量及矿物掺合料最佳搭配比例为：胶凝材料用量为440 kg/m3，粉煤灰掺量30%、硅灰掺量2.3%、矿粉掺量20%。