蒙城枢纽大体积混凝土温度应力试验分析

2022-01-28王旭光朱学英

广东建材 2022年1期

王旭光朱学英王珩

（1 蒙城县水利局；2 中水北方勘测设计研究有限责任公司；3 南京水利科学研究院）

大体积混凝土在浇筑后，热量不易扩散，一旦内外温差过大，容易形成温度应力，造成结构开裂，因此在浇注大体积混凝土时一方面需要研究合理的配合比，降低其水泥用量，另一方面，需进行合理的温控措施[1]。

蒙城枢纽位于蒙城县城北关的涡河上，由节制闸、分洪闸、船闸三座建筑物组成。船闸主体结构主要由上闸首、闸室和下闸首三个主要部分组成。船闸闸室有效尺度为240×23×4.20m（长×宽×门槛水深），闸室采用整体式钢筋砼倒“Π”型结构，顺水流向分成12 节，每节分缝长度20.0m。底板总宽38.80m，厚2.80m。边墙底部廊道临土侧壁厚1.5m，顶板厚1.30m。上闸首为整体式闸室，钢筋砼筏式平底板，底板厚2.8m，两边墩为空箱式结构。闸首顺水流方向长度30m，底宽42.6m。下闸首为整体式闸室，钢筋混凝土筏式平底板，底板厚3.5m，两边墩为空箱式结构。闸首顺水流方向长度30.20m，底宽42.6m。上闸首钢筋混凝土底板设计厚度为2.8m，一次性浇筑方量最大1310m3，下闸首钢筋混凝土底板设计厚度为3.5m，一次性浇筑方量最大1649m3；闸室钢筋混凝土底板设计厚度为2.8m，一次性浇筑方量最大874m3。节制闸为开敞式结构，共16 孔，单孔净宽10m。闸室底板采用缝墩式结构，共8 联16 孔，闸室长23.0m，底板厚度1.8m，一次性浇筑方量为1106m3。

因此船闸和节制闸均属于大体积混凝土，温度及裂缝控制是施工一大难点。为了避免或减少温度裂缝产生，需研究混凝土在约束条件下的抗裂性能。而对于混凝土来说，早期的约束应力是多个因素综合结果，难以通过研究单个因素（如温湿度、收缩、约束、荷载、材料性能等）来找到该因素与约束应力的直接关系[2]。因此，依托该工程，对混凝土配合比进行优化并采用温度应力试验机研究了不同配合比的温度应力，其结果可为配合比优选和温度控制提供技术参考。

1 混凝土配合比及基本性能

原材料为淮北南坪中联P.O42.5 水泥，淮南常发Ⅱ级粉煤灰，江西鄱阳湖河砂，外加剂为蒙城万佛新型建材有限公司的WF-J6 减水剂，河北省混凝土外加剂厂的DH9 引气剂，聚丙烯纤维来自兰溪市科建建设工程材料有限公司。粗骨料为泉头枣庄金桥碎石，分两个批次，其中第一批为5～20mm，20～40mm 中石，第二批为5～16mm 小石和16～32mm 中石。

通过试验前后两批骨料对应的配合比见表1，其中M1 组采用第一批粗骨料，M2 组采用第二批粗骨料。配合比变化的原因主要为骨料的粒型变化，同时根据实际情况调整了粉煤灰掺量。综合比较，两组混凝土的力学性能和其他性能接近，但M2 的水泥用量降低了29kg/m3。

表1 混凝土配合比

两组混凝土的基本性能见表2。

表2 混凝土基本性能

2 温度应力试验方法

温度应力试验是评价混凝土早期温度裂缝的一种方法，它可以模拟混凝土在约束条件下，由于温度变化而开裂的风险，该方法在20 世纪90 年代引入国内，被认为是一种较为直观和综合性的评价方法。相对传统的评价方法，该方法考虑了约束度及温升历程，更加接近工程实际，数据采集从混凝土浇筑就开始，连续性好，可靠性高，试验工作量小[3]。

传统的混凝土抗裂指标一般是基于混凝土小试件的强度、弹模、徐变、极限拉伸值等性能指标通过计算得到，但这些指标之间差异较大，无法形成统一认识，且忽略了实际结构中混凝土受到的约束和温度历程，而这两点很大程度上决定了混凝土的开裂敏感性。

欧洲先进混凝土结构改进生产项目（IPACS）[4]采用了开裂风险来评价混凝土的抗裂性，如式⑴所示。

式中：

η——开裂风险系数；

t——时间；

σ（t）——混凝土内拉应力；

f（t）——混凝土抗拉强度。

其判断标准为：

η＞1，已经开裂；

η=1，临界状态；

0.7 ≤η＜1，开裂可能性较大；

η＜0.7，开裂可能性较小。

本次试验采用的温度应力试验机是南京水利科学研究院与国内厂家合作开发研制的，其结构见图1。试件有效总长为1500mm，截面为150mm×150mm。试验机的两夹头，一个固定在基架上，另外一个为活动夹头。活动夹头与荷载传感器连接在步进电机的减速箱上。温控模板通过循环介质可以对试件进行加热或冷却。试件两侧平行设置两个位移传感器，精度为0.1μm。控制系统通过温度传感器、荷载传感器和位移传感器自动记录试件的温度、应力、活动夹头及试件的变形。试验时将搅拌好的混凝土拌合物直接浇筑在试验机模板里，在试件中心埋设温度传感器，盖上上模板，使试件处于密封状态下。当活动夹头的位移（由试件膨胀或收缩引起的）超过设定值（比如5μm）时，控制系统就开始控制电机工作转动使得活动夹头回到原点，从而保证试件长度绝对不变。通过埋设在试件中心的温度传感器反馈的数据来调整循环介质的温度，使试件处于半绝热或预先设定的温度历程下。

图1 温度应力试验机结构示意

温度-应力试验机能够为混凝土试件提供可控的温度条件和0～100%约束程度（轴向约束）的各种工况，即测量半绝热及模拟实际温度历程下混凝土力学及变形性能的发展规律、监测不同约束状态下的应力应变发展、测量混凝土的真实开裂温度以及混凝土早期拉徐变性能，并能根据上述参数对混凝土早期开裂敏感性进行综合分析评价，量化混凝土自浇筑开始的早期温度应力的发展规律，优化混凝土配合比设计，避免了以往通过单一指标，如极限拉伸值、绝热温升值等进行判断早期开裂风险。

3 试验结果及分析

本次试验采取了给定温控曲线模式对优化前后的混凝土配合比（M1、M2）进行温度应力试验对比。由于两个配合比比较接近，设备的绝热性能不够理想，若采用绝热模式，与混凝土实际绝热情况相差较大，可能无法对比出两个配合比的差异，故采用相同的给定升温曲线进行温度应力试验，记录其中心温度、主应力，见图2、图3。

图2 M1 组的主应力和中心温度

图3 M2 组的主应力和中心温度

温度升降制度为：起始中心温度稳定在10℃后，48小时内升温至24℃，然后恒温48 小时，再继续升温48小时至38℃，再恒温48 小时后，开始以0.442℃/h 的速率降温直至试件被拉断。

由于设备的温降存在极限，约-10℃，如果降温阶段试件没有拉断，则采用设备的手动拉断功能将试件拉断，记录最大拉应力，并根据拉应力拟合方程（见图4、图5）推测出温降过程可能的断裂温度和时间。试验结果和拟合计算得到的主要参数见表3。

图4 M1 组主应力拟合

图5 M2 组主应力拟合

表3 温度应力试验主要参数

由表3 可见，M1 组由于水泥用量多29kg/m3，因此在升温阶段，内部发热量较大，中心温度控制难度加大，压应力波动也较大，因此产生的最大压应力值较大。在降温阶段，M1 组出现零应力的时间为200 小时，较M2组早，即主应力由压变拉的转变点较早，说明M1 组的拉应力出现时间早，对抗裂不利。由于两组试件在温度降低到最低点-10℃时，均未拉断，因此采用手动拉断，并记录了断裂拉应力，分别为1.86MPa 和1.98MPa，根据试件250 小时至300 小时的主应力拟合曲线可得到拟合方程，将断裂拉应力代入，得到拟合断裂时间和拟合断裂温降。可以看出，M1 组的拟合断裂时间较短，拟合断裂温降较小。断裂温降是评价混凝土抗裂性能的关键性指标，且该指标并非是水泥含量越小越好[5]。因此对比来看，M1 组的抗裂性能较差，水泥用量较少的M2 组抗裂性能更好。