鄂北地區(qū)水資源配置工程摻加水化熱抑制劑控制混凝土裂縫試驗(yàn)研究

趙容 熊治明 沈育陽(yáng)

摘要：暗涵要承受荷載、抵抗地下水滲透破壞，必須具備耐久優(yōu)良的質(zhì)量。在暗涵施工過(guò)程中，防止裂縫產(chǎn)生對(duì)保證暗涵質(zhì)量尤為重要。通過(guò)鄂北地區(qū)水資源配置工程兩段暗涵側(cè)墻混凝土澆筑施工試驗(yàn)，對(duì)比摻加水化熱抑制劑和未摻加的混凝土溫度和裂縫產(chǎn)生的效果，結(jié)果表明：摻加水化熱抑制劑后能降低混凝土溫峰值，推遲溫峰時(shí)間，并能有效控制裂縫的產(chǎn)生。研究成果可為類似工程暗涵施工的裂縫控制提供參考。

關(guān)鍵詞：混凝土;裂縫控制;水化熱抑制劑;有限元分析法;暗涵工程;鄂北地區(qū)水資源配置工程

中圖法分類號(hào)：TV543文獻(xiàn)標(biāo)志碼：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(qū)水資源配置工程（以下簡(jiǎn)稱“鄂北工程”）是解決鄂北地區(qū)水資源短缺問(wèn)題，滿足鄂北工程受水區(qū)生活、生產(chǎn)及生態(tài)用水需求，促進(jìn)該地區(qū)經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略性基礎(chǔ)工程。鄂北工程從丹江口水庫(kù)清泉溝隧洞進(jìn)口引水，輸水線路全長(zhǎng)269.67 km，工程多年平均引水量7.7億m3，渠首設(shè)計(jì)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、節(jié)制閘、分水閘、檢修閘、退水閘、放空設(shè)施、排洪建筑物及王家沖擴(kuò)建水庫(kù)等組成[1]。輸水線路共布置渠道91段，長(zhǎng)54.97 km，其中矩形暗涵38段，長(zhǎng)30.96 km，占渠道長(zhǎng)度的56.33%，暗涵所占比重較大。為保證工程質(zhì)量達(dá)到優(yōu)良等級(jí)，需要嚴(yán)格控制暗涵的施工質(zhì)量。在暗涵施工過(guò)程中，混凝土一次性澆筑方量大，水化熱產(chǎn)生高，容易產(chǎn)生裂縫，特別是貫穿性裂縫會(huì)嚴(yán)重影響暗涵的使用功能和壽命，因此在暗涵施工中對(duì)裂縫的有效控制尤為重要[2]。

鄂北工程分2個(gè)年度開工，均包含暗涵工程施工，從已完成的暗涵混凝土質(zhì)量來(lái)看，部分暗涵邊墻產(chǎn)生了裂縫，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)勘查、調(diào)研及收集到的裂縫資料，分析認(rèn)為裂縫主要是施工溫度引起的。為保證暗涵施工質(zhì)量，減少后續(xù)暗涵施工裂縫，特選取鄂北工程2016年開工項(xiàng)目4標(biāo)八里坡暗涵中兩段側(cè)墻作為試驗(yàn)段，針對(duì)混凝土因水化熱升溫過(guò)高而產(chǎn)生的溫度收縮裂縫，檢驗(yàn)摻加HHC-S水化熱抑制劑（以下簡(jiǎn)稱“摻加抑制劑”）是否能有效控制裂縫[3]。試驗(yàn)選取的八里坡暗涵側(cè)墻澆筑長(zhǎng)10 m，高5.5 m，厚1 m，結(jié)構(gòu)為鋼筋混凝土（標(biāo)號(hào)為C25W6F150），側(cè)墻混凝土一次性澆筑方量約為220 m3。

2 試驗(yàn)材料和方法

2.1 試驗(yàn)材料

八里坡暗涵側(cè)墻澆筑混凝土各項(xiàng)物理性能試驗(yàn)指標(biāo)均采用現(xiàn)場(chǎng)混凝土實(shí)際生產(chǎn)配合比，具體見表1。由于抑制劑摻量較小，為膠凝材料的1%，故摻入方式為直接外摻。

選用武漢三源特種建材有限責(zé)任公司生產(chǎn)的一種新型混凝土外加劑——HHC-S水化熱抑制劑，該產(chǎn)品主要成分為多羥基羧酸酯，微溶于水。抑制劑在堿性環(huán)境下逐步溶解，特征官能團(tuán)在水泥顆粒及水化產(chǎn)物表面產(chǎn)生吸附，形成一定的吸附層，從而抑制早期C3S相的快速水化，降低水泥加速期的水化速率，調(diào)控水泥水化放熱進(jìn)程。

混凝土和易性檢驗(yàn)結(jié)果如表2所示，與未摻加混凝土相比，混凝土初始坍落度及損失相差不大。

2.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)段暗涵側(cè)墻底部受已澆暗涵底板混凝土約束，且暗涵處于深基坑中，通風(fēng)條件差，特別是在高溫季節(jié)施工時(shí)，易受溫度應(yīng)力作用過(guò)大影響而產(chǎn)生裂縫，因此，通過(guò)混凝土配合比的設(shè)計(jì)調(diào)整，摻加抑制劑同步和未摻加抑制劑的試驗(yàn)段側(cè)墻進(jìn)行平行施工和試驗(yàn)，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)混凝土溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，收集各時(shí)段溫度數(shù)據(jù)，對(duì)比分析溫控效果，確定摻加抑制劑是否能有效控制混凝土裂縫。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 混凝土溫度數(shù)據(jù)及其分析

暗涵結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖及溫度傳感器見圖1，溫度傳感器的埋設(shè)參照GB 50496-2009《大體積混凝土工程施工規(guī)范》，埋設(shè)部位選在混凝土側(cè)墻的中心部位，溫度數(shù)據(jù)通過(guò)電子溫度監(jiān)控儀監(jiān)測(cè)。

摻加抑制劑組和未摻加組側(cè)墻中心部位混凝土溫升對(duì)比曲線見圖2。

由圖2可知，未摻加組側(cè)墻中心混凝土到達(dá)溫峰61.9 ℃的時(shí)間為22 h，摻加抑制劑組側(cè)墻中心混凝土到達(dá)溫峰55.5 ℃的時(shí)間為35 h。說(shuō)明摻加抑制劑組混凝土中心溫度較未摻加組相比降低了6.4 ℃，溫峰延遲13 h?；炷翜厣龜?shù)據(jù)對(duì)比見表3。

3.2 有限元分析

3.2.1 有限元幾何模型

根據(jù)實(shí)測(cè)溫度監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，采用MIDAS/Civil軟件中的水化熱分析模塊，對(duì)所研究的側(cè)墻混凝土面板進(jìn)行有限元分析[4]。根據(jù)軸對(duì)稱性，截取實(shí)體長(zhǎng)度的1/2作為幾何模型（見圖3）。

3.2.2 計(jì)算結(jié)果與分析

（1）溫度分布。根據(jù)模型運(yùn)算結(jié)果，提取關(guān)鍵時(shí)間未摻加組與摻加抑制劑組溫度分布（見圖4）。

從圖4可以看出：在前10 h的溫升階段，摻加抑制劑組混凝土內(nèi)部升溫較未摻加組更緩慢。隨著水化反應(yīng)的進(jìn)行產(chǎn)生大量熱量，22 h時(shí)未摻加組中內(nèi)部已積聚大量熱量并達(dá)到峰值，且位于峰區(qū)的面積較大，由于混凝土導(dǎo)熱性差，加之外界的散熱作用，使外部邊角部位的混凝土溫度接近環(huán)境溫度，導(dǎo)致里表溫差高達(dá)32.1℃;摻加抑制劑組溫峰時(shí)間推遲至35 h，內(nèi)部峰值區(qū)面積較小，內(nèi)外溫度梯度過(guò)渡平緩。在未摻加組22～56 h的降溫階段，35 h時(shí)混凝土內(nèi)部還有較大的高溫區(qū)，但表面已基本降至環(huán)境溫度，56 h時(shí)高溫區(qū)消失，這種溫度的陡降極易造成混凝土收縮開裂;摻加抑制劑組降溫較平緩，降溫過(guò)程中結(jié)構(gòu)內(nèi)部沒有產(chǎn)生較大的溫度梯度。

（2）裂縫產(chǎn)生風(fēng)險(xiǎn)?；炷亮芽p的產(chǎn)生是由于拉應(yīng)力超過(guò)了抗拉強(qiáng)度，溫差變化會(huì)導(dǎo)致拉應(yīng)力的產(chǎn)生及分布。根據(jù)模型運(yùn)算結(jié)果，以裂縫指數(shù)來(lái)判斷某一部位產(chǎn)生裂縫可能性的大小，即裂縫指數(shù)不小于1時(shí)，混凝土無(wú)裂縫風(fēng)險(xiǎn);當(dāng)裂縫指數(shù)小于1，且越接近0，其產(chǎn)生裂縫的風(fēng)險(xiǎn)越大。

未摻加組與摻加抑制劑組裂縫指數(shù)見圖5，列舉了上面同一時(shí)間側(cè)墻產(chǎn)生裂縫部位的分布。無(wú)裂縫產(chǎn)生風(fēng)險(xiǎn)的部位為透明色，裂縫產(chǎn)生部位用顏色標(biāo)注，且顏色從藍(lán)色到紅色，裂縫產(chǎn)生概率逐漸升高。

由圖5可知，混凝土升溫和降溫階段，裂縫產(chǎn)生部位面積較大，這與溫度分布的結(jié)論相一致：升溫階段未摻加組混凝土內(nèi)部溫度加速上升，而還未傳至表面，產(chǎn)生第一次里表溫差的極值，此時(shí)混凝土抗拉強(qiáng)度尚在逐漸形成，抵抗溫差收縮應(yīng)力的能力較差，而由于混凝土面板的限制作用，產(chǎn)生裂縫概率較低;在混凝土降溫階段，特別是拆模后表面散熱加快，但此時(shí)內(nèi)部還留存著大量水化熱，產(chǎn)生了第二次里表溫差的極值，此時(shí)產(chǎn)生的溫度應(yīng)力大于混凝土的抗拉強(qiáng)度，導(dǎo)致產(chǎn)生裂縫的概率很大。而摻加抑制劑組的混凝土不僅溫峰值降低6.4 ℃，且升溫及降溫速率也較大程度地減小，使整個(gè)過(guò)程的溫度梯度比較平緩，降低了溫差收縮應(yīng)力。

4 試驗(yàn)小結(jié)

（1）在本次暗涵工程側(cè)墻混凝土澆筑試驗(yàn)中，與未摻加組混凝土相比，摻加抑制劑組降溫效果明顯，混凝土極值溫度低了6.4 ℃，溫峰時(shí)間延遲了約13 h，表明摻加抑制劑能夠有效降低混凝土溫度和延長(zhǎng)溫峰時(shí)間。

（2）通過(guò)有限元分析未摻加組及摻加抑制劑組溫度分布情況，數(shù)據(jù)結(jié)果表明：摻加抑制劑組溫度分布較均勻，溫峰部位面積較未摻加組相比顯著減小，各時(shí)段的溫度梯度都比較平緩。進(jìn)一步模擬分析裂縫指數(shù)分布情況發(fā)現(xiàn)，摻加抑制劑后混凝土裂縫產(chǎn)生概率較未摻加減小，且有裂縫產(chǎn)生部位也明顯變小。

5 結(jié) 語(yǔ)

在混凝土工程施工中，摻加抑制劑不僅能降低混凝土的溫峰值，還使混凝土施工整個(gè)過(guò)程的溫度梯度相對(duì)平緩，降低了溫差收縮應(yīng)力，能有效控制裂縫的產(chǎn)生。研究結(jié)論對(duì)大體積混凝土的施工質(zhì)量控制具有參考意義。

參考文獻(xiàn)：

[1] 陳雁鳴. 粉煤灰抑制骨料堿活性試驗(yàn)在鄂北工程中的應(yīng)用[J]. 中國(guó)水利，2017（22）：31-33.

[2] 王鐵夢(mèng). 建筑物裂縫與控制[M]. 上海：上海科學(xué)技術(shù)出版社，1993.

[3] 張曉果. 水化熱抑制劑對(duì)大體積混凝土性能影響的研究[J]. 商品混凝土，2017（5）：33-35.

[4] 楊陽(yáng). X基于midas/Civil的大體積承臺(tái)混凝土水化熱分析[J].科技風(fēng)，2012（23）：107-108.

（編輯：唐湘茜）