低熱微膨脹高水泥混凝土筑壩技術(shù)研究

低熱微膨脹高水泥混凝土筑壩技術(shù)研究

萬家寨水庫是一座混凝土半主導(dǎo)水庫。最大水庫高105m，長443m。壩址區(qū)位于北緯39.6°。該地區(qū)冬季氣候寒冷,夏季炎熱,春、夏、秋三季多有寒潮,氣溫驟降頻繁且幅度大。這對大壩混凝土施工和防止裂縫很不利。補償收縮混凝土低熱和微膨脹的特點及其澆筑工藝很適合本工程的具體應(yīng)用要求,預(yù)期可達到簡化溫控措施、縮短建設(shè)工期的目的。為此,水利部將本工程采用低熱微膨脹混凝土筑壩技術(shù)研究列為部科技重點項目。一、水泥生產(chǎn)技術(shù)試驗驗證國內(nèi)近期采用的低熱微膨脹水泥主要為Ⅱ型微膨脹水泥。本項目要求新研制的水泥要在Ⅱ型水泥的基礎(chǔ)上進一步優(yōu)化,重點研究使膨脹期后延的性能,進一步降低水化熱以及提高低溫硬化性能(以適應(yīng)寒冷季節(jié)施工)。清水河水泥廠在長江科學(xué)院的指導(dǎo)下,從1993年開始進行了多次工業(yè)生產(chǎn)試驗,先后提供了三批425#低熱微膨脹試制水泥。第二批試生產(chǎn)水泥經(jīng)有關(guān)部門取樣試驗,各項指標(biāo)基本滿足國際GB2938—82的要求。經(jīng)對原料選用,工藝參數(shù)上進一步優(yōu)化,第三批425#低熱微膨脹水泥經(jīng)檢測各項指標(biāo)均比較優(yōu)越。二、評價收縮混凝土性能的研究1.混凝土的耐久性試驗選擇7種配合比進行混凝土強度、抗裂性能及耐久性試驗。試驗表明清水河低熱微膨脹水泥混凝工具有:早期強度發(fā)展快,7d強度為28d強度的70%左右;有較好的抗裂性能,28d與90d極限拉伸值分別為(0.97～1.07)×10-4MPa和(1.04～1.17)×10-4MPa,28d與90d靜彈模分別達到(2.95～3.53)×10-4MPa和(3.38～3.98)×10-4MPa;耐久性較好,在采用最大水灰比0.65時,其抗?jié)B標(biāo)號亦大于0.8MPa。水灰比為0.40-0.50和0.55～0.65時,混凝土的抗凍標(biāo)號分別達到200次和100次以上。在水灰比0.55～0.65,水泥用量211～256kg/m3的條件下,低熱水泥混凝土的28d絕熱溫升值為20.4～24.7℃,導(dǎo)溫系數(shù)為0.003179m2/h,導(dǎo)熱系數(shù)為2.61(w/cm.k)。2.約束性能分析(1)自生體積膨脹。自生體積變形過程試驗表明:水灰比大,相應(yīng)水化反應(yīng)更充分,有利于膨脹變形的發(fā)揮;水灰比小,強度相對較高,限制了后期膨脹的增長。自生體積膨脹變形絕大部分產(chǎn)生在7d以前,7d后漸趨平緩且延續(xù)時間較長。(2)預(yù)應(yīng)壓力。試驗采用單向鋼筋約束測試二者間的關(guān)系,取三種配筋率模擬三種約束程度,由三種配筋率試驗得出的預(yù)應(yīng)壓力,反映了不同約束程度下低熱水泥混凝土的預(yù)壓應(yīng)力與變化過程,從而得出預(yù)壓應(yīng)力與約束度的關(guān)系曲線。由曲線知,約束膨脹變形產(chǎn)生的預(yù)壓應(yīng)力,隨約束程度增大而加大,預(yù)壓應(yīng)力最大值產(chǎn)生在3d齡期,之后由于徐變作用會逐漸減少。(3)徐變性能。徐變試驗進行了抗壓、抗拉兩組五種加荷齡期的測試。試驗表明:徐變度隨強度的發(fā)展減小很快,尤其是早齡期加荷的徐變度;徐變度隨持荷時間的延長而加大,其增長速度則隨持荷時間的延長而減慢;徐變度隨加荷齡期的增加而減少,到90d齡期已基本穩(wěn)定,90d以后加荷的徐變度曲線可近似認(rèn)為將不隨加荷齡期變化;7d齡期加荷的抗拉徐變大于抗壓徐變,這對拉伸應(yīng)力具有更大的松弛作用。三、低熱微膨脹混凝土澆筑法大壩原設(shè)計采用常態(tài)混凝土柱狀塊澆筑,壩體設(shè)三條縱縫,最大倉面約600m2。若采用低熱微膨脹混凝土澆筑,可以減少縱縫,實現(xiàn)大倉面高塊連續(xù)澆筑。根據(jù)本工程混凝土和制冷系統(tǒng)的設(shè)置情況,研究了應(yīng)用低熱微膨脹混凝土取消壩體兩條縱縫,進行大倉面澆筑的可行性及優(yōu)越性。1.不穩(wěn)定溫度場及溫度應(yīng)力分析以擋水壩段為例,用常態(tài)混凝土澆筑,壩體設(shè)三條縱縫,最大澆筑塊長22.6m,采用低熱混凝土澆筑,只設(shè)一條縱縫,最大澆筑塊長36.7m。對上述情況基礎(chǔ)塊的不穩(wěn)定溫度場及溫度應(yīng)力進行了計算分析,得到如下結(jié)論:(1)基礎(chǔ)部位采用低熱微膨脹混凝土,能獲得0.2～0.40MPa的預(yù)壓應(yīng)力。(2)低熱微膨脹混凝土早期受約束能產(chǎn)生較大壓應(yīng)力,對防止表面裂縫十分有利,具有明顯的初期補償作用,而且其早期強度高,對防止早期裂縫十分有利。(3)取消兩條縱縫后,最大澆筑塊長近37m,夏季采用薄層澆筑(1.0或1.5m)可以滿足要求,春秋季可適當(dāng)加大層厚。2.基礎(chǔ)混凝土溫度控制補償收縮混凝土因其膨脹受到約束能產(chǎn)生預(yù)壓應(yīng)力而抵消部分拉應(yīng)力,故基礎(chǔ)混凝土溫度控制標(biāo)準(zhǔn)可適當(dāng)放寬。根據(jù)有限元計算,在具有180×10-6膨脹量且分層澆筑的情況下,受基礎(chǔ)約束可產(chǎn)生0.2～0.4MPa的應(yīng)力,補償收縮混凝土與常態(tài)混凝土相比,基礎(chǔ)溫差可放寬2～3℃.3.壩體應(yīng)力分析計算模型:電站壩段903m高程以下為補償收縮混凝土,以上為常態(tài)混凝土,只分一條縱縫,澆筑分層基礎(chǔ)面為6×1.5m,上部為2～4.5m層厚,最大澆筑倉面面積為100m2。通過仿真計算得到以下結(jié)論:(1)壩體中心溫度。最高溫度一般發(fā)生在早期(2～4天齡期),二期冷卻時溫度下降,冷卻結(jié)束后溫度稍有回升,然后緩慢降至穩(wěn)定溫度。(2)低熱微膨脹混凝土膨脹主要發(fā)生在7天以前,而且早期彈模較高,受基礎(chǔ)約束在第4天齡期能產(chǎn)生1.6～1.8MPa的水平補償應(yīng)力,壩面的垂直壓應(yīng)力最大超過2.1MPa,顯然對大壩抗裂有顯著作用。(3)溫度應(yīng)力在總應(yīng)力中占很大比例,壩體拉應(yīng)力主要來自溫度荷載,僅考慮自重、水壓力情況下壩體基本上為壓應(yīng)力,只在壩踵部位產(chǎn)生0.16～0.24MPa的拉應(yīng)力。若考慮溫度應(yīng)力及自生體積變形,壩踵、壩趾、下游壩面、長間歇層都發(fā)生較大拉應(yīng)力,而且最大拉應(yīng)力均發(fā)生在施工期,可見施工期應(yīng)加強溫度控制。四、基礎(chǔ)塊混凝土的張開度對電站壩段采用補償收縮混凝土后壩體縱、橫縫的張開度進行了仿真計算。結(jié)果表明:(1)當(dāng)混凝土膨脹量在155～180×10-6、間歇期取7天,大壩縱、橫縫均為張開狀態(tài)。基礎(chǔ)塊混凝土的縱縫張開度為0.4～1.0mm,橫縫張開度為1.6～2.8mm。(2)分層澆筑間歇期影響縫面張開度。將間歇期由7天延長到11天,可使縱縫張開度減小0.6mm,橫縫張開度減小0.8～1.0mm。五、孔及剩余插管槽混凝土壓縮性分析1.調(diào)查計算結(jié)果分析5個9.5×9m施工導(dǎo)流底孔,采用補償收縮混凝土,下閘蓄水前分兩期封堵。以中孔壩段導(dǎo)流底孔封堵為例,澆筑層厚3.0m,間歇期7天,經(jīng)計算分析得出如下結(jié)論:(1)由于導(dǎo)流底孔封堵始于低溫季節(jié),混凝土澆筑溫度及周圍壩體老混凝土溫度較低,因此回填混凝土最高溫度不高,僅為27.4℃。(2)由于四邊老混凝土的約束,自生體積變形能產(chǎn)生最大達1.27～1.32MPa的預(yù)壓應(yīng)力,至第335天齡期留存預(yù)壓應(yīng)力仍達0.64～0.89MPa,補償作用非常明顯。(3)回填混凝土和老混凝土的邊界上不會出現(xiàn)拉應(yīng)力,邊界面不會脫開,保證了新老混凝土結(jié)合緊密。2.混凝土預(yù)壓應(yīng)力鋼管槽回填混凝土層厚3.0m,間歇期為5天,澆筑溫度9、10、11月分別為12℃、8℃、5℃,經(jīng)計算分析得出如下結(jié)論:(1)考慮自生體積形變的影響,回填混凝土各點應(yīng)力均為壓應(yīng)力,鋼管底部混凝土最大壓應(yīng)力達1.77～1.89MPa,鋼管兩側(cè)混凝土最大預(yù)壓應(yīng)力達1.19～1.42MPa,鋼管上部混凝土最大預(yù)壓應(yīng)力達1.5MPa,說明在老混凝土和鋼管的約束下能產(chǎn)生較大的預(yù)壓應(yīng)力。(2)因采用壩面淺埋管,鋼管外包混凝土較薄(僅1.5m),受氣溫及管內(nèi)水溫影響,在回填混凝土膨脹產(chǎn)生的預(yù)壓應(yīng)力受徐變影響逐漸減小后,在回填混凝土內(nèi)將產(chǎn)生較大拉應(yīng)力,在結(jié)構(gòu)設(shè)計中應(yīng)予以充分考慮。(3)鋼管槽回填采用補償收縮混凝土,盡管在鋼管周圍產(chǎn)生較大的預(yù)壓應(yīng)力,但遠(yuǎn)小于鋼管的臨界壓力,不會導(dǎo)致鋼管外壓失穩(wěn)破壞。六、初步分析結(jié)果按課題要求,結(jié)合萬家寨水利樞紐工程施工特點,利用縱向圍堰混凝土澆筑,進行了現(xiàn)場試驗。上游縱向圍堰底寬19.1m,頂寬3.0m,堰高26m,試驗段分兩段,每段長38m。兩試驗段澆筑分層均為基礎(chǔ)部位1.5m厚4層,上部層厚2.0m。對部分原型觀測成果初步分析得出以下結(jié)果:(1)溫度狀況。由基礎(chǔ)層兩側(cè)點的溫度曲線看混凝土最高溫度為30.4℃,扣除混凝土入倉溫度20.1℃,基礎(chǔ)層最高溫升為10.3℃。(2)自生體積變形。由基礎(chǔ)層一測點的自生體積變形曲線可看出,混凝土早期變形大,可達60×10-6,而后緩慢增長,最大自生體積變形可達80×10-6。(3)預(yù)壓應(yīng)力。試驗塊中心斷面實測應(yīng)變求得最大預(yù)壓應(yīng)力為0.384MPa。七、壩段澆筑及冷卻由于萬家寨水利樞紐工程采用低熱微膨脹混凝土課題研究滯后于工程建設(shè),致使大面積采用補償收縮混凝土錯過時機。根據(jù)工程進展情況,在下列部位采用了低熱微膨脹混凝土。(1)岸坡壩段。包括1壩段946.5m高程以上部位、21壩段937.0m以上部位以及22壩段。邊坡壩段采用補償收縮混凝土的部位均取消縱縫,通倉澆筑,澆筑層厚1.0～1.5m,澆筑溫度不高于15℃。夏季進