导流洞二次衬砌混凝土抗裂性提升技术研究

摘 要：

水电工程中混凝土裂缝控制是影响工程质量的关键技术,导流洞二次衬砌作为易开裂部位之一,亟需开展混凝土抗裂性提升技术研究。以西南某水电站工程为例,对其导流洞边墙二次衬砌混凝土进行实体结构监测,研究其温度/变形变化规律。使用高效抗裂剂提升二次衬砌混凝土抗裂性能,抗压强度、自生体积变形、模拟实际工况温度变形等试验结果表明,高效抗裂剂能够满足混凝土强度要求同时提升其体积稳定性,有利于混凝土抗裂性能提升。采用数值模拟的方法对二次衬砌混凝土进行开裂风险评估,结果表明高效抗裂剂能有效降低混凝土开裂风险,研究成果也为相关工程提供了良好的借鉴意义。

关键词：

二次衬砌混凝土; 实体监测; 高效抗裂剂; 开裂风险;

作者简介：

潘利(1991—),男,工程师,硕士,研究方向为水工混凝土,水泥基材料裂缝控制。E-mail:panli@cnjsjk.cn;

基金：

国家重点研发计划项目(2017YFB0310100);

引用：

潘利，徐文，王育江，等． 导流洞二次衬砌混凝土抗裂性提升技术研究［J］. 水利水电技术，2020，51( 12) : 92-98.

PAN Li，XU Wen，WANG Yujiang，et al． Ｒesearch on crack resistance technology of secondary lining concrete of diversion tunnel［J］. Water Ｒesources and Hydropower Engineering，2020，51( 12) : 92-98.

0 引 言

混凝土是水利水电工程中广泛使用的一种材料,具有成本低、施工可塑性强、耐久性好等优点,但水电工程中混凝土由于其体积大、温升快、结构复杂等特点,很容易产生开裂,裂缝是混凝土建设及运行过程中最为常见的危害之一。水利施工中混凝土是否会出现裂缝是衡量工程质量的一个重要因素,混凝土开裂通常会伴随发生局部脱落、剥离、松动等,严重影响了结构的完整性,尤其是高流速水流区,由于高速水流会在贯穿性裂缝内形成负压,从而增大底板等部位外水压力,水流中的推移质、悬移质会在裂缝处产生更严重的冲击磨蚀,会导致混凝土开裂更加突出,不仅会影响工程的耐用性及工程寿命,严重还会影响工程安全性。导流洞作为水电站泄水建筑物,需要面临着高水头、大流量、高速水流的冲击、磨损破坏的风险,且导流洞二次衬砌混凝土一般具有浇筑体积大、围岩环境复杂、施工难度大、开裂风险高等特点,从目前部分已建成和在建的工程来看,导流洞二次衬砌混凝土开裂问题较为突出。

在水工混凝土裂缝控制方面,吴庆筑<9>通过严格控制原材料质量、优化混凝土配合比、加强温度监测等措施提升水工混凝土抗裂性能;胡庆龙等针对二次衬砌厚度不足、混凝土表面存在环向裂缝等问题,采用钢筋混凝土套衬补强整治方案,达到了“一次整治,不留后患”的效果,可在不中断运营情况下整治隧道;肖群香等通过对黄登水电站1号导流隧洞混凝土裂缝分析,认为混凝土骨料性能较差、胶材用量过高是导致混凝土裂缝的主要原因,通过更换骨料、控制水泥质量等措施提升抗裂性能;李盛青等通过对溪洛渡导流洞衬砌混凝土施工期裂缝分析,提出的优化配合比、洒水养护、分缝分块等防裂措施;杨胜敏等对某水闸混凝土裂缝原因进行分析,并采取化学灌浆的方法对裂缝进行防渗封缝处理,两河口、长河坝水电站导流洞混凝土裂缝也均采取化学灌浆措施进行处理,并未从根本上防止裂缝产生。目前导流洞衬砌混凝土裂缝控制措施主要集中在优选原材料、优化配合比、改善施工和养护措施等方面,这些措施能够一定程度提升混凝土抗裂性能,但在原材料限制及工艺提升措施有限的情况下,仍难以有效解决开裂问题。

为此,本文以实际工程导流洞二次衬砌为例,通过实体结构监测分析混凝土开裂影响因素,在原有混凝土配合比基础上,通过使用高效抗裂剂提出导流洞二次衬砌混凝土抗裂性提升技术方法,并结合仿真计算对优化后混凝土开裂风险评估,旨在为类似工程抗裂性提升提供参考。

1 二次衬砌实体结构监测

以西南某水电站为例,其导流洞二次衬砌混凝土边墙在建设初期出现了一定程度的裂缝,为更准确地分析其开裂原因及浇筑后混凝土内部温度、变形的变化规律,采用温度传感器、应变传感器及信号数据采集系统,对导流洞边墙二次衬砌自浇筑起进行混凝土内部温度和变形的实时监测。该导流洞边墙混凝土采用分段式浇筑,一次浇筑长度为12 m,高度为11.8 m,厚度约为1.0～1.2 m(存在部分超挖情况),混凝土设计等级为C18050F100W8,采用台车钢模板。监测传感器测点布置在长度方向中间位置,高度方向为底部(距最底端约1～1.5 m)和1/2中间位置,厚度方向为表层(距离钢模板约5～10 cm)、中心、里层(距里衬约5～10 cm)三个位置,具体测点位置如图1所示。

1.1 温度监测结果

自混凝土浇筑开始,对各测点位置进行实时监测,通过数据采集仪器自动采集记录,采集频率为2次/h,监测时间不低于15d。图2为导流洞二次衬砌边墙底部位置表层、中心、里层以及环境温度的监测结果。由监测结果可知,混凝土初始温度约为15 ℃,底部中心和里层位置温度变化趋势基本相同,温峰值分别为33.2 ℃、35.1 ℃,而表层温度相对较低,温峰值为24.7 ℃,主要原因是表层受到环境温度影响较大(洞内环境温度低),中心和里层受外界环境温度影响较小,里层离外界环境距离更远,且靠近基岩不易散热,因此温升值稍高于中心位置。在降温阶段,表层温升小,降温速率稍慢,表层、中心、里层的降温速率分别为0.5 ℃/d、1.13 ℃/d、1.17 ℃/d,中心和里层降温速率为表层2倍以上,降温速率差异明显。

图3为二次衬砌边墙体积中心位置(中部中心)温度监测结果,由图可知,中部中心温度变化趋势和图1中底部中心温度变化趋势基本相同,最高温度约为35.6 ℃,较底部中心略高,最大温升为20.3 ℃,升温速率为16.3 ℃/d,升温速率较快,早期温度急剧升高;7 d时降温速率为1.86 ℃/d,14 d时降温速率约为1.27 ℃/d,比底部相应位置降温速率略小。

1.2 变形监测结果

除温度监测外,对导流洞边墙二次衬砌混凝土进行了变形监测,监测部位和温度监测测点相同。图4为底部中心和中部中心(沿长度方向)自浇筑起混凝土内部变形监测结果,从变形监测结果可知,中部和底部中心位置最大变形分别为98.8 me、164 me。结合1.1中温度监测的结果,将混凝土变形分为温升阶段膨胀变形和温降阶段收缩变形,在温升膨胀阶段,底部和中部中心变形速率分别为8.91 me/℃、5.16 me/℃;温度下降后立即产生收缩变形,至15 d时底部和中部产生收缩变形分别为45 me、74.4 me,中部中心产生的收缩变形更大、变形速率更快。

为分析导流洞二次衬砌混凝土边墙中心不同方向的变形情况,对中心点长度方向和厚度方向的变形进行了监测,变形监测结果如图5所示。由图5可知,二次衬砌厚度方向最大变形为192me,约为长度方向最大变形的2倍,厚度方向膨胀变形阶段单位温度变形为9.65me/℃。收缩阶段,厚度方向收缩变形变化幅度大,在2.5 d和4.2 d左右出现明显的拐点,且后期变形曲线并不平滑,说明该方向上收缩变形存在突变现象,在监测点附近可能有裂缝产生,监测结果与后期实体结构裂缝观察结果一致。

导流洞二次衬砌混凝土的温度/变形监测结果表明,混凝土在浇筑后内外温差大、降温速率快,且降温阶段收缩变形大。结合监测部位所处工程环境分析,内部温升高、里表温差大、中心降温速率快、温降收缩变形大且不同方向变形存在较大差异是导致导流洞二次衬砌混凝土开裂的主要因素,监测结果为导流洞混凝土抗裂性提升技术研究提供依据。

2 混凝土抗裂性提升技术研究

针对该水电站导流洞二次衬砌开裂问题,结合实体结构监测数据分析,基于现场使用原材料及配合比,进行二次衬砌混凝土抗裂性提升技术研究,通过使用高效抗裂剂来优化配合比,并以力学性能、自生体积变形、变温变形等性能为指标,试验验证高效抗裂剂对二次衬砌混凝土抗裂性提升的作用效果。

2.1 原材料及配合比

试验原材料包括水泥、粉煤灰、硅粉、人工砂石骨料、减水剂、高效抗裂剂、拌合用水等,其中,水泥为峨胜水泥厂生产P·MH 42.5中热硅酸盐水泥(以下简称中热水泥),粉煤灰为Ⅰ级粉煤灰,减水剂为江苏苏博特PCA-Ⅰ高性能减水剂,骨料为粒径5～20 mm和20～40 mm的人工碎石,抗裂剂为江苏苏博特HME-V高效抗裂剂,原材料中除拌合用水和高效抗裂剂外,其余均和现场施工使用原材料相同。所用胶凝材料的物理化学性能如表1—表3所列。

表 1 水泥化学成分（%）

表2 粉煤灰组成成分（%）

表3 硅粉组成成分

以现场使用配合比为基准配合比,在此基础上使用高效抗裂剂进行配合比优化,以进行二次衬砌混凝土抗裂性提升研究工作,高效抗裂剂掺量占胶凝材料质量分数8%,等量替代基准配合比中粉煤灰。基准及抗裂混凝土配合比如表4所列。

2.2 混凝土抗压强度

抗压强度是混凝土一项重要的性能指标,为研究高效抗裂剂对混凝土抗压强度影响,依据《水工混凝土试验规程》(SL352—2006)对表4中两种配合比混凝土抗压强度试验,试件尺寸为150 mm×150 mm×150 mm,每个龄期以三个试件为一组,试验结果如图6所示。抗裂混凝土早期抗压强度略低于基准混凝土抗压强度,28 d抗裂混凝土和基准混凝土抗压强度分别为44.15 MPa、43.3 MPa,强度基本相同;180 d抗裂混凝土和基准混凝土抗压强度分别为57.98 MPa、54.25 MPa,抗裂混凝土的抗压强度提高约6.8%,原因是高效抗裂剂能延缓早期水泥水化速率,但不影响后期的强度发展。因此,对于长设计龄期(90 d或180 d)的水工混凝土,使用高效抗裂剂后混凝土强度能满足设计要求,不会对混凝土后期强度产生不利影响。

2.3 自生体积变形性能

混凝土自生体积变形是表征混凝土早龄期自收缩发展趋势的重要指标,控制混凝土自收缩的能够降低实体结构产生的收缩裂缝,进而降低开裂风险。依据JTJ270-1998《水运工程混凝土试验规程》,对表4中两组配合比进行自生体积变形试验,试件尺寸为f150 mm×400 mm,结果如图7所示。

表4 基准及抗裂混凝土配合比

试验结果表明,基准混凝土自生体积变形表现为持续收缩,7 d变形值约为-89.5 με,28 d变形值约为-122 με,45 d产生变形值约为-126.75 με。抗裂混凝土表现为先膨胀后收缩的变形趋势,产生膨胀的原因是高效抗裂剂中含有能通过水化反应产生膨胀组分;7 d、28 d和45 d的变形值分别为238 με、240 με、229 με,最大膨胀变形为274.4 με。结果表明,使用高效抗裂剂的抗裂混凝土,其自生体积变形更稳定,在后期仍然存在一定的膨胀变形,能够对二次衬砌混凝土的变形进行收缩补偿,有利于混凝土抗裂性的提升。

2.4 模拟实体结构工况变温变形

工程中二次衬砌混凝土所处的实际环境和试验室内环境存在较大的差别,特别是温度历程,现场混凝土自浇筑起温度随着水泥水化及环境气温不断变化,经历温升及温降过程,而实验室内大部分为恒温条件,为更好地研究高效抗裂剂在实体结构的温度变化历程条件下对混凝土的影响规律,进行了模拟实际工况变温变形试验。温度历程采用图3中二次衬砌混凝土中部中心的实际监测温度变化曲线,使用环境模拟试验箱来模拟实际温度历程。

混凝土成型后装入圆柱体PVC模具内,试件大小为f150 mm×400 mm,并在中心位置预埋温度和应变的传感器,应变传感器测试混凝土内竖向方向的变形(横向受到模具约束),每个试验组至少测试两个试样,取平均值。试件自成型后放入环境温度历程与实体监测温度历程一致的环境箱中,图8为环境模拟温度及基准混凝土、抗裂混凝土实测温度,由图可知试件中心温度与模拟实际工况温度基本相同,因此试验能反映混凝土在实际温度情况下的变形特征。

模拟温度环境下混凝土变形结果如图9所示,图9(a)为基准混凝土与抗裂混凝土在变温环境下总变形,基准混凝土在升温阶段产生膨胀变形,最大变形值约为160 με,当温度下降时立即产生收缩,9 d时变形值约为41.3 με;抗裂混凝土最大膨胀变形为556 με,比基准混凝土产生了更大的膨胀变形,9 d时变形值约为468.5 με。补偿收缩是高效抗裂剂提高混凝土抗裂性的关键,对降温阶段变形特征分析如图9(b)所示,抗裂混凝土降温阶段产生的收缩变形更小,基准混凝土随着温度下降立即产生收缩变形,而抗裂混凝土在温度下降初期(约2.5 d内)仍会产生一定的膨胀,9 d时最终变形值约为-69.3 με,较基准混凝土产生膨胀约47.3 με,说明高效抗裂剂的补偿收缩效果良好,能够较大地提升二次衬砌混凝土的抗裂性。

3 开裂风险评估

结合本工程导流洞二次衬砌侧墙混凝土结构尺寸和约束情况,建立水化-温度-湿度耦合条件下的收缩变形模型,对二次衬砌在约束条件下由于温度和收缩变形产生的应力分布进行了仿真模拟分析,并基于开裂风险的应力评估准则,对基准混凝土及掺加高效抗裂剂的抗裂混凝土开裂风险进行评估。采用第一主拉应力与即时抗拉强度之比表示开裂风险

对导流洞二次衬砌混凝土结构进行仿真模拟计算,以该工程二次衬砌其中一个边墙为研究对象,根据工程结构对称性,仿真计算建模取二分之一结构,有限元模型如图10(a)所示,分析时典型截面选取中部纵截面,典型点选取高度方向中部中心点。混凝土早期力学、热学、变形等模型参数根据前期试验数据选定,混凝土比热容、导热系数、表面散热系数按规范相关规定选取,主要参数选择包括:混凝土比热容0.96 kJ/(kg·K)、导热系数10.6 kJ/(m·h·K)、表面散热系数24.0 kJ/(m2·K·h)、内侧基岩导热系数10.0 kJ/(m·h·K)等,特征点仿真计算结果如图10(b)所示。

根据开裂风险仿真计算结果,导流洞二次衬砌基准混凝土(未使用高效抗裂剂),中心位置沿长度方向开裂风险为0.81(>0.7),存在较大开裂风险,分析结果与目前监测结果及现场开裂情况吻合;而使用高效抗裂剂后二次衬砌混凝土开裂风险在0.6以下,开裂风险较低,基本不会开裂。因此,从室内试验及仿真计算角度均说明使用高效抗裂剂能够有效提升二次衬砌混凝土抗裂性能,为导流洞混凝土裂缝控制提供了可行的技术方法。

4 结 论

以西南某水电站工程为例,研究了其导流洞二次衬砌混凝土开裂问题。通过对实体结构的实时监测,明确了影响混凝土开裂的主要因素,在原配合比基础上,通过掺入高效抗裂剂进行配合比优化,以提升二次衬砌混凝土的抗裂性能,并采用有限元仿真计算的方法对其抗裂性进行评估,主要得到结论如下:

(1)导流洞二次衬砌实体结构监测表明,内部温升高、里表温差大、中心降温速率快、温降收缩变形大是导致导流洞二次衬砌混凝土开裂的主要因素;从变形监测结果能够直观反映出实体结构裂缝产生情况,且与实际开裂情况吻合;

(2)C18050混凝土使用高效抗裂剂后7 d前抗压强度较基准混凝土略微降低,28 d抗压强度基本相同,180 d抗压强度较基准提高约6.8%,对强度影响较小;自生体积变形和模拟实际工况变温变形试验表明,使用高效抗裂剂后混凝土体积稳定性更好,在结构降温初期仍产生一定膨胀来减少温降收缩,其补偿收缩作用有利于提升混凝土的抗裂性能,为导流洞二次衬砌混凝土裂缝控制提供了有效可行的技术和方法;

(3)基于实际工况对导流洞二次衬砌混凝土进行有限元仿真计算,基准混凝土和抗裂混凝土中心位置长度方向开裂风险分别为0.81、0.57,基准混凝土开裂风险较高,计算结果与实体结构监测结果一致,而使用高效抗裂剂能明显降低二次衬砌混凝土开裂风险,达到基本不会开裂范围(<0.7),对二次衬砌混凝土抗裂性能具有明显的提升。

水利水电技术

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