衬砌混凝土温控试验研究与裂缝原因分析.doc

衬砌混凝土温控试验研究与裂缝原因分析樊启祥 黎汝潮(中国三峡总公司)　　摘要：三峡永久船闸输水系统衬砌混凝土，有不少的结构段在1/2长度附近发生了裂缝为了探明输水洞和竖井地下结构的温度与应力应变分布规律，研究较为合理的温控标准和温控措施，以避免或减少裂缝，特别是危害性贯穿裂缝，在永久船闸北坡延长段进行了观测试验　　主题词：永久船闸；衬砌混凝土；温控；温度应力1 前言　　三峡永久船闸输水隧洞采用钢筋混凝土结构，分别位于双线船闸的南北坡及中隔墩岩石的底部，单线隧洞总长1733m，南北坡内隧洞为单洞，中隔墩隧洞由混凝土衬砌分隔成南北线两个洞室，共计三线四条主输水廊道，分别向两线船闸充泄水　　输水隧洞标准断面为城门洞形，南北坡输水洞衬砌标准厚度为0.8m，为满足隧洞表面抗冲耐磨的要求，混凝土设计标号为C30(泵送)　　由于围岩硬度大，弹性模量高等方面的原因，根据现场已浇筑施工的衬砌混凝土来看，有不少的结构段在1/2长度附近发生了裂缝为了探明输水隧洞衬砌混凝土的温度、温度应力及应变的分布规律，研究较为合理的温控标准措施，以尽可能避免或减少裂缝，特别是危害性贯穿裂缝，在永久船闸北坡输水平洞内埋设了系统温度观测仪器，进行了永久船闸输水洞衬砌混凝土温度与应力观测试验研究。

2 输水系统衬砌混凝土性能试验情况2.1 原材料　　(1)水泥为石门中热525#水泥；　　(2)粉煤灰为重庆珞璜I级灰；　　(3)砂子为下岸溪人工砂；　　(4)石子为下岸溪人工碎石；　　(5)减水剂采用JM-Ⅱ泵送剂，引气剂采用DH92.2 混凝土配合比　　混凝土配合比采用施工所用的实际配合比，见表1表1 输水洞C30混凝土配合比主要参数外加剂混凝土各材料用量(kg/m3)W/BFA(%)砂率(%)JM-Ⅱ(%)DH9(%)水泥粉煤灰砂小石中石水0.420410.60.25290737765585581452.3 混凝土性能试验结果　　混凝土力学性能、热学性能及混凝土自身体积变形，分别见表2、表3、表4、表5表2 混凝土强度试验结果抗压强度(MPa)抗拉强度(MPa)7d28d56d90d120d180d7d28d90d23.330.435.145.81.751.963 应力与温度观测3.1 输水隧洞温度与应变观测成果与初步分析　　(1)温度观测　　温度计观测成果表明衬砌混凝土温度在浇筑后3天内出现最高温度，而且最高温度值随结构部位的不同而变化，3天后温度持续下降，7天内降幅一般在8℃～17℃之间，28天后温度接近外界气温。

埋设在岩体内的温度测点，受混凝土温度变化影响较小，仅有小幅上升，到12月份趋于稳定，约20%混凝土表面的温度相当洞内空气温度，随气温而变化，波动比内部混凝土明显，10月3日～6日由于气温骤降其温度显著降低；内部混凝土温度处于较均匀的下降过程；中部的二个温度测点也在一定程度上受到了寒潮影响，10月4日～6日温度下降幅度也较大NY9(北坡输水洞延长段节9块)结构段衬砌混凝土的最高温度52.15℃，发生在开浇后的第三天，最大温升28.4℃；最大温降37.2℃，发生在衬砌中部；顶拱的最高温度和最大温降均比边墙的小，相应部位的最大温降大约要小5℃～8℃NY10结构段衬砌混凝土的最高温度53.95℃，最大温升27.85%，最大温降39.6℃，也发生在边墙靠近顶部的钢筋附近；顶拱的最高温度和最大温降要小些，但最大温升值要大些NY10与NY9相比，最高温度NY10要大些，边墙高1.8℃，顶拱高4.85℃，主要是由于NY10的浇筑温度平均要高约7.4℃；最大温降总体平均NY10下降34.56℃，NY9下降32.82℃；最大温升值：NY10平均为23.27℃，NY9平均为25.325℃　　(2)应变观测　　开浇后3天基本上都是压应变，但NY10的边墙轴线方向有7.04×10-6的拉应变，顶拱环向有23.92×10-6的拉应变；开浇后第7天，NY9结构段的边墙表面有14～20×10-6的拉应变，顶拱环向有10.72×10-6的拉应变；NY10结构段的边墙有7～8×10-6的拉应变，顶拱内表面拉应变达到22～71×10-6，内缘钢筋附近的环向也达到40.97×10-6的拉应变；开浇后第28天，NY9结构段的直立墙轴向拉应变达67.76×10-6，顶拱环向拉应变达到92.92×10-6；NY10结构段直立墙表面轴向应变为35.3×10-6，内缘钢筋附近拉应变达到87.86×10-6，顶拱表面环向拉应变达155.87×10-6，表面轴向拉应变达到114×10-6，比较二者结果，NY10比NY9结构段的拉应变要大，是因为NY10的温降更大之故；衬砌混凝土应变观测值随着温度的降低，拉应变普遍继续增大；通过应变计钢筋计观测的混凝土温度与相邻温度计测得的温度值相接近，变化规律也一致。

　　(3)钢筋计观测　　拱顶内表面环向钢筋计虽仍处于受拉状态，但数值不大而且变化极小，内部钢筋的应变为压应变，观测值变化不大，而且随气温变化时有波动；侧墙壁表面钢筋环向受拉，数值很小，变化不大，轴向也有一定的拉应力3.2 裂缝情况　　9月17日发现NY9结构段裂缝裂缝部位一般在结构段长度的1/2附近，且最初在墙高的中部偏低的范围(即2～4m)附近　　至10月31日发现NY9的两条和NY10右侧的一条全部劈开底弧段先浇混凝土，发展将近底板表面其余裂缝基本上没发展　　除NY5以外，所有结构块的边墙均发生裂缝，且都在1/2长度附近，都是贯穿性裂缝；NY12至NY8和NY6的底板均发生贯穿性裂缝4 隧洞衬砌混凝土温度应力初步估算4.1 水化热温度应力　　对于隧洞直立墙混凝土温度应力的计算采用嵌固板的计算式计算式如下：σ=ηE0aTΥ/1-μ)Kp(1)η=PzPtPdPe(2)式中：Kp——混凝土松弛系数；　　　Tr——水化热引起的最大温升值；　　　E0——28天龄期混凝土的弹性模量；　　　a——混凝土的线膨胀系数，取=1x10-5/℃；　　　μ——泊松比，0.167；　　　η——综合影响系数；　　　Pz——混凝土板厚度方向不同深度的影响系数；　　　Pd——混凝土龄期影响系数；　　　Pt——混凝土水化热温升温降过程中弹性模量变化影响系数；　　　Pe——按弹性地基梁计算的影响系数。

　　依据试验结果，弹性模量E0取GPa隧洞混凝土衬砌厚0.8m，板长12m，计算得NY9和NY10浇筑块的水化热温升温降过程产生的拉应力计算结果见表6～表8　　另外，对于衬砌长度减小的情况也进行了一些初步分析，衬砌长度为10m时，h/1=0.16，衬砌表面附近的拉应力可减表6 NY9和NY10衬砌混凝土3天龄期拉应力 单位MPa部位PePtPdPzηKpNY9σRtkNY10NY10k表面1.30.650.21.1×0.570.1060.760.5530.7451.350.5961.25中心1.00.650.21.1×0.6250.08940.760.4640.7451.6050.501.49岩面-1.10.650.21.1×0.68-0.1070.76-0.558表7 NY9和NY10衬砌混凝土7天龄期拉应力 单位MPa部位PePtPdPzηKpNY9σRtkNY10NY10k表面0.280.650.551.1×0.570.0630.7030.3041.755.760.3275.34中心1.00.650.551.1×0.6250.24580.7031.1871.751.471.271.365岩面0.180.650.551.1×0.650.04510.7030.2321.757.450.2507.00表8 NY9和NY10衬砌混凝土28天龄期拉应力 单位：MPa部位PePtPdPzηKpNY9σRtkNY10NY10k表面0.20.651.01.1×0.570.08150.650.3641.965.390.3925.00中心1.00.651.01.1×0.6250.4470.651.9951.960.982.150.91岩面0.580.651.01.1×0.680.2820.651.261.961.561.3571.45小21.4%，平均可减小10%；衬砌长度为8m时，h/l=0.2，表面拉应力可减小40%，平均可减小21%。

显然，衬砌长度缩短，拉应力可大幅度减小，对抗裂是有利的4.2 干缩　　采用CEB/FIP方法，干缩变形计算式为：εt=εsKbKeKpKt(3)式中：εs——与环境相对湿度有关的干缩；　　　K6——配合比影响修正系数；　　　Ke——构件尺寸影响修正系数：　　　Kp——含钢率影响修正系数；kP=100/100+nρ(4)　　ρ——含钢率，n=20；　　Kt——龄期影响修正系数　　对于NY9和NY10试验段混凝土，当环境空气湿度UB=75%时，εs=250×10-6，UB=80%时，εs=210×10-6；Kb=0.7；理论厚度hm=7.0×0.8/3.5=1.6m，取值0.30；Kt按含钢率为2%计算得0.7143；按hm=1.6m，100天龄期取0.08，在10天以内的龄期取0.04　　按式(3)计算混凝土干缩εt<1.51×10-6(UB=75%)或1.26×10-6(UB=80%)，100天以内εt<3.02×10-6(UB=75%)或2.52×10-6(UB<80%)如果按线膨胀系数为10×10-6/℃计算，仅相当0.28℃～0.66℃温度变化引起的变形　　另外，减水利、引气剂、粉煤灰的掺入，对干缩是有影响的。

减水剂可使干缩增大30%～50%；引气剂可使干缩增大15%～30%，粉煤灰掺入20%时，可使干缩减小20%～30%4.3 自身体积变形　　混凝土的自身体积变形与水泥品种、水泥用量及掺用混合料种类有关水泥用量少，自身体积变形小粉煤灰掺量越大，自身体积变形小永久船闸输水隧洞混凝土的粉煤灰掺量20%，则28天的自身体积变形约25×10-6若按线膨胀系数10×10-6/℃计算，相当于2℃～2.5℃温降产生的变形　　试验结果表明，在14天之内混凝土是膨胀的，只有在20～60天，才是拉应变，28天左右的最大拉应变仅为4.2×10-6，其效果还不及1℃温降的影响4.4 混凝土温降产生的拉应力　　冬季低温季节，混凝土温降会产生较大的拉应力采用式(1)估算平均拉应力对于NY9和NY10，取松弛系数Kp=0.5，若温降14℃，产生的拉应力σ=1.1MPa；若温降10℃，则6=0.825MPa；若温降15℃，则σ=1.24MPa　　虽然，混凝土龄期的增长，抗拉强度会有所增长，但若将水化热温升过程产生的拉应力。