水布垭工程面板混凝土抗裂性试验研究

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摘要: 面板混凝土作为堆石体大坝的主要防渗结构，其质量对保证大坝的安全运行具有重要的作用。国内外面板堆石坝工程实践表明，面板混凝土存在普遍的混凝土裂缝问题。分析了面板混凝土裂缝的分类、成因和特性，探讨了提高面板混凝土自身抗裂防裂能力的技术。通过试验，研究了人工合成纤维及人工合成纤维与钢纤维复掺对水布垭工程面板混凝土各项性能尤其是抗裂性能的影响，得到了高抗拉强度和极限拉伸值、低收缩、低弹模、耐久性良好的高抗裂面板混凝土。

关 键 词: 面板混凝土;裂缝成因;抗裂试验;水布垭水利枢纽

1 概述

面板混凝土作为堆石体大坝的主要防渗结构，其质量对保证大坝的安全运行具有重要的作用。国内外面板堆石坝工程实践表明，面板混凝土存在普遍的混凝土裂缝问题。与普通的水工大体积混凝土不同，面板混凝土是典型的薄型长条板状结构，长、宽、厚三向尺寸相差悬殊，若不采取有效措施，极易产生裂缝。面板混凝土一旦出现裂缝，不仅破坏结构的整体性，而且将直接降低混凝土的抗渗耐久性，由于冻融循环、化学物质侵蚀、碳化等造成的混凝土劣化加剧，使结构功能逐渐丧失。水布垭工程面板堆石坝最大坝高233m，是目前世界上已建和在建工程中最高的面板堆石坝，因此提高面板混凝土的抗裂性能是工程建设的重要研究课题。

2 面板混凝土的裂缝成因

混凝土是由多种材料组成的、结构复杂的多相非匀质材料，在混凝土水化硬化过程中，由于骨料与水泥浆具有不同的热力学性能，它们之间的不均匀变形产生的相互约束应力导致在骨料与水泥浆界面上以及在水泥浆体中产生大量的原生微裂缝。在无应力或较小的应力作用下，混凝土原生微裂缝处于稳定状态，但在较大的应力作用下，原生微裂缝将逐渐延伸扩展直至破坏。混凝土的抗压强度远大于抗拉强度，因此混凝土的开裂主要是由于混凝土中的拉应力超过了抗拉强度而引起的。

按产生拉应力的不同原因，面板混凝土的裂缝可分为结构裂缝和收缩裂缝。面板混凝土的结构裂缝主要是由坝体不均匀变形所引起，可通过合理设计，改进施工工艺和质量，在面板浇筑前使坝体有一段预沉降期来避免。收缩裂缝是混凝土的收缩变形受到约束产生的拉应力大于混凝土的抗拉强度而引起的。混凝土的收缩主要包括温降收缩、自收缩、塑性收缩、碳化收缩和干燥收缩。

温降收缩主要由水泥水化热和外界气温变化引起，当温度变形受到混凝土外部约束和内部各质点间的约束产生的应力超过混凝土的抗拉强度，就会产生温度裂缝。面板混凝土厚度较薄，面积较大，较易散热，且受垫层约束较小，因此无论是水化初期水化放热升温引起的内表温差及混凝土硬化后期温度降低形成的温度应力均较小，不易形成裂缝。但面板混凝土在浇筑后不久若受寒潮侵袭，会形成较大的内外温差，此时混凝土抗拉强度较低，易形成温度裂缝。为有效防止面板混凝土的温度裂缝，一方面应减小水泥用量，使用低水化热水泥，并提高混凝土的抗拉强度和极限拉伸值;另一方面在施工时应采取有效的表面保温措施，减少混凝土的内外温差。

自收缩是由水泥水化作用引起自干燥而造成的混凝土宏观体积的减少，主要产生于水化前几天尤其是第一天。自收缩的大小主要取决于水泥品种和细度、矿物掺和料品种和细度及水胶比。低水胶比及大量细粒矿物掺和料的使用增加了混凝土的自收缩。

塑性收缩是指混凝土硬化前由于表面水分的蒸发速度大于混凝土的泌水速度而引起的收缩，此时混凝土强度很低，不能抵抗这种变形应力将导致开裂，混凝土基底或模板材料的干燥吸水会加剧混凝土的塑性收缩，使用收缩率较大的水泥和水泥用量过大也会增加混凝土的塑性收缩。选择好的浇筑季节，采取措施降低混凝土表面的水分蒸发率可以降低面板混凝土的塑性收缩。

碳化收缩是混凝土水泥浆中的Ca2 与空气中的CO2 作用生成CaCO3 而引起的表面体积收缩，碳化收缩受到结构内部未碳化混凝土的约束，将导致表面开裂。面板混凝土水胶比小，结构致密，碳化一般只限于浅表层。

干燥收缩是由于环境湿度降低，混凝土表层水份散失产生的体积收缩。干燥收缩是一个长期的收缩过程，其收缩速率随着干燥时间增加而急剧减小。面板混凝土表面积与体积之比很大，受干燥收缩影响很大，及时良好的养护可以推迟混凝土的干燥收缩，避免与混凝土自收缩和温度收缩叠加，减少混凝土的收缩裂缝。

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