（水利工程专业论文）青居水电站闸坝底板大体积混凝土材料性能及温度控制研究.pdf

四川大学工程硕士学位论文 青居水电站闸坝底板大体积混凝土 材料性能及温度控制研究 水利工程领域 研究生石江涛指导教师张林教授王仁坤教高 水工混凝土建筑物的裂缝，不仅影响工程的外观和正常运行，还威胁着工 程的安全，缩短工程寿命。国内外不乏由于裂缝带来的工程问题：丹江口工程 进行裂缝处理花了两年时间耗资达3 0 0 0 多万元；葛洲坝工程发现了3 3 0 0 条裂 缝；漫湾工程中的裂缝为9 0 多条，其中一条为基础贯穿性裂缝：前苏联布拉茨 克坝记录到的表面裂缝由3 5 4 4 条，且有多条贯穿性裂缝；美国的饿马( h u n g r y h o r s e ) 工程也发现了结构裂缝。这些问题影响着工程质量，控制着工程的进度 和工程的投资。防止水工混凝土建筑物产生裂缝，历来是水工建筑物设计和施 工的重大研究课题。由于水工建筑物裂缝大都属于温度裂缝，温控防裂成为解 决问题的关键。 随着我国水电事业的蓬勃发展及西部大开发的需要，水利水电工程朝大库 容、大装机、大规模的方向发展，水工混凝土浇筑仓面由以前的几百个平方米 迈向了1 0 0 0 m 2 级甚至2 0 0 0 m 2 级的台阶，浇筑块厚度达1 0 多米。加上各坝址区 一般气候炎热气温骤降频繁，温控防裂措施极为艰巨。 青居水电站位于四川省南充市高坪区青居镇嘉陵江河段上是一个发电、 航运等综合利用工程。电站装机容量1 2 8 m w ，j 下常蓄水位2 6 2 5 0 m 相应库容为 1 1 7 亿m 3 ，属大( 2 ) 型水库，为二等工程，但本工程采用低闸坝挡水，泄洪闸共 1 1 孔，总长1 7 9 5 0 m ，布置在主河槽位置。泄洪闸单孔净宽1 2 m ，闸室长度3 5 m ， 分段长度3 2 4 5 1 1 m ，闸室底板厚度9 5 1 6 0 m ，属于典型的大体积混凝土范 秘魁文学二糕硬士攀位论文 畴。城址处海拔辍低，气候特点是冬暖夏凉、湿润多雨，多年警均气瀣1 7 6 c ， 稷蠛矮毒气滠4 1 3 c ，投臻最低气温- 2 + 8 t 2 。温控孀题藏为青屠浓毫站设诗朝施 工的关键技术问题。 本文对水工大钵积混凝土温控翊鞭送行了分析和总结，结合青居水电菇鬻 矮工程，歼展温度应力获温度控剑磷究：磷究混凝弱滁含骥：及特缨秽混凝 改穗闯题，提高溉凝的抗裂隧力；研究商掺粉煤获技术，降低混凝士的绝熬 滠蠢；在挠裂条释允 冬酌情况下，磷究施工过程孛溢控攒施静筒 毫，酸翔天浇 筑尺寸，简化施工程序，加快照工遴度。节约工稳费用。 零文通过分瓣硬究，得出以下成暴： l 。通过混凝配套毙试验及特绷移溅凝土改性硬究，特缨砂混凝强魔达 翔普通灞凝豢度，量混凝主2 8 天静瓣掇隈箍瘫交为1 1 0 1 0 4 ，离 子普逶澄凝2 9 + 4 ，其吝懿好静摭袋毪能。 2 。特细砂滚凝土辩掺耪煤灰达4 0 ，最终溢升谯t t l s ，7 。等温窳数 a - - t ) 0 0 5 5 3 3 m 2 攮，诧普通灌凝兹导温系数a = 0 。0 0 4 5 m z h 高2 3 。魏热 潺升僮魄较低，枣剥予大然投混凝的瀑发应力控制： 3 + 避避温靛吾弄究，蓠纯了温控捺麓，麓大了浇筑尺寸，麓浃了熬王迸发， 鞠竣竣工配乐计翅提前了6 令嗣。可提前发毫约5 亿k w ，掰会久鹣茚 约l 亿元。 4 。通过温挖辑究，缩短了澄洪麓辘线妖度5 5 m ，节麴混凝土方量1 0 0 多方，撼台人诞币约3 0 0 多万元。 蕃秀究袋祭为鬻藩承跑站设诗薤王掰采援。整予经渗效盏显著，受剃壁圭单 链熬嘉奖。同靖，其骚究藏果冀嚣类太蒋秘窳工灌凝王程瀑搜防裂提供了嵩 意义鲍参考。如稠子壕航电工程就参考了零工程的研究成采。 关键溺；毒爨零电站弱蠼丈髂积澎凝湿度控裂糕瓣性魏嵩掺耪 媒获特细砂混凝 四川大学工程硕士学位论文 s t u d y o nm a t e r i a l p r o p e r t y o fc o n c r e t ea n d t e m p e r a t u r e c o n t r o lf o rt h eq i n g j uw a t e r p o w e r s t a t i o n s p e c i a l i t y ：h y d r a u l i ce n g i n e r r i n g p o s t g r a d u a t e ：j i a n g t a os h i a d vis o t ：h n z h a n g r e n k u n w a n g b s tr a c t ： t h ec r a c ko ft h ew a t e rc o n s e r v a n c y p r o j e c tb u i l d i n go fc o n c r e t e ，n o to n l y i n f l u e n c e st h ea p p e a r a n c eo ft h ep r o j e c ta n dn o r m a lr u n n i n g , b u ta l s ot h r e a t e n st h e s e c u r i t yo fp r o j e c ta n ds h o r t e n st h el i f e - s p a no fp r o j e c t m a n yp r o j e c tq u e s t i o n sa r e p r o d u c e db e c a u s eo f t h ec r a c kb o t ha th o m ea n d a b r o a d p r e v e n t i n gh y d r o - s t r u c t u r e f r o mc r a c k sh a sb e e nak e yp r o b l e mi n d e s i g na n dc o n s t r u c t i o no fw a t e rp o w e r e n g i n e e r i n g t e m p e r a t u r ec o n t r o li st h ek e y t os o l v et h i sp r o b l e r n i nr e c e n ty e a r s ，w i t ht h ef l o u r i s h i n gd e v e l o p m e n to ft h ew a t e rp o w e ro fo u r c o u n t r y a n dt h en e e dt ot h e d e v e l o p m e n t o ft h ew e s t r e g i o n s ，h y d r o e l e c t r i c e n g i n e e r i n g sh a v et h et r e n dt oh u g es t o r a g e ，h u g ec a p a c i t ya n dh u g es c a l e a n dt h e h i 曲t e m p e r a t u r eo fe v e r yd a ms i t e d i s t r i c ta n dt h et e m p e r a t u r ed r o p ss u d d e n l y f r e q u e n t l y , s ot e m p e r a t u r ec o n t r o ls t a n d so u te s p e c i a l l y _ t h eq i n g j uw a t e rp o w e rs t a t i o n ，w i t hi n s t a l l e dc a p a c i t yo f1 2 8 m w , n o r m a l w a t e rl e v e lo f2 6 2 5 0 r e ( c o r r e s p o n d i n g l yr e s e r v o i rs t o r a g e l 1 7 1 0 3 m 3 ) ，i sl o c a t e di n n a n c h o n go fs i c h u a np r o v i n c e ，m i d s t r e a mo fj i a l i n g j i a n g r i v e r t h i sp r o j e c t t e m p o r a r i l ys t o r e sw a t e rb yl o wg a t ed a m b a s ep l a t eo fg a t ed a mb e l o n g st oh u g e v o l u m ec o n c r e t e s ot e m p e r a t u r ec o n t r o li sa l s oa l l i m p o r t a n ta s p e c tf o rq i n g j u p r o j e c t i nt h i s p a p e r , r e f e r r i n gt oq i n g j uw a t e rp o w e rs t a t i o n ，t e m p e r a t u r ec o n t r o l a n a l y s i sa n ds t u d yh a sb e e nd o n e ：s t u d yo nt h em a t c hr a t i oo ft h e c o n c r e t ea n d 四川大学工程硕士学位论文 q u e s t i o no fm o d i f y i n go f t h es p e c i a lf i n es a n dc o n c r e t et oi m p r o v er e s i s t i n ga b i l i t yo f s p l i t t i n go fc o n c r e t e ；s t u d yo nt h et e c h n o l o g yo f t h eh i g h l ym i x e d f l ya s ht or e d u c e t h ea d i a b a t i ct e m p e r a t u r er i s eo fc o n c r e t e ；i nc a s eo ft h ec o n d i t i o no fr e s i s t i n g s p l i t t i n gt oa l l o w , s t u d y o nt h et e m p e r a t u r ec o n t r o lm e a s n r et os t r e n g t h e na n dw a t e r t h es i z eo fb u i l d i n g ，s i m p l i f yt h eo p e r a t i o n a lp r o c e d u r e ，a c c e l e r a t et h ec o n s t r u c t i o n s p e e d ，e c o n o m i z et h ee x p e n s e s o f t h e p r o j e c t s o m ec o n c l u s i o n sa r ed r a w na sf o l l o w i n gt h r o u g ha n a l y s i sa n dr e s e a r c h ： 1 t h r o u g hr e c t i f y i n g f r e e s ts a n dc h a r a c t e ra n dc o n c r e t em i xr a t i ot e s t ， a n t i - s p l i tc a p a b i l i t yo f s t r u c t u r ec o n c r e t ei ss t r e n g t h e n ； 2 h e i g h t e n r a t i oo f f l ya s hi nf r e e s ts a n dc o n c r e t ei sb e n e f i c i a lt ot e m p e r a t u r e c o n t r o lo f h u g e v o l u m ec o n c r e t e 3 t e m p e r a t u r e c o n t r o lm e a s u r e sa r e p r o p o s e d t o q u i c k e n c o n s t r u c t i o n s c h e d u l ea n dt oe c o n o m i z ep r o j e c t i n v e s t m e n t t h e f l o o d g a t e d a mi s c o m p l e t e dm o r et h a n6m o n t h sa h e a do f t i m ei nt h eo r i g i n a lp l a n 。i tc a l l g e n e r a t ee l e c t r i c i t ya b o u t5 0 0m i l l i o nk w a h e a do ft i m e ，c o n v e r la b o u t1 0 0 m i l l i o n y u a n 4 t h r o u g ht h es t u d i e so nt e m p e r a t u r ec o n t r o l ，w es h o r t e nt h et o t a ll e n g t ho f a x i so f t h e f l o o d g a t e o f r e l e a s i n gf l o o d w a t e rb y 5 5m ，e c o n o m i z em o r et h a n 1 0 0 0 0i l fc o n c r e t e c o n v e r tm o r et h a n3m i l l i o ny u a n t h ea c h i e v e m e n ti nr e s e a r c hi sa d o p t e db yt h ed e s i g n sa n dc o n s t r u c t i o n sf o rt h e q i n g j uw a t e rp o w e rs t a t i o n b e c a u s et h ee c o n o m i cb e n e f i t s a r er e m a r k a b l e ，t h e e m p l o y e r h a sg i v e nb o n u s b e s i d e s ，t h ea c h i e v e m e n ti nr e s e a r c hh a sb e e na d o p t e d i n t h eo t h e rl a r g ev o l u m e h y d r o - s t r u c t u r e k e yw o r d s ：t h eq i n g j uw a t e r p o w e rs t a t i o n g a t ed a ml a r g ev o l u m e c o n c r e t e t e m p e r a t u r e c o n t r o lm a t e r i a lp r o p e r t y f l ya s h f m e s ts a n dc o n c r e t e 四川大学工程硕士学位论文 1 概述 1 1 论文选题依据及意义 在现代工业与民业建筑中，大体积混凝土的工程规模日趋扩大结构型式 也日趋复杂，需要考虑并采取措施，解决混凝土硬化过程中因水泥水化发热在 块体内产生的温度变化而带来的应力与应变问题，使之不产生裂缝。混凝土的 发热量由其性质决定，固定不变，浇筑块内的温度应力与应变，与所浇块体的 尺寸大小有关。对小体积而言，例如断面尺寸或厚度小于数十厘米的混凝土构 件，混凝土发热量很快散失，块体内部温度基本没有变化，与初始温度始终保 持一致，不构成明显的温度变化，因此基本不产生温差及温度应力；当块体尺 寸很大例如断面尺寸较大，水化热不能很快散失而使内部温升较高，有的 水化热温升可达1 5 3 0 或更高，以后又在环境温度影响下逐渐下降，块内温 度随时间不断变化，热胀冷缩的变化过程将在块体约束条件下产生温度应力。 当块体温度变化产生的拉应力( 或拉伸应变) 大于其混凝土抗拉强度( 或极限拉伸 值) 时，就会产生裂缝。水工混凝土建筑物的裂缝，不仅会影响工程外观和正常 运行，还可能影响工程安全，缩短工程寿命。防止水工混凝土建筑物产生裂缝， 历来是水工建筑物设计和施工的重大研究课题由于水工混凝土裂缝太都属于 温度裂缝，温控防裂成为解决问题的关键。 随着我国水电事业的蓬勃发展及西部大开发的需求，水电工程中闸坝工程 的规模越来越大，闸室底板的分段长度越来越长，以至突破了规范规章关于大 体积混凝土温控的要求。如何在防裂允许的条件下简化温控措施，加大水闸的 分段长度( 即加大浇筑尺寸) ，简化施工是水利水电工程设计施工中的一个重 要的课题。 水闸设计规范( s l 2 6 5 - 2 0 0 1 ) 4 2 1 1 规定：“闸室结构垂直水流方向分段 长度( 即顺水流向永久缝的缝距) 应根据闸室地基条件和结构构造特点，结合考 虑采用的施工方法和措施确定。对坚实地基上或采用桩基的水闸，宜在闸墩中 间设缝分段；对软弱地基上或地震区的水闸，宜在闸墩中间设缝分段。岩基上 的分段长度不宜超过2 0 m ，土基上的分段长度不宜超过3 5 m 。当分段长度超过 本条规定数值时，宜作技术论证。永久缝的构造型式可采用铅直贯通缝、斜搭 四川大学工程硕士学位论文 接缝或齿形搭接缝，缝宽可采用2 3 c m 。” 水闸设计规范( s l 2 6 5 2 0 0 1 ) ) 这样的条文，目的是为了防止和减少由于 地基不均匀沉降温度变化和混凝土于缩引起的裂缝对于多孔水闸的闸室底 板，必须沿垂直水流向进行分段，即设置若干道顺水流向的永久缝，但分段长 度( 即顺水流向永久缝的缝距) 不宜过大，亦不宜过小。如分段长度过大，则永 久缝的道数虽可减少，但不能完全防止和减少裂缝，如分段长度过小则永久 缝的道数增多，不仅增加施工麻烦，还增加了工程造价而且多设置一道缝， 在防渗方面就有可能增加一个薄弱环节。 青居水电站位于四川省南充市高坪区青居镇嘉陵江河段上，闸坝工程基础 位于j 2 。层上部紫红色砂质粘土岩弱微风化岩体上。在初步设计阶段，泄洪 闸的结构型式为“两闸一缝”，分缝条数多，缝墩也较多，泄洪闸轴线总长较大， 泄洪闸工程量较大。为节省工程量，加快施工进度，在技术施工阶段，开展泄 洪闸“三闸一缝”结构型式的研究。这样的分缝型式，可减少的缝墩的个数， 泄洪闸轴线总长减少了5 5 m ，可节省1 0 0 0 0 多方混凝土，但泄洪闸的分段长度 增大，其顺水流方向尺寸为3 5 m ，垂直水流向尺寸( 分段长度) 为3 2 4 5 1 1 m ， 厚度为9 5 1 6 o m ，突破了水闸规范对分段长度的限制，是典型的大体积 混凝土，因此闸坝底板大体积混凝土温度控制研究是该工程需要解决的关键技 术问题。 1 2 国内外研究现状 在2 0 世纪初，人们对大体积混凝土温度变化过程及其后果还知之甚少，因 此在设计和施工中对此也缺少应有的注意，任意采用整体式大块的浇筑。在实 践中，人们发现在各种水工建筑物内出现了许多性质不同的裂缝，有些甚至 是很严重的，通过长期的观测和试验，人们开始认识到混凝土产生裂缝的主要 原因是由于温度应力大于混凝土的抗拉强度。于是就开始深入研究温度变化问 题、温度应力问题和控制温度及温度应力的措施等。 对于大体积水工混凝土温度控制的系统研究，是从3 0 年代中期美国修建鲍 尔德坝( 现改称胡佛坝) 开始的。3 0 年代初期，美国所修建的几座混凝土坝产生 了裂缝，所以美国垦务局在修建胡佛坝时( 胡佛坝是当时世界上最高大的混凝 四川大学工程硕士学位论文 土建筑物) ，进行了系统的温度场及温度应力的研究，提出了柱状分块，薄层浇 筑，并采用水管冷却低热水泥等降温措施，从而防止了危害性裂缝的形成。 这种研究成果至今仍有普遍影响。随着科技进步，管理水平的提高4 0 年代美 国陆军工程师团又发展了预冷骨料，通仓浇筑方法，规定混凝土出机温度应控 制在l o c 以下，6 0 年代又采取了泡沫塑料坝面保温等措施来防止表面裂缝。以 上这一系列措施基本上都是从控制混凝土浇筑块温度变化幅度着眼的一直沿 用至今行之有效。 5 0 年代以后随着我国筑坝工程的开展，我国对大体积混凝土结构的温度应 力和温度控制问题也作了大量的研究，取得了很大的成就，在世界上有一定的 地位。我国温控防裂大多沿用柱状浇筑，加冰拌和，水管冷却等措施，6 0 年代 刘家峡水电站搞过真空汽化预冷骨料试验；在总结过去经验教训的基础上，开 始重视表面裂缝，并着手探索表面裂缝形成发展的规律，提出了保温和降温并 重的设计思想；7 0 年代葛洲坝水电站大规模采用了人工预冷骨料技术，创造了 入仓温度为7 。c 的记录：9 0 年代我国开始采用块长超过5 0 m 的通仓浇筑，已基 本达到世界先进水平。 从实际设计和施工水平方面看，自4 0 年代至今，各国( 如美国、苏联、巴 西和我国等) 对大体积混凝土的温度控制标准、温控措施及裂缝问题的研究都傲 了深入的探讨并提出了一些温控措施。尽管随着预冷技术的发展和大型机械 的应用，通仓长块浇筑日趋普遍( 块长已到3 0 - - 6 0 m ) ，但这些措施仍然有效。 ( 一) 冷却水管降温 埋设冷却水管降低大体积混凝土温度，是美国3 0 年代发展起来的，分i 期 冷却和i i 期冷却。采用柱状浇筑时这种措施必不可少，通仓浇筑有时也很需要。 冷却水管的材料习惯采用钢管或铝管需要量很大，如白山拱坝1 6 0 万 一混凝土，需要3 0 0 0 1 水管。为节约钢材国内外都研究替代品。我国在6 0 年代开始试验塑料拔管( 如陈村) ，7 0 年代在乌江渡层大量采用，但是因工艺 较复杂未能大面积推广；东风工程曾研究过导热胶管班代替钢管，但实际施工 仍采用了钢管。苏联自1 9 6 9 年起开始研究聚乙烯代用管，1 9 7 7 年在萨扬舒申 斯克坝上大量使用，试验表明塑料管的冷却效果是钢管的6 0 - - 6 5 。加拿大雷 斯托克坝也采用了聚乙烯水管使用后用水泥浆灌死。 ( 二) 低温混凝土生产混凝土预冷技术 四川大学工程硕士学位论文 混凝土预冷是在拌和前或拌和同时，对原材料进行冷却，以生产出低温混 凝土，目前工程上主要采用的是粗骨料喷冷水冷却、在料仓中进行缝冷、在混 凝土拌和时加片冰以及冷水拌和等。 国外混凝土预冷技术发展较快，美国自4 0 年代若福克电站首次预冷加冰， 浇筑温度控制不超过1 6 ，5 0 年代广泛采用，代表当时水平的典型工程如格兰 峡水电站，采用了混合上料、二次筛分、连续风冷、加冰拌和( 片冰) 等工艺， 使混凝土出机温度控制在4 5 1 0 ；巴西伊泰普工程制冰容量达3 4 4 万k w 混凝土出机温度达6 c 。我国从5 0 年代- - n 峡工程开始使用预冷技术，如新安 江、流溪河、刘家峡、乌江渡、龙羊峡等，主要是加冰拌和或冷水拌和混凝土， 丹江口采用粗骨料冷水浸泡等，这些均属零星冷却，出机温度控制水平不高。 8 0 年代初，我国第一条低温混凝土生产线在葛洲坝工程上形成，继葛洲坝之后 东江、水口、东风、二滩等工程都大规模应用此项技术，并改进优化，某些方 面已经达到国际先进水平。 ( 三) 混凝土表面保护 此项技术包括保温和保湿两方面内容保温又可分为防裂保温和防冻保温 两方面作用。大体积混凝土温度裂缝绝大多数为表面裂缝，表面保护是温控防 裂的必要措施之一。 苏联在中亚和西伯利亚修建的混凝土高坝，都发生了相当多的裂缝，其中 表面裂缝占多数，如布拉茨克的表面裂缝有3 5 4 4 条，乌斯季依里姆多数裂缝( 约 8 7 8 8 ) 是表面裂缝或浅层裂缝( 缝深 l m ) 。 我国的表面保护防止温度裂缝的研究开始于6 0 年代初。传统的保温材料是 草垫、草廉、木丝板。由于其自身的吸湿性，受潮后保温性能陡减，术丝板更 有掩盖混凝土表面缺陷和不易拆除等问题，随着化学工业的发展，近年来许多 工程选用价格合适的聚苯乙烯泡沫塑料板和聚氯乙烯气泡垫。8 0 年代初期安康 水电站开始保温材料试验，在对比观测岩棉、泡沫塑料、气泡垫等几种材料之 后，推荐气泡垫，并在东江拱坝上游面大面积应用，取得良好效果。紧水滩拱 坝、广东青溪大坝采用了泡沫塑料板，效果均很好。 泡沫塑料板保温材料，因具有闭孔结构，吸水性很小，导熟系数很低，其 保温效果优于其他材料，又因其材质轻，施工安装时可安装于模板内侧，拆摸 后留在混凝土表面做长期保护，并可避免高空作业及拆模时混凝土裸露面受冷 四川大学工程硕士学位论文 冲击。 浇筑层顶面保护一般铺草垫长期停歇则铺砂保温近年来有用保温被和 气泡垫的，但是不普遍。 近年来发现，不少已建成混凝土坝，由于气候环境恶劣等原因，建成后仍 然产生新的裂缝，或“老”裂缝又发展恶化，要求修补，需要进行长期表面保 护。水科院为此研究出一种永久性保护层，由复合水泥胶结剂、保温层、表面 保护聚合物水泥沙浆组成，用胶结剂将保温材料粘贴在坝面上，保温材料取用 聚苯乙烯泡沫塑料板，保温材料外再涂一表面加固材料。此技术已应用于响水 拱坝的大面积整体长期保护。 ( 四) 优化材料配合比，降低水化热 温度应力主要来源于水泥的水化热和环境温度的变化，直接控制水化热的 因素是水泥品种及其用量，降低馄凝土发热量的做法是：采用低热或中热水泥、 掺加混合材料部分代替水泥，以及掺入外加剂等咀减少水泥用量。 低热和高强对同一种水泥是难以同时满足的过去曾片面强调水泥的低热 性但对低热性要求过高，使水泥强度要求难以达到；现在又出现片面追求利 润，水泥厂很少生产低标号水泥，造成混凝土严重超强现象。 控制每立方米混凝土的水泥用量不应只根据强度要求，为了保证耐久性、 强度、水泥用量、水泥标号和水化温升等要求的和谐统一，较好的办法之一就 是在混凝土中使用掺和料，主要是采用粉煤灰。 粉煤灰具有一定活性，和水泥一起作为混凝土的胶凝材料既减少了单位 水泥用量又可降低水化热。掺用粉煤灰可以有效降低水泥水化热和混凝土绝 热温升，对大体积混凝土降低温差，防止裂缝产生十分有利。粉煤灰的用量， 国内一般掺量为2 0 , - - 3 0 ，最大达3 5 。粉煤灰混凝土早期强度发展较慢低 于普通水泥混凝土，而后期强度则超过普通水泥混凝土，9 0 天龄期粉煤灰混凝 土强度是普通水泥混凝土强度的l1 0 左右。我国近期在建工程胶凝材料总量 大部分可控制在1 7 0 k g m 3 ，水泥用量已降到1 2 0k g m 3 。 外加剂是一种混凝土表面活性剂，其作用为减水、缓凝、引气等，主要是 减水，国内外已普遍使用。研究表明，混凝土的耐久性和水灰比及单位用水量 有密切关系，使用外加剂可以增加混凝土的和易性，使其在降低水灰比的同时， 不增加甚至减少水泥用量从而增加混凝土密实性。国内外目前外加剂种类繁 四川大学工程硕士学位论文 多。 ( 五) 采用氧化镁( m g o ) 混凝土，补偿混凝土温度变形 传统的混凝土防裂措施历来都是设法降低混凝土块体内部的温度减少 外部温度的变幅以减少混凝土受约束情况下的收缩变形，防止基础贯穿性裂 缝。这些措施实践证明是有效的，但是同时也存在着很多缺陷她不仅表现在 工艺繁难，成本昂贵，更重要的是限制了旌工进度。 在这种背景下，我国自7 0 年代初开始研究混凝土的温度应力补偿问题。 m g o 混凝土是利用m g o 所具有的独特的延迟性微膨胀性能，它不是控制混凝 土的温度，而是补偿混凝土的温度变形：当混凝土降温收缩时，m g o 混凝土产 生一种膨胀变形，而且是延迟生膨胀变形多发生在龄期1 个月到1 年左右 时间，抵消部分降温变形，起到防止基础贯穿性裂缝的作用。 1 9 7 3 年白山拱坝温控设计论证了采用高镁抚顺大坝水泥补偿温度应力闯 题，开展了水泥变形机理研究和混凝土变形试验，并在白山工程施工中全部采 用了抚顺大坝水泥，实践证明，该工程在基础混凝土温差普遍超过4 0 c 的情况 下，没有基础贯穿性裂缝，表面裂缝也很少，成为我国第一座采用这一技术的 高坝工程。此后红石电站也采用了这一技术。1 9 8 5 年开始进行外掺m g o 补偿 温度应力的研究和试验，并与1 9 8 9 年通过鉴定，在广东青溪水电站和福建水口 水电站推广应用，共浇筑m g o 混凝土1 2 ，5 万。与此同时，国内还进行了低热 微膨胀混凝土的研究，这种混凝土水化热较低相当于普通水泥中掺3 0 - 4 0 粉煤灰的发热量。但其膨胀期发生在早凝期，3 天膨胀相当于最终值9 0 ，7 天膨胀结束，所产生的补偿效果甚微。目前尚在研究其改性问题，将膨胀期后 移。 一般来说，5 0 年代世界各国建造的大坝在不同程度和数量上仍都出现裂 缝。直至6 0 年代末到7 0 年代，苏联声称它所建的托克托古尔坝没有产生大的 裂缝细小裂缝也根少。目前防裂问题的重要性和混凝土产生裂缝的规律基本 上已被人们所认识，只要采取适当措施，大体积混凝土的裂缝是可以控制的。 发展水电，是我国能源发展的主要方向之一。此外，我国水利水电建设的 任务也很重，今后必将兴建许多大、中、小型水利水电工程，其中大体积混凝 土建筑物为数众多，现阶段对任何一座大体积混凝建筑物都必须把温度控制和 防裂措施作为重要内容来研究，同时还应考虑在防裂允许的条件下如何简化温 蠲川大学工程颓士学位论文 控搔旌，热大浇筑块尺寸，良筵耽藏王。这方嚣的遴震方兴寒艾。 1 3 研究方法疑主要内容 本文结合嘉羧江青鼹闸顼工程大体积淀凝土设计施工的特点，运潮热传等 理论，采用商限差分法计算温发场，采用影响线法及约束系数法羚析温度应力。 研究大体积混凝土的温度场、濑度应力和防裂措施，同时在考虑防裂允许的蓊 馋下尽量夔纯浸痰控剑撰缝，鸯鬟大浇筑块尺寸。佐傀蓬王疆痔，熬浃藏童遴度， 雄文主要的研究内容如下 ( 一)逶_ ；霆对国内磐大俸狡滋凝土工程溢羟设计实截的分析，研究失 体积混凝温度裂缝产生的主要原因。 ( - - )霭凝土材料性能研究：结合青屠工程当地建材特点，进行混凝 材料实验，撼离湿凝的抗裂能力，芳研究囊掺耪获技术， 减少绝热温升，为大体积混凝土施置创造条件。 ； 初始相位( 月) ，对子纬度丈于3 0 。的地区，取t o = 6 5 ( 月) ；对纬度小于3 0 。的地区，取3 0 。= 6 7 ( 月) ； 搿霾频攀，搿嘘a i ，p 为滠度变他周期，取p = 1 2 ( 更) ， h m 、a 。应采用当地实测多年月平均气濑按下式计算： 1 2 k = 吉咒( 3 - 2 ) 厶i = l l ? 四i l k 学工程硕士学位论文 k ；c m m t f 。) ( 3 3 ) 式中 瓦f 月多年月平均气濑； q f 月计算时点，f 一一0 5 ( 月) ； 凡也w 近 娃地按下妓计冀： a a = ( t 计t 。【) 2( 3 - 4 ) 式中t nb 7 闷及1 月的多年月平均气温。 f 二) 水激 水库建成后的库水水温对挡水结构的稳定温度有较大影响。但在z 程设计 除莰还不黪实测褥密痒承求温，只靛扶气镶祭l 串榛经静魏建拳露的实测资耱褥 出或按下列方法推算。 建筑物上游搦承面静库永漩度的年厮辫变仡过程可用下式袭示： t 。( y ，) = t w i n ( y ) + a 。( y ) s 掰一i a s ( y 冀 ( 3 。5 ) 式中 t w ( y ，f ) 水渫y ( m ) 处，f ( 月) 时剡的多年月平均水温： t w m ( y ) 永深y ( m ) 处的多年平均永溢； a y ) 水深y m ) 处豹多年月乎均水激年变蠛： l 气潞年周期变化过程的初始相位； 若乏y 瘩潦y ( 1 国楚夔承滚年瘸期变饯过程每气遗冬羯期炎 化过程的相位差( 月) 。 羧建承库静多年平均东溢i o 。( ，) 及多年月平均永温年交禳a 。( y ) ，可稷糖 水库特性分别按下列情况确定： 1 ) h 。y 。的多年调节水库： t 哪( 圩窿l 。- l 籍 y 臧 y o ( 3 - 6 )t 一( ，) 2 产籍 ” a w ( y ) = 瞧：脚y y 。o ( 3 m 2 ) h 。y 。的非多年调节承库： t w m ( y ) = q t “帅 ( 3 - 8 ) 1 8 四川大学工程硕士学位论文 a 。( y ) 2 c ：e “”“ ( 3 9 ) 3 ) h 。 y o 的水库： k ( y ) = c 1 p “ ( 3 1 0 ) a 。( ，) = c ：，。”2 ” ( 3 - 1 1 ) 式中h n 建筑物上游挡水正常水位( m ) ； y 。多年调节水库的变化温度层深度( m ) ，一般可取蜘= 5 0 6 0 m ； c l 、c 2 拟合参数。拟合参数可按下式计算 c i _ 7 7 7 + 0 7 5 t 。( 3 - 1 2 ) c 2 2 0 7 7 8 a ；+ 2 9 4 ( 3 - 1 3 ) 式中t 舡n 工程所在地多年月平均气温； a ：修正后的多年月平均气温年变幅。 a ：可按下式计算： a ：2 沈“髦麓 ( 3 - 1 4 ) 式中a 。工程所在她的多年月平均气温年变幅； t a 7 7 月份多年月平均气温，可取t b 7 t 。+ a 。： a 一太阳辐射所引起的增量，可取a = l 2 。 拟建水库水温年周期变化过程与气温年周期变化过程的相位差，可按下列 情况确定： ( 1 ) h 。j ，。的多年调节水库： ( j ，) ：船0 5 3 + 0 0 5 9 1 贮y y o ( 3 - 15 ) ( 2 ) h 。y o 的非多年调节水库： f ( y ) = o 5 3 + o 0 3 y ( 3 - 1 6 ) ( 3 ) h n y d 的水库： 四川大学工程硕士学位论文 占( y ) = 0 5 3 + 0 0 0 8 y ( 3 - 1 7 ) 建筑物下游尾水温度，可假定沿水深呈均匀分布。其年周期变化过程，当 尾水直接源于上游库水时，可参照相应的上游水温确定，并适当考虑下游日照 所引起的多年平均温度的升高；否则可参照当地气温确定。 ( 三) 日照 暴露在空气中并受日光直接照射的结构，应考虑日光辐射热的影响。一般 可考虑辐射热引起结构表面的多年月平均气温增加2 4 c ，多年月平均温度变 幅增加1 2 。对于特别重要的大型工程，宜经专门研究后确定。 ( 四) 地基温度 近似计算时，地基温度可假定在年内不随时间变化。其多年平均温度可根 据当地地温、库底水温及地基渗流等条件分析确定。 采用有限单元法计算结构温度场时，可假定某一时刻( 大约在l o 月份左右) 基岩温度等于多年平均气温。然后考虑混凝土与基岩接触面上温度和热流量连 续，随外界气温和水温的变化推算出地基各点任意时刻的温度。 ( 五) 外界温度变化的影响深度 外界水温和气温的周期性变化对混凝土温度有一定的影响其影响深度与 温度变化的周期有关。对于大体积混凝土来说，外界温度变化的影响一般只限 于表面部分。 混凝土与水接触时，混凝土表面温度即等于水温。混凝土与空气接触时， 混凝土表面温度并不等于气温温度变化越快，差别越大。在计算年变化温度 场时，可近似假定混凝土表面温度等于气温，按第一类边界条件计算。 3 1 3 混凝土热学特性指标 ( 一) 混凝土的比热、导热系数与导温系数 ( 1 ) 混凝土的比热c 与导热系数 混凝土的比热c 是表示l k g 质量的混凝土在温度升高或降低1 时所吸收 或放出的热量，单位为k j k g 。普通混凝土的比熟一般在o 8 4 1 0 5 之间。 混凝土的导热系数 是反映混凝土传导热量难易程度的一个指标，单位为 k j m - h 。普通混凝土的导热系数一般在8 - 3 9 1 2 5 6 之间。 2 0 四川丈学工程硕士掌位论文 ( 2 ) 混凝土的导温系数a 混凝土温度计算时，常出现二。的值( 其中p 为混凝土的密度) ，称之 为混凝土的导温系数a ： 4 a ：三( 3 1 8 ) c o 导温系数a 是反映混凝土热量扩散的一个指标。单位为m 2 h ，普通混凝土 的导温系数一般在0 0 0 3 0 0 0 6 之间。 实践证明，导温系数即使发生2 5 的误差，亦不会导致温度场过大的偏 差， ( 二) 混凝土的线热胀系数 混凝土的线热胀系数a c 定义为单位温度变化时混凝土单位长度的伸缩。普 通混凝土的a c 大约为( 6 1 3 ) 1 0 - 6 。 混凝土的线热胀系数与骨料的性质有关。对重要工程，应由试验测定， 般工程或可行性研究( 初步设计) 时，可根据骨料种类由表查出。 ( 三) 混凝土的浇筑温度 混凝土出机后经过运输、平仓、振捣，在覆盖新的流态混凝土前的温度为 浇筑温度，按下式计算： t p = t o “t a t 0 ) ( c l + c 2 + c 3 + + c n ) ( 3 - 1 9 ) 式中t d 混凝土浇筑温度； t o 混凝土出机温度； t 。混凝土浇筑时的平均气温； c l 、c 2 e 3 c 。系数，数值如下： ( 1 ) 混凝土的装、卸、转运，每次e = 0 0 3 2 ( 2 ) 混凝土运输时，e = a r ，f 为运输时间，以分计，可查表： ( 3 ) 混凝土浇筑时，c = 0 0 0 3f ，f 为浇筑时闻，以分计。 ( 四) 水泥水化热及混凝土绝热温升 ( 1 ) 水泥水化热 水泥的水化热与水泥的矿物组成有关。单位质量矿物完全水化时所释放出 的热量最大的是c 3 a ( 铝酸三钙) ，其他依次为c 3 s ( 硅酸三钙) 、c 4 a f ( 铁 铝酸四钙) 和c 2 s ( 硅酸二钙) 。水泥水化热凡乎等于每种矿物分荆水化时的水 四川大学工程硕士学位论文 化热的总和。若已知水泥的组成，则可较精确地计算出水泥水化热。 水泥水化热与龄期的关系可用下式表示： q f ：q o ( 1 一e 一。) ( 3 - 2 0 ) 式中q 龄期t ( 天) 时的水化热( k j k g ) ； t 龄期t ( 天) ； 见水泥的最终水化热( k j k g ) ； m 、n 试验的常数。 q o 、m 、n 等参数应由试验确定。初估时也可查表3 1 选取。 掺有粉煤灰时的水化热旦k 与不掺粉煤灰时的水化热q 之间有较好的相关 性，可以下式表示： q 。= q ( 1 - 0 7 5 p ) 4 3 2 1 ) 式中p 粉煤灰掺量比，即粉煤灰重对水泥重及粉煤灰重量总和之比 值。 表3 - 1 水泥水化热的o o 及i n 、n 值 水泥品种q 普通硅酸盐水泥5 2 5 3 4 00 6 90 5 6 4 2 5 03 4 00 3 60 7 4 普通硅酸盐大坝水泥5 2 5 4 2 帅0 7 90 7 0 矿渣硅酸盐大坝水泥4 2 5 。 2 8 0o 2 90 7 6 2 混凝土的绝热温升 混凝土的绝热温升应由试验确定。缺乏试验资料时，也可由理论公式估算： o：t q o c o - o 7 5 p x l - e - ) 43 - 2 2 ) 式中只龄期t ( 天) 时，混凝土的绝热温升( ) ； c 水泥和粉煤灰的总用量( k g m 3 ) ； c 混凝土的比热 k j ( k g ) ； p 混凝土质量密度( k g ，一) ； p _ j 分煤灰掺量比。 四川大学工程硕士学位论文 式中的q o 、m 、n 意义同前。 ( 五) 混凝土的徐变度及应力松驰系数 混凝土的徐变度及应力松驰系数是大体积混凝土温度应力计算中的重要参 数。对于重要工程，混凝土的徐变度及应力松驰系数应由试验或专门研究确定； 对一般工程或可行性研究( 初步设计) 时，可根据经验公式估算或查表计算。 3 2 温度场计算方法 计算混凝土浇筑块内部温度的变化，一般有三种方法：典型问题理论公式 计算法，有限差分法，有限单元法。 典型问题理论公式计算法：在规定的边值条件下，通过求解热传导方程的 理论解，确定结构任意时刻的温度。 有限差分法：根据差分原理，热传导微分方程和相应的边值条件写成差分 的形式，再进行数值计算。 有限单元法：根据变分原理，使得采用的某一泛函的尤拉方程，恰好是热 传导微分方程及其相应的边界条件，再根据泛函的极值条件，求得我们所需要 的温度场。 现将分析温度场的三种方法分别简述如下。 3 2 1温度场典型问题的理论公式计算法 根据热传导理论和能量守恒定律，对于均匀的各向同性的具有内部热源的 固体，在直角坐标系下的热传导微分方式程式为： 一at：f宴+蜜+窑+一a(3-23al k) 一= 1 十t 十tl 十一 ， a r l 觑2 匆2 a z 2j c p 式中t 韫度，； f 时间，h ； 。导温系数( 又称温度扩散