现代混凝土收缩开裂的方法与技术分析

2021-07-09 16:01 行业动态
现代混凝土具有普遍采用化学外加剂和工业废渣的特征,降低了资源及环境消耗,提高了材料耐久性,满足了现代土木工程设计和施工的性能要求。然而,组成日趋复杂、流动度加大、早期强度发展加快的材料特性,导致混凝土收缩加大;长跨径、大体积、强约束的结构形态,以及高温、干燥等严酷环境,导致混凝土收缩开裂问题突出。
工程实践和研究表明,80%以上的开裂起因于混凝土的收缩。混凝土一旦开裂,抵抗渗透的能力大幅降低,引起渗漏,严重影响构筑物的服役性能。裂缝的存在加速了有害介质的传输速率,加剧了材料自身性能劣化和钢筋锈蚀,尤其在高温、高盐等严酷腐蚀环境下,大大缩短结构的服役寿命。Mehta和Burrows在《在21世纪建造耐久的结构物》(Building Durable Structures in the 21st Century)一文中指出,为建造在环境中可持久的混凝土结构,21世纪的混凝土工程必须以耐久性,而不是强度来驱动。要想在实际工程中真正提高混凝土结构的耐久性,从根本上解决早期收缩裂缝问题意义重大。
 
混凝土早期收缩包括硬化前的塑性收缩,以及硬化阶段的自收缩、干燥收缩和温降收缩。在塑性阶段,混凝土的体积变化主要表现为竖直方向的凝缩以及水平方向的塑性收缩。基于水分蒸发和毛细管负压的理论模型可用于塑性收缩的预测。
 
近期也有研究将体积模量的演化作为塑性收缩的主要参数,并建立了更为复杂的预测模型。在硬化阶段,收缩的测试方法比较成熟,例如,ASTM C1698-09推荐使用波纹管法以实现自浇筑成型开始的自收缩的测量。
然而,实际的工程混凝土内部温湿度及性能的发展变化,不仅受自身水化的影响,还强烈依赖于结构尺寸以及外部环境等条件。因而,恒温恒湿的标准环境下的实验室测试结果不能直接反映实际工程的收缩开裂行为。考虑不同因素的耦合影响以及不同类型收缩的交互作用,建立相应的预测模型已成为混凝土收缩开裂研究的必然趋势。
 
收缩开裂的表征和评估方法是研究现代混凝土早期开裂行为的关键。基于平板法、圆环法等的开裂试验,可以表征混凝土材料的开裂参数,如初裂时间、裂缝宽度、开裂面积等,但无法直接反应结构层次的开裂行为。朱伯芳院士建立了混凝土温度应力计算的理论体系,提出了水工大体积混凝土温度裂缝控制安全系数阈值,以及混凝土“半熟龄期”(semi-mature age)控制和长期保温的水工混凝土裂缝控制方法;王铁梦教授建立了温度应力简化计算公式,提出“抗与放”(prevent and lay out)的设计原则,以及“跳仓法”等裂缝控制的方法和理念。上述成果已成功地应用于实际工程,解决了普通强度等级大体积混凝土的温度裂缝控制难题。
 
荷兰代尔夫特理工大学建立了基于混凝土成熟度的抗裂性评估模型,并开发了二维模拟软件,同时考虑了材料种类对结构应力的影响。然而,混凝土的早期开裂行为强烈地依赖于包括强度、弹性模量和体积变形等在内的早期性能的迅速演变,而如何定量描述早龄期混凝土(特别是大体积混凝土)在温湿度变化条件下的性能演变历程,仍然是一项具有挑战性的任务。
 
原材料品质控制和混凝土配合比的优化设计,是减少现代混凝土收缩裂缝的有效途径。水工大体积混凝土常采用中、低热水泥以降低混凝土的温升。膨胀剂、减缩剂和高吸水性树脂等功能材料可以降低收缩,对于减少一般结构和中低强度等级混凝土的裂缝,起到了积极作用。但是,实际应用也发现,即使采用上述材料,也难以解决现代混凝土的收缩开裂问题。而鉴于实际工程的复杂性,对功能材料在实际使用过程中的性能敏感性(如温度、湿度敏感性)考虑不足,也大大影响其实际应用效果。
 
本文针对现代混凝土复杂的胶凝材料体系,考虑了粉煤灰和矿粉对体系水化反应活化能的影响,并以水化程度作为基本状态参数,量化描述了混凝土的早期性能演变,以及材料与环境温湿度之间复杂的交互作用,实现温湿度变化条件下多种收缩的耦合计算;建立了水化-温度-湿度-约束耦合作用下的结构混凝土收缩开裂风险评估的方法,提出了基于可靠度的开裂风险系数控制阈值。同时,针对现代混凝土收缩开裂的特点,介绍了水化温升抑制、全过程补偿收缩和化学减缩三项关键技术的作用机理及效果。在此基础之上,开发了抗裂性仿真计算软件与设计方法,根据实际工程的结构形式、环境特征和材料组成进行抗裂性计算分析。最后,介绍了上述方法和技术在地铁车站和桥梁桥塔两个典型工程中的应用。
 
本文旨在提出可用于实际工程混凝土收缩开裂评估与控制的理论方法和关键技术,主要结论如下:
 
(1)针对现代混凝土复杂的胶凝材料体系,提出考虑粉煤灰和矿粉影响的水化反应活化能的计算方法。以水化程度作为基本状态参数,基于水化-温度-湿度-约束耦合作用模型,实现变温变湿条件下自收缩、干燥收缩和温降收缩的耦合计算,以及结构混凝土收缩开裂风险的量化评估。
(2)水化温升抑制、全过程补偿收缩和化学减缩三项关键技术,能够有效降低硬化混凝土最大温升、温降收缩、自收缩和干燥收缩,减小收缩应力,降低开裂风险。
 
(3)基于理论模型和控制技术,开发抗裂性设计方法和系统平台;根据收缩类型、应力大小和开裂风险出现的时间点,采用对应的抗裂技术,全过程控制开裂风险,使风险系数小于阈值。工程应用结果表明,采用提出的方法和技术,混凝土结构的收缩开裂能够得到有效控制。
 
与混凝土较真!白鹤滩水电站的幕后“艺术家”
 
6月28日,全球第二大水电站白鹤滩水电站首批机组正式并网发电!
 
白鹤滩水电站总装机容量1600万千瓦,居世界第二,仅次于三峡工程;单机容量100万千瓦,位居世界第一。白鹤滩水电站预计2022年7月可实现16台机组全部投产发电,届时一天的发电量可满足50万人一年的生活用电。
 
作为党的十八大以来我国开工建设的千万千瓦级巨型水电工程,白鹤滩水电站工程是长江流域防洪体系重要组成部分,也是实施“西电东送”的国家重大工程,是我国稳增长、调结构、惠民生的新时代“大国重器”。在其成功投产发电的背后,凝结了无数建设者的智慧和心血。
 
一群与混凝土较真的“艺术家”
 
在四川省宁南县和云南省巧家县交汇处的下游河道上,一座世界级巨型拱坝立于其间。大坝左岸的地下洞室里,藏着3条名为“泄洪洞”的奇迹和艺术品。
 
称它们是奇迹,缘于白鹤滩水电站泄洪洞的多项特点:每条泄洪洞长度都在2000米以上,断面最大可达宽15米、高18米,最大坡度达到23°,过流面积超过20万平方米。它们的实力也不一般,能承受高达1.2万立方米每秒以上的大泄量和47米每秒的世界级高流速,仅需18分钟就可灌满整个西湖。
 
称它们是艺术品,则是因为其“内外兼修”的混凝土质量:体型精准、平整光滑、耐磨防裂、零缺陷,水流养护状态下呈现镜面效果。
 
据了解,混凝土施工中素有“无衬不裂”的说法,裂缝似乎是混凝土逃不脱的结局,但白鹤滩的混凝土“艺术家”们却不这样认为。
 
白鹤滩水电站泄洪洞整体形态和过山车轨道很像,分为上平段、龙落尾段和出口处呈上挑形状的挑流鼻坎,不同的是泄洪洞每个部位都是混凝土结构。在施工中最困难的,就数龙落尾段。龙落尾段形似龙尾,是一道垂直落差90米的斜坡,23°的最大坡度就出现在这里。
在以往的水电工程中,如果泄洪洞有龙落尾结构,大多采用混凝土泵输送混凝土到相应部位,但这种运输方案不能套用在低坍落度混凝土上。
 
工欲善其事,必先利其器。没有施工装备,后续的作业就不能进行,创新成了必经之路。
 
但创新绝非易事,白鹤滩泄洪洞坡度更大、环境更复杂,想要设计全 套的施工装备更是难上加难。“难到和我们合作的厂商都跑了。”三峡集团白鹤滩工程建设部泄洪洞项目负责人王孝海说。
 
为了设计用于龙落尾底板施工的装备,王孝海创新工作室团队请来了一些专业厂家,和现场施工单位一起研究。
 
这套装备要适应狭窄和大坡度的环境,要满足一定的运输速度保证混凝土不提前凝固,要保证混凝土运输到准确的部位、不能影响后续人工作业……诸多困难交织在一起,现场试验情况始终不理想。
 
一次次的失败消磨掉了厂家的耐心,不久王孝海就发现厂商都变得安静了,“之前我们有一个群,这些厂商的技术人员原本都在群里,后来他们不是‘退群’就是‘隐身’,都不陪我们了,花钱也请不来人”。
 
从上平段到龙落尾,再到挑流鼻坎,白鹤滩建设者拿出了全 套施工装备,实现了“全过流面”创新。“应用情况表明,我们自行研制的成套常态混凝土施工装备安全、高效,较常规施工效率提高了约20%。”王孝海说。
 
混凝土都是分块浇筑,块与块之间必然会存在一条缝,但泄洪洞的接缝处却实现了平滑。
 
接缝处如何保养、采用什么保护工具,这样的细节都被施工人员考虑在内。王孝海介绍,从泄洪洞第一仓混凝土浇筑起,建设者就坚持精准析源、精明施策、精心组织、精确控制、精益施工。简单来说,就是每一个人在每一个环节都有相应的任务。
 
施工人员把细致到几近严苛的要求渗透到每一寸钢筋、每一方混凝土,甚至每一条施工缝里,目的就是为了保障施工质量,这样的态度和艺术家别无二致。
 
白鹤滩泄洪洞平均不平整度小于2毫米,全部都能呈现镜面效果。这份成绩,源自于这一群混凝土“艺术家”的坚持和创新,展现了中国智慧。
 
征服世界水电行业的“珠穆朗玛峰”
 
流急坎陡,江势惊险,要将40%以上的长江水力资源运转自如,使灌溉中华大地的粗实“血管”畅通无阻,源源不断输出清洁电力,江河畔迫切需要一颗强大的“心 脏”。
 
而组建这颗“心 脏”的关键,就是研制可靠、稳定、高效的水轮发电机组。相对于已投产的长江三峡、溪洛渡、乌东德水电站装备的巨型水电机组,白鹤滩水电站单机容量再次实现巨大跨越,百万千瓦机组技术研究的复杂性和技术难度远超世界已有机组。
 
“要成功研制这个目前世界单机容量最大的水电机组,真不容易!”东方电机白鹤滩百万千瓦发电机总设计师张天鹏感慨道。
 
白鹤滩水电站共设计安装16台单机容量为100万千瓦的水轮发电机组,是目前世界上单机容量最大的水电机组,属于超巨型混流式水轮发电机组,其研制难度远大于世界在建和已投运的任何机组,被誉为当今世界水电行业的“珠穆朗玛峰”。机组的成功投产将大幅推动整个水电行业的发展,也标志着我国正逐步成为世界水电创新的中心。
 
百万千瓦,不仅意味着大容量、大尺寸,也意味着发电机会产生更高热量。作为空冷式机组,如果无法将这些过剩的热量高效带走,会造成严重的热变形和热应力,甚至造成设备损坏。如何帮助高效运行的机组“降火”,是研制团队面临的最为棘手的问题。
 
或许有人会说,“降火”有什么难的,增加风量不就可以了?难就难在,冷却风量在很大程度上,与发电机效率呈反比。
 
9年前,研制团队开始了磁极绕组空内冷技术研究应用的攻关工作。通过若干轮次的仿真计算、试验验证、方案优化、产品试制,研制团队成功实现了这一创新技术在白鹤滩项目的落地应用。磁极铜排上开设内通风孔,并新增内部冷却区,在大幅增加磁极绕组的散热面积、缩短传热路径的同时,提高冷却空气的利用率,大幅降低发电机冷却需求风量,为实现99.01%这一最高效率指标奠定了基础。
 
“从2006年开始,我们在三峡集团的组织下开始了白鹤滩百万千瓦机组的研究工作,在机组总体设计、水力、电磁、冷却、绝缘等9个技术领域进行专项科研攻关,形成了一系列具有自主知识产权的核心技术。我们的发电机效率达到了99.01%,效率水平世界最高。”张天鹏说,“我们的转子绕组、空气内冷新技术,突破了巨型水电机组冷却技术瓶颈,实现了发电机转子的最佳冷却效果,为将来自主研制难度更大的高水头、大容量水电机组提供了有效的解决方案。可以说,水电装备的核心技术已经牢牢掌握在我们自己手中。”

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