水工涵閘混凝土裂縫控制技術(shù)

華耀沛 張仲華

摘要:本文以水工涵閘工程混凝土的墩墻、板裂縫作為典型裂縫,分析了裂縫的形成原因,并從材料選擇、施工方法及結(jié)構(gòu)布置三個層面提出了控制水工水工涵閘有害裂縫的技術(shù)措施。

關(guān)鍵詞:水工涵閘;混凝土施工;裂縫控制

1 引言

水閘和地涵是平原地區(qū)常見的水工建筑物,水工涵閘的裂縫發(fā)生的主要部位在底板和墩墻上。水工涵閘工程混凝土一旦產(chǎn)生裂縫,將使水工建筑物產(chǎn)生滲漏,滲漏的結(jié)果,一方面在壓力水作用下使裂縫逐步擴寬和發(fā)展;另一方面加速混凝土碳化。這些混凝土裂縫直接影響混凝土結(jié)構(gòu)物的結(jié)構(gòu)強度和整體穩(wěn)定性。只有深入分析水工構(gòu)筑物裂縫形式與原因,提出控制措,才能保證水工構(gòu)筑物的安全,提高其使用壽命。

2 水工涵閘結(jié)構(gòu)的典型裂縫及其成因

2.1 墩墻裂縫

水工涵閘混凝土墩墻結(jié)構(gòu)經(jīng)常出現(xiàn)“上不著頂,下不著底”的“棗核形”裂縫現(xiàn)象,縫寬受外界環(huán)境溫度的變化影響較明顯,冬季較寬,夏季較細。從混凝土表面看,裂縫底部通常是豎直的,而頂部則向兩邊傾斜。

在水工涵閘墩墻混凝土結(jié)構(gòu)中,裂縫一方面是由底板或基礎(chǔ)約束引起的。由于墩墻和底板之間存在施工間歇時間,墩墻混凝土的變形受到底板的約束作用,一開始產(chǎn)生壓應(yīng)力,此時由于早期混凝土彈模小,徐變度大,壓應(yīng)力大且很快會因松弛變形而降低;當上部混凝土溫度下降時,由于底板對降溫收縮變形的強約束,墩墻就會出現(xiàn)較大的拉應(yīng)力,當拉應(yīng)力超過混凝土的即時抗拉強度時,它便會出現(xiàn)由里及表的裂縫,且常常是貫穿性的。墩墻的基礎(chǔ)溫差愈大愈有可能出現(xiàn)這樣的裂縫。

2.2 底板裂縫

底板的沉陷裂縫多屬深進或貫穿性裂縫,其走向與沉陷情況有關(guān),較大的貫穿性沉陷裂縫,往往上下或左右有這定的錯距,裂縫寬度受溫度變形的影響小,因荷載大小而異,且與不均勻沉降值成比例。地基變形穩(wěn)定后,沉陷裂縫也趨穩(wěn)定。水工涵閘的底板混凝土沉陷裂縫主要為順水流方向的裂縫。

當水工涵閘底板修建在堅硬的基巖上時,受到的約束作用會很大,有可能產(chǎn)生貫穿性的裂縫。由于地基土體軟硬不均,或局部存在松軟土,未經(jīng)夯實和必要的加固處理,即使在相同的外荷載作用下,也會產(chǎn)生的不同的沉降量,從而引起混凝土的開裂;墩墻傳給底板的力也是不均勻的,混凝土澆筑后因地基受力不均,產(chǎn)生不均勻下沉,造成結(jié)構(gòu)應(yīng)力集中,導(dǎo)致出現(xiàn)裂縫;當邊墩外填土接近設(shè)計高程時底板中部頂面順水流方向的就會有裂縫產(chǎn)生,這完全是由于邊荷載影響形成的;冬季施工,模板支架支承在凍土層上,上部結(jié)構(gòu)未達到規(guī)定強度時,凍土化凍下沉,使結(jié)構(gòu)下垂產(chǎn)生裂縫。

3 水工涵閘混凝土裂縫控制施工技術(shù)

3.1 混凝土澆筑材料控制

3.1.1 優(yōu)先使用低熱和中熱水泥。若需要水工大體積混凝土水化熱低的水泥時,則適當提高C2S和C4AF的含量,并限制C3A和C3S的含量。

3.1.2 優(yōu)先選用熱學(xué)性能好的骨料。粗骨料占混凝土組成比例為89%以上,因此,混凝土的熱學(xué)性能在很大程度上取決于粗骨料的礦物性質(zhì),優(yōu)先選用熱學(xué)性能好的骨料是混凝土溫度控制的治本措施之一。

3.1.3 減少混凝土水泥用量,摻拌外加劑。在混凝土中摻混合料,如粉煤灰在我國己有廣泛的應(yīng)用。在混凝土中摻用粉煤后,降低了混凝土的早期強度和極限拉伸值,但混凝土發(fā)熱量降低了。根據(jù)工程結(jié)構(gòu)性能的要求和建筑物所處的環(huán)境條件,選擇適當?shù)耐饧觿?也是減少水泥用量和降低混凝土水化熱的重要措施之一。

3.2 改進施工方法與工藝

3.2.1 減小外部約束。當水工涵閘建筑在堅硬的基巖上時,堅硬的基巖將約束水工涵閘的底板混凝土變形的發(fā)展,在底板上就有可能產(chǎn)生貫穿性的裂縫。水工建筑物基礎(chǔ)開挖規(guī)范要求建基面開挖偏差不超過20cm。但由于爆區(qū)兩側(cè)及后排受到夾制作用,或巖性不均一,開挖出的巖基面一般都會有局部起伏,在巖基面局部起伏處,會引起壩底應(yīng)力集中,在壩塊因溫度變化而膨脹或收縮時又增加了約束作用。因此,有些國家規(guī)定,巖基面的局部起伏度不超0.5m,在我國規(guī)范中對此尚無明確規(guī)定。對巖基面應(yīng)盡量要求開挖平整,其局部起伏度以不超過0.5-0.8m為宜,否則應(yīng)用混凝土把凹坑填平或局部加用鋼筋并進行處理。

3.2.2 設(shè)置后澆帶。留置間距首先要考慮能有效削減溫度收縮應(yīng)力,其次為方便施工要考慮與施工縫重合。通過計算與工程實踐經(jīng)驗,在正常施工條件下,每區(qū)段間距取20~30m,有時還可更小一些,即可保證后澆帶劃分區(qū)段中的混凝土可自由伸縮,有效防止裂縫出現(xiàn)。后澆帶的寬度理論上而言只需1cm已足夠保證溫度收縮變形,但考慮施工方便,避免應(yīng)力集中,一般寬度應(yīng)在70~100cm之間,工程實踐中大多采用100cm。混凝土后澆帶施工時應(yīng)重點注意以下問題:防止外界水侵入;防止雜物落入后澆帶清理困難,為防止雜物落入后澆帶中,在主體混凝土澆筑完成后,拆除后澆帶中的模板并清理出后澆帶,然后密封;防止后澆帶部位軟基土體上拱;防止混凝土施工縫滲水。

3.2.3 采用表面真空作業(yè)技術(shù)。采用表面真空作業(yè),即真空負壓作用,使?jié)仓幕炷恋乃冶让黠@減小,初始孔隙率降低,改變了混凝土的內(nèi)部結(jié)構(gòu),提高砂漿與粒料界面的粘結(jié)力與混凝土的密度,能減小混凝土的早期干縮應(yīng)力。在水化程度相同的情況下,真空吸水可以明顯提高混凝土的早期強度。

3.2.4 設(shè)置表面鋼筋網(wǎng)。由于混凝土抗拉能力很弱,當受到拉應(yīng)力時極易發(fā)生破壞。因此考慮通過在應(yīng)力集中點處增加一部分鋼筋,以提高局部抗拉強度。某水閘在上閘首閘孔底板增設(shè)鋼筋網(wǎng),澆筑后經(jīng)過長期觀測,僅發(fā)現(xiàn)一條裂縫,而且長度、寬度都遠比以前裂縫小的多,隨著混凝土齡期增加,此裂縫逐步回縮,最后幾乎肉眼看不到了。

3.3 結(jié)構(gòu)布置改進

3.3.1 結(jié)構(gòu)的合理分縫和分塊。通倉澆筑的優(yōu)越性是明顯的,一般它能夠簡化柱狀澆筑較繁瑣的后期冷卻和接縫灌漿,縮短工期,使水工混凝土建筑物盡早投入運行,是最先考慮的施工方案。但通倉澆筑增加了澆筑塊受基礎(chǔ)約束的拉應(yīng)力區(qū)范圍和高度;增大了澆筑塊的尺寸,其抗御氣溫驟降的臨界幅度相應(yīng)減少,發(fā)生表面裂縫的機率及條數(shù)增多,同時表面裂縫發(fā)展的可能性也隨之增加;增大了倉面的尺寸,澆筑過程中更容易出現(xiàn)薄弱面,對混凝土澆筑的平倉振搗要求更高。且水工混凝土建筑物體積和斷面尺寸較大,施工難于一次澆筑到設(shè)計高程,所以需要進行合理的分縫分塊澆筑。

3.3.2 設(shè)置貼腳。為了防止混凝土的局部的應(yīng)力集中,應(yīng)當采取適當?shù)拇胧﹣肀苊?在水工涵閘的設(shè)計中,設(shè)置貼腳能防止墩墻底部的應(yīng)力集中現(xiàn)象。另外,設(shè)置貼腳還可以增加結(jié)構(gòu)的抵抗垂直于水流方向的水平水壓力的作用,增強整個結(jié)構(gòu)抵抗不平衡力矩的能力,增強了底板的抗裂能力,降低了底板產(chǎn)生順水流方向裂縫的可能性,也增加混凝土結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性,從而大大延長結(jié)構(gòu)的使用壽命。

3.3.3 結(jié)構(gòu)平緩過渡。由于底板的面積和厚度都很大,對上部澆筑的墩墻有較強的約束力,減小底板對墩墻的約束,使結(jié)構(gòu)平緩過渡,將對墩墻的防裂十分有利。底板對墩墻在水平方向x,y兩個方向均有約束作用,垂直方向z則沒有約束。如果能減小x方向或者y方向的約束作用,使結(jié)構(gòu)平緩過渡,將會明顯改善墩墻的應(yīng)力分布。將一定高度的墩墻和底板同時澆筑,將底板對墩墻的約束變成墩墻對墩墻的約束,由于墩墻在y方向的厚度很薄,只有l(wèi)m左右,對上部混凝土在y方向的約束作用很小,因此,x方向的約束自作用就可以忽略不計,從而有效地降低底板對墩墻的約束,減小墩墻受約束產(chǎn)生的拉應(yīng)力。

4 結(jié)語

水工涵閘混凝土的裂縫問題已經(jīng)被越來越多的人所重視。早期裂縫的產(chǎn)生與混凝土的溫度和收縮有關(guān),所以必須加強水工涵閘的早期溫度和自生體積變形方面的控制,控制好原材料第一關(guān),合理的進行結(jié)構(gòu)布置,保證滿足澆筑控溫要求,采用先進的施工方法與工藝,并不斷改進,從而才能不斷提高水工混凝土施工裂縫的可控性。

參考文獻

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