淺析薄壁混凝土裂縫施工控制技術(shù)

王金杰,薄士威

(1.中鐵二十局集團(tuán)第五工程公司,云南昆明650200;2.甘肅省交通規(guī)劃勘察設(shè)計院,甘肅蘭州730030)

1 工程概況

南水北調(diào)中線一期工程安陽段四標(biāo)渠道襯砌全長3 277 m,薄壁混凝土施工面積19×104m2。渠道采用梯形斷面,設(shè)計渠底寬度為18.5 m,渠底內(nèi)一級邊坡1∶2,渠道縱比降為1/28000,混凝土設(shè)計標(biāo)號為C20,渠坡混凝土板厚10 cm,渠底厚8 cm,混凝土板縱橫向以4 m設(shè)一道分縫,通縫與半縫間隔布置。(渠道襯砌結(jié)構(gòu)剖視圖見圖1)。渠道襯砌薄壁混凝土結(jié)構(gòu)具有防止?jié)B漏、降低渠道糙率、提高運(yùn)水能力等特點(diǎn),并且施工、維修方便。但若結(jié)構(gòu)上裂縫過多,則會影響混凝土耐久性和使用壽命,甚至破壞結(jié)構(gòu)的整體性,影響防滲效果。

圖1 渠道襯砌結(jié)構(gòu)剖視圖(單位:mm)

2 薄壁混凝土裂縫產(chǎn)生的原因

薄壁混凝土產(chǎn)生裂縫的原因很多,文獻(xiàn)[1]中對這方面內(nèi)容給出了非?？茖W(xué)的闡述,針對南水北調(diào)實際工程,在這里將產(chǎn)生裂縫的原因分為三部分:①材料特性引起的裂縫;②施工環(huán)境引起的裂縫;③施工工藝引起的裂縫。

2.1 材料特性引起的裂縫

混凝土材料由于其自身特性,會因為干縮、水泥水化熱、堿骨料反應(yīng)、溫度、氯離子侵蝕、淡水有害鹽分入侵、混凝土自身質(zhì)量欠缺等原因產(chǎn)生裂縫。

2.2 施工環(huán)境引起的裂縫

當(dāng)施工溫度超過30℃,低于5℃時,或在干旱、多風(fēng)、日曬的天氣施工時,薄壁混凝土由于內(nèi)外溫差超過20℃和表面失水過快均會不同程度的形成表面裂縫。再者夏季白天相對于晚上施工產(chǎn)生裂縫較多,冬季相對于夏季施工產(chǎn)生裂縫數(shù)量較多。

2.3 施工工藝引起的裂縫

薄壁混凝土襯砌在削坡后的基面、砂墊層、保溫板和復(fù)合土工膜上面,當(dāng)它下面任意一層沒有達(dá)到設(shè)計要求時,均會產(chǎn)生不均勻沉降,薄壁混凝土承受荷載后產(chǎn)生變形引起荷載裂縫。

薄壁混凝土在施工過程中和易性的好壞,振搗是否密實直接關(guān)系到薄壁混凝土襯砌完成后產(chǎn)生不均勻的拉應(yīng)力,造成薄壁混凝土表面不同程度的拉裂,甚至產(chǎn)生貫穿裂縫。

薄壁混凝土在施工后,若不及時采取合理的養(yǎng)護(hù):如灑水、蓋膜等工藝,則容易產(chǎn)生結(jié)構(gòu)表面裂縫及內(nèi)部裂縫。

3 薄壁混凝土裂縫施工控制技術(shù)

針對上述實際工程中裂縫產(chǎn)生的原因,我們采取了多種控制技術(shù),有效的減少了裂縫的數(shù)量、提高了混凝土的耐久性。

3.1 原材料的控制[2,3]

3.1.1 基本組成材料的控制

通過控制水泥、骨料、水等基本材料的配合比,有效的控制了裂縫的產(chǎn)生。其中水泥采用普通硅酸鹽P.O425水泥,并按1批(次)/200噸取樣進(jìn)行水泥全套指標(biāo)檢查,以確保水泥質(zhì)量;粗集料采用反擊式破碎機(jī)軋制的碎石,石料選材應(yīng)堅硬、清潔、不含風(fēng)化顆粒、并經(jīng)試驗檢驗合格的規(guī)格料;機(jī)制砂采用專用的制砂機(jī)制造,潔凈、干燥、無風(fēng)化、無雜質(zhì)的適當(dāng)顆粒級配;水的用量也必須嚴(yán)格控制,因為殘余水會造成毛細(xì)孔中水分增多,影響混凝土耐久性,該工程單位用水量經(jīng)過多方面驗證,最終確定為為130 kg/m3。

3.1.2 使用外加劑

在水工混凝土中摻入適宜外加劑,能改善混凝土和易性,防滲性,可調(diào)節(jié)凝結(jié)時間、提高強(qiáng)度和耐久性,該工程選用了高效減水劑和引氣劑兩種外加劑。

該工程混凝土原材料最優(yōu)配合比設(shè)計如表1。

表1 C20混凝土原材料配合比 (kg/m3)

按設(shè)計配合比砂率37%、水膠比0.48、坍落度60 mm～80mm、含氣量4.0%,減水劑摻量1.9%,引氣劑摻量0.013%、粉煤灰摻量25%。

混凝土中摻加粉煤灰能有效提高混凝土的強(qiáng)度和耐久性,但替代量不能過大,該工程采用25%。根據(jù)相關(guān)資料,混凝土中1 m3水泥用量每增減10 kg,水化熱相應(yīng)升降1℃～1.2℃,即本工程中摻用的粉煤灰使混凝土內(nèi)部溫度下降了約6.8℃～8.2℃,從一定程度上控制了裂縫的產(chǎn)生。

3.2 施工環(huán)境的控制

3.2.1 溫度控制

水泥水化后釋放出大量的熱量,使混凝土內(nèi)外形成較大的溫差,從而在溫度應(yīng)力的作用下形成裂縫[4]。特別在夏季施工,氣溫一般在攝氏 37℃左右,露天存放的石子表面溫度可達(dá)攝氏50℃左右,混凝土出機(jī)口溫度在攝氏30℃左右,導(dǎo)致混凝土水化后內(nèi)部溫度更高,因此薄壁混凝土施工溫度不宜大于28℃,日最高氣溫超過30℃時,宜選擇在早晨、傍晚或夜間施工,當(dāng)現(xiàn)場氣溫超過35℃時,應(yīng)停止施工。

骨料的溫度控制主要通過搭蓋涼棚和灑水降溫來進(jìn)行。搭蓋涼棚可避免太陽光直射,減少骨料吸熱,澆筑前2 h～3 h再用灑水車運(yùn)深井水(約16℃左右)對粗、細(xì)骨料進(jìn)行充分的灑水降溫。采取以上方法降溫后,澆筑前粗骨料內(nèi)部溫度約為24℃,細(xì)骨料內(nèi)部溫度約為26℃,降溫效果相對較明顯。在混凝土澆筑前應(yīng)對拌和水進(jìn)行降溫,即把條形冰塊放入拌和水池中以降低水溫。用此方法,通常能夠?qū)韬陀盟疁囟冉抵翑z氏3℃～7℃左右。

當(dāng)日平均氣溫連續(xù)5天穩(wěn)定在5℃以下或現(xiàn)場最低氣溫在0℃以下時,應(yīng)調(diào)節(jié)拌和水溫度、增加骨料攪拌時間,以保證拌和物的入倉溫度不低于5℃,當(dāng)日平均氣溫低于0℃時停止施工。冬季施工溫度低于0℃對剛完成抹面收光的混凝土,采取兩層彩條布加棉被進(jìn)行保溫養(yǎng)護(hù),使內(nèi)外溫差不大于20℃,達(dá)到防裂要求。

通過溫控措施,使混凝土出機(jī)口溫度控制在18℃以內(nèi),入倉溫度控制在28℃以下,有效地控制了溫度裂縫的產(chǎn)生。

3.2.2 風(fēng)力控制

混凝土施工時風(fēng)力應(yīng)小于4級,根據(jù)天氣情況,適當(dāng)調(diào)整混凝土外加劑的摻量和用水量,確?；炷寥雮}時塌落度滿足施工要求。并且邊襯砌邊覆蓋彩條布,同時初凝前混凝土表面用灑水車噴頭進(jìn)行噴霧養(yǎng)護(hù),當(dāng)風(fēng)速超過4級時停止施工。

3.3 混凝土澆筑方法的控制[5,6]

3.3.1 降低混凝土周圍約束

若混凝土周圍約束過大,內(nèi)部拉應(yīng)力無法釋放,拉應(yīng)力增大而使混凝土干裂,因此,應(yīng)減少混凝土的分倉長度,以使混凝土內(nèi)部拉應(yīng)力能夠充分釋放。分段澆筑長度為8 m的整數(shù)在16 m～40 m范圍內(nèi)。

3.3.2 布料及攤鋪

為保證施工安全及減少混凝土發(fā)生骨料分離,坡面上布料應(yīng)從下向上連續(xù)進(jìn)行,減少大石子向下滾動的數(shù)量,及時清除混凝土中過度集中的粗骨料。襯砌小車行走時,應(yīng)及時將振動打開,振動碾壓過程中,使混凝土不過振、漏振或欠振,達(dá)到表面出漿,不出現(xiàn)露石、蜂窩、麻面等為宜,若出現(xiàn)露石、蜂窩、麻面及時采取增加碾壓遍數(shù)等方式進(jìn)行處理。

3.3.3 邊角處的人工填補(bǔ)及振搗

渠坡襯砌的頂部及底部易出現(xiàn)缺料、振動碾壓機(jī)振搗不到位的地方,人工應(yīng)及時補(bǔ)料,并用插入式振搗器進(jìn)行輔助振搗。襯砌機(jī)開出倉時,用插入式振搗器自下而上沿模板邊界處行走一道,充分保證邊角處不出現(xiàn)蜂窩、麻面,保證混凝土的密實性。

3.3.4 機(jī)械抹面

混凝土攤鋪機(jī)后面的攤鋪寬度約有4 m以上時,便可用抹面機(jī)進(jìn)行抹面、收平、進(jìn)一步提漿,首次抹面時,混凝土表面還比較稀軟,盡量從下而上進(jìn)行,抹光機(jī)每次移動間距為2/3圓盤直徑,在連續(xù)作業(yè)時能保證不發(fā)生漏抹、表面大面平整均勻一致。坡頂及坡底抹面機(jī)不能到的位置全部由人工進(jìn)行抹面和收光,兩側(cè)有邊模的位置機(jī)械抹面后,因有邊模及施工分縫板的影響,為保證其抹面效果,用人工及時進(jìn)行修理。當(dāng)混凝土開始初凝時,由人工連續(xù)抹面壓光3遍,以表面平整、提出的漿面均勻為宜。

3.4 混凝土養(yǎng)護(hù)

混凝土養(yǎng)護(hù)的好壞直接決定后期裂縫的產(chǎn)生數(shù)量,因此對混凝土進(jìn)行合理科學(xué)的養(yǎng)護(hù)至關(guān)重要,按《水工混凝土施工規(guī)范》(DL/T5144-2001)渠道襯砌薄壁混凝土應(yīng)保證濕潤養(yǎng)護(hù)不少于28 d。該工程采用前期灑水加后期貼養(yǎng)護(hù)膜進(jìn)行養(yǎng)護(hù)。由于采用普通硅酸鹽水泥,混凝土早期水化熱較大。經(jīng)量測,一般在澆筑后24 h左右,內(nèi)部溫度即可達(dá)到最大值(約33℃),而此段時間為前期養(yǎng)護(hù)時間,襯砌混凝土板需要進(jìn)行“人工裂縫”—切縫(切成4 m×4 m的板塊),主要采取節(jié)水保濕養(yǎng)護(hù)膜加蓋彩條塑料布進(jìn)行覆蓋,能有效的保濕,氣溫較高時,水分蒸發(fā)比較快,應(yīng)經(jīng)常揭開查看,必要時局部要進(jìn)行補(bǔ)水。當(dāng)通、半切縫完成后,立即貼上養(yǎng)護(hù)膜對混凝土表面進(jìn)行全天候養(yǎng)護(hù)至28 d,此時渠道襯砌后的混凝土內(nèi)部溫度已降至18℃。通過灑水降溫的對比觀察可看出,混凝土板表面采取覆蓋彩條布并采取灑水降溫措施的,比未采取措施的產(chǎn)生裂縫明顯少許多。因此,混凝土養(yǎng)護(hù)應(yīng)從貼養(yǎng)護(hù)膜前,對混凝土板表面覆蓋彩條布灑水降溫開始。

4 結(jié) 語

南水北調(diào)中線一期工程安陽段四標(biāo),長3 277 m,面積19×104m2渠道薄壁混凝土襯砌,通過采取上述各種裂縫施工控制技術(shù)后,薄壁混凝土裂縫現(xiàn)象得到了很好的控制,取得了顯著的效果。希望本文章能夠為同類施工工程提供一定的技術(shù)參考。

[1] 富文權(quán).混凝土工程裂縫分析與控制[M].北京:中國鐵道出版社,2002.

[2] 中華人民共和國國家發(fā)展和改革委員會.DL/T5330-2005.水工混凝土配合比設(shè)計規(guī)程[S].北京:中國電力出版社,2009.

[3] 中華人民共和國水利部.SL352-2006.水工混凝土試驗規(guī)程[S].北京:水利水電出版社,2007.

[4] 中華人民共和國國家經(jīng)濟(jì)貿(mào)易委員會.DL/T5144-2001.水工混凝土施工規(guī)范[S].北京:中國經(jīng)濟(jì)出版社,2002.

[5] 國務(wù)院南水北調(diào)工程建設(shè)委員會.NSBD8-2007(試行).渠道混凝土襯砌機(jī)械化施工技術(shù)規(guī)程[S].2007.

[6] 國務(wù)院南水北調(diào)工程建設(shè)委員會.NSBD7-2007.渠道混凝土襯砌機(jī)械化施工質(zhì)量評定驗收標(biāo)準(zhǔn)(試行)[S].2007.