水利工程中水閘閘墩裂縫的成因及防治措施探討

張清華

（佳木斯市郊區(qū)水務(wù)局，黑龍江 佳木斯 154002）

1 成因機理

為了更好地控制裂縫和采取有效措施對裂縫進行預(yù)防,必須對裂縫的成因機理進行全面的分析.大量的工程實踐證明,閘墩裂縫的產(chǎn)生主要與墩體內(nèi)外溫差、混凝土的干縮、自生體積變形、外部約束等有關(guān),通常是多因素綜合作用的結(jié)果。

1.1 墩體內(nèi)外溫差

水泥水化產(chǎn)生大量的水化熱,在1～3d內(nèi)可放出熱量的50%,甚至更多,當混凝土達到最高溫度后隨著熱量的散發(fā)又開始降溫,直到與環(huán)境溫度相同。閘墩作為大體積混凝土,熱量傳遞的同時更易在內(nèi)部積存,導(dǎo)致了內(nèi)部溫度高于外部溫度,內(nèi)部出現(xiàn)峰值溫度。升溫階段結(jié)束后,是散熱階段.內(nèi)外混凝土散熱條件不同,外部混凝土和外界環(huán)境接觸,散熱條件好,熱量容易散發(fā),內(nèi)部混凝土散熱條件差,于是在降溫階段又造成了外部混凝土溫度低于內(nèi)部混凝土溫度.這樣在升溫和降溫階段都使閘墩內(nèi)外混凝土形成了同一方向的溫度梯度,導(dǎo)致了其變形的不一致.內(nèi)部膨脹受到外部的限制，或相應(yīng)地外部收縮受到內(nèi)部約束,于是在外部混凝土中產(chǎn)生了拉應(yīng)力.當外部混凝土拉應(yīng)變達到其極限拉應(yīng)變,裂縫就由此產(chǎn)生.裂縫初期很細,隨著時間發(fā)展繼續(xù)擴大、變深,甚至貫穿。

從以上分析可以看出,影響內(nèi)外溫差的主要因素有混凝土水泥用量、水泥品種、澆筑入模溫度及環(huán)境溫度等。

1.2 混凝土的干縮

混凝土內(nèi)的水分,少部分提供了水泥水化的需要,少部分泌出流失,大部分水分是在澆搗完畢后慢慢蒸發(fā)掉的。隨著水泥的凝結(jié)、硬化,混凝土中的水分在未飽和空氣中慢慢散失,引起混凝土體積縮小、變形,這種變形稱為干縮。由于混凝土的水分蒸發(fā)及含濕量的不均勻分布,形成濕度變化梯度。其水分蒸發(fā)總是從外向內(nèi),由表及里.表層混凝土的水分蒸發(fā)程度和速度總是大于內(nèi)部,表層混凝土收縮的程度亦大,其變形會受到內(nèi)部混凝土的限制,在表層混凝土中也產(chǎn)生拉應(yīng)力,使得表層混凝土總的拉應(yīng)力加大,產(chǎn)生干縮裂縫.但干縮一般只發(fā)生在表層,對大體積混凝土而言,干縮擴散深度達6cm需花1個月的時間,故干縮裂縫也只是表面裂縫或開展深度不大。大體積混凝土內(nèi)部一般不存在干縮問題,但表面干縮不容忽視,它會誘導(dǎo)拉裂縫的產(chǎn)生.閘墩屬水工薄壁結(jié)構(gòu),其影響深度及程度相對較大,尤其是在干熱風(fēng)大季節(jié),如不及時處理和養(yǎng)護,將會發(fā)生局部貫穿性裂縫。

1.3 外部約束

閘墩是底部固結(jié)在底板上,上部自由的結(jié)構(gòu).通常是在底板澆筑完間隔一定時間后才開始澆筑閘墩,此時底板混凝土已經(jīng)固結(jié),是“老混凝土”。閘墩在沿其高度方向可以自由伸縮,不受約束;厚度方向由于閘墩厚度不大,約束很小;而在沿水流方向,則受底板約束相對很大。閘墩混凝土澆筑早期,產(chǎn)生大量水化熱,溫度升高,體積膨脹,受到底板約束,產(chǎn)生壓應(yīng)力.但混凝土澆筑早期,彈性模量低,產(chǎn)生的壓應(yīng)力很小。隨著熱量的散發(fā),混凝土開始降溫,加上干縮、自生體積變形等影響,體積開始收縮,同樣受到底板約束,產(chǎn)生拉應(yīng)力。但此時混凝土彈性模量已增大很多,產(chǎn)生的拉應(yīng)力足以很快抵消早期產(chǎn)生的壓應(yīng)力,并進而出現(xiàn)較大的凈拉應(yīng)力.由于沿水流方向受到的約束最大,則該方向的拉應(yīng)力也最大,此時混凝土齡期短,強度低,產(chǎn)生的拉應(yīng)力易超過其抗拉強度,于是在閘墩上產(chǎn)生了常見的垂直于底板和水流方向的裂縫。

影響外部約束的因素主要是閘墩的分縫長度和底板與閘墩混凝土的澆筑時間間隔。

2 防止和控制措施

混凝土在各種不同情況下的開裂有著多方面的原因,并且通常是多方面作用的結(jié)果.當了解了各種原因及影響因素后,就可以采取措施，減少或防止混凝土的開裂。目前,工程界在防止或控制裂縫方面的措施主要體現(xiàn)在材料、溫度控制、施工方法與工藝、養(yǎng)護等方面。

2.1 材料

混凝土材料的合理選擇是預(yù)防并控制裂縫的重要方面。

為了降低水化熱,可采用中熱硅酸鹽水泥或低熱礦渣硅酸鹽水泥。減少水泥用量,可降低水化熱,降低混凝土的拉應(yīng)力.在混凝土中摻活性混合料,如在混凝土中摻粉煤灰,可使混凝土最高溫度降低,并可將達到最高溫度的時間向后推遲,有利于熱量消散,用時間控制裂縫;使混凝土和易性得到改善,減小了水泥和水的用量;因略有膨脹,減小混凝土的自生體積收縮;降低混凝土吸附水的能力,使混凝土干縮減小,抗裂性提高.摻入粉煤灰的百分數(shù)就是溫度和水化熱降低的百分數(shù).如摻加20%粉煤灰的混凝土溫度和水化熱為未摻混凝土的80%。

外加劑的使用也是防裂的有效措施.緩凝劑可減慢混凝土放熱的速率,有利于熱量消散.減水劑可在水灰比不變時減少水和水泥用量,降低水化熱。膨脹劑可以補償混凝土的自生收縮,產(chǎn)生一定的預(yù)壓應(yīng)力,抵消結(jié)構(gòu)由于收縮產(chǎn)生的拉應(yīng)力.值得注意的是,膨脹劑應(yīng)使用在閘墩底部有外部約束的部位,注意各部位混凝土膨脹變形的協(xié)調(diào)性,避免內(nèi)部膨脹大于表面膨脹的現(xiàn)象出現(xiàn)。

此外,要特別注意混凝土合理配合比的設(shè)計。

2.2 溫度控制

首先要降低混凝土的入倉溫度,使現(xiàn)場新拌混凝土的溫度被限制在6℃左右.在高溫期拌和時,可以加入冰片代替一部分水進行混凝土冷卻。澆筑時盡量在春季或秋季,避免在夏季午間高溫時和冬季澆筑。對運送混凝土的工具或澆筑倉面采取遮陽或降溫措施；其次要減小內(nèi)外溫差,內(nèi)部溫度升高和表面溫度降低共同作用會增加溫度梯度。必要時,在混凝土內(nèi)部埋設(shè)冷卻水管,用地下水或人工冷卻水進行人工導(dǎo)熱,降低混凝土的內(nèi)部溫度.相反,對于外部混凝土要進行隔熱保護，以調(diào)節(jié)表面溫度下降的速度,使內(nèi)外溫差減小。

2.3 施工方法與工藝

為了提高混凝土的運輸速度,現(xiàn)常采用泵送混凝土。由于泵送混凝土要求流動性大,其水泥用量大,水灰比大,粗骨料粒徑小,水化熱溫升高,易產(chǎn)生溫度收縮裂縫.因此在澆筑閘墩混凝土?xí)r,為了防裂,不宜采用泵送混凝土.考慮到泵送混凝土施工效率高,可以用于受約束較小的閘墩上部,而底部采用常態(tài)混凝土。

為了使混凝土更好地散熱,可分層澆筑混凝土,分層的深度為1.0～1.5m。上一層混凝土的澆筑在前一層混凝土初凝前澆完。最底一層混凝土可與底板同時澆筑,這樣就可削弱或消除底板對閘墩混凝土的約束。另外,考慮到約束和長度有關(guān),可以縮短分縫長度,減小底板約束作用,或者分段澆筑,預(yù)留1～2m的后澆帶,待各段收縮完成之后,再在后澆帶中澆筑膨脹型混凝土。

2.4 養(yǎng)護

當溫度高時,混凝土水化反應(yīng)加快,強度發(fā)展快,變形速度也快;當空氣濕度小時,水分蒸發(fā)快,其變形速度也會加快。對混凝土進行養(yǎng)護是為了減慢其變形速度。早期養(yǎng)護可以在模板未拆時,盡可能減小環(huán)境風(fēng)速;拆模后可從結(jié)構(gòu)頂部澆水或淋水,保證混凝土表面濕潤,若在閘墩四周裹上不透氣塑料膜后再澆水或淋水,則養(yǎng)護效果會更好。模板可推遲3～4d拆除,起到隔熱和保濕作用。拆模后立即在混凝土表面涂上防裂劑,也能起到保濕的作用。

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