南水北調(diào)中線惠南莊泵站副廠房地下剪力墻裂縫分析與處理

裴松偉,姚賢華

（華北水利水電學(xué)院，河南 鄭州 450008）

1 工程概況

南水北調(diào)中線惠南莊泵站位于北京市房山區(qū)大石窩鎮(zhèn)惠南莊村東、北拒馬河北岸，屬一等工程，主要建筑物為Ⅰ級(jí)。 該泵站是南水北調(diào)中線工程總干渠上北京段實(shí)現(xiàn)管涵加壓方案、 小流量自流、大流量加壓的控制揚(yáng)水的綜合性工程，是南水北調(diào)中線工程總干渠上唯一的大型加壓泵站，也是南水北調(diào)中線工程的標(biāo)志性建筑物。

惠南莊泵站副廠房長114.6 m，寬16.44 m，地下3層，地上4 層（局部5 層），為框架剪力墻結(jié)構(gòu)。 其中段采用筏板基礎(chǔ)，兩端框架柱采用獨(dú)立基礎(chǔ)。該廠房底板厚度為1.5 m，地下室北剪力墻總長度為102.6 m，厚度為600 mm。 由于剪力墻外后期要回填，所以中間設(shè)有柱子，以提高剪力墻的整體剛度。 惠南莊泵站副廠房工程所用混凝土是強(qiáng)度等級(jí)為C30 的微膨脹混凝土。 混凝土施工采用分段分層施工方式。 施工時(shí)，中間沒有設(shè)伸縮縫，只設(shè)了兩道2 m 長的強(qiáng)度等級(jí)為C35 的加強(qiáng)微膨脹混凝土帶。 施工完成一段時(shí)間后發(fā)現(xiàn)，副廠房地下第一、第二層北剪力墻內(nèi)外側(cè)均出現(xiàn)了多處垂直的豎向裂縫。 裂縫分布的特點(diǎn)是，在剪力墻靠近中部36 m 范圍出現(xiàn)裂縫，離左端30.3 m、 右端36.3 m 范圍內(nèi)基本沒有出現(xiàn)裂縫，有些裂縫從地下第二層延伸到地下第一層。

為了探究裂縫產(chǎn)生的原因，并評(píng)價(jià)裂縫對(duì)整個(gè)結(jié)構(gòu)的承載力和耐久性的影響，對(duì)惠南莊泵站工程副廠房地下剪力墻裂縫進(jìn)行了檢測(cè)和分析。

2 裂縫測(cè)試

2.1 混凝土裂縫深度檢測(cè)

依據(jù)《超聲法檢測(cè)混凝土缺陷技術(shù)規(guī)程》（CECS 21-2000），應(yīng)用RS-UT01C 非金屬聲波檢測(cè)儀、采用單面平測(cè)法測(cè)定剪力墻混凝土裂縫深度。 進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，應(yīng)在裂縫的被測(cè)部位，以不同的測(cè)距，按跨縫和不跨縫布置測(cè)點(diǎn)（布置測(cè)點(diǎn)時(shí)應(yīng)避開鋼筋的影響）。對(duì)檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行分析處理，得出裂縫深度，以判斷是不是貫穿性裂縫。

2.2 混凝土裂縫寬度檢測(cè)

測(cè)試裂縫寬度的目的是判斷裂縫寬度是否超過規(guī)范要求的裂縫寬度。 采用讀數(shù)顯微鏡測(cè)讀混凝土表面的裂縫寬度，讀數(shù)顯微鏡的放大倍數(shù)是10 倍，精度為0.01 mm。

2.3 裂縫測(cè)試結(jié)果

惠南莊泵站副廠房地下共3 層，由于地下第三層已經(jīng)回填，所以本次只檢測(cè)了地下第一、二層北剪力墻。 在實(shí)際檢測(cè)中，對(duì)裂縫長度較長，且裂縫寬度較寬的裂縫進(jìn)行了重點(diǎn)檢測(cè)。

根據(jù)現(xiàn)行的混凝土結(jié)構(gòu)規(guī)范，地下室外剪力墻最大裂縫寬度允許值為0.20 mm[1]。 此次檢測(cè)的裂縫寬度均大于0.20 mm，裂縫深度大于鋼筋保護(hù)層厚度40 mm，裂縫均為垂直方向的裂縫，檢測(cè)沒有發(fā)現(xiàn)貫穿性裂縫。

3 裂縫產(chǎn)生的原因分析

3.1 微膨脹混凝土和加強(qiáng)微膨脹混凝土帶起不到后澆帶的作用

根據(jù)南水北調(diào)惠南莊泵站工程副廠房的布置特點(diǎn)，采用膨脹混凝土布置超長結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和無縫連續(xù)施工技術(shù)。 混凝土采用的是強(qiáng)度等級(jí)為C30 的微膨脹混凝土，剪力墻中間設(shè)了兩道2 m 長、強(qiáng)度等級(jí)為C35 的加強(qiáng)微膨脹混凝土帶。 微膨脹混凝土就是在混凝土中摻加適量的膨脹劑。 膨脹劑與水泥的化學(xué)反應(yīng)使混凝土產(chǎn)生適量膨脹，在鋼筋的限制下，在混凝土中產(chǎn)生一定的預(yù)壓應(yīng)力，可抵消混凝土收縮時(shí)產(chǎn)生的拉應(yīng)力，防止混凝土的開裂。 同時(shí)，水化反應(yīng)生成的鈣釩石晶體屬針狀、棒狀晶體，可填充、切斷、堵塞混凝土的毛細(xì)孔，使混凝土的抗?jié)B能力大大提高，從而達(dá)到混凝土結(jié)構(gòu)自防水的目的[2]。 但是，微膨脹劑的作用性質(zhì)屬化學(xué)反應(yīng)，水泥含堿量及微膨脹劑含硫量都會(huì)直接影響使用效果。 所以，混凝土對(duì)膨脹劑的摻量和配合比設(shè)計(jì)要求嚴(yán)格，膨脹劑與水泥、細(xì)骨料、粗骨料拌和均勻度要求高，對(duì)施工人員素質(zhì)和施工環(huán)境要求也比較高。 特別是對(duì)混凝土早期養(yǎng)護(hù)要求十分嚴(yán)格，在施工與養(yǎng)護(hù)期間，任何一個(gè)環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題，都可能導(dǎo)致混凝土的開裂[3]。

該工程為了減少施工步驟，縮短施工工期，剪力墻中間設(shè)有兩道長度為2 m、強(qiáng)度等級(jí)為C35、與剪力墻同時(shí)澆筑的加強(qiáng)微膨脹混凝土帶。 依據(jù)混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范，對(duì)于地下室墻壁，應(yīng)每隔30 m 設(shè)置一道伸縮縫，通常是設(shè)置后澆帶，即先澆筑混凝土，當(dāng)混凝土收縮變形趨于相對(duì)穩(wěn)定時(shí)，再澆筑后澆帶部位的混凝土，從而避免因溫度應(yīng)力和收縮應(yīng)力而出現(xiàn)裂縫。 由于副廠房地下剪力墻的長度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了設(shè)計(jì)規(guī)范允許的伸縮縫最大距離限值，作用于結(jié)構(gòu)上的溫度應(yīng)力和混凝土在硬化過程中的收縮應(yīng)力必然很大。 膨脹混凝土所產(chǎn)生的膨脹應(yīng)力不足以抵消以上應(yīng)力，導(dǎo)致混凝土出現(xiàn)裂縫。 因此，微膨脹混凝土和加強(qiáng)膨脹帶代替后澆帶的做法還有待進(jìn)一步研究。

3.2 底板混凝土對(duì)剪力墻約束的影響

副廠房底板是一塊114.60 m ×16.44 m×1.50 m(長×寬×厚)的大體積混凝土，其剛度相當(dāng)大。 當(dāng)澆筑剪力墻時(shí)，混凝土的齡期和底板混凝土的齡期不一樣，導(dǎo)致底板混凝土和剪力墻混凝土的強(qiáng)度和彈性模量早期差別比較大。 由于底板與剪力墻澆筑成一個(gè)整體，特別是早期兩者在強(qiáng)度和彈性模量上有很大差異，當(dāng)溫度應(yīng)力作用產(chǎn)生應(yīng)變時(shí)，它們的變形難以協(xié)調(diào)一致。 剪力墻受到底板的強(qiáng)力約束，不能自由伸縮，而產(chǎn)生垂直與底板的裂縫。 這也是這次發(fā)現(xiàn)的地下剪力墻的裂縫均為垂直走向裂縫的原因。 因此，盡量縮短底板混凝土和剪力墻混凝土澆筑的時(shí)間間隔是必要的。

4 裂縫的定性及處理措施

4.1 裂縫的定性

地下剪力墻產(chǎn)生裂縫的原因是多方面的。 根據(jù)分析，該工程剪力墻產(chǎn)生收縮裂縫的主要原因是微膨脹混凝土與加強(qiáng)微膨脹混凝土帶起不到后澆帶的作用和底板混凝土對(duì)剪力墻約束的影響。 該裂縫不是荷載型的裂縫；經(jīng)過長期觀測(cè)，也不是發(fā)展型裂縫[4]。 于是，剪力墻裂縫對(duì)副廠房的承載能力及安全性的影響可以忽略不計(jì)。 但是，它對(duì)副廠房的防水抗?jié)B性和耐久性影響很大。 所以，必須對(duì)副廠房地下剪力墻裂縫進(jìn)行工程處理。

4.2 裂縫的處理措施

惠南莊泵站運(yùn)營期間，副廠房地下第一、二層為控制室，里面有精密的儀器和設(shè)備，所以對(duì)地下第一、二層剪力墻的防水抗?jié)B性有嚴(yán)格的要求。 對(duì)剪力墻裂縫的處理措施是采用涂刷水泥基滲透結(jié)晶型防水材料的表面封閉法修補(bǔ)混凝土出現(xiàn)的裂縫。

水泥基滲透結(jié)晶型防水材料是一種含有活性化合物的水泥基粉狀防水材料，由硅酸鹽水泥、硅沙和多種特殊的活性化學(xué)物質(zhì)組成[5]。 涂刷水泥基滲透結(jié)晶型防水材料修補(bǔ)裂縫的工作原理是，利用混凝土本身固有的化學(xué)特性及多孔性，以水做載體，借助滲透作用，在混凝土微孔及毛細(xì)管中傳輸、充盈，催化混凝土內(nèi)的微粒和未完全水化的成分，再次發(fā)生水化反應(yīng)，形成不溶性的枝蔓狀結(jié)晶，并與混凝土結(jié)合成為整體，從而使任何方向來的水及其他液體被堵塞，達(dá)到永久性的防水、防潮、防止二氧化碳?xì)怏w侵入和保護(hù)鋼筋、 增強(qiáng)混凝土結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的效果。

5 結(jié)語

惠南莊泵站副廠房地下第一、二層剪力墻裂縫修補(bǔ)后，經(jīng)過4 年多的使用和跟蹤觀察，未發(fā)現(xiàn)裂縫繼續(xù)發(fā)展和剪力墻出現(xiàn)滲漏的情況。 這說明，該工程采用涂刷水泥基滲透結(jié)晶型防水材料的表面封閉法修補(bǔ)混凝土裂縫的方法是恰當(dāng)?shù)摹?/p>

[1] GB 50010-2010，混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[2] 史文彪，王 雷，龔俊偉.惠南莊泵站混凝土工程關(guān)鍵技術(shù)綜述[J]. 南水北調(diào)與水利科技，2008，6(1):264.

[3] 鄭愛武. 鋼筋混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)防裂分析[J] .水利與建筑工程學(xué)報(bào),2006,4(3):45.

[4] 王鐵夢(mèng). 工程結(jié)構(gòu)裂縫控制[M]. 北京：中國建筑工業(yè)出版社,1997.

[5] GB 18445-2001，水泥基滲透結(jié)晶型防水材料[S].