淺析溪洛渡拱壩混凝土龜裂的成因及防止措施

敬和平，陳 艾，何鵬飛

(四川二灘國際工程咨詢有限責(zé)任公司，四川成都 610072)

1 前 言

溪洛渡水電站大壩混凝土量約700萬m3，大壩為雙曲拱壩，受力條件較為復(fù)雜，混凝土抗裂性能要求高于其它壩型。在滿足設(shè)計和施工要求的前提下，混凝土施工配合比應(yīng)盡可能降低單位用水量和膠凝材用量，以降低混凝土水化溫升，提高混凝土抗裂性能，減少裂縫的產(chǎn)生。但在11號壩段－10倉、18號壩段－17倉澆筑過程中出現(xiàn)了混凝土龜裂現(xiàn)象。本文通過對混凝土生產(chǎn)澆筑環(huán)境及混凝土自身因素的分析，以期達到有效控制混凝土龜裂的目的。

2 龜裂情況描述

在溪洛渡大壩澆筑的11號壩段－10倉、18號壩段－17倉混凝土凝結(jié)初期相繼出現(xiàn)了表面龜裂，通過對龜裂的現(xiàn)場查看，發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)的龜裂紋有相同特點:(1)出現(xiàn)龜裂的混凝土倉面均是在高溫時段來臨前澆筑完成的，在凝結(jié)過程中經(jīng)歷了中午的高溫時段;(2)龜裂現(xiàn)象均處于相對較低的倉面;(3)龜裂紋的形狀、長度、分布基本相似;(4)出現(xiàn)龜裂的混凝土均為全級配混凝土。

倉面出現(xiàn)的龜裂紋形狀大致可以分為兩種:一種是成長條狀分布，最長的可達2m左右，深度可達2～5cm，這類裂紋主要出現(xiàn)在同一倉面相對較高位置和高處向低洼區(qū)域延伸的位置;另一種是龜裂紋成圓環(huán)狀，圓環(huán)直徑可達10～50cm，主要分布在振搗棒拔出的位置。

3 環(huán)境因素

在混凝土澆筑過程中，環(huán)境因素與混凝土龜裂有著密切的聯(lián)系。環(huán)境因素的影響主要包括溫度因素、濕度因素和風(fēng)力因素。

3.1 溫度因素

大壩混凝土在拌制過程中，采用加冰、風(fēng)冷骨料，拌制的混凝土出機口溫度嚴(yán)格按照不大于7℃控制，混凝土通過纜機入倉并進行分層澆筑，進入倉面的混凝土溫度不超過12℃?；炷吝M入倉面澆筑時是低溫混凝土，陽光的直接照曬，使得混凝土表面與空氣接觸面溫度迅速升高;同時膠凝材料進入溶解和初期水化階段，溶解和水化過程產(chǎn)生熱能，熱能在混凝土中不斷傳遞，使得混凝土整體溫度升高。根據(jù)布朗運動現(xiàn)象，粒子處于不停息、無規(guī)則的運動狀態(tài)，分散介質(zhì)的分子皆處于無規(guī)則的熱運動狀態(tài)，它們從四面八方不斷地撞擊分散粒子，當(dāng)介質(zhì)分子與分散粒子的大小接近時，在某一瞬間粒子將從某一方向得到動量而發(fā)生位移，此時粒子即產(chǎn)生布朗運動。分散粒子受介質(zhì)沖擊示意圖見圖1。由此可以推斷水分子也同樣存在布朗運動。

水分子不斷吸收太陽能以及膠凝材料溶解和初期水化熱能，分子能量不斷增加，促使水分子運動速率加快。我們假設(shè)水分子脫離液面的臨界分子動能為E0，根據(jù)能量與運動速率的關(guān)系，E=(1/2)·m·v2，分子質(zhì)量不變，對應(yīng)的水分子臨界運動速率為v0;當(dāng)水分子為液態(tài)時能量為E1，對應(yīng)的分子運動速率v1是確定值，此時的v1＜v0;在混凝土凝結(jié)過程中，水分子不斷地吸收太陽能以及膠凝材料溶解和初期水化釋放的能量，能量增加△E，此時的分子能量變?yōu)镋1+△E，水分子運動速率增大，水分子運動速率為v1+△v1，當(dāng)分子運動速率v1+△v1＞v0時，水分子能夠脫離液面，汽化進入空氣中。

圖1 膠粒受介質(zhì)分子沖擊示意

3.2 濕度因素

日常所指的濕度為相對濕度，即氣體中(通常為空氣中)所含水蒸氣量(水蒸氣壓)與其空氣相同情況下飽和水蒸氣量(飽和水蒸氣壓)的百分比。根據(jù)定義，當(dāng)相對濕度達到100%時，也就是達到飽和水蒸氣壓狀態(tài)，在宏觀狀態(tài)下與水蒸氣接觸的液面將不再蒸發(fā)，微觀上進行的僅僅是汽態(tài)水分子與液態(tài)水分子的交換，而發(fā)生交換的分子量相等。當(dāng)空氣相對濕度較小時，液面向空氣中蒸發(fā)的水分子遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于汽態(tài)水分子進入液態(tài)的分子量，以達到壓力平衡。因此，當(dāng)空氣相對濕度越小，水份蒸發(fā)速率就越快;當(dāng)相對濕度越接近飽和狀態(tài)時，水份蒸發(fā)速率就會得到抑制。當(dāng)混凝土表面暴露于空氣中時，由于空氣的流動，空氣中的飽和蒸氣壓是一個不斷變化的值，混凝土與空氣接觸的界面水蒸氣壓也是一個不斷變化的值，為達到壓力平衡，混凝土表面的水份將不斷蒸發(fā)。發(fā)生龜裂的11號、18號壩段時間范圍段的氣象監(jiān)測資料見表1。

從表1二個壩段澆筑前后幾天的濕度監(jiān)測數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，每天早晨和中午的濕度是變化的，每一天相同時間的濕度也是不同的。壩面上的濕度是不斷變化的，并且在越接近中午時段，相對濕度會逐漸減小，混凝土表面的水分將加速向空氣中蒸發(fā)，當(dāng)水分子大量進入空氣中后，混凝土表面由于失水嚴(yán)重而極易出現(xiàn)龜裂。

表1 溪洛渡氣象中心400平臺實測資料

3.3 風(fēng)力因素

在新澆筑混凝土的表面存在一層水膜，由于風(fēng)力作用，使得水分子運動速率加快，部分水分子速率達到能夠脫離分子間的引力，變成汽態(tài)進入空氣中。風(fēng)速的大小直接影響表面失水的速度。通過對出現(xiàn)龜裂的11號壩段－10倉澆筑塊進行分析發(fā)現(xiàn)，11號壩段－10倉左側(cè)靠近壩肩槽，上、下游面分別為上、下壩肩槽貼角，上、下壩肩槽貼角高度分別高于倉面35m、18m，當(dāng)風(fēng)通過11號壩段后向上游前進，受到壩肩槽上游貼角的的阻擋，一部分沿著貼角坡度攀升，一部分風(fēng)向回轉(zhuǎn)后受到壩肩槽阻擋，繼續(xù)沿壩肩槽向下游移動，在遇到壩肩槽下游貼角的阻擋后，折回11號壩段下游側(cè)，并與不斷由下游吹向11號壩段的風(fēng)匯合，使風(fēng)速得到加強，并在11號壩段形成旋風(fēng)(見圖2)，旋風(fēng)沿著倉面上升，在上升過程中迅速帶走蒸發(fā)出來的水蒸氣，使壩面與空氣接觸面的相對濕度產(chǎn)生較大梯度，加速了混凝土表面水份的蒸發(fā)。

圖2 11號壩段－10倉澆筑塊旋風(fēng)形成示意

在對18號壩段－17倉進行龜裂分析時發(fā)現(xiàn)，與18號壩段相鄰的17號、19號壩段已經(jīng)進入高壩段(見圖3)，19號壩段和17號壩段分別比18號壩段的澆筑面高12m和16m，整個大壩外形為雙曲拱壩，當(dāng)風(fēng)由下游面吹向大壩時，受到已經(jīng)澆筑的壩面的阻擋，風(fēng)速會在大壩中間位置加強并沿壩面向上攀升，同時當(dāng)風(fēng)速在17號、19號壩段受到阻擋后，部分風(fēng)會進入中間的18號壩面，與沿壩面攀升的風(fēng)匯合，在18號壩段形成一個風(fēng)道，風(fēng)速得到加強，在通過混凝土表面的時候，更快地帶走混凝土表面的水份，使混凝土表面迅速失水。

4 混凝土自身因素

圖3 大壩下游示意

混凝土自身因素與龜裂的產(chǎn)生同樣有著密切的聯(lián)系?；炷磷陨硪蛩刂饕ɑ炷猎缙谒苄允湛s、液面張力、混凝土配合比設(shè)計參數(shù)的選擇、混凝土自身沉降和混凝土振搗工藝。

4.1 混凝土早期的塑性收縮是混凝土出現(xiàn)龜裂的一個原因

混凝土拌制完成后，混凝土早期收縮是由于膠凝材料的溶解和水化產(chǎn)生。早期的膠凝材料在水中溶解形成電離子，C3S溶解體積減小0.32 ml/g，Na2O、K2O溶解使體積減小0.42ml/g;C3S、C3A在水中進行水化分別形成CSH2、C6AS3H32，使體積分別減少0.10 ml/g、0.24 ml/g。水泥溶解、水化所產(chǎn)生的體積變化可以由下式求得:

式中 △V——水泥溶解和水化產(chǎn)生的絕對體積減少;

Vc——水泥原始體積;

Cc——飽和時的水泥濃度;

ρc—— 水泥密度;

W/C——水灰比;

目前溪洛渡大壩混凝土采用華新中熱水泥，水泥品質(zhì)較穩(wěn)定，水泥的原始體積Vc、飽和時水泥濃度Cc、水泥密度ρc、水灰比W/C都固定，Cc·ρc·W/C相對為一個固定值，當(dāng)水泥發(fā)生早期水化和水泥溶解時，水泥體積值減小，相應(yīng)的水泥溶解和水化產(chǎn)生的絕對體積△V減少，即混凝土體積減小，產(chǎn)生早期收縮，使混凝土產(chǎn)生內(nèi)部拉力，混凝土表面容易產(chǎn)生龜裂。

4.2 液面的表面張力是混凝土出現(xiàn)龜裂的另外一個原因

當(dāng)混凝土澆筑后表面水膜未蒸發(fā)時，膠凝材料分子是全部由水分子覆蓋，此時膠凝材料分子各向受力平衡。當(dāng)混凝土表面持續(xù)失水，使得膠凝材料逐漸露出水面，膠凝材料之間的液面出現(xiàn)凹形，使得相鄰的膠凝材料顆粒之間形成表面張力。隨著凹面逐漸加深，膠凝材料顆粒間的表面張力增大，宏觀上使得混凝土表面產(chǎn)生收縮拉力，使得混凝土體積變小(見圖4)。

圖4 毛細(xì)管壓引起兩離子間的引力

表面作用產(chǎn)生的收縮力為:

式中 Pc——收縮力;

σ——液體表面張力;

R1——液面曲率半徑;

R2——膠凝材料分子半徑。

由式(2)可以看出，水的表面張力恒定，收縮力的大小與膠凝材料分子的半徑大小和液面曲率半徑有關(guān)。當(dāng)膠凝材料分子半徑恒定，表面失水量越大，液面曲率半徑就越小，對應(yīng)的收縮力就逐漸增大，因此增大了混凝土表面龜裂的可能性。

4.3 混凝土配合比設(shè)計參數(shù)

為了保證混凝土質(zhì)量和壩體絕熱溫升能夠滿足要求，選擇大壩混凝土配合比設(shè)計參數(shù)時主要采用低用水量、低坍落度、全級配混凝土。

(1)混凝土采用低用水量、低坍落度，單位體積內(nèi)自由水量相對較少，當(dāng)表面水分子蒸發(fā)后，單位體積內(nèi)的自由水量相對損失較多，表面自由水量不足，易出現(xiàn)混凝土表面變干。

(2)大壩混凝土主要為全級配混凝土，最大骨料粒徑150mm?；炷林写止橇系谋缺砻娣e減小，完全包裹粗骨料的砂漿量較少，粗骨料間形成大空隙，使得水分蒸發(fā)通道更加通透，蒸發(fā)速率加快。

(3)砂率的合理選擇對混凝土水分蒸發(fā)也有一定的影響。當(dāng)砂率偏小時，粗骨料的用量必然增大，混凝土中骨料的總的表面積減小，骨料表面吸附的水分減小;當(dāng)砂率較大時，雖然對混凝土水份蒸發(fā)有抑制作用，但是砂率的增大，混凝土干縮增加，極易導(dǎo)致混凝土早期開裂，影響混凝土強度。

4.4 混凝土自身沉降的影響

溪洛渡大壩混凝土澆筑模塊采用3m倉、按50cm分層澆筑，在澆筑過程中易產(chǎn)生以下兩種表面龜裂:

(1)混凝土澆筑過程中存在操作失誤，在局部區(qū)域形成漏振或者過振，在這些區(qū)域中混凝土不能達到完全密實，由于自重作用，造成未完全密實區(qū)域的混凝土沉降，形成表面龜裂。

(2)在振搗過程中，對冷卻水管損壞等偶然因素的處理，使得該區(qū)域的混凝土不能及時振搗，坍落度隨著時間逐漸損失，混凝土流動性減小，造成振搗后在振搗棒拔出位置僅僅由漿液填充，沒有粗骨料的支撐，漿液在凝結(jié)過程中產(chǎn)生較大收縮，使得振搗棒留下的振搗坑對周邊混凝土產(chǎn)生拉力，周圍骨料產(chǎn)生向坑內(nèi)填充的趨勢和微小變形，導(dǎo)致表層混凝土沉降，形成圓環(huán)狀的龜裂。

4.5 澆筑工藝的影響

目前溪洛渡大壩混凝土在澆筑中采用纜機下料、經(jīng)過平倉機平倉后、由振搗臺車進行振搗完成澆筑。在澆筑過程中存在的問題:纜機從吊罐下料到倉面時，因下料高度的不同，導(dǎo)致下料時骨料分離程度不一，吊罐下料口離倉面的高度越高，骨料分離越嚴(yán)重;平倉機在平倉過程中，大粒徑骨料會在混凝土邊緣區(qū)域集中。在大骨料集中區(qū)域，混凝土振搗后漿量偏少，在混凝土凝結(jié)初期，混凝土收縮不均勻，造成內(nèi)部應(yīng)力不均衡，從而易產(chǎn)生早期龜裂。在倉面澆筑完成后，倉面頂部由平倉機振搗收面，未進行光面處理，保水性較差;同時，經(jīng)過平倉、振搗，混凝土面出現(xiàn)局部區(qū)域高低不平，由于混凝土及表層水膜的自身重力作用，相對較高處的泌水會逐漸向低洼區(qū)流動，使得水量流失區(qū)域表面迅速地裸露在空氣中加速水蒸發(fā)，導(dǎo)致較高處迅速變干，產(chǎn)生內(nèi)部拉力，造成表面龜裂。

5 防止方法

據(jù)對混凝土產(chǎn)生龜裂的原因分析可以知道，混凝土出現(xiàn)早期龜裂主要是由于環(huán)境因素的影響，混凝土表層水的迅速蒸發(fā)，使表層混凝土變干，在混凝土內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力，導(dǎo)致表面龜裂;其次是混凝土自身的因素對混凝土產(chǎn)生龜裂有一定的作用。由于混凝土澆筑后，表層水的蒸發(fā)是不能夠阻止的，因此防止早期龜裂的首要辦法就是盡量減少水份蒸發(fā)。在工程中常常采用以下的幾種防止措施。

(1)采用覆蓋法。當(dāng)新澆筑完成的混凝土在初期2h內(nèi)，混凝土表面的水份較充足，振搗完成后迅速對混凝土面進行覆蓋，以有效地降低混凝土表面直接受到溫度、濕度、風(fēng)力的影響，可大大降低水份的蒸發(fā)?；炷帘砻姹桓采w后，表面水分子仍然處于蒸發(fā)狀態(tài)，但是覆蓋層能夠有效地減緩水蒸氣迅速進入外界空氣中，使混凝土與覆蓋層接觸面處相對濕度較大，有利于抑制混凝土表面水分子的迅速蒸發(fā)。

(2)噴霧法。目前在大壩澆筑過程中，采用噴霧機噴霧，持續(xù)噴霧可有效地降低倉面空氣溫度，使得混凝土表面與空氣接觸面的溫度降低，減緩因溫度較高而產(chǎn)生的蒸發(fā)加速;同時，調(diào)整噴霧水滴的大小，使一部分水滴能夠降落到混凝土表面，對表面的水份進行補充，減少表層以下的水份對表層水的補充，防止混凝土表面形成硬殼。將噴霧過程延長至混凝土終凝是消除混凝土龜裂的有效辦法。

(3)澆筑過程控制法。在澆筑振搗混凝土?xí)r，做適當(dāng)?shù)臉?biāo)準(zhǔn)板厚控制點，以保證板的厚度和均勻性。在混凝土澆筑過程中，減少骨料分離，使骨料在混凝土中均勻分布，有效地消除混凝土內(nèi)部因應(yīng)力不均勻而產(chǎn)生裂紋;收倉過程中，適當(dāng)增加混凝土坍落度，使混凝土表層的自由水量充足，在部分水份蒸發(fā)后，混凝土表面仍然處于水膜覆蓋狀態(tài);平倉機平倉盡量做到倉面平整，通過設(shè)定單層攤鋪高度點控制混凝土攤鋪厚度，減少表面的凹凸不平是有效降低表面水流動而造成的高處失水較多。在振搗過程中，盡量放緩振搗棒拔出的速度，使得振搗棒插入位置能夠得到周邊骨料的填充，有效地減少振搗棒插入處混凝土沉降裂紋;盡可能地在相鄰區(qū)域逐步振搗，以免出現(xiàn)漏振現(xiàn)象;把握好振搗時間，防止出現(xiàn)混凝土過振而出現(xiàn)混凝土不密實。

(4)混凝土溫控因素控制法。①在混凝土生產(chǎn)過程中，采用二次篩分沖洗，以有效降低混凝土表面裹粉，降低單位用水量，同時也減少了膠凝材料用量，減少了混凝土早期水化熱;②采用風(fēng)冷骨料、加冰拌制混凝土，有效降低混凝土的出機口溫度，保證混凝土的入倉溫度，對混凝土溫升的控制起到至關(guān)重要的作用;③在混凝土澆筑過程中，不斷采用溫度8～10℃的冷水對已經(jīng)入倉的混凝土進行通水冷卻，以有效地降低初期水化熱，控制混凝土溫度的迅速升高?？刂苹炷翜囟瓤梢詼p緩混凝土表面水蒸發(fā)速度，對預(yù)防混凝土龜裂起到一定的作用。

6 結(jié)束語

在影響混凝土性能的其它因素均滿足要求的前提下，環(huán)境因素和混凝土自身因素的影響通過表面覆蓋法、噴霧法、澆筑過程控制法、溫控因素控制法的統(tǒng)一使用，有效地控制了混凝土龜裂的發(fā)生。