閘室墩墻混凝土防裂措施與驗(yàn)算

王西青

（阜陽市水利規(guī)劃設(shè)計(jì)院 阜陽 236000）

閘室墩墻混凝土防裂措施與驗(yàn)算

王西青

（阜陽市水利規(guī)劃設(shè)計(jì)院 阜陽 236000）

為探討應(yīng)對(duì)混凝土防裂措施，本文結(jié)合工程實(shí)例，從溫度應(yīng)力、體積變形及干縮變形應(yīng)力、老混凝土的約束應(yīng)力方面，詳細(xì)分析了裂縫產(chǎn)生的原因，并提出具體可行的控制措施和抗裂驗(yàn)算的方法，在現(xiàn)場(chǎng)施工中對(duì)控制混凝土裂縫的產(chǎn)生具有較強(qiáng)的指導(dǎo)作用。

混凝土裂縫 溫度 應(yīng)力 變形

1 前言

裂縫的控制是一個(gè)系統(tǒng)問題，既要通過充分的前期準(zhǔn)備工作（包括混凝土的室內(nèi)試驗(yàn)、對(duì)以往類似工程的分析、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的調(diào)整、原觀設(shè)備的埋設(shè)等），澆筑時(shí)的層層把關(guān)（包括根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)骨料的含水量情況對(duì)混凝土的實(shí)際配合比進(jìn)行調(diào)整、通過種種手段控制混凝土的入倉溫度及混凝土的坍落度等），還要在閘室溫控變化情況的指導(dǎo)下進(jìn)行及時(shí)、充分、合理的養(yǎng)護(hù)，才能取得良好的裂縫防治效果。

本文以蚌埠閘擴(kuò)建船閘工程為施工對(duì)象，對(duì)施工采取的措施進(jìn)行驗(yàn)算。

2 裂縫產(chǎn)生的主要成因

裂縫產(chǎn)生的主要成因包括水泥水化熱引起的溫度應(yīng)力并導(dǎo)致變形，內(nèi)外約束條件的影響，外界氣溫變化的影響，混凝土的收縮變形。

2.1 混凝土自身體積變形和干縮變形作用產(chǎn)生的應(yīng)力的作用

施工前針對(duì)閘墩由于自身變形產(chǎn)生的影響進(jìn)行了試驗(yàn)研究（閘墩混凝土強(qiáng)度等級(jí)C25），研究時(shí)以混凝土自身體積變形和干縮變形分為100×10-6，150×10-6，300×10-6，600×10-6四種情況進(jìn)行分析表明：混凝土自身體積變形和干縮變形越大，產(chǎn)生的拉應(yīng)力也越大，因此，降低水灰比，是控制墩墻裂縫的有效措施。

2.2 閘室底板老混凝土的約束

墩墻溫度和自身體積變形及干縮變形受到已澆底板的約束而導(dǎo)致墩墻開裂，因而為考察底板與墩墻澆筑間隔時(shí)間變化對(duì)應(yīng)力場(chǎng)的影響進(jìn)行試驗(yàn)研究，研究成果如表1。結(jié)果表明縮短底板與墩墻混凝土澆筑的時(shí)間間隔，使底板和墩墻混凝土剛度相差不會(huì)太大，變形趨于同步，這也是極為有效的防裂措施。

3 采取的主要技術(shù)措施

3.1 降低水泥水化熱溫升值

混凝土配合比根據(jù)具體材料的規(guī)格、品質(zhì)通過試驗(yàn)加以確定，施工中準(zhǔn)確計(jì)量各種組成材料，并合理振搗，以保證混凝土的密實(shí)性。

采用32.5級(jí)普通硅酸鹽水泥，為了減少溫度應(yīng)力，優(yōu)先選用水化熱低的礦渣水泥。砂子采用級(jí)配良好的中粗砂，細(xì)度模數(shù)2.5～2.8，含泥量小于2%；石子選用連續(xù)級(jí)配的二級(jí)料，片狀顆粒含量不大于10%，含泥量小于1%。存放場(chǎng)地設(shè)置混凝土地坪，保證材料清潔。用雙摻外加劑（木鈣、UEA）以減少水泥用量，或者摻用I級(jí)粉煤灰代替一部分水泥用量。摻加抗裂防滲劑HLC-1，使混凝土早期適度膨脹，可部分抵消混凝土收縮及溫差引起的拉應(yīng)力，不但能大幅度減小，還可以延緩混凝土的初凝和終凝時(shí)間，避免施工中出現(xiàn)冷縫。將混凝土輸送泵布置在澆筑點(diǎn)附近，控制混凝土坍落度在8～10cm，水灰比不超過0.6，減少混凝土收縮。按設(shè)計(jì)在混凝土中摻入聚丙烯纖維，以增強(qiáng)混凝土早期抗裂能力。在墻體等關(guān)鍵部位如閘室側(cè)墻及閘室大底板埋設(shè)冷凝水管，通過冷凝水降低混凝土內(nèi)部溫度，減少內(nèi)外溫差。

由于底板厚度較厚，為保證不因水化熱溫差引起裂縫，在底板中布置冷卻水管通水冷卻，以縮小內(nèi)外溫差小于25℃。冷卻水管采用直徑48mm鋼管，在底板中部布置2層。底層管距底板底面約1.2m,兩層管間距約1.1～1.2m，每層平面布置成蛇形，間距1m,上下層布置進(jìn)出水口各1個(gè)，進(jìn)出水口引至底板上游側(cè)。

表1 底板與墩墻澆筑時(shí)間間隔變化時(shí)各時(shí)刻墩墻中截面最大拉應(yīng)力（MPa）

冷卻水溫度按下式控制：

測(cè)溫管布置：為控制混凝土內(nèi)外溫差，檢測(cè)各種冷卻保溫措施效果，布置測(cè)溫管，在距底面0.5m、1.5m處各布置3個(gè)測(cè)溫管。監(jiān)測(cè)頻率：混凝土澆筑6h后，1～3d內(nèi)每2h測(cè)溫一次，4～7d內(nèi)每4h測(cè)溫一次，8～15d內(nèi)每8h測(cè)溫一次，15～28d內(nèi)每24h測(cè)溫一次。根據(jù)測(cè)量成果及時(shí)調(diào)整溫控措施。

3.2 降低混凝土入倉溫度

砂石料遮陽、覆蓋，灑水降溫，拌和站和混凝土運(yùn)輸車及澆筑現(xiàn)場(chǎng)均搭蓋遮陽設(shè)施。施工拌和用水采用水溫較低的深層河水或深井水（小于12℃）拌制混凝土，使混凝土入倉溫度控制在12℃左右。定時(shí)檢測(cè)混凝土出機(jī)口溫度、入倉溫度及澆筑完畢時(shí)溫度。

3.3 改善約束條件，減少溫度應(yīng)力

混凝土采用二級(jí)配，降低水泥水化熱引起的溫度應(yīng)力，控制混凝土的收縮變形。混凝土澆筑在施工縫上，先鋪一層低強(qiáng)度水泥砂漿，以降低底板混凝土對(duì)墩墻混凝土之間的約束力。混凝土采用分層澆筑，振搗密實(shí)，以使混凝土的水化熱能盡快散失。

3.4 采用“二次”法施工工藝，提高混凝土極限拉伸強(qiáng)度，消除混凝土收縮裂縫

二次投料法：使水泥充分?jǐn)U散，與砂石充分拌和，混凝土的流動(dòng)性較好，離析和泌水現(xiàn)象減少，提高混凝土早期強(qiáng)度，在強(qiáng)度相同的情況下，可節(jié)約水泥15%左右。

二次振搗法：增強(qiáng)混凝土密實(shí)性，可以消除沉降及收縮裂縫。

二次壓光法：排除混凝土表面過多的泌水、浮漿，可以消除墩頂混凝土表面產(chǎn)生早期收縮裂縫。

3.5 優(yōu)化資源配置、加強(qiáng)養(yǎng)護(hù)

合理安排混凝土施工程序和施工進(jìn)度，盡量縮短底板與閘墩澆筑的時(shí)間間隔。

加強(qiáng)混凝土的早期養(yǎng)護(hù)，剛澆筑完的混凝土要及早噴養(yǎng)護(hù)液、覆蓋，防止表面過早脫水而產(chǎn)生收縮裂縫。同時(shí)延長(zhǎng)拆模時(shí)間，控制混凝土內(nèi)外溫度。及時(shí)關(guān)注天氣變化，采取養(yǎng)護(hù)覆蓋措施，防止冷空氣產(chǎn)生劇烈降溫引起的溫差裂縫。

4 閘室墩墻混凝土的防裂驗(yàn)算

4.1 驗(yàn)算條件

按施工方案，一個(gè)底板上的兩個(gè)側(cè)墻一次性澆筑到頂，計(jì)算時(shí)采用長(zhǎng)墻及地基板的溫度收縮應(yīng)力法。

計(jì)算側(cè)墻溫度應(yīng)力時(shí)把地基與底板當(dāng)作“混合地基”對(duì)墻體的約束，取地基水平阻力系數(shù)Cx＝1.25N/mm3。

表2 閘墩升降溫?cái)?shù)值估算表

表3 各種非標(biāo)條件的修正系數(shù)

表4 混凝土收縮及當(dāng)量溫差計(jì)算表

側(cè)墻混凝土澆筑日期宜安排在3～7月，氣溫較高時(shí)，對(duì)澆筑不利，通過采取骨料覆蓋、冷水拌和等措施，控制混凝土澆筑溫度為22℃。

側(cè)墻的幾何尺寸及混凝土強(qiáng)度等級(jí)：長(zhǎng)度15m，厚度最大處2.0m，高度12.2m，混凝土強(qiáng)度等級(jí)C25二級(jí)配。

混凝土配合比：C25二級(jí)配采用普通混凝土，每立方米混凝土水泥用量為260kg（32.5級(jí)普通硅酸鹽水泥），摻粉煤灰26kg（水泥用量10%）。

4.2 最高溫升值

4.3 各齡期的溫度升降值

混凝土澆筑溫度按22℃考慮，根據(jù)類似水閘閘墩的實(shí)測(cè)資料分析溫度升降曲線，側(cè)墻升降溫?cái)?shù)值按表2估算。

4.4 各齡期混凝土收縮及當(dāng)量溫差

M1M2M3……M10——非標(biāo)條件修正系數(shù)，見表3。

εy（t）——不同齡期時(shí)混凝土的收縮相對(duì)變形值；

E——常用對(duì)數(shù)2.718；

d——混凝土線膨脹系數(shù)，取10×10-6/℃。

4.5 各齡期混凝土綜合溫度及總綜合溫差

經(jīng)計(jì)算混凝土最大綜合溫差8.08℃，總綜合溫差31.12℃。

4.6 各齡期混凝土彈性模量

4.7 各齡期混凝土松馳系數(shù)

各齡期混凝土松馳系數(shù)（t=30，τ=1，3，6，9，…….）查《高層建筑施工手冊(cè)》表5-7-8。

4.8 溫度應(yīng)力計(jì)算

因?yàn)镠/L=12.2/15=0.81>0.2，所以計(jì)算時(shí)取等效高度

各階段溫差和收縮引起的溫度應(yīng)力（N/mm2）

α——混凝土線膨脹系數(shù)0.1×10-4/℃；

μ——混凝土泊松比取0.15；

Ei（t）——混凝土齡期τ時(shí)的彈性模量N/mm2；

ΔTi——混凝土最大綜合溫差℃；

Hi（t）——混凝土松弛系數(shù)；

Cx——混凝土約束系數(shù)，一般為0.25～0.5，取0.437；

H——側(cè)墻高度12.2m；

經(jīng)計(jì)算溫度收縮總應(yīng)力0.546。

4.9 抗裂強(qiáng)度驗(yàn)算

C25混凝土抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為Rf=1.3N/mm2=1.3 MPa Kft=Rf/δmax=1.3/0.546=2.38>1.15。

5 結(jié)束語

通過上述驗(yàn)算說明降溫和收縮產(chǎn)生溫度應(yīng)力不會(huì)引起閘墩開裂，因而在技術(shù)上可行。在具體的混凝土施工過程中,嚴(yán)格控制混凝土拌和、運(yùn)輸、澆注、養(yǎng)護(hù)施工工藝，可以避免閘墩混凝土溫度裂縫發(fā)生，以保證閘墩結(jié)構(gòu)的工程質(zhì)量

（專欄編輯：張 婷）