水工建筑物混凝土裂縫成因分析及處理措施

曾秋梅

【摘 要】裂縫是水工建筑物混凝土常見(jiàn)的病害之一，若處理不當(dāng)，很可能會(huì)影響到混凝土的使用功能和建筑物的質(zhì)量。為此，本文結(jié)合工程實(shí)例，就水工建筑物混凝土裂縫產(chǎn)生的原因進(jìn)行分析，并在此基礎(chǔ)上提出相應(yīng)的裂縫處理措施，旨在提高混凝土質(zhì)量，以指導(dǎo)實(shí)踐。

【關(guān)鍵詞】水工建筑物；裂縫；溫差；處理措施

水工建筑物是實(shí)現(xiàn)各項(xiàng)水利工程目標(biāo)的重要組成部分，具有調(diào)節(jié)水流、防治水害和開(kāi)發(fā)利用水資源等重要功能。但在水工建筑物應(yīng)用過(guò)程中，時(shí)常會(huì)出現(xiàn)混凝土裂縫的現(xiàn)象，這些混凝土裂縫的存在和發(fā)展，不僅會(huì)破壞到建筑物結(jié)構(gòu)的整體性，影響混凝土結(jié)構(gòu)的受力狀況和穩(wěn)定，而且也影響到建筑物的使用功能和使用壽命，嚴(yán)重情況下還會(huì)造成財(cái)產(chǎn)的損失。造成水工建筑物混凝土裂縫的原因是多方面的，包括氣溫溫差、水化熱溫差、混凝土收縮及水下墻基礎(chǔ)水平阻力系數(shù)差異大等。因此，分析混凝土裂縫產(chǎn)生的原因，尋找有效的處理措施解決以避免混凝土裂縫的產(chǎn)生，對(duì)保證建筑物的質(zhì)量具有重要意義。

1.概述

某水工建筑物長(zhǎng)度42.47m，寬度13.2m。發(fā)電機(jī)層高程185.75m，水輪機(jī)層和尾水平臺(tái)高程180.40m，蝸殼層高程176.20m。水電站主機(jī)間和水工建筑物水下墻長(zhǎng)大約為31m，水工建筑物基礎(chǔ)開(kāi)挖至巖性為灰色細(xì)粒砂巖的新鮮基巖，并進(jìn)行固結(jié)灌漿等基礎(chǔ)處理。水工建筑物分段長(zhǎng)度基本符合《水電站廠房設(shè)計(jì)規(guī)范（SL266-2001）》中構(gòu)造設(shè)計(jì)要求（永久變形縫間距宜為20-30m）。

尾水平臺(tái)段水下墻與其下尾水管大體混凝土相接，長(zhǎng)16.5m；其余段水下墻與巖基相接，并在巖基上輔設(shè)一層100mm厚C10素混凝土墊層。水下墻底高程為180100m，頂高程為185.75m。水下墻厚500mm，構(gòu)造筋10@250，配筋率0.157%；混凝土C20，4.25號(hào)水泥。混凝土配比：水、水泥、砂、碎石重量（kg/m3）分別為：168、309、654、1269?；炷两ú脑囼?yàn)結(jié)果正常，試塊強(qiáng)度達(dá)到或超過(guò)設(shè)計(jì)強(qiáng)度。

水工建筑物混凝土澆筑采用木模板，機(jī)械拌和震搗，澆筑時(shí)間為2002年3月初至4月下旬?；炷寥雮}(cāng)溫度約33℃，環(huán)境氣溫白天約23℃，夜間約13℃，平均18℃。水工建筑物水下墻澆筑完半個(gè)月后發(fā)現(xiàn)在尾水平臺(tái)兩側(cè)有2條垂直豎向裂縫具體位置見(jiàn)圖1，裂縫從185.75m高程至179.40m高程，為貫穿性裂縫，縫寬0.1-0.4cm?，F(xiàn)針對(duì)裂縫產(chǎn)生原因和采取的控制措施進(jìn)行初步探討。

2.裂縫成因分析

本工程水下墻豎向裂縫在施工期即水工建筑物主機(jī)間二期砼未澆筑和水工建筑物未封頂前產(chǎn)生，此時(shí)水下墻未擋水。經(jīng)分析屬于變形變化引起的裂縫，主要是由于氣溫溫差、水化熱溫差、混凝土收縮及水下墻基礎(chǔ)水平阻力系數(shù)差異大等多種因素的綜合作用造成。

2.1溫差及混凝土收縮

2.1.1氣候溫差

氣候溫度從高溫降至低溫時(shí)溫差將使水下墻混凝土內(nèi)部受到外部約束時(shí)產(chǎn)生溫度應(yīng)力，根據(jù)施工資料分析水下墻施工時(shí)白天與夜間氣溫溫差T1=10℃

2.1.2水化熱溫差

水化熱溫差T2計(jì)算如下：

式中：W為每立方砼水泥用量，W=309kg/m3；Q為水泥水化熱，Q=334×103J/kg；C為砼比熱，C=1.0×103J/kg℃；C為砼的容度，C=2500kg/m3；k為溫降系數(shù)，k=0.5。

T2=20.6℃≈21℃

2.1.3混凝土收縮當(dāng)量溫差

混凝土收縮時(shí)，齡期t的收縮值Ey（t）

Ey（t）=3.24×10-4×（1-e-bt）·M

式中：M為修正系數(shù)，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)水泥品種、水泥細(xì)度、骨料、水灰比、水泥漿含量、自然養(yǎng)護(hù)時(shí)間、環(huán)境相對(duì)濕度、水力半徑倒數(shù)、機(jī)械振搗及含筋率等因素實(shí)際情況并參照有關(guān)類似工程綜合考慮M=1.48；b為混凝土養(yǎng)護(hù)狀況系數(shù)，由于養(yǎng)護(hù)較差b=0.02；t為齡期，按70天的收縮量考慮t=70。

Ey（t）=3.24×10-4×（1-e-0.02×70） ×1.48=3.89×10-4

當(dāng)量溫差

T3=Ey（t）/A

式中：A為砼的線膨脹系數(shù)取1.0×10-5

T3=39℃。

2.1.4總溫差產(chǎn)生的收縮變位

總溫差T=T1+T2+T3=70℃

根據(jù)本工程施工順序分析認(rèn)為水下墻在降溫作用下引起收縮變位，必將產(chǎn)生約束應(yīng)力。首先基巖或混凝土尾水管對(duì)水下墻底產(chǎn)生約束應(yīng)力；其次水輪機(jī)層地面和尾水平臺(tái)對(duì)水下墻也產(chǎn)生相似的約束；這種外界的約束將對(duì)水下墻混凝土產(chǎn)生拉應(yīng)力。由于水下墻的高度5.75m小于0.2倍的水下墻長(zhǎng)度6.2m，混凝土內(nèi)部約束應(yīng)力接近于軸向受拉狀態(tài)，在離開(kāi)端部區(qū)域后，全截面可以認(rèn)為是均勻受拉。

總溫差引起收縮變位對(duì)水下墻混凝土產(chǎn)生最大拉應(yīng)力計(jì)算如下：

式中：E為混凝土彈性模量，E=2.55×104N/mm2；A為混凝土線膨脹系數(shù)，A=1.0×10-5/e；T為混凝土總溫差，T=-70℃；L為水下墻長(zhǎng)度，L=31000mm；H（t，S）為混凝土松馳系數(shù)，H（）=0.5；Cx為水下墻基礎(chǔ)水平阻力系數(shù)（按C10素混凝土墊層取值），Cx=0.6N/mm3；H為水下墻高度，H=5750mm。

C20混凝土抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值R標(biāo)=1.54N/mm2，抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值R設(shè)=1.10N/m2，Rmax>R標(biāo)，因此水下墻混凝土必將產(chǎn)生裂縫。

2.2水下墻基礎(chǔ)水平阻力系數(shù)

水工建筑物尾水平臺(tái)段下游水下墻基礎(chǔ)為大體積砼，長(zhǎng)度16.5m，水平阻力系數(shù)Cx=1.5N/mm3，遠(yuǎn)大于尾水平臺(tái)兩側(cè)水下墻基礎(chǔ)的水平阻力系數(shù)Cx=0.6N/mm3，取Cx=1.5N/mm3計(jì)算可得Rmax=5.4N/mm3，可見(jiàn)水平阻力系數(shù)不同引起最大拉應(yīng)力的變化也是很大的，相應(yīng)地兩段水下墻的收縮變形差異也較大，因此水下墻垂直豎向裂縫在尾水平臺(tái)兩側(cè)位置產(chǎn)生。

本工程水下墻混凝土水灰比偏大，沒(méi)有摻粉煤灰等摻和料及現(xiàn)場(chǎng)未采用有效的保溫措施等都會(huì)使水化熱及入倉(cāng)溫度偏高；水下墻結(jié)構(gòu)構(gòu)造配筋偏小和鋼筋間距偏大無(wú)法提高混凝土抗裂性能，從而促使裂縫產(chǎn)生。

3.裂縫處理措施

根據(jù)水工建筑物水下墻豎向裂縫成因分析結(jié)果，并針對(duì)裂縫成因的各種有關(guān)要素為避免豎向裂縫產(chǎn)生經(jīng)分析認(rèn)為可采用以下處理措施。

3.1適當(dāng)加大構(gòu)造筋提高抗裂性能

水工建筑物水下墻可采取適當(dāng)加大構(gòu)造鋼筋，使構(gòu)造筋起到溫度筋的作用，能有效地提高抗裂性能。配筋應(yīng)盡可能采用小值徑，小間距。采用直徑8-14mm的鋼筋和100-150mm間距是比較合理的。配筋率應(yīng)在0.3%-0.5%之間。配筋后的混凝土極限拉伸與配筋率和鋼筋直徑的關(guān)系如下式：

εpa=0.5Rf（1+p）×10-4

式中：εpa為配筋后的混凝土極限拉伸；Rf為混凝土抗裂設(shè)計(jì)強(qiáng)度（MPa）；p為截面配筋率μ×100；d為鋼筋直徑（cm）。

3.2設(shè)置/暗梁0

水工建筑物水輪機(jī)層以上水下墻一般厚度不大0.5m左右，高度也不高5m左右，為了防止邊緣效應(yīng)引起的裂縫，在水下墻縱橫斷面的四周以及施工縫上、下部位。

3.3采用“后澆縫“進(jìn)行施工

采用“后澆縫”進(jìn)行施工，控制施工期間的較大溫差與收縮應(yīng)力。

1）后澆縫間距首先應(yīng)考慮有效地削減溫度收縮應(yīng)力，其次考慮與施工縫結(jié)合，在正常施工條件下后澆縫的間距約為20-30m。

2）后澆縫保留時(shí)間必須在施工期間不致影響設(shè)備安裝和二期混凝土的澆筑，一般不應(yīng)少于40天，最宜60天。

3）后澆縫一般寬度應(yīng)在70-100cm左右，后澆縫處鋼筋連續(xù)不斷開(kāi)，為便于清理鑿毛亦可斷開(kāi)鋼筋。水工建筑物水下墻具有擋水功能，因此后澆縫應(yīng)設(shè)置鍵槽，并在迎水側(cè)設(shè)1道膨脹止水條。如圖2。

4）后澆縫的填充材料最宜采用澆筑水泥及其他微膨脹水泥，同時(shí)要求混凝土比原結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度等級(jí)高C5-C10，并長(zhǎng)期潮濕養(yǎng)護(hù)不少于15d。

3.4間歇振搗時(shí)間的控制

采用兩次振搗技術(shù)，增加混凝土的密實(shí)度減少內(nèi)部微裂和提高混凝土的強(qiáng)度，提高抗裂性和抗?jié)B性能等。要求掌握好兩次振搗的時(shí)間間歇2h左右為宜，否則會(huì)破壞混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)，使強(qiáng)度等性能降低。

3.5選擇合理的砂、石級(jí)配

選擇合理的砂、石級(jí)配，嚴(yán)格控制含泥量，含泥量應(yīng)不大于1.0%。

3.6有效降低水泥水化熱

在水下墻混凝土中摻入一定的減水劑和粉煤灰，盡量減少水泥用量，降低水泥水化熱。

3.7有效控制溫差

水下墻混凝土須盡可能減小入模溫度，溥層連續(xù)澆筑，隨后采取保溫養(yǎng)護(hù)，以減少內(nèi)外溫差，混凝土緩慢降溫，越慢越好；同時(shí)保持混凝土處于潮濕狀態(tài)，以增加強(qiáng)度和減少收縮。

4.結(jié)語(yǔ)

裂縫的產(chǎn)生對(duì)水工建筑物混凝土結(jié)構(gòu)的危害是巨大的，若不進(jìn)行有效的處理，則很可能導(dǎo)致嚴(yán)重的后果。因此，施工管理人員有高度的責(zé)任心，實(shí)時(shí)對(duì)水工建筑物混凝土進(jìn)行監(jiān)控，一旦發(fā)現(xiàn)裂縫，應(yīng)該制定應(yīng)急措施，采取合理的方法控制裂縫進(jìn)一步發(fā)展，最大限度避免混凝土裂縫的產(chǎn)生，以期發(fā)揮出水工建筑的綜合效益。

參考文獻(xiàn)：

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