試析泵站施工期裂縫成因及防治措施

孫亞軍

【摘 要】筆者結(jié)合自己的工作實際，簡要分析了泵站施工期開裂的原因，并針對裂縫的成因提出相應(yīng)的防治方法。

【關(guān)鍵詞】泵站；施工期；混凝土；防治措施；結(jié)構(gòu)開裂

0.前言

在眾多泵站的施工、運行管理過程中，泵站結(jié)構(gòu)頻繁出現(xiàn)了開裂的現(xiàn)象，成為一直困擾工程界的“疑難雜癥”之一。裂縫的出現(xiàn)不僅降低了結(jié)構(gòu)的抗?jié)B性能，還加速了混凝土的碳化以及鋼筋的銹蝕，對泵站的結(jié)構(gòu)安全產(chǎn)生了不利影響，因此，結(jié)構(gòu)開裂成為泵站設(shè)計、施工、運行管理中亟待解決的關(guān)鍵技術(shù)問題之一。泵站結(jié)構(gòu)中時常開裂的部位包括底板、流道、擋水墻以及電機大梁等，其中尤以在底板和流道發(fā)現(xiàn)的裂縫居多。本文基于混凝土溫度場和應(yīng)力場的基本理論[1]，對泵站底板和流道結(jié)構(gòu)施工期開裂的主要原因進行了初步探究，并根據(jù)裂縫的成因以及泵站結(jié)構(gòu)的具體特點提出相應(yīng)的溫控方法，供相關(guān)工程參考應(yīng)用。

1.施工期裂縫成因分析

1.1底板裂縫成因分析

底板澆筑后，水泥、粉煤灰等與水發(fā)生劇烈的水化反應(yīng)，釋放出大量的熱量?；炷翆?dǎo)熱性能較差，大量的水化熱量積貯底板中心，底板內(nèi)部溫度升高幅度較大；而底板的四周、頂面以及底面分別與大氣和地基接觸，通過熱對流和熱傳導(dǎo)散出部分水化熱量，溫度升高幅度有限。與升溫幅度對應(yīng)，底板內(nèi)部熱膨脹變形較大，表面熱膨脹變形較小，內(nèi)部混凝土的熱膨脹變形受到表層混凝土的約束，因此，底板表面出現(xiàn)拉應(yīng)力，而內(nèi)部則出現(xiàn)壓應(yīng)力?？紤]到混凝土早期抗裂強度性能有限，混凝土底板早期存在表面開裂的可能。這種類型的裂縫在一般出現(xiàn)在低溫季節(jié)澆筑的底板表面的中部，出現(xiàn)時間一般在混凝土澆筑后7天內(nèi)，裂縫方向與底板的長邊方向垂直，且以表面淺層裂縫為主。

后期，底板混凝土溫度逐漸下降，產(chǎn)生溫縮變形，溫縮變形受地基的約束因而在底板中產(chǎn)生拉應(yīng)力?？紤]到底板中心降溫幅度大于表面，因此，后期底板中心的拉應(yīng)力較大，一旦開裂，裂縫將從內(nèi)部向表面擴展。后期一旦在底板表面發(fā)現(xiàn)裂縫，一般已經(jīng)貫穿整塊底板，對結(jié)構(gòu)安全的危害性較大。

1.2流道裂縫成因分析

與底板相似，流道結(jié)構(gòu)早期也呈現(xiàn)出“內(nèi)熱外冷”的分布規(guī)律，混凝土表面拉應(yīng)力較大，很有可能從表面開裂。早期發(fā)現(xiàn)的裂縫一般出現(xiàn)在厚度較大的墩墻部位，結(jié)構(gòu)越厚，內(nèi)外溫差越大，混凝土開裂的可能性相應(yīng)增大。在后期，流道結(jié)構(gòu)的溫縮變形受到了前期澆筑的混凝土底板的強約束作用，結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)了較大的拉應(yīng)力。與上述底板后期開裂的基理相同，流道后期一旦發(fā)現(xiàn)裂縫，一般已是貫穿性裂縫，對結(jié)構(gòu)安全的影響較大。底板與流道澆筑時間的間隔越長，后期底板對流道的約束作用越強，后期開裂的可能性越大。

2.泵站溫控防裂對策

筆者將根據(jù)裂縫的成因及泵站具體的特點從設(shè)計優(yōu)化和施工控制這兩個不同的角度闡述這兩個關(guān)鍵部位施工期的溫控防裂方法。

2.1設(shè)計優(yōu)化

2.1.1優(yōu)選混凝土

在結(jié)構(gòu)設(shè)計中，應(yīng)根據(jù)泵站各個部位承受荷載的實際情況合理地確定混凝土的強度等級。在混凝土各項物理性能可以滿足工程要求的前提下，應(yīng)盡可能降低混凝土的強度等級，尤其是內(nèi)部大體積混凝土的強度等級?；炷恋膹姸鹊燃壴礁?，水泥的用量必然越大，水化熱量相應(yīng)增加，早期的內(nèi)外溫差和后期的降溫幅度隨之增大，混凝土前、后期開裂的風(fēng)險均有所增加。除了設(shè)法降低混凝土的強度等級外，選擇中熱或低熱水泥、選擇低熱膨脹性的骨料、摻入減水劑、微膨脹劑等外加劑或摻入硅粉、鋼纖維以及聚丙烯纖維等均可以提高混凝土的抗裂性能。

2.1.2配筋設(shè)計的優(yōu)化

在對泵站底板、流道等易裂部位配筋時，除了應(yīng)按結(jié)構(gòu)承載和正常使用的相關(guān)要求配置受力鋼筋外，還應(yīng)在混凝土表面適當(dāng)?shù)卦雠洳糠譁囟蠕摻顏硖岣呋炷恋目沽研阅?，溫度鋼筋的直徑宜控制?0-14mm之間，間距宜控制在100-150mm之間，溫度鋼筋宜布置在受力鋼筋的外側(cè)，與混凝土邊緣的距離宜控制在25-30mm左右。在表面增配溫度鋼筋后，混凝土早期表面開裂的風(fēng)險相應(yīng)減小，但這種鋼筋對后期的貫穿性裂縫限裂作用不大。

2.1.3利用拋石混凝土或漿砌石代替部分混凝土

在進行底板或墩墻等大體積混凝土結(jié)構(gòu)的設(shè)計時，可利用拋石混凝土或漿砌石代替部分混凝土。此舉不僅可以有效地控制混凝土中的水泥用量，進而降低混凝土的水化熱量，相應(yīng)減小早期的內(nèi)外溫差和后期的降溫幅度，減小混凝土結(jié)構(gòu)開裂的風(fēng)險外，還可以降低工程的投資，但施工過程中限制較多，施工工藝也較為復(fù)雜。

2.2施工控制

除了從優(yōu)化設(shè)計的角度考慮泵站施工期的溫控防裂外，施工控制也是溫控防裂的一個至關(guān)重要的環(huán)節(jié)。

2.2.1合理的分塊澆筑混凝土

分塊澆筑是指根據(jù)泵站結(jié)構(gòu)的具體形式，有計劃、有目的地利用臨時施工縫將整體結(jié)構(gòu)劃分成多個獨立的塊體進行間隔澆筑。這樣施工一方面是受制施工方的于混凝土的生產(chǎn)能力，更重要的是通過合理的分塊澆筑，可以有效地控制混凝土早期的內(nèi)外溫差以及基礎(chǔ)對上部結(jié)構(gòu)的約束作用，減小混凝土前、后期開裂的風(fēng)險。常用的分塊方式有“后澆帶”和“吊空模板”等。

2.2.2降低澆筑溫度

混凝土施工過程中應(yīng)盡量降低澆筑溫度。澆筑溫度越低，混凝土早期的內(nèi)外溫差和后期的溫降幅度也越小，混凝土前、后期開裂的可能性也相應(yīng)降低。在施工過程中，可以根據(jù)施工現(xiàn)場的實際情況來確定具體的降溫措施，如地龕取料來降低骨料的溫度、加冰或冰水拌合、運輸過程中遮陽隔熱保溫、避開高溫季節(jié)澆筑等等。

2.2.3表面保溫和養(yǎng)護

混凝土早期表面開裂的主要原因是內(nèi)外溫差過大，在混凝土表面覆蓋合適的保溫材料后，混凝土內(nèi)外溫差相應(yīng)減小，表面應(yīng)力狀態(tài)明顯改善，早期表面開裂可能性明顯減小。但保溫后混凝土后期降溫幅度有所加大，因此一味地強調(diào)加強表面保溫也是不合適的。

2.2.4通水冷卻

過去，在混凝土內(nèi)部布置冷卻水管通水冷卻一般用于混凝土重力壩或拱壩施工，在水閘、泵站這類水工建筑物中應(yīng)用得較少。但根據(jù)國內(nèi)相關(guān)文獻[2，3]，在南水北調(diào)工程東線多個已建成的泵站也引進了這項技術(shù)，底板和流道施工過程中在混凝土內(nèi)部布置了冷卻水管并通深井水冷卻，取得了良好的效果。通水冷卻可以有效地帶出混凝土內(nèi)部的水化熱量，相應(yīng)降低混凝土的內(nèi)外溫差和后期的降溫幅度，有力地提高了混凝土的抗裂性能。但水管布置形式的確定，水管材質(zhì)和直徑的選擇、層距和間距的選擇、通水流量和通水時間選擇仍處在探索階段，宜進一步深入研究。

3.總結(jié)

本文根據(jù)混凝土溫度場和應(yīng)力場的基本理論簡要分析了泵站底板和流道結(jié)構(gòu)施工期開裂的主要原因，并從設(shè)計優(yōu)化和施工控制兩個方面分別提出了技術(shù)可行、經(jīng)濟合理且施工簡便的溫控防裂方法，供類似工程參考使用。 [科]

【參考文獻】

[1]朱伯芳.大體積混凝土溫度應(yīng)力與溫度控制[M].北京：中國電力出版社，1999.

[2]韓仕賓，戴敬秋，陳衛(wèi)東.淺談泵站進水流道大體積混凝土裂縫的預(yù)防和控制[J].南水北調(diào)與水利科技，2008，6（1）：295-297.