新建睢寧泵站工程裂縫成因分析及處治研究

張 誠 張丹青 許 寧

（1.江蘇淮陰水利建設有限公司，江蘇 淮安 223005；2.南京市水利建筑工程有限公司，江蘇 南京 210001；3.淮陰工學院建筑工程學院，江蘇 淮安 223001）

1 裂縫成因分析

1.1 可能產(chǎn)生裂縫的原因

混凝土結(jié)構(gòu)裂縫產(chǎn)生的原因主要有三種：①是由外荷載引起的；②是結(jié)構(gòu)次應力引起的裂縫；③由變形變化引起的裂縫，這是由溫度（水化熱、氣溫、生產(chǎn)熱、太陽輻射等）、濕度（自生收縮、失水干縮、碳化收縮、塑性收縮等）、地基變形（膨脹地基、濕陷地基、地基不均勻沉降等）因素引起的結(jié)構(gòu)變形。當變形受到約束時便產(chǎn)生應力，當此應力超過同齡期混凝土抗拉強度時就產(chǎn)生裂縫。

不論是哪類荷載作用于混凝土，只要拉應力超過混凝土極限強度，或者應變超過極限應變混凝土都將開裂。工程中以變形變化引起的結(jié)構(gòu)物裂縫為主，主要可以概括為：

（1）基巖及老混凝土約束。受堅硬基巖及老混凝土約束是大體積混凝土產(chǎn)生嚴重開裂的主要原因。

（2）施工階段產(chǎn)生的溫度裂縫。大體積混凝土施工階段產(chǎn)生的溫度裂縫，是其內(nèi)部矛盾發(fā)展的結(jié)果。一方面是混凝土由于內(nèi)外溫差產(chǎn)生應力和應變，另一方面是結(jié)構(gòu)的外約束和混凝土各質(zhì)點的約束阻止了這種應變，一旦溫度應力超過混凝土能承受的極限抗拉強度，就會產(chǎn)生不同程度的裂縫。包括水化熱、“內(nèi)約束”、外界氣溫變化的影響。

①水化熱的影響。正常情況下為有效控制裂縫的產(chǎn)生，多采用低發(fā)熱水泥，嚴格控制膠含量中的水泥用量。澆筑初期混凝土的彈性模量和強度都很低，對水泥水化熱急劇溫升引起的變形約束不大，相應的溫度應力比較小，不會產(chǎn)生溫度裂縫。隨著混凝土齡期的增長，其彈性模量和強度相應不斷提高，對混凝土降溫收縮變形的約束也愈來愈強，以至產(chǎn)生很大拉應力。當同齡期混凝土抗拉強度不足以抵抗此拉應力時，便出現(xiàn)溫度裂縫。

②“內(nèi)約束”的影響。一個物體或一個構(gòu)件本身各質(zhì)點之間的相互約束作用，稱為“內(nèi)約束”。沿著一個構(gòu)件截面各點可能有不同的溫度和收縮變形，引起連續(xù)介質(zhì)各點間的內(nèi)約束應力。結(jié)構(gòu)物的裂縫中，非貫穿的表面裂縫占60%～70%。其開裂原因主要是變形變化引起的自約束應力。當各種大體積混凝土厚度大于或等于500mm時，就可能由于水化熱的不均勻降溫和不均勻收縮引起的顯著的自約束應力，導致表面開裂。

③外界氣溫變化的影響。大體積混凝土結(jié)構(gòu)在施工階段，外界氣溫的變化對防止大體積混凝土開裂有著重大影響。因為外界氣溫愈高，混凝土的澆筑溫度也愈高；而如果外界溫度下降，又增加混凝土的降溫幅度，特別是氣溫驟降，會大大增加外層混凝土與內(nèi)部混凝土的溫度梯度，因而會造成過度的溫度應力，易使大體積混凝土出現(xiàn)裂縫。混凝土的內(nèi)部溫度是由水化熱的絕熱溫升、澆筑溫度和結(jié)構(gòu)物的散熱溫度等各種溫度的疊加之和組成，而溫度應力則是由溫差所引起的溫度變形造成的；溫差愈大，溫度應力也愈大。同時，在高溫條件下，大體積混凝土由于厚度大，不易散熱，混凝土內(nèi)部的最高溫度一般可達60～65℃，并且有較長的持續(xù)時間。

（3）干縮裂縫。混凝土表面層水分散失、體積收縮所產(chǎn)生的裂縫為干縮裂縫，一般呈龜裂狀?；炷恋母煽s收水泥品種、集料品種、配合比及環(huán)境等因素的影響。

（4）結(jié)構(gòu)裂縫。結(jié)構(gòu)物應力突變處（如空洞、牛腿等處）易產(chǎn)生裂縫。

（5）基礎(chǔ)不平整及不均勻沉降。部分混凝土裂縫與基礎(chǔ)不平整及基礎(chǔ)不均勻沉降有關(guān)?；A(chǔ)受混凝土自重和荷載的作用將產(chǎn)生沉降，若基礎(chǔ)不均勻，易產(chǎn)生裂縫。

（6）塑性裂縫。塑性裂縫是指混凝土澆灌以后硬化初期尚處于一定的塑性狀態(tài)時，由于沉降動力、失水、毛細管壓力、早期化學收縮以及自收縮等引起的體積變化而產(chǎn)生的裂縫。

1.2 本工程裂縫成因分析

從泵站進水流道3條裂縫的分布和走勢，其形成原因大致應為溫度裂縫、模板干縮與結(jié)構(gòu)裂縫共同作用的結(jié)果。泵站進水流道澆筑于二月份，天氣溫度變化為-2℃～5℃之間，氣溫較低且砼澆筑后的7天內(nèi)有一次低溫寒潮。根據(jù)對砼內(nèi)部溫度的監(jiān)控記錄第三天時砼內(nèi)部的溫度一度達到42℃，相應的溫度應力比較大但其彈性模量和強度已不斷提高，對混凝土降溫收縮變形的約束也愈來愈強，以至產(chǎn)生很大拉應力。①外界氣溫驟降，夜晚氣溫大致為-5℃大大增加外層混凝土與內(nèi)部混凝土的溫度梯度，從而造成過度的溫度應力，所以低溫及混凝土自身的大的水化熱是導致進水流道裂縫的一個主要原因；②裂縫形成在流道的截面突變處，應力應變在結(jié)構(gòu)的變化處釋放，也是其形成的另一個重要原因。

節(jié)制閘8條裂縫從其分布和走勢，其形成原因大致應為溫度裂縫與老混凝土約束共同作用和結(jié)果。閘底板于三月份完畢，而閘墩于五月份完成，其間隔時間相距57天時間。閘底板的收縮變形早已穩(wěn)定，而閘底板順水流方向的長度為30米長度比較長，底板必然約束閘墩的收縮變形，故閘底板的約束是閘墩形成裂縫的主要原因。同時閘墩厚：中墩為1.2m，臨站側(cè)邊墩為0.9m，臨岸側(cè)邊墩為0.9～1.8m。墩頂高程為22.4m，體積較大其溫度裂縫的影響也是裂縫形成的一個重要原因。

站側(cè)下游第一節(jié)翼墻2條裂縫從其分布和走勢，其形成原因大致應為基礎(chǔ)不平整與老混凝土約束共同作用和結(jié)果。站下游第一節(jié)翼墻于三月份澆筑完成，底板長22米，順水流方向底板面高程從▽8.7m（底板底高程▽7.7m）變化至▽10.0m（底板底高程▽9.0m）高差為1.3米，故分塊長度大是其形成裂縫的主要原因。站下游第一節(jié)翼墻墻身于四月份澆筑完畢，與底板完成相差20天，底板的約束也是其形成裂縫的重要原因。

另外，本工程砼澆筑多采用泵送，水泥用量加大，坍落度也較大（一般為13～15cm），這也是產(chǎn)生砼裂縫的一個原因。

2 裂縫修補方案

本工程擬采用SHO-BOND公司的BICS（壁可）法修補裂縫，該施工方法操作方便，并且可靠性好，已在大中型水利工程上多次使用，效果很好。

2.1 表面處理

工具：鋼絲刷、抹布、鋼釬、錘子。施工工序：用鋼絲刷沿裂縫走向清理寬約5厘米范圍內(nèi)的混凝土表面，仔細清除水泥翻沫、苔蘚、灰塵。混凝土表面質(zhì)量不良、縫兩側(cè)有較多細微龜裂的部位，應清理至8～10厘米寬。用錘子和鋼釬鑿除縫兩側(cè)疏松的混凝土塊和砂粒，露出堅實的混凝土表面。用略潮濕的抹布清除表面的浮塵并徹底晾干?；炷帘砻娴挠臀垡媚ú颊罕羶?。如果縫內(nèi)潮濕，要等其充分干燥，必要時可用噴燈烘干。

2.2 粘結(jié)注入座和密封裂縫

材料：封口膠（#101）。包裝形式：一個紅罐（主劑）和一個藍罐（硬化劑）。拌合后的可使用時間：70分鐘（20℃）、40分鐘（30℃）。工具：抹刀（扁鏟，5cm寬）、托灰板、注入座、秤（精確到10克）、螺絲刀。

（1）注入座的粘結(jié)。①用兩把潔凈干燥的抹刀分別取封口膠的兩種成分，放到托灰板上。一次能用完一套整包裝的量時不必稱量，全部混合即可；用量較少時要分別稱量兩種成分，按規(guī)定配比配合（#101的主劑、硬化劑重量比為7：3）。留在罐內(nèi)的兩種成分不得相互接觸，以免發(fā)生反應造成變質(zhì)，并且注意蓋嚴罐蓋。②用抹刀反復混合攪拌膠的兩種成分，使其呈現(xiàn)均勻一致的灰色。③用抹刀取少許膠，刮在注入座底面的四邊，每邊以8mm寬、5mm厚為度。將注入孔對正裂縫中心，稍加力按壓，使膠從底面的四個小孔中擠出。注意注入孔不要被膠堵塞，膠不要粘到注入座頸部的小突起和橡膠圈上，粘好后不要再移動注入座。④一手按住注入座的頂端，防止其移位，另一只手用抹刀取膠將底板的各邊包覆。包覆部分的內(nèi)緣至蓋住4個小孔，外緣擴展至直徑8～10厘米的圓形范圍。完成以后，注入座的藍色底邊應完全被遮蓋?；炷帘砻尜|(zhì)量不良、縫兩側(cè)有較多細微龜裂的部位，應加以特別注意。⑤注入座的布置，應掌握以下原則：沿縫的走向，每米約布置3個；裂縫分岔處的交叉點應設注入座；選混凝土表面平整處設置，避開剝落部位；對墻體的貫通縫，可在一側(cè)布置注入座，另一側(cè)完全封閉；縫寬度較大且內(nèi)部通暢時，可以按每米2個注入座的密度來布置。

（2）裂縫密封。在沿裂縫走向5厘米寬的范圍內(nèi)用抹刀刮抹封口膠，厚度2毫米左右，盡量一次完成，避免反復涂抹?？p兩側(cè)有較多細微龜裂的部位，應抹至8～10厘米寬，并按壓膠的邊緣，消除卷邊?；炷羷兟涮幰畛涿軐?，與注入座銜接的地方要特別注意。封口膠的用量為每延米裂縫200克左右。

2.3 裂縫修補各工序檢驗標準及保證措施

2.3.1 各工序檢驗標準

（1）表面處理。沿裂縫走向?qū)?厘米的范圍內(nèi)無水泥翻沫、灰塵、油污、疏松的混凝土塊、不牢固的砂粒，混凝土表面和縫內(nèi)干燥。

（2）注入座的粘結(jié)。注入座布置正確。封口膠呈均勻一致的灰色。底板的四個小孔中均有膠擠出，底板下無空洞、蜂窩等缺陷。注入孔暢通，注入座頸部的小突起和橡膠圈上沒有附著的膠。

（3）裂縫密封。密封的寬度、厚度大致均勻，無空洞、蜂窩。

（4）注入。各注入座不殘不斷，黃油槍及管路密封良好。注入過程中封口膠密封的部分不滲漏，各注入器均能保持膨脹狀態(tài)。

（5）清洗工具。清洗后的黃油槍活塞、閥門運轉(zhuǎn)靈活，螺紋配合良好，管路通暢。

2.3.2 保證措施

（1）保溫措施。當施工溫度在5～15℃時，密封膠#101及注入膠BL-GROUT應選用W型（冬季用）。原則上應在5℃以上施工。如遇特殊情況需在0～5℃施工時，應采取保溫措施，比如：在工點搭設施工棚，取暖保溫。注意：在0℃以下，不能施工。

（2）勞動保護措施。確認各材料的使用方法、保管方法、管理方法后再施工。進行注入工作時應戴防護眼鏡，如果材料誤入眼內(nèi)，要立即用水沖洗。用丙酮清洗工具時要在通風良好的場所進行，戴橡膠手套，或用毛刷等間接清洗。

3 結(jié)論

（1）經(jīng)過與會專家從裂縫的發(fā)現(xiàn)時間和裂縫形狀分析，認為所發(fā)現(xiàn)的裂縫均為溫度收縮裂縫，根據(jù)觀測資料，裂縫寬度和長度均沒有發(fā)生變化，采用“壁可法”進行修補處理。

（2）嚴格按要求對裂縫進行處理，完成后繼續(xù)進行觀測,至今無異常。監(jiān)理單位對裂縫處理過程進行跟蹤控制并及時驗收。采用缺陷補救措施，實現(xiàn)安全、質(zhì)量、工期及成本的有效控制。

［1］SL319-2005混凝土重力壩設計規(guī)范[S].

［2］DLT5144-2001水工混凝土施工規(guī)范[S].

［3］劉澤俊，張占，李延安，高以寧，黃承運，莊林翠.南水北調(diào)東線睢寧二站流道混凝土溫控防裂措施[J].南水北調(diào)與水利科技,2012(5)：166-169.