東岸水閘混凝土澆筑溫應(yīng)力及裂縫控制措施

鐘玉華

（惠州市潼湖水利工程管理中心，廣東 惠州516001）

1 工程概況

東岸水閘位于惠州市潼湖圍東江堤段上，主要任務(wù)是在汛期將潼湖圍內(nèi)洪水排入東江，具有水道短、排澇調(diào)度便利、過流大等優(yōu)點(diǎn)。

東岸水閘始建于1969年，現(xiàn)過閘流量峰值64m3/s，為Ⅳ類閘，需報(bào)廢重建。新建東岸水閘標(biāo)準(zhǔn)為中型水閘，設(shè)置閘孔1孔（凈寬10m），設(shè)計(jì)流量214.4m3/s，防洪設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)50年一遇，排水設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)20年一遇，工程等級(jí)為Ⅲ等。

2 大體積混凝土裂縫成因分析

2.1 大體積混凝土劃分標(biāo)準(zhǔn)

大體積混凝土一般標(biāo)準(zhǔn)為：現(xiàn)場(chǎng)澆筑混凝土尺寸達(dá)一定數(shù)值后，必須采取措施來應(yīng)對(duì)水泥水化產(chǎn)生的熱量及伴隨其發(fā)生的體積變化，以盡量減少溫度裂縫產(chǎn)生［1］。其中日本建筑學(xué)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)定義為：結(jié)構(gòu)斷面最小在80cm以上，同時(shí)水化熱導(dǎo)致混凝土內(nèi)部和外界溫差超過25℃。

我國相關(guān)規(guī)程：混凝土結(jié)構(gòu)物實(shí)體最小尺寸不小于1.0m，或因水泥水化熱引起內(nèi)外溫差過大而導(dǎo)致裂縫的混凝土體［2］。

新建東岸水閘全長128m，涉及到混凝土澆注體積達(dá)8800m3，其中開口箱涵段、啟閉機(jī)室、閘室最小澆筑尺寸均遠(yuǎn)大于1.0m，因此屬于大體積混凝土范疇。

2.2 大體積混凝土裂縫成因

結(jié)合工程實(shí)際和研究成果，大體積混凝土發(fā)生裂縫原因有如下3個(gè)。而通過研究表明：水泥水化熱則是裂縫產(chǎn)生的最主要原因，本文重點(diǎn)對(duì)該成因進(jìn)行分析。

2.2.1 水泥水化熱影響

水泥水化后釋放大量熱量，導(dǎo)致混凝土內(nèi)部溫度升高，內(nèi)部和外部產(chǎn)生溫度應(yīng)力，進(jìn)而造成裂縫產(chǎn)生［3］。

2.2.2 外界溫差變化影響

若外界環(huán)境在短期內(nèi)變化太大，特別是溫度驟降，也會(huì)加大溫度應(yīng)力現(xiàn)象。

2.2.3 混凝土收縮變形

當(dāng)混凝土不斷干燥直至內(nèi)部20%吸附水逸出就會(huì)出現(xiàn)干燥收縮，但表面和內(nèi)部干燥收縮速度不一致，導(dǎo)致表面產(chǎn)生拉應(yīng)力并產(chǎn)生裂縫。

2.2.4 混凝土沉陷裂縫

模板支架變形下沉或過早拆模板易使混凝土發(fā)生裂縫［4］。

3 大體積混凝土內(nèi)部溫度應(yīng)力分析

3.1 東岸水閘混凝土溫度場(chǎng)

從澆筑完工起，由于水化熱作用，大體積混凝土處于一個(gè)動(dòng)態(tài)溫度場(chǎng)中，進(jìn)而引起應(yīng)力變化。

混凝土最初溫度為入模溫度，所有點(diǎn)均一致。隨著澆筑時(shí)間增長，混凝土內(nèi)部和外部溫差ΔT（t）逐漸加大，引起混凝土體積變形。經(jīng)分析，ΔT（t）是由水化熱絕熱溫升T0、入模溫度T（t）、混凝土結(jié)構(gòu)物散熱溫降Ts（t）、外界溫度Ta（t）共同作用而成，如式（1）［5］。

其中，ζ為溫降系數(shù)，根據(jù)混凝土澆筑體厚度和齡期確定。

不同澆筑體厚度和澆筑齡期與混凝土溫降系數(shù)ζ值關(guān)系如表1［6］。

表1 不同澆筑體厚度與混凝土溫降系數(shù)ζ值關(guān)系

由表1數(shù)據(jù)可知：同一個(gè)澆筑厚度下，ζ值隨著澆筑齡期d的增長而逐步減??；當(dāng)相同的澆筑齡期下，ζ值隨著澆筑厚度的增大也會(huì)逐漸增大。

3.2 東岸水閘混凝土澆筑體溫度應(yīng)力

3.2.1 溫度場(chǎng)觀測(cè)結(jié)果

為測(cè)定東岸水閘大體積混凝土澆筑體的溫度及應(yīng)力動(dòng)態(tài)變化，將溫度及應(yīng)力傳感器安設(shè)在開口箱涵段澆筑底板表面、中心、底面，以測(cè)定不同部位、不同齡期澆筑混凝土的溫度值和應(yīng)力值。通過觀測(cè)，得出開口箱涵段各部分溫度變化與澆筑齡期d之間的關(guān)系曲線如圖1。

圖1 混凝土溫度與澆筑齡期d的關(guān)系

由圖1曲線可知，澆筑混凝土上表面初始溫度最低，且溫度一直呈現(xiàn)降低趨勢(shì)，并在澆筑完10d降低至環(huán)境溫度；中心溫度則初期呈現(xiàn)急劇上升，于澆筑第3d達(dá)到峰值75℃，之后急劇下降；下表面由于散熱性差，溫度呈現(xiàn)緩慢上升之后緩慢下降狀態(tài)。最終均在30d后溫度保持穩(wěn)定。

3.2.2 溫度應(yīng)力

本項(xiàng)目采用混凝土等級(jí)為C30，水泥用量較大，達(dá)530kg/m3，為保證結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和控制裂縫，配筋率較高，為簡(jiǎn)化計(jì)算，本工程不考慮底底模的約束力。

澆筑混凝土溫差所產(chǎn)生的最大溫度應(yīng)力σmax計(jì)算如式（2）。

式中 α為混凝土線膨脹系數(shù)，1.0×10-5；coshβ為雙曲余弦函數(shù)；L為澆筑體結(jié)構(gòu)長度；Et為混凝土各齡期對(duì)應(yīng)的彈性模量；T為結(jié)構(gòu)計(jì)算溫度；s為混凝土應(yīng)力松弛系數(shù)。

經(jīng)計(jì)算本項(xiàng)目最大溫度應(yīng)力產(chǎn)生于中心位置，σmax=1.18MPa，該值小于混凝土30d齡期抗拉強(qiáng)度（1.89MPa），所以判斷不會(huì)因收縮應(yīng)力而產(chǎn)生收縮裂縫。

經(jīng)應(yīng)力傳感器數(shù)據(jù)，得出各位置應(yīng)變隨混凝土齡期d的關(guān)系曲線如圖2。

圖2 應(yīng)變隨混凝土齡期d的關(guān)系

由圖2中數(shù)據(jù)可知：上表面應(yīng)變最大，在齡期10d時(shí)達(dá)-50；中心應(yīng)變和下表面應(yīng)變均在齡期5d時(shí)達(dá)最大值42。因此上表面是出現(xiàn)溫度應(yīng)力導(dǎo)致裂縫的危險(xiǎn)區(qū)域。

4 混凝土溫度裂縫控制分析

4.1 優(yōu)化配合比并降低水泥用量

本項(xiàng)目摻入總量15%的粉煤灰后可將水化熱降低15%，效果顯著。

4.2 砂、骨料含泥量越大，越容易產(chǎn)生裂縫

砂料按照對(duì)混凝土收縮裂縫的影響程度從大到小依次為：河砂＞陸砂＞海砂＞山砂；而骨料影響排序?yàn)椋荷剿槭竞拥[石＞石灰石碎石。因此本項(xiàng)目選用山砂和石灰石碎石進(jìn)行混凝土制備。

4.3 溫度較低時(shí)段施工

采用分層澆筑時(shí)（每層厚度3～5m），每層的中下部澆筑在早晚進(jìn)行，表面部位在白天澆筑。同時(shí)控制各層間的澆筑間歇期，一般為7～15d。

4.4 降低混凝土入倉溫度

控制混凝土澆筑溫度平均低于環(huán)境氣溫+5℃。為保證質(zhì)量，并采用冷卻水管幫助混凝土降溫，其水平和上下層基本間距均為1.0m，間距誤差低于±0.05m。

5 結(jié)語

（1）大體積混凝土裂縫控制難點(diǎn)就在于溫度應(yīng)力控制，涉及到眾多影響因素，其中水泥水化熱是重點(diǎn)。

（2）通過東岸水閘混凝土澆筑體的應(yīng)力場(chǎng)，得到了澆筑體上表面是溫度應(yīng)力裂縫的危險(xiǎn)區(qū)域，并制定了應(yīng)對(duì)措施。

（3）該水閘投入使用后，多年監(jiān)測(cè)并未發(fā)現(xiàn)各澆筑結(jié)構(gòu)損壞和變形，溫度力裂縫得到了較好控制，也給類似工程提供了成功經(jīng)驗(yàn)。

參考文獻(xiàn)：

［1］龔劍，李宏偉.大體積混凝土施工中的裂縫控制［J］.施工技術(shù)，2012，41（6）：28-32.

［2］林一，王凱，高榮雄.大體積混凝土裂縫控制研究［J］.土木工程與管理學(xué)報(bào)，2011，28（3）：35-39.

［3］孫曉虎，齊劍，張軍.大體積混凝土裂縫控制技術(shù)在工程中的應(yīng)用［J］.混凝土，2008（8）：105-108.

［4］康德君，李永斌，李勇軍，等.大體積混凝土裂縫控制和施工設(shè)計(jì)［J］.混凝土，2005（10）：88-91.

［5］劉京紅，梁鉦，劉曉華，等.大體積混凝土施工中的溫度監(jiān)測(cè)及裂縫控制［J］.河北農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2008（2）：106-109.

［6］楊和禮.基礎(chǔ)大體積混凝土裂縫的控制［J］.武漢大學(xué)學(xué)報(bào)（工學(xué)版），2007（S1）：349-354.