文成高興嶺頭水電站大體積混凝土裂縫控制探究

王伯炯，劉 磊

（浙江省第一水電建設(shè)集團股份有限公司，浙江 杭州 310051）

1 工程的基本情況

文成高興嶺頭水電站是一座裝機容量為1.2 MW的河床式電站，2014年7月起進行廠房施工，于2015年10月封頂。然而，11月發(fā)現(xiàn)廠房樓梯間的防洪墻上存在三處漏水問題，混凝土內(nèi)產(chǎn)生了形似發(fā)絲的豎直裂縫，寬度為0.2 mm～0.3 mm。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，施工方是在夏季澆注廠房大體積混凝土，且現(xiàn)場設(shè)備條件有限，只是進行了正常的澆水養(yǎng)護，卻未采取其他降溫防裂方法。圖1所示為水電站現(xiàn)場施工圖。

圖1 水電站現(xiàn)場施工圖

2 大體積混凝土開裂機理分析

2.1 主要原因

（1）水泥水化熱。水泥水化反應(yīng)過程中會有許多水化熱出現(xiàn)，是大體積混凝土的溫度提高的主因之一。測試表明，普通硅酸鹽水泥釋放熱量每克500 J。因混凝土導(dǎo)熱性能不強，大體積混凝土斷面尺寸較大，在硅結(jié)構(gòu)中水化熱難以散失，造成混凝土內(nèi)部溫度驟然提高。實測數(shù)據(jù)表明，在水利水電工程中主要由水化集熱引起的溫度上升范圍在15℃～25℃，在絕大多數(shù)的建筑工程在20℃～30℃之間。水泥水化熱的溫度之所以提高，是因為水泥類型、混凝土、水泥的用量等因素導(dǎo)致的；在水泥內(nèi)的鋁酸三鈣與硅酸三鈣的含量比較高的情況下，水化熱會更大，并集中于早期；當混凝土內(nèi)水泥用量增加時，水化熱也會隨著變得更加明顯。

（2）收縮裂縫。混凝土收縮變形的影響涵蓋了干縮變形、沉縮變形、水泥的合縮三種:

①混凝土的沉縮變形

混凝土混合物是固體顆粒(水泥和骨料)、水和空氣的混合的三相體系?；炷脸尚秃?，由于混凝土中空氣逸出，固體顆粒相互聯(lián)系，以此構(gòu)造出一個孔隙內(nèi)含水的骨架結(jié)構(gòu)。因為微弱的粒子之間的摩擦，不足以防止粒子之間相互滑動，它們將由于重力繼續(xù)沉降，相互接近，使粒子之間空隙減少。同時，混凝土和外界接觸的表面（包括澆灌層的頂面和模板漏縫）上毛細管抽吸作用會起到加速空隙水排出。由于此類受制沉降的影響，混凝土的體積會慢慢減小，直至水泥水化建立起的結(jié)構(gòu)聯(lián)系無法抑制住粒子下滑為止?；炷恋捏w積由于空隙減小、固體沉降而減縮的現(xiàn)象叫做沉縮[1]。

②混凝土的干縮變形

混凝土硬化后，依舊會存在一些能蒸發(fā)的自由水，如果空氣中環(huán)境相對濕度低于95%，自由水將逐步蒸發(fā)散去。同時，混凝土的體積將出現(xiàn)一定減縮，此類大體積混凝土縮減的現(xiàn)象叫做混凝土的干縮，單位體積混凝土縮減率的1/3稱為干縮率。倘若不予以合理地處理，輕則會造成構(gòu)件表層發(fā)生開裂情況，重則會引起整體斷裂。

③水泥的合縮

水和水泥化合物化合的過程中，真正進入反應(yīng)產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)僅有一小部分，仍需一些水用于對反應(yīng)物結(jié)構(gòu)內(nèi)的空格填補。所以，反應(yīng)產(chǎn)物的分子體積往往小于反應(yīng)物耗費的水的體積與反應(yīng)物的分子體積之和，上述由于化學(xué)結(jié)合的體積減縮現(xiàn)象被稱作合縮。水泥的類型不同，其合縮的量亦會發(fā)生變化。在開展施工工作的過程中，必須盡早對用了合縮明顯的水泥的混凝土進行保濕養(yǎng)護。

2.2 其他原因

大體積混凝土裂縫之所以會產(chǎn)生，主要是因為施工過程中大體積混凝土結(jié)構(gòu)對外界溫度的敏感度較高、外界溫度變幅大引起的[2]。如果室外溫度下降，那么混凝土溫度的降幅也會隨之增加，特別是環(huán)境溫度下降，將大大提高混凝土構(gòu)件溫度梯度，以及相關(guān)的超限溫度應(yīng)力，造成溫度裂縫形成。

3 處理方法

3.1 表面涂刷法

在進行修復(fù)時應(yīng)將水泥漿涂抹在裂縫表面，或?qū)h(huán)氧樹脂類、氰凝、聚氨酯涂抹于裂縫表面，也可以將一些防腐材料涂抹于混凝土表層，如瀝青等，這些方法適用于縫寬小于0.3 mm，且不會影響到結(jié)構(gòu)承載能力的表面裂縫?；炷帘砻娌粌H應(yīng)該干燥，還需要堅實、清潔。表面涂層和玻璃布方法現(xiàn)在常用的聚氨酯涂料或環(huán)氧樹脂膠材料和玻璃布。就拿前者來說吧，在施工過程中必須注意:依據(jù)1.5∶1∶2的重量配比把甲乙組分、聚氨酯、二甲苯攪拌均勻，緊接著將其涂抹于基層表層，但是必須確保涂層的厚薄度勻稱。待第一遍涂抹結(jié)束之后，至少固化5 h，待不粘手的情況下再繼續(xù)進行涂抹，需要涂四五層，總厚度至少為1.5 mm。在第三層與第二層之間設(shè)置玻璃絲布。

3.2 嵌逢封堵法

在封堵裂縫的過程中，經(jīng)常會采取嵌縫法，順著裂縫鑿槽，將剛性或者塑性止水材料嵌填入槽內(nèi)，從而起到封閉裂縫的效果。目前，使用較為頻繁的剛性止水材料有聚合物水泥砂漿等，塑性材料有丁基橡膠、聚氯乙烯膠泥等。

3.3 灌漿法

灌漿法對修補有防滲要求的或者會影響到結(jié)構(gòu)的整體性的混凝土裂縫較為適用，這是因為膠結(jié)材料硬化后同砼構(gòu)成一體，故借助灌漿設(shè)備在混凝土裂縫內(nèi)壓如膠結(jié)材料以此來丟裂縫進行封堵加固，此方法經(jīng)常被水電工程中所采納。灌漿法主要有兩種:①借助低壓灌入器將環(huán)氧樹脂漿液注入到裂縫內(nèi)，封閉裂縫，修補之后不存在任何顯著痕跡；②壓力灌漿，壓力常用 0.2 MPa～0.4 MPa。

4 防治措施

4.1 設(shè)計方面

首先，要科學(xué)設(shè)置出、進水管，進水管內(nèi)必須自帶水位控制閥，盡可能不帶溢流管，否則則需設(shè)置存水管。同時，放空管必須采用間接排水的方式，不得直接連接市政排水設(shè)施。水池（箱）內(nèi)空氣流通，通氣管應(yīng)呈下彎管形或者罩形，人孔盡量采用密閉式。

其次，要不斷優(yōu)化水池（箱）的工藝結(jié)構(gòu)，以防形成死水區(qū)。同時，最好分開建設(shè)生活水池和消防水池。如若合建，則必須采用隔離方式。生活用水可到達消防系統(tǒng)中，然而消防用水不得到達生活用水系統(tǒng)內(nèi)。

4.2 材質(zhì)方面

為了避免水泥內(nèi)有有害成分沉淀，必須制定內(nèi)襯解決方案，確保底部與墻的平整度和光滑度達到要求。在選擇水箱時，宜采取熱浸鍍鋅鋼、裝配式不銹鋼水箱以及搪瓷鋼板水箱，如果應(yīng)用焊接水箱，應(yīng)該做好焊接鋼防腐解決方案，選用不會對水質(zhì)產(chǎn)生影響的防腐蝕涂料，比方說食品級環(huán)氧樹脂等。

通過采用低熱值的水泥和在混凝土單位體積減少水泥的用量方法，使混凝土的水化熱問題得到緩解。為了使單位體積混凝土水泥用量減少，可考慮采取下列幾種方式:

（1）添加外加劑，將粉煤灰摻入到混凝土內(nèi)，使混凝土的水化熱溫升下降、水泥用量減少。

（2）使用低流態(tài)混凝土，一系列實驗結(jié)果顯示，坍落度每下降1 cm，水泥用量就會減少4 kg～6 kg，每立方米混凝土水泥用量縮減10 kg，能使混凝土絕熱溫升大概下降1℃。

（3）將混凝土級配設(shè)計工作做到位，要盡可能使用較大骨料粒徑，使骨料級配得到有效改善。

4.3 施工方面

（1）對混凝土的最高溫度進行控制:減小其澆搗溫度。盡可能選擇春天與秋天對大體積混凝土施工，這樣能夠減小其入模溫度；如果在夏天施工，通過風(fēng)冷法、水冷法對骨料進行降溫。相對而言，中小型項目通常采取的是低溫水拌和，這是因為制冰拌和的成本較高。

（2）對混凝土施工進度與程序進行科學(xué)規(guī)劃:混凝土澆搗施工時要連續(xù)均勻上升、間歇時間段，特別是在基礎(chǔ)約束區(qū)不能有薄層長間歇；與此同時，相隔的塊段高差要滿足相關(guān)標準。

實驗證明，水溫下降1℃時，混凝土出機口溫度大概會下降0.2℃。為了使混凝土水化熱溫升得到有效控制，除卻可采取上文闡述的分層分塊等諸多策略，在必要的情況下可通過埋設(shè)冷水管的方式使混凝土內(nèi)部溫度下降，減少內(nèi)部和外部之間的溫差。冷卻管可以用黑色的管道或軟管，水平和垂直間距一般從1.5 m～1.5 m。早期的冷卻水溫度可以低，持續(xù)時間通常是10 d～15 d，冷卻水流向1 d～2 d轉(zhuǎn)換一次。如此確保混凝土能夠被均勻冷卻，混凝土和中間冷卻水的溫差以20℃～25℃為宜[3]。

5 效果評價

通過采取一系列的溫控手段，在文成高興嶺頭水電站澆筑大體積混凝土施工中，將廠房大體積混凝土的最高溫度管控于設(shè)計允許值范疇中。通過實測數(shù)據(jù)，可以得到如下:

（1）從設(shè)計、材質(zhì)、施工等源頭采取進行高效管控，對出機口的溫度實施系統(tǒng)化地控制，使混凝土原材料的溫度被管控于合理范圍內(nèi)。通過現(xiàn)場的試驗表明，出機口的溫度可降低了0.6℃左右，混凝土骨料的溫度降低了1℃。

（2）加強養(yǎng)護，產(chǎn)生的小氣候內(nèi)的氣溫往往會低于附近環(huán)境氣溫大概6℃，能使混凝土的溫度下降2℃～4℃。

（3）溫度裂縫受到了有力管控，沒有滲水點與裂縫存在，且符合密閉規(guī)定與標準，符合使用及設(shè)計要求。