鄂北地區(qū)水資源配置工程暗涵鋼筋混凝土裂縫控制技術研究與應用

張川 薛永芳 楊耀斌

摘要：為更好地控制鄂北地區(qū)水資源配置工程暗涵混凝土澆筑后墻壁裂縫的產(chǎn)生，通過采取抑制混凝土中堿骨料的反應、優(yōu)化混凝土配合比參數(shù)、調整暗涵結構形式以及加強混凝土溫控等措施，大大提高了混凝土的抗裂性和耐久性，有效控制了鋼筋混凝土裂縫的產(chǎn)生。總結了薄壁結構鋼筋混凝土裂縫控制的全套技術成果，可為類似工程提供施工質量控制的技術思路。

關鍵詞：暗涵混凝土;混凝土裂縫;混凝土配合比;鄂北地區(qū)水資源配置工程

中圖法分類號：TV543文獻標志碼：ADOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2020.11.013

Abstract： In order to better control the cracks of buried concrete culvert in North Hubei Water Transfer Project after placement， four measures were taken such as suppressing reaction of alkali aggregate in concrete， optimizing concrete mix proportion parameters， adjusting the structure of the culvert， and strengthening concrete temperature control， and these measures greatly improved the crack resistance and durability of the concrete， effectively controlled the crack occurrence of reinforced concrete. This paper summarizes the complete set of crack control technical achievements of thin-wall reinforced concrete structure， which can provide technical ideas to improve construction quality control for similar projects.

Key words：culvert concrete; crack of concrete; mix proportion of concrete; North Hubei Water Transfer Project

1 研究背景

鄂北地區(qū)水資源配置工程（以下簡稱“鄂北工程”）是以城鄉(xiāng)生活、工業(yè)供水和唐東地區(qū)農(nóng)業(yè)供水為主，通過退還被城市擠占的農(nóng)業(yè)灌溉和生態(tài)用水量，改善受水地區(qū)農(nóng)業(yè)灌溉和生態(tài)環(huán)境用水條件為任務的一項大型水資源配置工程。工程全線輸水長度約270 km，其中，暗涵是主要結構物之一，占比超過40%，工程投資大。由于工程所處地理環(huán)境和地質條件不同，涵身混凝土的質量會影響整個工程的可靠性和使用壽命，故暗涵混凝土施工質量至關重要。

本文以鄂北工程2016年第5標優(yōu)良暗涵施工為研究對象，在解決暗涵混凝土裂縫施工技術難題的同時，總結出薄壁結構鋼筋混凝土裂縫控制的關鍵施工技術。

2 裂縫成因分析

鄂北工程2015年各標段暗涵均存在裂縫，主要出現(xiàn)在暗涵側邊墻和中隔墻，為豎向裂縫，裂縫位置基本在暗涵順水流向1/3至1/2長度位置?？p寬以0.2～0.3 mm為主，最大0.6 mm，最小0.1 mm;縫長以3.5～4.2 m為主，最短1.8 m。垂直縫以混凝土澆筑分倉處為起點，沿著墻面向上發(fā)展，一般在頂部與墻體結合處結束，分為表面縫和貫穿縫，裂縫具體位置見圖1～2。

根據(jù)現(xiàn)場勘查、調研及收集到的裂縫資料，經(jīng)分析認為裂縫主要為約束裂縫和內外溫差裂縫，主要成因如下：

（1）墻體與底板混凝土澆筑時間間隔過長，最少為15 d，一般超過30 d，甚至60 d以上。下部先澆筑混凝土對上部新澆筑混凝土約束過強，在養(yǎng)護不到位的情況下，容易在新老混凝土結合部位出現(xiàn)垂直方向裂縫。

（2）根據(jù)現(xiàn)場調查及統(tǒng)計資料，頂拱段拆模要等混凝土達到較高的強度要求，因此邊墻和頂拱混凝土澆筑后拆摸時間較長，拆摸前養(yǎng)護難以到位，混凝土硬化期間水化熱得不到及時散發(fā)，導致混凝土內外溫差較大，在暗涵混凝土表面引起拉應力，當拉應力超過混凝土的極限抗拉強度時，混凝土表面產(chǎn)生裂縫。

3 裂縫預防與控制思路

3.1 優(yōu)化混凝土配合比參數(shù)

工程所處的襄陽市棗陽地區(qū)碎石稀缺，卵石均為堿活性骨料，因此堿骨料反應是影響混凝土耐久性的重要原因之一。混凝土堿骨料反應持續(xù)時間久，反應的產(chǎn)物在混凝土內部產(chǎn)生膨脹應力，最終導致混凝土開裂破壞。當骨料選擇有局限時，可摻入一些對堿骨料反應有抑制作用的摻合料，同時控制水泥、外加劑等混凝土原材料的堿含量來預防堿骨料反應破壞。

3.2 調整暗涵結構形式

改變混凝土裂縫的措施之一為“合理選擇結構形式，降低結構約束程度”，原暗涵結構長15 m，將每節(jié)箱涵長度調整為10 m，可進一步減少涵身混凝土裂縫的出現(xiàn)。

3.3 加強混凝土溫控措施

暗涵混凝土澆筑時，水化反應初期，水泥釋放出的大量水化熱積蓄在內部不易散發(fā)，導致內部溫度在一定時間內不斷上升，而結構表面的熱量則散發(fā)較快，因而造成結構內外溫差較大，此時在結構內部產(chǎn)生壓應力，在表面產(chǎn)生拉應力，當溫差產(chǎn)生的拉應力大于混凝土的極限抗拉應力時，便會在結構表面出現(xiàn)溫度裂縫。為防止和控制混凝土溫度裂縫產(chǎn)生、發(fā)展，研究降低混凝土水化熱生成量的措施，可保證暗涵混凝土澆筑質量。

4 裂縫預防措施對比分析

4.1 改善混凝土耐久性

按照SL 352-2006《水工混凝土試驗規(guī)程》和DL/T 5298-2013《水工混凝土抑制堿骨料反應技術規(guī)程》，對拌和站生產(chǎn)的混凝土進行抑制骨料堿活性效能試驗，通過在試驗中摻入粉煤灰來抑制堿骨料反應，試驗成果驗證了堿骨料反應抑制措施的有效性。

結合工程混凝土配合比，試驗時標準試件采用工程現(xiàn)場實際用京蘭P.O42.5水泥和卵石人工破碎制成的砂料，不摻粉煤灰;對比試件采用工程實際用京蘭P.O42.5水泥和卵石人工破碎制成的砂料，分別摻入20%，25%粉煤灰，采用等質量法進行代換。測定其3，7，14 d和28 d膨脹率，依據(jù)DL/T 5151-2014《水工混凝土砂石骨料試驗規(guī)程》評定標準，若28 d齡期對比試件膨脹率小于0.10%，則該摻量下抑制材料對該種骨料的堿骨料反應危害抑制效果評定為有效[1]。

對不同粉煤灰摻量和齡期的砂漿試件進行膨脹率測量，試驗成果見表1。

從表1數(shù)據(jù)分析來看：不摻粉煤灰時，14 d齡期膨脹率均大于0.1%，可判定該骨料為具有潛在危害性反應的活性骨料;通過摻入20%，25%的粉煤灰，14 d及28 d齡期膨脹率均小于0.1%，且隨粉煤灰摻量增大膨脹率降低，說明粉煤灰的抑制效果好。

據(jù)此可將試驗小結如下：28 d齡期對比試件摻20%，25%粉煤灰，其膨脹率均小于0.10%，因此當粉煤灰摻量不小于20%時，可有效抑制該種骨料的堿活性反應危害，同時通過該試驗也證明減少了水泥用量、降低了水化熱，進一步減小混凝土的脹縮量。

4.2 調整暗涵結構形式

鄂北工程2015年各標段的暗涵結構形式均采用C25鋼筋混凝土矩形暗涵，過水面尺寸為2 m×4.5 m × 5.5 m，每節(jié)長度15 m，原暗涵標準結構形式見圖3。采用兩倉澆筑方法，即第一倉底板澆筑，成型高度1.7 m（底板0.8 m+倒角0.4 m+墻身0.5 m）;第二倉側墻頂板澆筑，成型高度5.4 m（墻身4.2 m+倒角0.4 m+頂板0.8 m）。

由于暗涵側墻和頂板混凝土施工采用鋼模臺車，一次澆筑，沒有分倉，且無良好的散熱條件，造成大量水泥水化熱積蓄在混凝土內部難以散發(fā)，從而引起混凝土內部溫度明顯升高。在混凝土內外散熱不均、底板老混凝土約束的情況下，會引起混凝土體積的不均勻變化即溫度變形。當溫度變形受約束不能自由伸縮時，就會引起溫度應力。由于新澆筑的混凝土未達到設計強度，極限拉伸值較低，抗拉強度較小，當溫度應力超過相應齡期混凝土抗拉強度時就會產(chǎn)生溫度約束裂縫[2]。

為降低新老混凝土的約束力，增加混凝土流水向的抗拉強度，同時加快暗涵施工進度，提高暗涵整體性，避免暗涵側墻和頂板再次出現(xiàn)分倉澆筑混凝土情況，經(jīng)討論，將鄂北工程2016年各施工標段中所轄暗涵結構形式均調整為每節(jié)10 m，新暗涵標準結構形式見圖4，同時對暗涵墻身鋼筋布置情況進行優(yōu)化，減少上下倉位混凝土澆筑時間間隔，時間不超過5 d。

4.3 加強混凝土施工的溫度控制

通過分析暗涵裂縫形成原因發(fā)現(xiàn)，其中存在由于內外溫差較大而產(chǎn)生的溫差裂縫。為控制該裂縫成型，選擇了16倉邊墻及頂板混凝土施工，對控制溫差開展了相應的工藝性試驗。

4.3.1 原材料選用

（1）水泥。采用葛洲壩宜城有限公司三峽P.O42.5中熱硅酸鹽水泥，既可滿足混凝土各項性能要求，又可降低混凝土發(fā)熱量，減少溫度裂縫。

（2）細骨料。選用棗陽吉河天然砂，細度模數(shù)2.88。經(jīng)專家論證，細度模數(shù)控制在3±0.2較為合理，能減小混凝土的干縮率。

（3）外加劑。采用湖北聚福德建材科技有限公司生產(chǎn)的高性能減水劑（緩凝劑），可明顯改善混凝土拌和物及硬化混凝土性能，減少用水量、節(jié)約成本、延緩混凝土凝結時間、降低水化熱、提高混凝土的抗凍性和抗?jié)B性。

（4）粉煤灰。采用荊門電廠生產(chǎn)的II級粉煤灰，該粉煤灰中含有大量微珠顆粒，摻入混凝土中能減少水泥需水量，除可抑制粗骨料的堿活性外，還可減少混凝土干縮，既減少了水泥用量，又提高了混凝土的抗裂性能。

4.3.2 優(yōu)化混凝土配合比數(shù)據(jù)

在混凝土凝固硬化過程中發(fā)生了一系列的物理化學反應，伴隨著水泥等產(chǎn)生的水化熱，使混凝土的溫度升高而產(chǎn)生體積膨脹，其后由于水化放熱完畢表層混凝土溫度下降而產(chǎn)生收縮，但其內部混凝土仍處于高溫狀態(tài)，對表層收縮的混凝土產(chǎn)生約束，使混凝土由于溫度變形而發(fā)生了開裂。從配合比角度分析，開裂均與水泥和摻合料的水化熱有關。采用水化熱高、水化放熱速度快的水泥和單方混凝土水泥用量大的配合比，提高了混凝土的絕熱溫升和溫升速度，使產(chǎn)生裂縫的可能性更大。采用水化熱低、水化放熱速度慢的水泥，單方混凝土水泥用量少的配合比，混凝土的絕熱升溫和溫升速度降低，可使混凝土不易出現(xiàn)裂縫。施工前的不同混凝土配合比數(shù)據(jù)對比見表2（混凝土強度等級均為C25）。

從表2可以看出，為降低水化熱，兩種配合比都采用了摻粉煤灰以減少單方混凝土水泥用量。但配合比A中3 h和7 h水化熱都大于配合比B水化熱，且配合比A單方水泥用量也比配合比B大。另外從水灰比方面考慮，由于水灰比大的混凝土比水灰比小的混凝土容易出現(xiàn)裂縫，而配合比A的水灰比大于配合比B的水灰比，因此，最終選用配合比B作為施工配合比，有利于混凝土抗裂[2]。

4.3.3 加強混凝土施工溫度控制

在日平均氣溫連續(xù)3 d高于28 ℃時，或當日氣溫高于35 ℃時，混凝土施工采取高溫控制措施。將混凝土入倉溫度控制在10℃～25 ℃之間，構件內部最高溫度不超過50 ℃，混凝土表面和內部溫差不宜超過22 ℃。在施工中建立混凝土出機口溫度與現(xiàn)場澆筑溫度之間的關系[2]。

（1）原材料溫度控制。為保證高溫季節(jié)砂、石骨料溫度相對較低，在混凝土拌和站搭建砂石骨料大棚，以避免太陽直曬引起砂、石升溫，從而確保原材料相對穩(wěn)定。當大氣溫度高于28 ℃時，混凝土拌和站配備自動噴水設施，對粗骨料進行噴水降溫處理。

（2）混凝土攪拌溫控措施。攪拌機進料時，同時加入砂石骨料、外加劑、水泥和粉煤灰，水滯3 s后進入攪拌機，攪拌時間不少于60 s。混凝土拌和用水均采用地下水，高溫季節(jié)水溫控制在16 ℃～18 ℃。

（3）混凝土運輸溫控措施。在混凝土澆筑施工中，保證混凝土運輸車輛不在中途隨意停留，以最快速度到達施工現(xiàn)場，運輸混凝土的車輛配有隔熱遮陽措施，降低表面溫度，縮短混凝土暴曬時間。

（4）混凝土澆筑。在日氣溫較高的季節(jié)，將混凝土澆筑安排在夜間施工，避開高溫時段。加強溫度測試，控制好混凝土的出機溫度和入倉溫度，確保入倉溫度不超過25 ℃，混凝土內部最高溫度不超過50 ℃，溫度測試時采用在墻體預留測溫孔，孔內灌滿食用油，內插溫度計。在高溫季節(jié)澆筑完畢后的12 h內對混凝土加以覆蓋，并及時灑水養(yǎng)護，保持混凝土表面濕潤，養(yǎng)護時間不少于28 d。

5 裂縫預防與控制成果

優(yōu)良暗涵試驗段已于2018年11月全部施工完畢，評定為優(yōu)良工程，優(yōu)良率達100%，表面均無裂縫，混凝土（強度等級C25）取樣試驗成果統(tǒng)計見表3。

6 主要創(chuàng)新點

（1）針對棗陽地區(qū)堿活性骨料，采取了在混凝土中摻入一定劑量對堿骨料反應有抑制作用的摻合料和控制水泥、外加劑等原材料，順利完成了混凝土抑制堿活性效能試驗，有效提高了暗涵混凝土耐久性和抗裂性能。

（2）采取減小暗涵節(jié)長（由15 m優(yōu)化至10 m）、優(yōu)化混凝土配合比參數(shù)和加強溫控等措施，解決了鄂北工程棗隨段暗涵墻身易出現(xiàn)裂縫的問題。

7 項目成果經(jīng)濟效益及社會效益

7.1 經(jīng)濟效益

（1）節(jié)約施工成本。對比2015年2標、3標、9～13標暗涵施工情況，2015年標段平均每節(jié)暗涵Ⅰ類裂縫4條、Ⅱ～Ⅲ類裂縫3條，每條Ⅰ類裂縫2.86 m、每條Ⅱ～Ⅲ類裂縫3.31 m，但通過對配合比、暗涵結構形式及構造配筋進行優(yōu)化，強化暗涵混凝土溫控等措施，現(xiàn)已基本消除暗涵裂縫。同時，根據(jù)現(xiàn)場實地考察了解，Ⅰ類裂縫處理需要水泥基滲透結晶0.20 kg/m，Ⅱ類、Ⅲ類裂縫處理需要聚氨酯0.60 kg/m。因此，此次暗涵210節(jié)涵身施工節(jié)約成本44.6萬元。

（2）節(jié)約材料成本。截至2018年底，暗涵施工共用卵石67 301 t，其價格為89.0元/t，對比碎石價格105.0元/t，節(jié)約成本134.6萬元。

7.2 社會效益

在鄂北工程暗涵鋼筋混凝土施工中，通過裂縫控制技術的實施和研究，減少了鋼筋混凝土施工中的裂縫出現(xiàn)，避免對鋼筋混凝土結構的修補，加強了結構的可靠性和耐久性，從而實現(xiàn)節(jié)約能耗、減小環(huán)境污染，與國家提倡的綠色節(jié)能建筑施工理念相吻合，更有利于生態(tài)環(huán)境的保護和建筑業(yè)的綠色節(jié)能協(xié)調全面發(fā)展。研究成果可在今后廣泛應用于類似大型水資源配置工程施工中。

參考文獻：

[1] 吳定燕，王海峰，饒美娟. 混凝土骨料堿活性及摻粉煤灰抑制效果研究[J]. 混凝土，2008（1）：69-72.

[2] 郭英杰，張健，呂波. 南水北調暗涵襯砌混凝土裂縫防治經(jīng)驗[J]. 山西建筑，2009（9）：137-138.

（編輯：唐湘茜）