船閘大體積混凝土裂縫防治技術(shù)研究與應(yīng)用

徐文吉

（中交二航局第三工程有限公司，江蘇鎮(zhèn)江212000）

0 引言

船閘工程多為大體積混凝土結(jié)構(gòu)，大體積混凝土本就裂縫多發(fā)且難以防治，再加上船閘結(jié)構(gòu)自身的一些構(gòu)造特點(diǎn)及施工工藝的問題，船閘結(jié)構(gòu)的裂縫問題更為突出，若處置不當(dāng)，將會(huì)給船閘結(jié)構(gòu)的耐久性造成嚴(yán)重的影響，因此船閘大體積混凝土裂縫防治是船閘工程施工質(zhì)量控制的一項(xiàng)重要工作。

1 易出現(xiàn)裂縫的位置

1.1 閘室、閘首底板裂縫

閘室、閘首底板通常體積較大，結(jié)構(gòu)尺寸通常為厚2m 左右、寬15m 左右，長(zhǎng)度30m 左右，施工時(shí)一塊底板分三次澆筑完成（中底板、兩塊邊底板），澆筑完成按照正常工藝養(yǎng)護(hù)拆模后，底板側(cè)面往往會(huì)出現(xiàn)裂縫，裂縫呈現(xiàn)不均勻分布，在混凝土結(jié)構(gòu)側(cè)面裂縫基本為豎向裂縫，裂縫長(zhǎng)度基本與底板的高度相同。

1.2 閘墻倒角、墻身裂縫

閘室墻每段長(zhǎng)度多為15m 左右，閘室施工時(shí)工藝順序基本為先澆筑底板，后澆筑閘墻倒角，再整體一次澆筑閘室墻身。閘墻倒角及閘室墻身澆筑完成后，出現(xiàn)裂縫的情況也很多。閘室倒角出現(xiàn)裂縫多在閘墻長(zhǎng)度三等分或四等分的位置，裂縫沿豎直方向發(fā)展，每段倒角出現(xiàn)的裂縫為2～3 條。閘室墻身的裂縫也比較常見，閘室墻身裂縫從倒角接觸面開始豎直向上發(fā)展，裂縫出現(xiàn)的規(guī)律為上寬下窄。

1.3 閘首邊墩裂縫

閘首邊墩除廊道頂板外，其余部位結(jié)構(gòu)斷面尺寸相對(duì)較薄，且結(jié)構(gòu)斷面尺寸變化也較大，閘首邊墩裂縫多出現(xiàn)在閘首頭部環(huán)形輸水廊道外側(cè)拐彎段，閥門井處等斷面薄弱部位，裂縫基本為豎向裂縫。

1.4 閘室底板后期裂縫

部分閘室結(jié)構(gòu)閘室底板未設(shè)置后澆帶，整塊底板為一次性澆筑完成，底板澆筑完成后依次澆筑閘墻倒角及閘室墻身。在閘室墻身澆筑完成后，閘室底板在距閘墻倒角底邊線2～3m 的位置出現(xiàn)縱向裂縫，裂縫長(zhǎng)度沿閘室縱向全長(zhǎng)布置，裂縫寬度比其他部位出現(xiàn)的裂縫寬。

2 裂縫產(chǎn)生的原因

2.1 閘室、閘首底板裂縫產(chǎn)生的主要原因

閘室、閘首底板均為大體積混凝土結(jié)構(gòu)，施工時(shí)結(jié)構(gòu)本身不受外部約束等因素的影響，底板混凝土采用正常的工藝施工，未采取內(nèi)部降溫措施的情況下，內(nèi)外溫差能達(dá)到40℃以上，根據(jù)相關(guān)規(guī)范要求，通常大體積混凝土內(nèi)外溫差不宜超過25℃，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果已超出規(guī)范要求。在無其他外部影響因素的情況下，可以判斷裂縫產(chǎn)生的原因主要為內(nèi)外溫差過大，導(dǎo)致溫度裂縫。產(chǎn)生機(jī)理：混凝土中水泥在凝結(jié)硬化過程中會(huì)產(chǎn)生水化熱，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，其后由于水化熱釋放完畢，混凝土的溫度下降，表層混凝土因溫度下降而產(chǎn)生收縮，但內(nèi)部混凝土仍處于溫度膨脹狀態(tài)，內(nèi)部的混凝土產(chǎn)生壓應(yīng)力，表層的混凝土產(chǎn)生拉應(yīng)力，當(dāng)溫度應(yīng)力超過混凝土的抗拉強(qiáng)度時(shí)，混凝土就會(huì)產(chǎn)生開裂[1]。另外，環(huán)境溫度對(duì)混凝土開裂也會(huì)造成很大影響，尤其是環(huán)境溫度較低時(shí)。因環(huán)境溫度較低導(dǎo)致表層混凝土溫度降低更快，加劇了混凝土結(jié)構(gòu)的內(nèi)外溫差，更易導(dǎo)致結(jié)構(gòu)產(chǎn)生裂縫。

2.2 閘墻倒角裂縫產(chǎn)生的主要原因

閘墻墻身及倒角混凝土本身也是大體積混凝土，閘墻結(jié)構(gòu)施工完成產(chǎn)生裂縫，大體積混凝土內(nèi)外溫差是其產(chǎn)生裂縫的一個(gè)原因。但通過相同結(jié)構(gòu)、不同的工程項(xiàng)目，采用不同的施工工藝發(fā)現(xiàn)：閘室底板和閘墻倒角分開間隔一段時(shí)間澆筑，施工完成后，閘墻墻身倒角出現(xiàn)的豎向裂縫較多；閘室底板和閘墻倒角采用一次澆筑工藝，施工完成后，閘墻墻身倒角出現(xiàn)的豎向裂縫較少。綜合大體積混凝土施工及各種工藝施工的結(jié)構(gòu)出現(xiàn)裂縫的情況分析，裂縫的產(chǎn)生是混凝土結(jié)構(gòu)的內(nèi)外溫差和混凝土自身收縮綜合作用的結(jié)果[2]。

內(nèi)外溫差變形受外部約束的影響：混凝土澆筑完成后由于水泥水化熱，混凝土溫度升高產(chǎn)生膨脹，但受到底板的約束；降溫后混凝土轉(zhuǎn)變?yōu)槭湛s，同樣受到底板的約束而產(chǎn)生平行于構(gòu)件軸向的拉力，而產(chǎn)生裂縫。

混凝土自身受外部約束的影響：混凝土在凝結(jié)過程中水泥的水化反應(yīng)和混凝土內(nèi)自由水的蒸發(fā)都會(huì)引起混凝土自身收縮。由于間隔澆筑，閘墻倒角、墻身混凝土收縮時(shí)，底板混凝土已經(jīng)基本收縮完成，就會(huì)對(duì)閘墻倒角、墻身混凝土的收縮產(chǎn)生約束，導(dǎo)致閘墻倒角、墻身混凝土開裂。

2.3 閘首邊墩裂縫產(chǎn)生的主要原因

閘首邊墩混凝土也屬于大體積混凝土，其混凝土澆筑后不可避免地也會(huì)產(chǎn)生內(nèi)外溫差及混凝土收縮，這些都是其開裂的部分原因，但是根據(jù)幾個(gè)類似項(xiàng)目實(shí)施情況觀察發(fā)現(xiàn)：閘首邊墩的裂縫主要分布在結(jié)構(gòu)截面變化較大的位置，以及閥門井等預(yù)留了二次澆筑混凝土導(dǎo)致結(jié)構(gòu)薄弱的地方，裂縫基本為豎向裂縫。結(jié)合裂縫出現(xiàn)的位置分析，閘首邊墩裂縫是混凝土內(nèi)外溫差，自身收縮及應(yīng)力集中綜合作用的結(jié)果。

2.4 閘室底板裂縫產(chǎn)生的原因

通常閘室底板上會(huì)設(shè)兩條后澆帶，將底板分成三塊，待閘室墻身施工完成且沉降穩(wěn)定后，再澆筑后澆帶混凝土。某項(xiàng)目地質(zhì)條件較好，設(shè)計(jì)經(jīng)分析計(jì)算后，認(rèn)為沉降較少而未設(shè)后澆帶，底板施工時(shí)一次澆筑完成，而后逐步澆筑完成墻身施工。在閘室墻身施工前，底板頂面未見有裂縫，待墻身混凝土澆筑完成后，發(fā)現(xiàn)底板兩端局閘墻倒角底邊線2～3m 的地方，出現(xiàn)沿閘室軸線通長(zhǎng)的裂縫。結(jié)合裂縫出現(xiàn)的時(shí)間及以往相同項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)分析，該裂縫為閘室底板增加了墻身荷載后產(chǎn)生的應(yīng)力裂縫。

3 防治措施及效果

3.1 閘首、閘室底板裂縫的防治措施

閘首、閘室底板施工時(shí)基本不受外部條件的約束，其裂縫的產(chǎn)生主要原因在于混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)外溫差過大，溫度應(yīng)力超過混凝土的抗拉強(qiáng)度，造成混凝土開裂。該類裂縫防治的主要任務(wù)是控制溫差，具體為：降低混凝土內(nèi)部溫度，減小總溫差；提高混凝土表面溫度，降低內(nèi)外溫差；延緩混凝土降溫速度，充分發(fā)揮混凝土的徐變特性。

溫控的具體措施主要有：選用低水化熱的水泥，并以部分粉煤灰、礦粉置換水泥；盡量降低單方混凝土中水泥用量，使用緩凝劑；降低混凝土的澆筑溫度；在混凝土內(nèi)部埋設(shè)冷卻管，通冷卻水降溫；混凝土表面蓄熱保溫養(yǎng)護(hù)；降低混凝土的坍落度等等。結(jié)合船閘工程閘室、閘首施工的特點(diǎn)，選用埋冷卻管和混凝土表面蓄熱養(yǎng)護(hù)，降低混凝土內(nèi)外溫差的方法，成本較高，不夠經(jīng)濟(jì)且難以實(shí)現(xiàn)。綜合考慮從剩余其他幾個(gè)方面入手，降低混凝土內(nèi)外溫差，防止溫度裂縫發(fā)生[3]。

具體措施如下：優(yōu)化配合比，摻粉煤灰和礦粉、減少水泥單位用量；摻高效減水劑，減少單位用水量；改變傳統(tǒng)泵送澆筑工藝為料斗吊運(yùn)入倉的澆筑工藝，最大限度地降低坍落度（混凝土坍落度由16cm 降低到8cm）；攪拌站設(shè)置冷水機(jī)組，夏季施工混凝土攪拌時(shí)，采用冷水?dāng)嚢杞档突炷寥肽囟龋炷翝仓r(shí)采用分層分塊的澆筑方式，降低澆筑速度和澆筑層的厚度，同時(shí)設(shè)置倉面噴霧機(jī)噴霧，利用澆筑層面散熱等。通過以上綜合措施的應(yīng)用，后期澆筑的底板混凝土溫度裂縫明顯減少，裂縫數(shù)量減少50%以上，取得較好的效果。

3.2 閘墻倒角裂縫的防治措施

閘墻倒角混凝土裂縫是混凝土內(nèi)外溫差及收縮綜合作用的結(jié)果，其中混凝土收縮到約束是該位置混凝土開裂的主要原因，防治措施除上述降低混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)外溫差外，主要是想辦法解除或是減少外部對(duì)混凝土收縮的約束，具體措施如下：一是改變施工順序，將原來的閘室底板和閘墻倒角分開澆筑工藝，改為閘室底板和閘墻倒角一次性澆筑，讓倒角混凝土的收縮和底板混凝土的收縮一致，解除底板混凝土對(duì)倒角混凝土收縮的約束。二是在閘室倒角長(zhǎng)度方向設(shè)置兩條后澆帶，將閘墻倒角分成三段，待倒角混凝土澆筑完成，養(yǎng)護(hù)期結(jié)束后，再用微膨脹混凝土澆筑后澆帶，減少底板對(duì)倒角混凝土收縮的約束。以上兩種措施在不同的項(xiàng)目上實(shí)施過，通過各個(gè)工程實(shí)施情況看：采用倒角和底板一次澆筑工藝的措施，倒角裂縫沒能完全避免，但裂縫數(shù)量明顯減少；采用設(shè)置后澆帶的措施，倒角施工完成，基本沒有出現(xiàn)裂縫，裂縫防治效果最好，但該工藝相對(duì)較為煩瑣。

3.3 閘首邊墩裂縫的防治措施

閘首邊墩出現(xiàn)裂縫的原因主要為結(jié)構(gòu)突變，導(dǎo)致應(yīng)力集中。針對(duì)此類情況，采取設(shè)置后澆帶的措施，即在結(jié)構(gòu)突變、薄弱的地方設(shè)置1m 寬的后澆帶，待結(jié)構(gòu)全部澆筑完成，養(yǎng)護(hù)期結(jié)束后，再用微膨脹混凝土澆筑后澆帶。通過不同項(xiàng)目的實(shí)施情況看，該措施的實(shí)施也基本避免了應(yīng)力集中位置裂縫的出現(xiàn)。

3.4 閘室底板后期裂縫的防治措施

閘室底板后期裂縫主要為閘室墻身澆筑后，荷載增加引起的應(yīng)力裂縫。要避免此類裂縫，可在閘室底板設(shè)置施工寬縫，將底板分成三塊，待閘室墻身澆筑完成且沉降穩(wěn)定后，再澆筑施工寬縫，將底板連成整體。通過不同項(xiàng)目的實(shí)施情況來看，也證明了在底板設(shè)置施工寬縫基本能避免底板應(yīng)力裂縫的出現(xiàn)。但施工過程中也需注意：在閘室內(nèi)未充水之前，必須保證地下水位始終在底板以下，不得讓水位上漲，使底板受到浮托力。

4 結(jié)語

船閘大體積混凝土裂縫是船閘工程中比較常見的現(xiàn)象。導(dǎo)致裂縫的原因有很多，其性質(zhì)、產(chǎn)生機(jī)理及預(yù)防措施也各不相同，裂縫防治也比較困難。船閘大體積混凝土的裂縫防治是一項(xiàng)比較復(fù)雜的技術(shù)，現(xiàn)階段雖不能完全控制、避免裂縫的出現(xiàn)，但只要找準(zhǔn)不同結(jié)構(gòu)各個(gè)部位出現(xiàn)裂縫的原因，綜合應(yīng)用各項(xiàng)有針對(duì)性的措施，同時(shí)注意施工過程中細(xì)節(jié)的把控，就能有效地減輕、控制大體積混凝土的裂縫問題。