泵閘工程大體積混凝土結(jié)構(gòu)裂縫控制關(guān)鍵技術(shù)研究

潘 源

[上海市堤防（泵閘）設(shè)施管理處，上海市200080]

0 引 言

普遍認(rèn)為溫度荷載是導(dǎo)致泵站混凝土結(jié)構(gòu)產(chǎn)生裂縫的主要原因之一[1-3]。泵閘底板、墩墻等結(jié)構(gòu)一般屬于大體積混凝土范疇，澆筑初期由于水泥水化反應(yīng)的作用，混凝土的溫度會(huì)不斷升高，因混凝土各部位散熱能力（或蓄熱能力）的差異，導(dǎo)致混凝土內(nèi)部的溫度分布不均勻，整體上會(huì)表現(xiàn)為混凝土內(nèi)部溫度高于表面溫度，即產(chǎn)生內(nèi)外溫差，由此引起的混凝土內(nèi)各部位變形不一致，通常在混凝土內(nèi)部產(chǎn)生壓應(yīng)力，在表面產(chǎn)生拉應(yīng)力。泵站流道、墩墻結(jié)構(gòu)復(fù)雜，沿長度方向的厚度變化不均勻，在較厚的部位容易產(chǎn)生較大的拉應(yīng)力，同時(shí)在流道漸變段等特殊部位也容易出現(xiàn)表面裂縫。降溫階段，泵站混凝土的收縮變形因受基礎(chǔ)或底板的約束而產(chǎn)生拉應(yīng)力，溫度降幅越大、混凝土彈性模量越大，則約束作用越強(qiáng)，產(chǎn)生的拉應(yīng)力值越大。比如在對(duì)長江流域部分省份水利水電工程的泵站的調(diào)查中可以發(fā)現(xiàn)，大約60%的泵站存在著流道裂縫的問題[4]。上述問題已成為工程業(yè)主、設(shè)計(jì)和施工人員困惑和關(guān)注的重要問題。

目前眾多學(xué)者總結(jié)了泵閘開裂的大體積混凝土開裂因素[5-8]，提出采用延遲拆模、合理分縫、水管冷卻、吊空模板技術(shù)、后澆帶技術(shù)等措施防止泵閘結(jié)構(gòu)開裂。在綜述前人研究工作和工程施工經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，現(xiàn)結(jié)合考慮上海奉賢區(qū)航塘港泵閘結(jié)構(gòu)形式，研究分析航塘港泵閘大體積混凝土結(jié)構(gòu)的溫控防裂綜合措施。

1 工程概況

航塘港項(xiàng)目是連接現(xiàn)航塘港及杭州灣新開河道，打通航塘港，形成區(qū)域重要的排澇通道。在新開河道入杭州灣側(cè)設(shè)泵閘一座，主要建筑物（水閘、泵站、外河翼墻等）為1 級(jí)水工建筑物，其中泵閘規(guī)模：水閘凈寬24 m，泵站單向排澇60 m3/s。

航塘港泵閘工程基礎(chǔ)上部為現(xiàn)澆鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，主要包括底板、墩墻，以及上部建筑結(jié)構(gòu)等。其中泵站底板長33 m,，寬26.3 m，厚度為1.8 m～3.56 m，混凝土強(qiáng)度為C35，工程量1 750 m3。水閘底板長33 m，寬30.2 m，厚度為1.5～2.5 m，混凝土強(qiáng)度為C35，工程量1 951 m3。圖1 為泵閘底板斷面圖。

圖1 泵閘底板斷面圖（單位：mm）

航塘港泵閘泵站及水閘底板、墩墻最小尺寸均超過1.0 m，屬于大體積混凝土結(jié)構(gòu)。同時(shí)，底板基礎(chǔ)為長樁，對(duì)底板約束較強(qiáng)。因此，有必要對(duì)該工程內(nèi)大體積混凝土的溫控抗裂問題展開全面的討論。底板混凝土尺寸如表1 所列。

表1 底板混凝土體積統(tǒng)計(jì)表

2 溫控防裂方法

2.1 材料措施

2.1.1 水泥種類

該工程選用低水化熱水泥，在大體積混凝土中適當(dāng)摻石或采用低標(biāo)號(hào)混凝土以減小混凝土水化熱（摻入量不大于30%，所拋塊石距構(gòu)件邊界的距離不得小于50 cm）。

2.1.2 混凝土配合比要求

根據(jù)設(shè)計(jì)要求進(jìn)行混凝土配合比設(shè)計(jì)，混凝土除應(yīng)滿足抗壓強(qiáng)度、抗?jié)B等要求外，對(duì)混凝土防裂要求較高的部位適當(dāng)摻入混凝土防裂劑或抗裂纖維。該工程在泵閘1.5 m 高程以下部位（底板、側(cè)墻、隔墩及流道等）混凝土中摻加改性高純聚丙烯纖維，提高混凝土抗裂能力，技術(shù)參數(shù)為：

（1）使用摻量：按照1 m3混凝土摻入1 kg 改性高純聚丙烯纖維。

（2）材料：聚丙烯，白色束狀單絲。

（3）纖維性能：抗拉強(qiáng)度≥350 MPa，彈性模量≥3 500 MPa.

（4）斷裂延伸率：10%～30%。

為了保證下層混凝土初凝前上層混凝土及時(shí)覆蓋，擬采取摻加緩凝劑的方式延緩混凝土初凝時(shí)間?；炷脸跄龝r(shí)間適當(dāng)延長有利于降低混凝土水化熱產(chǎn)生溫度峰值。

混凝土配合比設(shè)計(jì)試驗(yàn)報(bào)告待監(jiān)理審批后方可使用。在確定混凝土配合比時(shí)，應(yīng)根據(jù)混凝土的絕熱溫升、溫控施工方案的要求等，提出混凝土制備時(shí)粗細(xì)骨料和拌和用水及入模溫度控制的技術(shù)措施。

2.2 溫控措施

2.2.1 總體溫度控制標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)《大體積混凝土施工規(guī)范》（GB 50496—2018）“3 基本規(guī)定”：

（1）大體積混凝土工程除滿足設(shè)計(jì)規(guī)范、生產(chǎn)工藝的要求和結(jié)構(gòu)配筋滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和構(gòu)造要求外，還結(jié)合大體積混凝土的施工方法配置控制溫度和收縮的構(gòu)造鋼筋。

（2）溫控指標(biāo)符合下列規(guī)定：

a. 混凝土澆筑塊體的里表溫差不大于25℃；

b. 混凝土澆筑體表面與大氣溫差不大于20℃；

c. 進(jìn)水溫度15℃～20℃；

d. 進(jìn)、出水溫差3℃～6℃（參考值）。

2.2.2 冷卻水降溫

2.2.2.1 水管布置形式

航塘港工程閘泵站底板厚度1.8 m，閘室底板厚1.5～2.5 m。根據(jù)《大體積混凝土溫度測(cè)控技術(shù)規(guī)范》（GB/T 51028—2015），當(dāng)混凝土厚度大于2 500 mm時(shí)，宜采用水冷卻方式控制大體積混凝土溫度。

泵閘邊墩最薄處厚度為1.5 m，最厚處厚度為3 m，中墩最薄處厚 度為1.5 m ，最厚處厚度為3 m，且在4 月底澆筑，澆筑溫度較高，采取水冷卻方式控制大體積混凝土的溫度。水冷卻管擬采用多層多回路布置，冷卻水管采用直徑φ40 mm 的鋼管，水平間距與垂直間距均為1 m。流速控制在0.8～1 m/s，水流方向每1-2 d 變換一次最終水管布置如圖2- 4 所示。

圖2 底板冷卻水管布置圖（單位：mm）

圖3 邊墩水管布設(shè)俯視圖（上圖）和側(cè)視圖（下圖）（單位：mm）

圖4 中墩水管布設(shè)俯視圖（上圖）和側(cè)視圖（下圖）（單位：mm）

2.2.2.2 溫度記錄及測(cè)溫曲線

為了全面準(zhǔn)確地反映大體積混凝土內(nèi)最高溫升、里表溫差、降溫速率及環(huán)境溫度，擬在底板、邊墩與中墩內(nèi)部布置溫度測(cè)點(diǎn)。

（1）在大體積混凝土施工過程中，監(jiān)測(cè)混凝土拌合物溫度、內(nèi)部溫度、環(huán)境溫度、冷卻水溫度，同時(shí)監(jiān)控混凝土表里溫差和降溫速率。溫差控制值應(yīng)符合表2 規(guī)定。

表2 混凝土表里溫差控制值一覽表

（2）混凝土入模溫度、表里溫差、降溫速率及環(huán)境溫度的測(cè)量記錄頻次應(yīng)符合下列規(guī)定：a. 混凝土入模溫度的測(cè)量頻次每臺(tái)班不少于2 次；b. 測(cè)溫觀測(cè)頻率前3 天為：1 次/1～2 h，第4～6 天為：1 次/6 h，第7～14 天為：1 次/12 h。

（3）在溫度監(jiān)測(cè)過程中，當(dāng)出現(xiàn)降溫速率、表里溫差超過表2 規(guī)定值時(shí)應(yīng)自動(dòng)報(bào)警，并及時(shí)調(diào)整和優(yōu)化溫控措施。

2.2.2.3 通水冷卻方案

（1）混凝土冷卻水管按1 m 間距布置，按中間偏下布置并固定牢靠。通水流量2～4 m3/h，隨外界氣溫升高加大通水流量。

（2）冷卻水管使用前，按照4 m3/h 的流量進(jìn)行水壓試驗(yàn)，管道不得漏水、阻水；混凝土澆筑開始前即開始通井水，流量為4 m3/h，每隔2 h 變換一次通水方向；如果采取河水應(yīng)保證河水溫度不高于25 ℃，且水質(zhì)清澈不致堵塞管道；待內(nèi)部溫度升到最高溫度3 天后可適當(dāng)減小通水流量，但不得低于2.5 m3/h。

（3）前7 天齡期內(nèi)單日混凝土澆筑體的降溫速率不大于3.0 ℃/d；7～14 天齡期，混凝土澆筑體的降溫速率不大于2.0 ℃/d。

（4）混凝土澆筑完成并具備條件時(shí)，上表面即鋪設(shè)薄膜進(jìn)行保濕，并上覆保溫被。保溫被等效表面放熱系數(shù)不低于20 kJ/m2·h·℃。定時(shí)檢查上表面混凝土的濕度情況，如局部表面較干需要及時(shí)灑水養(yǎng)護(hù)。當(dāng)氣溫低于入倉溫度10 ℃時(shí)，且持續(xù)時(shí)間超過一天，需要在表面加蓋一層保溫板（施工單位需要做好氣溫驟降的保溫預(yù)案）。

（5）水冷卻降溫結(jié)束后，及時(shí)用水泥漿對(duì)冷卻水管進(jìn)行壓漿封堵。

3 結(jié)構(gòu)措施

改善約束措施的主要目的是盡可能地減弱混凝土結(jié)構(gòu)與外部結(jié)構(gòu)、各混凝土結(jié)構(gòu)、混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部等之間的變形不協(xié)調(diào)性。對(duì)于水閘這種特殊的墻體結(jié)構(gòu)而言，來自底板的約束是造成上部閘墩后期開裂的主要原因，而底板對(duì)墻體的約束程度與底板和墻體尺寸、間歇時(shí)間，以及相對(duì)彈性模量密切相關(guān)。底板越長、閘墩越高、間歇時(shí)間越長、底板彈性模量越大，約束作用越明顯。該工程結(jié)構(gòu)措施考慮兩個(gè)方面：

3.1 層間間歇時(shí)間應(yīng)滿足早期防裂等條件

間歇時(shí)間過長，易受氣溫驟降等影響而出現(xiàn)裂縫。此外，長間歇混凝土成為老混凝土對(duì)上層新混凝土約束區(qū)不利，因而提倡短間歇連續(xù)均勻上升。因此，應(yīng)盡量縮短底板與墩墻及進(jìn)水流道混凝土澆筑的間隔時(shí)間。

3.2 設(shè)置后澆帶

當(dāng)墻體澆筑塊長度過長時(shí)，為減弱溫降過程中底板對(duì)其約束，以及減小溫度收縮應(yīng)力，可以將其人為分成兩段或多段澆筑。在澆筑結(jié)束一段時(shí)間后，再用摻有一定量膨脹劑的混凝土將各段連接成整體。通過對(duì)泵閘側(cè)墻設(shè)置垂直河向兩道800 mm 厚后澆帶減少施工期的基礎(chǔ)約束長度來防止溫度裂縫的出現(xiàn)。

4 管理措施

4.1 重視施工前期準(zhǔn)備工作

工程在施工前期應(yīng)該重視混凝土溫度控制方面的準(zhǔn)備工作：一是在設(shè)計(jì)階段就開始溫控方案的優(yōu)化工作（包括配合比優(yōu)化），并將其與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)化工作協(xié)調(diào)開展；二是要重視混凝土溫度控制方面的準(zhǔn)備工作，如制冷機(jī)的安裝調(diào)試，冷卻水管及保溫材料的準(zhǔn)備等等。

在設(shè)計(jì)階段就考慮溫控方案的優(yōu)化，可以在施工招標(biāo)時(shí)就明確施工期的溫控防裂成本，避免施工開始后參建各方因溫控防裂成本問題不斷推諉扯皮，影響施工進(jìn)度和防裂效果。

4.2 提升溫控智能化水平

為了防止裂縫，除了嚴(yán)格控制混凝土溫度外，還需要加強(qiáng)管理、提高混凝土施工質(zhì)量。由于溫控工作的專業(yè)性較強(qiáng)，而施工過程中部分管理人員和部分一線工作人員的認(rèn)知水平和專業(yè)素質(zhì)難以達(dá)到精準(zhǔn)進(jìn)行溫度監(jiān)測(cè)和溫度控制的要求，因此，近年來用自動(dòng)化機(jī)器替代人工進(jìn)行大體積混凝土溫控工作已經(jīng)成為新的趨勢(shì)，提高了施工期溫控管理工作的便利性、精準(zhǔn)性、高效性。

5 結(jié) 論

（1）泵閘溫控防裂應(yīng)著重關(guān)注進(jìn)出口流道、底板、墩墻結(jié)構(gòu)，對(duì)于結(jié)構(gòu)厚度大的位置，應(yīng)結(jié)合通水冷卻措施做好溫控防裂工作，同時(shí)需要嚴(yán)格監(jiān)控混凝土表里溫差和降溫速率。

（2）對(duì)于泵閘大體積混凝土結(jié)構(gòu)，可采用低熱水泥，降低混凝土早期水化熱產(chǎn)生，結(jié)合外摻高純聚丙烯纖維進(jìn)一步提高材料抗裂性能。

（3）盡量縮短底板與墩墻及進(jìn)水流道混凝土澆筑的間隔時(shí)間，同時(shí)通過對(duì)泵閘側(cè)墻設(shè)置后澆帶等措施減少施工期的基礎(chǔ)約束，降低開裂風(fēng)險(xiǎn)。

（4）應(yīng)該提前進(jìn)行溫控方案的優(yōu)化和溫度控制方面的準(zhǔn)備工作，加強(qiáng)施工管理，采用自動(dòng)化機(jī)器，提升大體積混凝土溫度控制管理質(zhì)量。