某電站大體積混凝土裂縫成因分析

楊榮勝

(中廣核工程有限公司，廣東深圳 518000)

0 引言

隨著近代鋼筋混凝土規模的日趨增大，結構形式日趨復雜，結構材料日趨高強化，超長超寬超厚的大體積混凝土工程大量涌現，大體積混凝土裂縫的出現已成為普遍現象，裂縫形成的原因也多種多樣。目前雖然有不少學者對大體積混凝土裂縫產生的原因進行了探索，但在國內外有關的參考文獻中大同小異，都是憑經驗編制的，各國的執行情況也出入較大，研究資料及應用軟件尚不成熟，由于建設的急需，工程實踐走在理論研究和規范的前面。因此，通過具體的工程實例去探討裂縫產生的原因對類似工程裂縫形成的原因分析具有一定參考價值。

1 概述

某電站設有兩座循環水泵房，每座水泵房基礎為大體積混凝土筏形基礎，其平面尺寸為95 400 mm×55 550 mm，共12軸，在中心位置軸線⑥和軸線⑦之間設有20 mm的沉降縫，筏基除了個別集水坑底板厚度為1 000 m，其余部位筏基厚度最薄為3 000 mm;筏基與地基之間鋪設一層PE膜滑動層。混凝土澆筑采用分塊分層澆筑，其垂直施工縫劃分及分塊圖見圖1;水平施工縫的劃分見圖2，由于筏基混凝土裂縫在每個分塊區域均普遍存在，因此，對任意分塊進行分析研究都具有代表性意義，本次選擇了⑨軸～○12軸與?軸～?軸之間分塊(即第二分塊)進行了分析。

圖1 第二層混凝土澆筑平面分塊圖

圖2 混凝土澆筑分層圖

2 混凝土施工情況

2.1 混凝土原材料及其配合比

水:采用自來水。水泥:采用廣東珠江水泥P.Ⅱ425。砂碎:采用人工機制碎石，顆粒粒徑為5 mm～31.5 mm。粉煤灰:采用Ⅰ級粉煤灰，產地:珠海電廠。超細礦粉產地:廣東韶鋼廠。減水劑:采用聚羧酸系高效減水劑，型號:WS-PC。混凝土配合比如表1所示。

表1 C45W12混凝土配合比 kg

坍落度為180 mm±30 mm;混凝土的入模溫度為25.8℃。

2.2 混凝土養護

混凝土頂面用土工布覆蓋并灑水養護，側墻帶模養護3 d后拆除模板，側模拆除后懸掛土工布遮蓋并灑水養護;養護期為14 d。經現場觀測，養護期間混凝土內部在3 d內達到最大溫度為65℃。

2.3 裂縫情況描述

第一層混凝土澆筑完成后未見裂縫產生，第二層混凝土澆筑完成拆模后發現裂縫的分布情況統計見圖3，圖4，裂縫寬度統計見表2。

圖3 第二層混凝土裂縫分布情況

圖4 現場裂縫照片

3 裂縫形成機理分析

通過對筏基裂縫觀測，第一層混凝土未見裂縫;而第二層混凝土養護3 d后拆除側模時未見裂縫，當拆除1 d～2 d后，發現側面出現大量沿厚度方向的貫穿裂縫，裂縫間距為500 mm～1 000 mm不等，裂縫寬度見表2，最大裂縫寬度小于0.2 mm。下面主要對裂縫形成機理進行了分析。

表2 裂縫寬度表

第一層混凝土與地基之間鋪設一層PE膜，大大地減少了地基對混凝土的約束作用，當混凝土發生溫度變形時，地基對混凝土的約束力很小，可忽略不計，因此，第一層混凝土可認為為自由滑動的無約束體，由溫度引起的變形見圖5。

圖5 第一層混凝土無約束自由伸縮變形

由于第一層混凝土基本上未受到外界的約束作用，混凝土在溫度及收縮變形時可以自由伸縮，即由外部約束產生的主拉應力σxmax=0＜ft，因此，混凝土在溫度收縮變形過程中未產生裂縫。

第二層混凝土與第一層混凝土的澆筑時間間隔為1個月左右，在第二層混凝土澆筑前對第一層混凝土頂面進行鑿毛處理，使得兩層混凝土接觸面能牢固粘結;第二層混凝土澆筑后，由于水泥水化產生的水化熱導致混凝土內溫度上升很快，通過現場設點觀測，3 d內溫度達到最大值約65℃，然后溫度按小于2℃/d的幅度降低，根據現場的情況，在3 d后進行了側模拆除，在側模拆除后采用土工布覆蓋澆冷水養護，由于側模拆除后第二層筏基側墻面全部暴露在空氣中，并且采用溫度較低的自來水進行養護，表面溫度降低較快，從而第二層混凝土由于溫度下降而產生收縮變形，在收縮變形過程中，由于受到第一層混凝土的連續約束作用，從而在兩層混凝土的接觸面上產生剪力τ，在第二層混凝土中產生拉應力σx，相應地在第一層混凝土中產生了壓應力，同時分別產生了拉壓變形。第二層混凝土所產生的總變形應等于無約束時的自由變形扣除約束變形，見圖6。

圖6 第二層混凝土溫度變形與約束變形的關系

假如在混凝土澆筑質量均勻且兩層之間界面約束阻力系數一定的情況下(處于理想狀態)，第二層混凝土受到的連續約束而產生的約束主拉應力可按下式考慮:

其中，Cx為水平約束系數;H為混凝土厚度，m;L為混凝土寬度或長度，m。由式(1)可以看出，水平正應力σx主要與溫度變化T，L有關，當L一定時，隨著T的變化，σx隨x呈余弦變化(見圖7)，由于施工等原因導致混凝土澆筑后的混凝土質量不均勻性，因此不同位置的混凝土的抗拉強度也不同，如A，B兩點所產生的主拉水平應力 σx，A＞ ft，A和 σx，B＞ ft，B時，且混凝土的拉伸變形分別達到各自極限拉伸變形時(εA= εp，A，εB= εp，B)，在 A，B 兩點出現第一批裂縫，同時混凝土塊被分成三塊，水平主拉應力重分布，其每塊又有了自己的水平應力分布，且其圖形完全相似，其值由于長度的減少而降低，見圖8。同理隨著溫度變化量的增加，各點的水平應力也隨之增加，當某些點的值超過了抗拉強度，則第二批裂縫相繼產生，每塊板再分塊，同時約束水平主拉應力重新分布，且其圖形完全相似。如圖9所示為C，D，E，F點相應的水平拉應力大于其混凝土的抗拉強度而新增的裂縫及應力分布圖。如此持續下去一直到最后那塊板中的各點水平應力不大于抗拉強度，裂縫便穩定，不再增加。

圖7 第二層混凝土水平正應力σx分布

圖8 A，B兩點開裂后σx（水平正應力）的分布

圖9 C，D，E，F點開裂后σx（水平正應力）的分布

4 結語

通過對某電站大體積混凝土裂縫形成機理的分析可知，溫度收縮裂縫已成為大體積混凝土中普遍存在的現象，其裂縫形成主要與溫度變化量、混凝土L/H比及外部約束作用有關，為類似裂縫的防治指明了方向，為今后類似的工程中裂縫的成因分析提供參考。

[1]王鐵夢.工程結構裂縫控制[M］.北京:中國建筑工業出版社，2007.

[2]滕智明.鋼筋混凝土基本構件[M］.北京:清華大學出版社，2001.

[3]朱伯芳.大體積混凝土溫度應力及溫度控制[M］.北京:中國電力出版社，1999.

[4]中國冶金建筑協會.大體積混凝土施工規范[M］.北京:中國計劃出版社，2009.