淺析溪洛渡拱壩混凝土龜裂的成因及防止措施

敬和平，陳 艾，何鵬飛

(四川二灘國際工程咨詢有限責任公司，四川成都 610072)

1 前 言

溪洛渡水電站大壩混凝土量約700萬m3，大壩為雙曲拱壩，受力條件較為復雜，混凝土抗裂性能要求高于其它壩型。在滿足設計和施工要求的前提下，混凝土施工配合比應盡可能降低單位用水量和膠凝材用量，以降低混凝土水化溫升，提高混凝土抗裂性能，減少裂縫的產生。但在11號壩段－10倉、18號壩段－17倉澆筑過程中出現了混凝土龜裂現象。本文通過對混凝土生產澆筑環境及混凝土自身因素的分析，以期達到有效控制混凝土龜裂的目的。

2 龜裂情況描述

在溪洛渡大壩澆筑的11號壩段－10倉、18號壩段－17倉混凝土凝結初期相繼出現了表面龜裂，通過對龜裂的現場查看，發現出現的龜裂紋有相同特點:(1)出現龜裂的混凝土倉面均是在高溫時段來臨前澆筑完成的，在凝結過程中經歷了中午的高溫時段;(2)龜裂現象均處于相對較低的倉面;(3)龜裂紋的形狀、長度、分布基本相似;(4)出現龜裂的混凝土均為全級配混凝土。

倉面出現的龜裂紋形狀大致可以分為兩種:一種是成長條狀分布，最長的可達2m左右，深度可達2～5cm，這類裂紋主要出現在同一倉面相對較高位置和高處向低洼區域延伸的位置;另一種是龜裂紋成圓環狀，圓環直徑可達10～50cm，主要分布在振搗棒拔出的位置。

3 環境因素

在混凝土澆筑過程中，環境因素與混凝土龜裂有著密切的聯系。環境因素的影響主要包括溫度因素、濕度因素和風力因素。

3.1 溫度因素

大壩混凝土在拌制過程中，采用加冰、風冷骨料，拌制的混凝土出機口溫度嚴格按照不大于7℃控制，混凝土通過纜機入倉并進行分層澆筑，進入倉面的混凝土溫度不超過12℃。混凝土進入倉面澆筑時是低溫混凝土，陽光的直接照曬，使得混凝土表面與空氣接觸面溫度迅速升高;同時膠凝材料進入溶解和初期水化階段，溶解和水化過程產生熱能，熱能在混凝土中不斷傳遞，使得混凝土整體溫度升高。根據布朗運動現象，粒子處于不停息、無規則的運動狀態，分散介質的分子皆處于無規則的熱運動狀態，它們從四面八方不斷地撞擊分散粒子，當介質分子與分散粒子的大小接近時，在某一瞬間粒子將從某一方向得到動量而發生位移，此時粒子即產生布朗運動。分散粒子受介質沖擊示意圖見圖1。由此可以推斷水分子也同樣存在布朗運動。

水分子不斷吸收太陽能以及膠凝材料溶解和初期水化熱能，分子能量不斷增加，促使水分子運動速率加快。我們假設水分子脫離液面的臨界分子動能為E0，根據能量與運動速率的關系，E=(1/2)·m·v2，分子質量不變，對應的水分子臨界運動速率為v0;當水分子為液態時能量為E1，對應的分子運動速率v1是確定值，此時的v1＜v0;在混凝土凝結過程中，水分子不斷地吸收太陽能以及膠凝材料溶解和初期水化釋放的能量，能量增加△E，此時的分子能量變為E1+△E，水分子運動速率增大，水分子運動速率為v1+△v1，當分子運動速率v1+△v1＞v0時，水分子能夠脫離液面，汽化進入空氣中。

圖1 膠粒受介質分子沖擊示意

3.2 濕度因素

日常所指的濕度為相對濕度，即氣體中(通常為空氣中)所含水蒸氣量(水蒸氣壓)與其空氣相同情況下飽和水蒸氣量(飽和水蒸氣壓)的百分比。根據定義，當相對濕度達到100%時，也就是達到飽和水蒸氣壓狀態，在宏觀狀態下與水蒸氣接觸的液面將不再蒸發，微觀上進行的僅僅是汽態水分子與液態水分子的交換，而發生交換的分子量相等。當空氣相對濕度較小時，液面向空氣中蒸發的水分子遠遠大于汽態水分子進入液態的分子量，以達到壓力平衡。因此，當空氣相對濕度越小，水份蒸發速率就越快;當相對濕度越接近飽和狀態時，水份蒸發速率就會得到抑制。當混凝土表面暴露于空氣中時，由于空氣的流動，空氣中的飽和蒸氣壓是一個不斷變化的值，混凝土與空氣接觸的界面水蒸氣壓也是一個不斷變化的值，為達到壓力平衡，混凝土表面的水份將不斷蒸發。發生龜裂的11號、18號壩段時間范圍段的氣象監測資料見表1。

從表1二個壩段澆筑前后幾天的濕度監測數據可以發現，每天早晨和中午的濕度是變化的，每一天相同時間的濕度也是不同的。壩面上的濕度是不斷變化的，并且在越接近中午時段，相對濕度會逐漸減小，混凝土表面的水分將加速向空氣中蒸發，當水分子大量進入空氣中后，混凝土表面由于失水嚴重而極易出現龜裂。

表1 溪洛渡氣象中心400平臺實測資料

3.3 風力因素

在新澆筑混凝土的表面存在一層水膜，由于風力作用，使得水分子運動速率加快，部分水分子速率達到能夠脫離分子間的引力，變成汽態進入空氣中。風速的大小直接影響表面失水的速度。通過對出現龜裂的11號壩段－10倉澆筑塊進行分析發現，11號壩段－10倉左側靠近壩肩槽，上、下游面分別為上、下壩肩槽貼角，上、下壩肩槽貼角高度分別高于倉面35m、18m，當風通過11號壩段后向上游前進，受到壩肩槽上游貼角的的阻擋，一部分沿著貼角坡度攀升，一部分風向回轉后受到壩肩槽阻擋，繼續沿壩肩槽向下游移動，在遇到壩肩槽下游貼角的阻擋后，折回11號壩段下游側，并與不斷由下游吹向11號壩段的風匯合，使風速得到加強，并在11號壩段形成旋風(見圖2)，旋風沿著倉面上升，在上升過程中迅速帶走蒸發出來的水蒸氣，使壩面與空氣接觸面的相對濕度產生較大梯度，加速了混凝土表面水份的蒸發。

圖2 11號壩段－10倉澆筑塊旋風形成示意

在對18號壩段－17倉進行龜裂分析時發現，與18號壩段相鄰的17號、19號壩段已經進入高壩段(見圖3)，19號壩段和17號壩段分別比18號壩段的澆筑面高12m和16m，整個大壩外形為雙曲拱壩，當風由下游面吹向大壩時，受到已經澆筑的壩面的阻擋，風速會在大壩中間位置加強并沿壩面向上攀升，同時當風速在17號、19號壩段受到阻擋后，部分風會進入中間的18號壩面，與沿壩面攀升的風匯合，在18號壩段形成一個風道，風速得到加強，在通過混凝土表面的時候，更快地帶走混凝土表面的水份，使混凝土表面迅速失水。

4 混凝土自身因素

圖3 大壩下游示意

混凝土自身因素與龜裂的產生同樣有著密切的聯系。混凝土自身因素主要包括混凝土早期塑性收縮、液面張力、混凝土配合比設計參數的選擇、混凝土自身沉降和混凝土振搗工藝。

4.1 混凝土早期的塑性收縮是混凝土出現龜裂的一個原因

混凝土拌制完成后，混凝土早期收縮是由于膠凝材料的溶解和水化產生。早期的膠凝材料在水中溶解形成電離子，C3S溶解體積減小0.32 ml/g，Na2O、K2O溶解使體積減小0.42ml/g;C3S、C3A在水中進行水化分別形成CSH2、C6AS3H32，使體積分別減少0.10 ml/g、0.24 ml/g。水泥溶解、水化所產生的體積變化可以由下式求得:

式中 △V——水泥溶解和水化產生的絕對體積減少;

Vc——水泥原始體積;

Cc——飽和時的水泥濃度;

ρc—— 水泥密度;

W/C——水灰比;

目前溪洛渡大壩混凝土采用華新中熱水泥，水泥品質較穩定，水泥的原始體積Vc、飽和時水泥濃度Cc、水泥密度ρc、水灰比W/C都固定，Cc·ρc·W/C相對為一個固定值，當水泥發生早期水化和水泥溶解時，水泥體積值減小，相應的水泥溶解和水化產生的絕對體積△V減少，即混凝土體積減小，產生早期收縮，使混凝土產生內部拉力，混凝土表面容易產生龜裂。

4.2 液面的表面張力是混凝土出現龜裂的另外一個原因

當混凝土澆筑后表面水膜未蒸發時，膠凝材料分子是全部由水分子覆蓋，此時膠凝材料分子各向受力平衡。當混凝土表面持續失水，使得膠凝材料逐漸露出水面，膠凝材料之間的液面出現凹形，使得相鄰的膠凝材料顆粒之間形成表面張力。隨著凹面逐漸加深，膠凝材料顆粒間的表面張力增大，宏觀上使得混凝土表面產生收縮拉力，使得混凝土體積變小(見圖4)。

圖4 毛細管壓引起兩離子間的引力

表面作用產生的收縮力為:

式中 Pc——收縮力;

σ——液體表面張力;

R1——液面曲率半徑;

R2——膠凝材料分子半徑。

由式(2)可以看出，水的表面張力恒定，收縮力的大小與膠凝材料分子的半徑大小和液面曲率半徑有關。當膠凝材料分子半徑恒定，表面失水量越大，液面曲率半徑就越小，對應的收縮力就逐漸增大，因此增大了混凝土表面龜裂的可能性。

4.3 混凝土配合比設計參數

為了保證混凝土質量和壩體絕熱溫升能夠滿足要求，選擇大壩混凝土配合比設計參數時主要采用低用水量、低坍落度、全級配混凝土。

(1)混凝土采用低用水量、低坍落度，單位體積內自由水量相對較少，當表面水分子蒸發后，單位體積內的自由水量相對損失較多，表面自由水量不足，易出現混凝土表面變干。

(2)大壩混凝土主要為全級配混凝土，最大骨料粒徑150mm。混凝土中粗骨料的比表面積減小，完全包裹粗骨料的砂漿量較少，粗骨料間形成大空隙，使得水分蒸發通道更加通透，蒸發速率加快。

(3)砂率的合理選擇對混凝土水分蒸發也有一定的影響。當砂率偏小時，粗骨料的用量必然增大，混凝土中骨料的總的表面積減小，骨料表面吸附的水分減小;當砂率較大時，雖然對混凝土水份蒸發有抑制作用，但是砂率的增大，混凝土干縮增加，極易導致混凝土早期開裂，影響混凝土強度。

4.4 混凝土自身沉降的影響

溪洛渡大壩混凝土澆筑模塊采用3m倉、按50cm分層澆筑，在澆筑過程中易產生以下兩種表面龜裂:

(1)混凝土澆筑過程中存在操作失誤，在局部區域形成漏振或者過振，在這些區域中混凝土不能達到完全密實，由于自重作用，造成未完全密實區域的混凝土沉降，形成表面龜裂。

(2)在振搗過程中，對冷卻水管損壞等偶然因素的處理，使得該區域的混凝土不能及時振搗，坍落度隨著時間逐漸損失，混凝土流動性減小，造成振搗后在振搗棒拔出位置僅僅由漿液填充，沒有粗骨料的支撐，漿液在凝結過程中產生較大收縮，使得振搗棒留下的振搗坑對周邊混凝土產生拉力，周圍骨料產生向坑內填充的趨勢和微小變形，導致表層混凝土沉降，形成圓環狀的龜裂。

4.5 澆筑工藝的影響

目前溪洛渡大壩混凝土在澆筑中采用纜機下料、經過平倉機平倉后、由振搗臺車進行振搗完成澆筑。在澆筑過程中存在的問題:纜機從吊罐下料到倉面時，因下料高度的不同，導致下料時骨料分離程度不一，吊罐下料口離倉面的高度越高，骨料分離越嚴重;平倉機在平倉過程中，大粒徑骨料會在混凝土邊緣區域集中。在大骨料集中區域，混凝土振搗后漿量偏少，在混凝土凝結初期，混凝土收縮不均勻，造成內部應力不均衡，從而易產生早期龜裂。在倉面澆筑完成后，倉面頂部由平倉機振搗收面，未進行光面處理，保水性較差;同時，經過平倉、振搗，混凝土面出現局部區域高低不平，由于混凝土及表層水膜的自身重力作用，相對較高處的泌水會逐漸向低洼區流動，使得水量流失區域表面迅速地裸露在空氣中加速水蒸發，導致較高處迅速變干，產生內部拉力，造成表面龜裂。

5 防止方法

據對混凝土產生龜裂的原因分析可以知道，混凝土出現早期龜裂主要是由于環境因素的影響，混凝土表層水的迅速蒸發，使表層混凝土變干，在混凝土內部產生應力，導致表面龜裂;其次是混凝土自身的因素對混凝土產生龜裂有一定的作用。由于混凝土澆筑后，表層水的蒸發是不能夠阻止的，因此防止早期龜裂的首要辦法就是盡量減少水份蒸發。在工程中常常采用以下的幾種防止措施。

(1)采用覆蓋法。當新澆筑完成的混凝土在初期2h內，混凝土表面的水份較充足，振搗完成后迅速對混凝土面進行覆蓋，以有效地降低混凝土表面直接受到溫度、濕度、風力的影響，可大大降低水份的蒸發。混凝土表面被覆蓋后，表面水分子仍然處于蒸發狀態，但是覆蓋層能夠有效地減緩水蒸氣迅速進入外界空氣中，使混凝土與覆蓋層接觸面處相對濕度較大，有利于抑制混凝土表面水分子的迅速蒸發。

(2)噴霧法。目前在大壩澆筑過程中，采用噴霧機噴霧，持續噴霧可有效地降低倉面空氣溫度，使得混凝土表面與空氣接觸面的溫度降低，減緩因溫度較高而產生的蒸發加速;同時，調整噴霧水滴的大小，使一部分水滴能夠降落到混凝土表面，對表面的水份進行補充，減少表層以下的水份對表層水的補充，防止混凝土表面形成硬殼。將噴霧過程延長至混凝土終凝是消除混凝土龜裂的有效辦法。

(3)澆筑過程控制法。在澆筑振搗混凝土時，做適當的標準板厚控制點，以保證板的厚度和均勻性。在混凝土澆筑過程中，減少骨料分離，使骨料在混凝土中均勻分布，有效地消除混凝土內部因應力不均勻而產生裂紋;收倉過程中，適當增加混凝土坍落度，使混凝土表層的自由水量充足，在部分水份蒸發后，混凝土表面仍然處于水膜覆蓋狀態;平倉機平倉盡量做到倉面平整，通過設定單層攤鋪高度點控制混凝土攤鋪厚度，減少表面的凹凸不平是有效降低表面水流動而造成的高處失水較多。在振搗過程中，盡量放緩振搗棒拔出的速度，使得振搗棒插入位置能夠得到周邊骨料的填充，有效地減少振搗棒插入處混凝土沉降裂紋;盡可能地在相鄰區域逐步振搗，以免出現漏振現象;把握好振搗時間，防止出現混凝土過振而出現混凝土不密實。

(4)混凝土溫控因素控制法。①在混凝土生產過程中，采用二次篩分沖洗，以有效降低混凝土表面裹粉，降低單位用水量，同時也減少了膠凝材料用量，減少了混凝土早期水化熱;②采用風冷骨料、加冰拌制混凝土，有效降低混凝土的出機口溫度，保證混凝土的入倉溫度，對混凝土溫升的控制起到至關重要的作用;③在混凝土澆筑過程中，不斷采用溫度8～10℃的冷水對已經入倉的混凝土進行通水冷卻，以有效地降低初期水化熱，控制混凝土溫度的迅速升高。控制混凝土溫度可以減緩混凝土表面水蒸發速度，對預防混凝土龜裂起到一定的作用。

6 結束語

在影響混凝土性能的其它因素均滿足要求的前提下，環境因素和混凝土自身因素的影響通過表面覆蓋法、噴霧法、澆筑過程控制法、溫控因素控制法的統一使用，有效地控制了混凝土龜裂的發生。