混凝土面板堆石壩長面板裂縫控制

一、課題選擇

1、面板裂縫概況

我公司承建的面板壩堆石壩，面板最大高度113m，最大厚度615mm，最大面板長度180.5m。面板分布在兩側的8m寬度共23塊、中間15塊寬度16m采用90天齡期圓柱體抗壓強度25Mpa混凝土，全部面板雙層鋼筋。面板后結構依次為：三油兩砂1cm厚、5MPa擠壓邊墻、堆石壩體。

二、現狀調查

1、早期裂縫數量及分布調查

2015年9月份完成了已澆筑17塊面板裂縫調查，6塊長度小于69m的面板沒有出現裂縫，總共94條，最大寬度0.3mm。對隨機2條裂縫進行鉆孔取芯發現，兩處混凝土開裂深度大于16cm，寬度分別為0.11mm、0.2mm。

2、裂縫特征及發生發展規律調查與研究

通過現場檢測和觀測、歷史試驗借鑒、計算分析、研究規范、運用大量統計計算工具等，揭示了已出現的裂縫有如下8個特征：

a.面板長度小于68m的，沒有發現開裂；

b.裂縫集中在面板中部，面板上部和下部兩端沒有；

c.裂縫水平方向分布，沒有豎向或者任意方向裂縫；

d.裂縫長度。調查55條裂縫中，裂縫長度均大于1m；

e.每塊板上裂縫間距小于20m，大部分約8m（約是厚度的16倍）；

f.裂縫寬度。靠板中間裂縫寬度較邊上大。寬度在0.06mm～0.31mm之間；

g.混凝土澆筑后第4天可以觀察到裂縫，裂縫數量在10天后基本無變化；

h.開裂順序。裂縫從面板中部偏下開始出現，將板分成兩塊；二序裂縫在這兩塊板上隨后出現，大部分裂縫再在其間相繼出現。

3、壩體沉降現狀調查

通過監測數據得知絕大部分測點月沉降在填筑完工3個月后的1～7月份≤5mm；裂縫出現的背后壩身段無明顯水平位移。壩體填筑質量好，故排除沉降變形至開裂。

三、設定目標及目標可行性分析

長度小于60m以內的面板沒有裂縫，故將11塊長度大于60m的長面板作為攻關目標，通過攻關對策的實施，將相近長度面板裂縫數量減少到攻關前的60%以下。

四、原因分析

4.1 面板開裂原因分析

將每個原因都能與特征建立聯系，在熟悉混凝土的結構性能、材料、工藝、環境等等對裂縫發展趨勢和規律影響的基礎上，根據裂縫特征反推本項目面板開裂原因和顯著誘因。

4.1.1 設計原因：1）混凝土強度設計不當；2）鋼筋設計不當；3）分縫設計不當。

4.1.2 材料原因：1）混凝土中含泥量太高；2）骨料級配不當；3）纖維含量不當；4）WHDF外加劑含量不當；5）AEA配合比中引氣劑含量不當；6）混凝土中大粒徑骨料含量太少；7）水泥選型不當；8）水泥強度選擇不當。

4.1.3 配合比原因：1）水灰比過高；2）膠凝材料含量過高；3）砂率含量過高。

4.1.4 施工原因：1）早期鋼筋擾動混凝土；2）早期模板擾動混凝土；3）少量外來水進入新混凝土；4）過分收面；5）收面使用了生水；6）溫控不當實測混凝土內部最大溫度38℃。

4.1.5 綜合原因：1）環境溫度變化，單日最大溫差小于15℃；2）采用水簾養護；3）溜槽下料間斷；4）在交班、吃飯、夜班澆筑不連續；5）干縮體積變形；6）約束條件下干縮體積變形；7）度變化導致的體積變形；8）約束條件下干縮、蠕變和溫度等導致的體積變形積累過大導致應力超過抗拉力。

以上28個原因都能解釋、誘發、引起或者支持混凝土裂縫產生的8個特征。

五、要因確認

5.1 要因判定

根據對面板裂縫現狀的綜合分析，結合專家組討論結果和業主方經驗，決定取對5個以上的混凝土裂縫特征有影響的因素作為顯著因子，共有11個因素對5個以上的混凝土裂縫特征有影響。但是，有1項能夠解釋全部裂縫特征，即最后項綜合原因“約束條件下干縮和溫度等導致的體積變形積累過大，導致拉應力大于混凝土抗裂力而開裂”。

5.2 要因論證

ACI委員會在ACI224R-90《混凝土結構裂縫控制》報告指出“If the shrinkage of concrete caused by drying could take place without any restraint， the concrete would not crack”。可見有約束時累積了過大的體積變形不協調、不同步必然產生裂縫，尤其是貫穿性結構裂縫，這是開裂原因。

對于面板采用雙層鋼筋后導致了比單層鋼筋面板更多的微裂縫問題，ACI224-90的3.5.2指出：通過沿著鋼筋全長粘結應力分配收縮拉力，裂縫進行了分配，一些寬裂縫被大量細微裂縫替代了。

從理論計算得出面板不開裂最大板長公式：

可以看出，Cx越小，Lmax 越大，Cx=0時 Lmax=∝，說明基礎面約束對面板開裂起著重要作用。

證明了開裂主要原因是“約束條件”的結論。

六、制訂實施對策

實施1、設置收縮縫，分期分段澆筑長面板，減少體積變形， 參照規范設置過縫鋼筋；

實施2、根據ACI 211規范增加纖維到混凝土中，提高抗裂能力；

實施3、將WHDF抗滲密實劑由5.7降到4.6；

實施4、根據規范，通過試驗確定，在混凝土中參加4.5%引氣劑；

實施5、增加中石減少小石含量；

實施6、根據規范 ACI 211減少水灰比，從0.54降到 0.47；

實施7、通過實驗室室內適配試驗降低膠砂比；

實施8、嚴格控制塌落度，堅持流水連續養護；

實施9、從各方面減少約束和體積變形；

9.1 割除結構鋼筋網架立筋以減少面板受到的約束；

9.2 清除二期面板澆筑期間豎縫間新老混凝土粘連，確保設計2cm縫面寬度，消除先澆塊對后澆塊體積變形的約束；

實施10、降低混凝土澆筑溫度，控制混凝土溫度變化；

10.1 草袋保溫10天；

10.2 搭設遮陽棚防止混凝土骨料溫度過高；澆筑混凝土期間，采取濕麻袋包裹攪拌車罐體，冷水沖洗鋼筋、混凝土基礎面和埋件以免過多升溫；

七、效果檢查

采取對策后，面板裂縫數量與前期沒有采取對策相比明顯減少。攻關后，單塊長度相似面板裂縫最低減少量為公關前的54.5%，低于目標值60%，實施成功。

八、總結和下一步打算

我方將繼續學習、研究、勇于創新的，把方法和規范推向海外，積極推動國際標準中國化、爭取國際話語權，沿著一帶一路把中國技術和質量標準推向世界，為中國企業創造附加值更高的價值，為水利水電創新發展做出應有的貢獻。