超寬型單孔水閘施工期混凝土裂縫成因分析

魏林堅，聶耳清，別亞靜，強 晟

(1.廣東省水利電力勘測設計研究院，廣東 廣州 510635；2.河海大學水利水電學院，江蘇 南京 210098)

與其他材料相比，混凝土因其組成材料易得、且價格低廉、施工方便、承載能力強而被廣泛應用于房屋建筑、橋梁、水利工程等各個領域[1]?；炷猎诒淮笠?guī)模使用的同時，學者們也在不斷研究混凝土的性能，其中混凝土的裂縫始終是困擾科研和施工人員的一個難題[2]。影響混凝土開裂的原因有很多，可以概括為水泥水化熱、環(huán)境溫度和澆筑溫度、約束條件和混凝土的縮水收縮[3- 4]等方面。

對于早齡期混凝土，由于其性能變化劇烈，目前仍沒有成熟的理論來解釋其開裂機理，使得早齡期混凝土裂縫位置難以準確預測[5- 6]。混凝土裂縫按深度h和結構厚度H可分為表面裂縫(h≤0.1H)、淺層裂縫(0.1H

本文根據(jù)一種新型超寬單孔水閘工程的裂縫分布，通過實測溫度與溫控指標的對比，并結合另一類似工程有關情況的對比分析，解釋了此類結構施工期開裂的原因。提出了針對早齡期混凝土溫升和溫降都較快的溫控防裂措施，這些措施對于以后類似結構的工程有一定的借鑒意義。

1 工程簡介

甲工程位于廣東省某地，任務是以擋潮為主，兼顧排澇、泄洪、通航的綜合利用水利樞紐工程。該樞紐工程軸線總長110.14m，水閘前緣總寬度68.00m。通航孔共1孔，單孔凈寬60m，通航孔閘室采用整體式結構。

水閘主體工程如圖1、2所示。

圖1 甲工程橫剖面圖

甲工程實際施工時，由于基坑開挖有困難，不能整體澆筑，底板底層分三塊澆筑。先澆筑中間段20.7m，再澆筑右側28.3m，最后澆筑左側19m。底板底層不設后澆帶，在第二層(廊道層)設兩道后澆帶。實際施工順序如圖3、4所示中圓圈的數(shù)字。7號澆筑塊為廊道層的后澆帶。

測點所在A-A剖面和B-B剖面如圖5所示。

2 實測溫度數(shù)據(jù)分析

下面按照澆筑的時間順序對以上某些測點的實測溫度歷時曲線進行分析。

圖2 甲工程縱剖面圖

圖3 底板底層和廊道層的實際澆筑順序

圖5 測點位置示意圖

圖4 閘墩各層的澆筑順序

(1)T2和T5測點所在2號澆筑塊在3月27日澆筑，該澆筑塊長28.3m，T2在廊道層下部，附近有冷卻水管進行冷卻，T5附近無冷卻水管。當時氣溫較低，澆筑溫度小于28℃，澆筑后在2d左右達到最高溫，前者因為有水管冷卻，最高溫為54.2℃，后者無水管冷卻，為62.8℃?？梢?，該澆筑塊的水管冷卻使得混凝土溫度峰值下降8.6℃，有明顯控制溫度峰值的效果。這兩個測點溫降速度較慢，實施的效果是這個澆筑塊的底板未發(fā)現(xiàn)裂縫，雖然這兩個測點最高溫度都高于溫控指標，因為溫控指標對應的防裂安全系數(shù)1.65，有0.65的安全裕度。如圖6、7所示。

圖6 T2測點實測溫度歷時曲線

圖7 T5測點實測溫度歷時曲線

(2)T10測點所在3號澆筑塊在4月6日澆筑，該澆筑塊長19.0m。澆筑溫度高達39.5℃，可見當時氣溫很高。該澆筑塊無水管冷卻，在25h后達到最高溫63.4℃。因為沒有表面保溫，在溫度峰值后的36h內下降了27℃，降速和降幅都很大，對混凝土防裂很不利。如圖8所示。

圖8 T10測點實測溫度歷時曲線

(3)T1、T3和T4測點所在5號澆筑塊5月2日澆筑。T1和T4都在17∶00～18∶00澆筑，T1的澆筑溫度35℃，T4的澆筑溫度42℃。T3在21∶00澆筑，澆筑溫度較低為29℃。如圖9、10、11所示。

T1測點附近有水管冷卻，最高溫度為48.9℃，另外兩個測點附近無水管冷卻，溫度峰值明顯高于T1。T3在廊道頂部，混凝土厚度相對較小，最高溫度為60.7℃，T4在廊道一側，混凝土厚度相對較大，最高溫度為63.2℃。在該澆筑塊中，冷卻水管至少達到了10℃的降溫效果。三個測點達到溫度峰值的時間在20～24h，溫升速度很快。

溫降速度也很快，T1在27h內下降了15℃，T3在36h內下降了28℃，T4在24h內下降了23℃。過快的降速導致混凝土收縮很快，對于一個26.3m長的澆筑塊，在底板下層有老混凝土的強約束條件下，廊道層新混凝土非常容易開裂。如果按照建議進行了表面保溫，則溫降速度將大大減緩，有利于達到較好的防裂效果。

圖9 T1測點實測溫度歷時曲線

圖10 T3測點實測溫度歷時曲線

圖11 T4測點實測溫度歷時曲線

3 裂縫成因分析

甲工程超長底板混凝土采取了分三塊澆筑、加強配筋等結構措施，但廊道層的各澆筑塊都出現(xiàn)了一些裂縫，截止到2012年12月28日，共計25條，其中少量裂縫是貫穿性的。裂縫位置示意圖如圖12所示。

圖12 裂縫位置示意圖

乙工程與甲工程結構類型相似，主要差異在于結構橫河向尺寸為58.0m，比甲工程短了10.0m。在分析甲工程的裂縫成因時，也結合了乙工程的對比分析。

(1)原材料

從甲工程的實際施工情況來看，混凝土溫升和溫降速度太快，僅依靠溫控措施難以達到理想的防裂效果，建議今后再建類似結構時，在原材料中摻入膨脹劑或緩凝劑。根據(jù)甲工程施工現(xiàn)場了解的有關情況，膨脹劑的摻量比乙工程混凝土少2%，這可能是甲工程混凝土裂縫比乙工程多的原因之一。

(2)最高溫度

甲工程的溫控指標來源于施工前的有限元仿真計算，具體算法見文獻[9- 10]。

混凝土最高溫實測值與溫控指標對比表明，廊道上游側和有水管冷卻的底板溫度值比較接近溫控指標，而其他部分的混凝土要超過溫控指標10℃～13℃，見表1，這些超標的部分在溫降階段產生的收縮應變要比預想的增加約100個微應變。底板第一層混凝土所受的淤泥軟基約束較小，但廊道層混凝土在底板第一層混凝土的強約束條件下，這些額外增加的溫降收縮量將在廊道層混凝土中產生額外的大約2.0MPa拉應力。最高溫度的控制指標對應的防裂安全系數(shù)為1.65，安全裕度為0.65，混凝土達到設計強度時，其能夠抵御的拉應力安全裕度為1.09MPa。因此總的溫度拉應力將明顯超過混凝土的抗拉強度。

表1 混凝土實測溫度與溫控指標對比

(3)澆筑溫度

控制澆筑溫度是施工期控制最高溫度的第一步措施，從測點的實測初始溫度值看，澆筑溫度控制得并不理想，很多測點的初始溫度明顯高于建議的28℃?？梢?，現(xiàn)場澆筑溫度控制非常困難。原因主要是澆筑季節(jié)、原材料性能、混凝土配合比、泵送車輛運輸距離等。今后在這些方面可進一步優(yōu)化，以獲得更低的澆筑溫度。

(4)溫降速率

乙工程采用的木模板，甲工程采用的是鋼模板，木模板比鋼模板的熱交換系數(shù)小，有一定的保溫作用，甲工程的混凝土表面未采用建議的表面保溫措施，因此溫降速率很快，最快的時候達到1.0℃/h。混凝土溫度裂縫的產生與混凝土的溫度場空間梯度太大以及時間梯度太大都有關。

(5)間歇期

原計劃中，各底板第一層澆筑完后立即澆筑其上的廊道層，故上下層的新老混凝土間歇期較短。目前實際實施的澆筑順序是先澆筑底板的第一層三個澆筑塊，再澆筑廊道層的三個澆筑塊，盡管廊道層分為三塊，且設置了后澆帶，但廊道層與下層底板混凝土的實際間歇期變長了。長26.3m的澆筑塊上下層實際間歇期為36d，長17.0m的澆筑塊上下層實際間歇期為45d。間歇期的延長增加了兩層混凝土的變形不協(xié)調，增加了下層老混凝土對上層新混凝土的約束。

(6)寒潮

2012年12月下旬，廣東遭遇了罕見的寒潮，廣州市最低溫度降至4℃。甲工程閘址地區(qū)的多年平均最低月氣溫為12℃，出現(xiàn)在1月份，考慮±5℃的晝夜溫差，最低夜間氣溫為7℃，寒潮到來時的氣溫明顯低于預期的最低氣溫。寒潮來臨時，施工期混凝土尚未蓄水，故暴露在外界空氣中的混凝土將受到冷擊而產生進一步的收縮變形，而廊道層底部受到底板第一層混凝土約束，廊道層左右兩側受到閘墩混凝土的約束，同時表層混凝土快速溫降收縮時還受到內部相對高溫混凝土的約束。這些不利條件都有可能造成表層裂縫的產生和擴展。

(7)其他

上述幾條原因主要會產生垂直于結構長邊方向的裂縫，廊道層短邊方向，即順水流方向的長度并不大，只有7.0m，因此溫度裂縫的可能性較小。但在甲工程廊道層的三個澆筑塊也出現(xiàn)了一條幾乎從左岸延伸到右岸的長裂縫，這條裂縫位于廊道內部的頂拱，未貫穿至廊道層上表面。這可能是由于混凝土澆筑后由于自重作用而產生從廊道頂拱向兩側低處滑動的趨勢，混凝土澆筑后密實程度越差則滑動的趨勢越大。

4 結論和建議

甲乙兩個類似工程施工后的裂縫原因與結構、材料、施工、溫控、氣候等方面都有一定的關系。

對于后續(xù)施工的類似結構，提出如下防裂建議：

(1)混凝土原材料配合比中的膨脹劑摻量適當提高，有利于抵消一部分混凝土自生體積收縮變形和溫降收縮變形。乙工程的摻量是8%，其底板和廊道層盡管未分塊澆筑，但裂縫明顯比甲工程要少很多。

(2)廊道層受到底板第一層混凝土和兩側閘墩混凝土的約束，其溫降收縮時將產生較大的拉應力，應盡量減小其溫降收縮量和溫降速率。前者通過控制最高溫度來進行控制。最高溫度是澆筑溫度和內部溫升之和，因為在這些工程中澆筑溫度無法控制在理想的范圍內，因此只能通過內部冷卻來控制內部溫升，現(xiàn)有的水管冷卻方式能降低溫度峰值約10℃。有條件的情況下最好采用金屬水管。單根水管進出口之間的距離越短越好，最好不超過120m。采用河水，不得采用循環(huán)水，以確保入口水溫較低。因為混凝土發(fā)熱太快，澆筑時即開始通水。溫度峰值后每小時觀測一次混凝土溫度，并逐漸減小流量直至流量為零，如果溫降速率大于0.25℃/h，直接關閉通水冷卻。

(3)為了控制溫降速率和內外溫差，減小晝夜溫差和寒潮的不利影響，無論在任何季節(jié)都應進行表面保溫。建議所有混凝土澆筑塊在澆筑完畢后，倉面覆蓋一層塑料膜用于保濕，在塑料膜上再覆蓋合適厚度的保溫被。保溫時長至少一個月，有條件的情況下最好保溫至蓄水前。廊道層由于分塊施工，廊道的端部要掛簾防風，降低廊道內部的熱交換系數(shù)。

(4)底板和廊道層各分為三段施工有利于降低施工期的拉應力，但應盡量縮短上下層混凝土的澆筑間歇期，以減小下層老混凝土對新混凝土的約束。廊道層后澆帶與先澆筑的混凝土之間的間歇期可以長一些，以便廊道層混凝土比較充分地完成其自生體積收縮和溫降收縮。