閘墻混凝土裂縫產(chǎn)生的原因及防治措施

張麗芬陸 揚，朱 浩

（1.上海市水利工程設計研究院有限公司，上海市200061；2.河海大學港口海岸與近海工程學院，江蘇 南京 210000）

0 引 言

水閘泵站作為修建在河道、湖泊、海口分界處，利用閘門控制流量、調節(jié)水位的水工建筑物，在防洪、排澇、通航、城市供水、水景觀等方面具有重要作用。而閘墻在施工階段由于混凝土收縮、溫度應力等出現(xiàn)裂縫[1-2]，在實際工程中屢見不鮮，由此產(chǎn)生的鋼筋混凝土保護層失效、鋼筋銹蝕、地下水滲漏等問題，將降低結構耐久性，嚴重影響其使用功能，必須加以控制。本文通過兩個工程實例，研究分析閘墻裂縫產(chǎn)生的原因，從設計和施工方面提出防治措施。

1 工程概況

案例1：上海某水利樞紐工程位于黃浦江的一條支流口，主要任務是防洪、排澇及通航。船閘閘室總長190 m，單節(jié)長19m，凈寬16.6m，底板面高程-1.10m，底板厚1.2m，座落于第④層淤泥質粘土地基上，閘室為C30現(xiàn)澆鋼筋混凝土塢式結構（見圖1）。閘室共分10節(jié)，分節(jié)澆筑，先底板澆筑至閘墻的施工縫，后澆筑閘墻墻身，采用泵送商品混凝土，人工插入式振搗器振搗。

案例2：某泵閘工程位于薀藻浜的一條支流口，主要任務是防洪、排澇、水資源調度。泵室與閘室連成整體，中間隔墩厚1.0 m。泵站于水閘西側布置，泵室順水流方向長22.0 m，寬15.0 m，邊墩厚1.0 m。泵閘室底板面高程-1.00 m，底板厚1.60 m。泵閘室底板及墻均采用C30鋼筋混凝土現(xiàn)澆結構，防滲等級為W6。泵室底板落于③層灰色淤泥質粘土，基礎采用鋼筋混凝土預制方樁250 mm×250 mm×9 000 mm@1200進行加固處理。

圖1 閘室結構斷面圖（單位：m）

2 閘墻裂縫檢測情況

船閘以先期澆筑的第六節(jié)閘室為例，根據(jù)現(xiàn)場施工布置及施工計劃，在閘室底板澆筑40 d后于5月14日進行閘墻的澆筑，澆筑后第三天松對拉螺栓，5 d后拆模，并及時使用土工布全部覆蓋保濕養(yǎng)護。5月23日閘室的東、西兩側閘墻共發(fā)現(xiàn)有5條豎向裂縫。5月28日東側墻迎水面4條裂縫，西側墻迎水面2條裂縫，其中有4條裂縫在迎土面有對稱裂縫出現(xiàn)，裂縫大小、寬度基本相同。經(jīng)用顯微鏡觀測，最大裂縫寬度在0.2 mm以下，長度在1.2～2.2 m之間（見圖2）。7月15日再次檢查，裂縫長度有所增加（圖中括號內(nèi)數(shù)值）。再經(jīng)過近一個月的現(xiàn)場連續(xù)監(jiān)測，閘墻未發(fā)現(xiàn)裂縫的進一步發(fā)展和新的裂縫出現(xiàn)。

圖2 第六節(jié)閘室東側裂縫分布圖（單位：m）

泵閘室底板澆筑50 d后于3月31日進行墻的澆筑，當天澆筑完成。混凝土澆筑后灑水養(yǎng)護至4月11日拆除全部模板，4月12～14日巡視觀察均未發(fā)現(xiàn)裂紋，4月15日發(fā)現(xiàn)泵室外河的西邊墩內(nèi)側、2#與4#導流墻兩側距離底板1.0～1.9 m處向上有細微裂紋出現(xiàn)，共5條，長度0.5～1.0 m，其它部位未發(fā)現(xiàn)裂紋。4月16日泵室墻已有裂紋長度有所增長，長度延伸至0.7～1.2 m，縫寬未見增大。同時在泵室內(nèi)河側的2#、3#、4#等導流墩兩側距離底板0.5～1.8 m處向上又有細微裂紋出現(xiàn)，共7條，長度0.5～1.0 m。至5月20日，所發(fā)現(xiàn)的12條裂縫均有較大發(fā)展，裂縫寬0.10～0.20 mm，縫長2.20～3.00 m，基本為豎向裂縫，并在每個墩墻上呈對稱分布，之后裂縫沒有繼續(xù)開展。裂縫分布見圖3、圖4所示。

圖3 泵室墻裂縫分布圖（單位：m）

3 裂縫產(chǎn)生的原因分析

混凝土裂縫主要有兩類成因。第一類是由外荷載（靜、動荷載）直接應力引起的裂縫；第二類是由變形引起的裂縫：包括結構因溫度濕度變化、收縮、膨脹、不均勻沉陷等原因引起的裂縫[3]。

圖4 部分裂縫開展長度示意圖（單位：m）

據(jù)國內(nèi)外調查資料表明，工程結構產(chǎn)生屬于由變形變化（溫濕度、收縮與膨脹、不均勻沉降）引起的裂縫約占80%（包括與外荷載共同作用，但以變形變化為主所引起的裂縫）；屬于由外荷載或以外荷載為主與變形荷載共同作用引起的裂縫約占20%。由于荷載超過設計允許荷載而產(chǎn)生的結構裂縫或者發(fā)生不均勻沉降而引起的沉降裂縫，這些原因比較明確和單一，解決和預防措施也較有針對性，上述兩個案例從外荷載，以及沉降監(jiān)測等數(shù)據(jù)來看，均不存在問題，裂縫主要因混凝土的收縮、溫差和約束引起的。

3.1 混凝土的收縮

混凝土收縮因發(fā)生的時段、機理及條件的不同可分為自生收縮、塑性收縮和干燥收縮。針對實際情況歸納起來主要有以下幾點：

（1）普通硅酸鹽水泥混凝土存在自生收縮變形，摻用粉煤灰能產(chǎn)生一定的膨脹變形，減少收縮。

（2）從裂縫的位置分析，船閘閘室迎水面和迎土面對稱分布，且大都通過施工立模用的對拉螺栓位置。工程所用混凝土均為攪拌車泵送至工作面，經(jīng)現(xiàn)場測試，混凝土的坍落度實際控制在13～18 cm左右。在流動性大的混凝土內(nèi)部，振搗時漏振或振搗不夠，對拉螺栓下方的骨料顆粒仍在繼續(xù)下沉，而螺栓上部的混凝土中的骨料被螺栓所支撐不能下沉，在混凝土凝結后，對拉螺栓下面就形成一道水膜，在混凝土中的水泥產(chǎn)生水化和水份的蒸發(fā)以后，在螺拴下表面就形成了一道貫穿性的毛細孔。這種毛細孔在外部地下水的壓力作用下，將產(chǎn)生滲水現(xiàn)象。

（3）混凝土干縮裂縫產(chǎn)生的原因是混凝土拌合物在澆搗完畢后，拌合物內(nèi)部80%的水份被蒸發(fā)，20%的水份被水泥水化所用，而最初失去的30%自由水份幾乎不引起收縮，隨著混凝土的繼續(xù)干燥而使20%的吸附水逸出，尤其是在干熱、風較大的季節(jié)，若保濕養(yǎng)護工作不規(guī)范，由于表面干燥受到中心混凝土的約束，使表面產(chǎn)生拉應力而出現(xiàn)裂縫。

3.2 混凝土的溫差

硅酸鹽水泥在水化過程中釋放出相當可觀的水化熱，每公斤水泥釋放約500 kJ的熱量[4]，熱量導致混凝土的溫升。因此，混凝土結構大都存在兩個溫差：一是混凝土結構本身內(nèi)部與表面的溫差；二是混凝土與環(huán)境的溫差。由于結構內(nèi)、外溫差變化產(chǎn)生溫度拉應力，溫差越大溫度拉應力越大，而混凝土在凝結硬化過程中的極限拉應變是個變量，直至28 d強度以后才逐漸趨于穩(wěn)定，一旦超過混凝土那一時刻的極限拉應力，混凝土就會開裂。下面以船閘閘室墻為例測算混凝土的溫升值。

3.2.1 混凝土拌和溫度To

在澆筑時，平均氣溫19℃，澆筑時間自8：20～17：00，每m3混凝土原材料質量、溫度、熱容及熱量如表1所列。

表1 閘室混凝土原材料質量、溫度、熱容及熱量一覽表

根據(jù)拌和前后的熱量平衡，T0=∑ciWiTi/∑ciWi，即：T0=∑ciWiTi/（csWs+cgWg+ccWc+cwWw+chWh）=18.4（℃）

3.2.2 混凝土澆筑溫度Tp

采用泵送混凝土，由攪拌站將混凝土用6 m3攪拌車運輸至澆筑地點，根據(jù)68 m3混凝土用9 h計算，一層（40 cm）混凝土運輸時間按10 min，澆筑時間按40 min計算。太陽輻射影響（側面有鋼模板）R/β＝2℃，澆筑溫度按下式計算：

3.2.3 混凝土水化溫升Tt

根據(jù)王鐵夢教授的理論[3]，在混凝土尤其是大體積混凝土澆搗完后，水泥已經(jīng)開始水化，其混凝土內(nèi)部的最高溫度峰值可按以下經(jīng)驗公式計算，即：

水泥在水化過程中產(chǎn)生大量的熱量，會使混凝土內(nèi)部的溫度升高。在養(yǎng)護溫度20℃條件下，水化熱在1～3 d放出的熱量是總熱量的50%～70%，最高溫度多發(fā)生在澆筑后的3～5 d，此時混凝土的絕熱溫升：

此值與在齡期5 d時采用《水工混凝土結構設計規(guī)范》列出的水泥水化熱（指數(shù)型公式）計算得出得絕熱溫升比較接近。

3.2.4 混凝土內(nèi)部最高溫度Tmax

平均養(yǎng)護溫度20℃，則內(nèi)外最高溫差為48.72-20=28.72（℃）

溫差控制的具體量值在一些國家和有關資料中并不一致，但多數(shù)要求混凝土表面溫度（或環(huán)境溫度）與截面內(nèi)部最高溫度之差不大于20℃，或表面溫度與截面平均溫度之差不超過15℃[4]。經(jīng)分析此時如養(yǎng)護不當，則很容易出現(xiàn)溫度應力裂縫。

3.3 混凝土的約束

由于結構邊緣受到外部（結構與結構）的相互約束，包括基巖、地基或已有構筑物對混凝土的約束，現(xiàn)澆混凝土對后澆混凝土的約束等，這種約束變形可能使混凝土結構產(chǎn)生貫穿性斷裂和局部裂縫。一方面閘墻與底板呈倒T型水工結構，墻與底板之間混凝土剛度差異較大；另一方面由于閘室底板先澆筑，閘墻澆筑時底板混凝土收縮已基本完成，底板對閘墻有約束，而上部可以自由伸縮，閘墻上會產(chǎn)生拉應力，如果基礎溫差較大或分塊尺寸較大，產(chǎn)生的拉應力大于混凝土抗拉力，容易產(chǎn)生呈近似豎直向裂縫。根據(jù)《水工設計手冊》[5]閘墻溫度應力算例得出，閘墻在下部2/3高度范圍內(nèi)受拉，上部1/3高度范圍內(nèi)受壓，這基本與實際的裂縫位置、高度相一致，設計在此范圍內(nèi)配置了溫度限裂鋼筋，控制其裂縫開展寬度。

3.4 粉煤灰及外加劑對混凝土裂縫的影響

工程摻入適量Ⅱ級粉煤灰，取代部分水泥，這對改善混凝土和易性、降低溫升，減少混凝土內(nèi)外溫差，減少收縮具有良好效果。同時摻粉煤灰對混凝土變形性能有影響，一方面使混凝土彈性模量降低，另一方面使混凝土極限拉伸有所降低，前者對混凝土的抗裂有利，后者對混凝土早期抗裂不利。所以摻灰對混凝土早期抗裂性的影響需通過試驗，根據(jù)絕熱溫升引起的溫度變形與減少極限拉伸進行比較，而實際也很難計算準確。因此《水工混凝土結構設計規(guī)范》中因溫度應力引起的抗裂驗算適用于不摻粉煤灰的混凝土計算。

在夏季施工時，使用緩凝劑可延長混凝土的凝結時間，減少坍落度的損失，同時因緩凝劑可控制混凝土的硬化速度，對防止出現(xiàn)裂縫有利。

3.5 分析結論

閘泵室墻裂縫呈規(guī)律性分布，分析認為，裂縫主要為混凝土的溫度應力和基礎約束引起的。混凝土在水泥水化熱達到一定的溫度的時候，混凝土的膨脹應力開始消失而此時的混凝土開始產(chǎn)生收縮，這種收縮是均勻的收縮，所以在此種條件下，混凝土墻板的裂縫呈現(xiàn)出有規(guī)律性的裂縫，尤其是在夏季施工的混凝土墻板上容易產(chǎn)生，且往往會在底板與墻的聯(lián)結處，因底板澆筑時留的施工縫在底板面以上50 cm，所以裂縫基本從墻體施工縫處開始。另外，墻體澆筑時，底板混凝土收縮已基本完成，墻底部受底板約束，上部可以自由伸縮，容易產(chǎn)生呈近似豎直向裂縫。根據(jù)實際工程裂縫多位于墻中部范圍，“上不著頂，下不著底”，多為貫穿性裂縫，與分析結果基本吻合。

對于以上原因出現(xiàn)的裂縫，在施工過程中，通過合理的材料選擇和配合比的確定、優(yōu)化施工工藝、加強混凝土測溫養(yǎng)護等是可以避免的。事實也證明，船閘的第八節(jié)閘室墻于5月10日（14：00～22：30）澆筑時未出現(xiàn)裂縫，原因是晚間氣溫低于白天，相應混凝土的澆筑溫度低，對減少裂縫有利。

4 預防措施

4.1 設計方面

在控制裂縫方面，設計應從以下幾方面考慮：

（1）降低約束。工程案例中順水流向底板長度偏長，縮短混凝土底板的分縫長度，可有效降低底板或基礎對閘墻的約束。

（2）減小混凝土的收縮量及收縮差，包括干燥收縮和溫差收縮。設計應提出混凝土施工溫度控制的具體規(guī)定，以及混凝土施工養(yǎng)護和現(xiàn)場溫度監(jiān)控基本要求。

（3）提高混凝土的抗裂性能。除規(guī)定構造配筋的數(shù)量和布置方法外，必要時在某些區(qū)段采用膨脹混凝土或纖維混凝土。

4.2 施工方面

（1）充分重視原材料選用及配合比。宜采用水化熱較低的水泥，不宜采用早強水泥。為了降低混凝土收縮引起的裂縫，宜摻加具有補償收縮、增強抗裂性能的膨脹劑，摻量為水泥用量的10%左右；為了降低收縮和減少混凝土拌和物的離析和泌水，混凝土建議水灰比控制在0.45左右。

（2）做好溫度控制。一般澆注溫度不超過30℃；混凝土內(nèi)部與表面（或環(huán)境）溫差不超過20℃，混凝土表面與養(yǎng)護水的溫差不超過15℃。

（3）嚴格控制澆筑流程和養(yǎng)護。分層澆筑，下料不宜太快，防止堆積或振搗不充分，保證上下層混凝土澆筑間隔不超過初凝時間；改進施工工藝，進行二次振搗，使混凝土泌水排出，提高混凝土抗拉強度，減少混凝土收縮；春夏秋季施工后覆蓋土工布并噴淋，流水養(yǎng)護不小于28 d，使混凝土膨脹與收縮更均勻。

（4）合理利用控制縫、后澆帶、滑動層，以及構造配筋等控制開裂的手段和措施。

5 治理措施

5.1 裂縫處理的必要性分析

如從結構的耐久性、承載力和正常的使用要求，最嚴格的允許裂縫寬度為0.1 mm。根據(jù)大量試驗和泵送混凝土的經(jīng)驗，近年來許多國家已將允許裂縫寬度放寬到0.2 mm。當結構構件處于正常環(huán)境下，保護層厚度滿足設計要求，無侵蝕介質，鋼筋混凝土裂縫寬度可放寬至0.4 mm，在潮濕狀態(tài)下或土中為0.3 mm，在淺水水位變化區(qū)為0.25 mm。經(jīng)過以上的分析，閘墻結構是安全的，承載力能滿足設計要求。考慮到水利工程有抗?jié)B要求，為防止鋼筋銹蝕而影響耐久性，裂縫寬度小于0.2 mm也應進行處理。

5.2 處理方法

根據(jù)裂縫寬度、深度的不同采用兩種修補方法：

（1）化學灌漿法。對于寬度大于0.15 mm且貫通的裂縫，可采用聚氨脂或環(huán)氧樹脂灌漿。聚氨脂具有可灌性好、擴散性強，可有效保護鋼筋的腐蝕防銹，處理后可滿足防滲和耐久性功能要求，遇水后立即反應，體積迅速膨脹，生成一種不溶于水、有效高強度和彈性的凝膠體。環(huán)氧樹脂具有強度高，粘結力強的特點，適宜灌較細的裂縫，因縫寬小于0.2 mm，可采用低粘度漿液，粘結強度0.4～0.6 MPa，在鉆孔、清孔后，通過在鉆孔處安放的灌漿咀用環(huán)氧注漿泵將拌和好的漿液注入縫內(nèi)，豎向縫自下而上逐孔灌注。自然狀態(tài)下養(yǎng)護，達到一定強度后用砂輪機把表面打平磨光。

（2）表面處理法。對于細而淺的裂縫，采用水泥基滲透結晶型防水涂料涂抹，因其活性化學成分遇水后會產(chǎn)生作用而形成不溶解的結晶體于混凝土內(nèi)的小孔及毛細管道中，裂縫被完全封閉，從而使混凝土致密、防水，若以后其他原因產(chǎn)生新的細微裂縫時，一旦有水滲入，又會產(chǎn)生新的晶體堵住。施工時，先用水潤濕混凝土面但不濕，一般涂刷二遍（間隔約4 h），且涂層要均勻，每條縫涂抹的寬度為10 cm。夏天炎熱，5 d養(yǎng)護期間須在涂刷的防水涂層表面噴灑清水多次，再放置4 d后方可回填土與通水。

5.3 修補效果

修補后效果較好，未有滲水現(xiàn)象，裂縫也未再發(fā)展，不影響工程投入正常使用。

6 結語

從成因上看，水閘泵站施工期閘室墻上產(chǎn)生裂縫，是一個普遍性問題，商品混凝土的使用更加劇了這類問題的出現(xiàn)，本文案例具有一定的代表性。

本文分析了裂縫類型及產(chǎn)生的原因，提供了可供借鑒的預防和治理措施。從裂縫產(chǎn)生的時間上看，早期裂縫居多，且后期裂縫會在已出現(xiàn)的裂縫上繼續(xù)拉長加寬。因此，在施工過程中需從材料選擇、配合比設計、施工方法、施工時段的選擇、加強混凝土測溫養(yǎng)護和溫度控制等多方面采取綜合措施避免早期裂縫的產(chǎn)生。同時，設計應縮短混凝土分塊長度、考慮溫度及約束應力，加強構造鋼筋配置等，以限制后期裂縫的發(fā)展。