水工涵閘混凝土裂縫控制技術及設計參數計算

夏 瑀

(黑龍江省融正投資有限公司，黑龍江 哈爾濱 150000)

水工涵閘的混凝土結構出現裂縫后，首先是發生滲漏，如果不進行有效治理，滲漏問題將會不斷加劇，對整個水工建筑物的使用安全也會造成威脅。其次，使得混凝土的碳化速率加快，除了自身強度降低外，還會加速內部鋼筋的腐蝕，涵閘鋼混結構的強度降低，存在諸多的安全隱患。要想解決裂縫問題，一種措施是從設計方面著手，通過計算混凝土的熱學、力學等性能參數，優化設計方案，保證混凝土的各項性能滿足水工涵閘的使用要求；另一種措施是加強施工管理，包括選擇材料、施工控制、科學養護等，降低裂縫的發生率。

1 水工涵閘混凝土裂縫控制技術

1.1 混凝土材料

1.1.1 優先使用低熱和中熱水泥

選擇水化熱高的水泥制備混凝土，澆筑之后因為釋放熱量多、內外溫度差大，混凝土出現裂縫的概率相應的升高。因此，在選擇水泥材料時，必須盡量選擇低熱或中熱的類型。以硅酸鹽水泥為例，不同礦物的水化熱見表1。根據表1，優先考慮以硅酸二鈣或鐵鋁酸四鈣為主的硅酸鹽水泥。

表1 硅酸鹽水泥中不同礦物的水化熱

1.1.2 優先選用熱學性能好的骨料

骨料的熱學性能通過影響混凝土的膨脹系數進而與裂縫控制產生關聯。其中，骨料的熱學性能又與熱膨脹系數和絕熱溫升兩個變量有直接聯系。熱學性能好的骨料，在外界溫度升高后，混凝土的溫度應力變化幅度較小，不容易出現裂縫。不同骨料的熱膨脹系數見表2。因此，在配置混凝土時，所用骨料盡量選擇玄武巖巖和石灰巖。

表2 幾種常用骨料的熱膨脹系數

1.1.3 減少混凝土水泥用量

水泥在水化過程中釋放出太多的熱量，是導致混凝土裂縫的一個重要原因。如果能夠在不影響水工涵閘結構穩定性的前提下，適當減少混凝土中水泥的用量，通過降低熱量達到減少裂縫發生的目的。目前可供選擇的方法有：(1)摻加粉煤灰。研究表明，將水泥和粉煤灰按照2∶3比例配制，同時加入適量的減水劑，制成的混凝土在養護28天后強度可以達到35 MPa，6個月后強度可以達到50 MPa，完全能夠滿足一般水工涵閘的使用要求。(2)摻加外加劑。挑選合適的外加劑，既能夠改善混凝土的性能，同時也可以減少裂縫。例如加入減水劑、早強劑等，在不影響混凝土整體性能的情況下可以減少水泥用量。

1.2 混凝土澆筑時間選擇

溫差過大是造成混凝土裂縫的重要因素，在澆筑混凝土時應盡量選擇10℃～30℃的環境。夏季高溫天氣下，由于外界溫度高、陽光直射等原因，混凝土表面水分蒸發速度明顯高于正常情況，出現干縮裂縫。同時，表面混凝土溫度高，極端情況下甚至能夠達到50℃～80℃，不利于混凝土內外熱量交換，水化釋放出的熱量無法及時消散，也會影響混凝土的性能。因此，夏季盡量避開正午及午后的高溫時段，冬季盡量選擇在氣溫不低于0℃的情況下施工。

1.3 裂縫控制的施工方法

1.3.1 設置后澆帶

后澆帶的形式有多種，常見的有一字型、T字型和內凹型，見圖1。通過留置后澆帶，為混凝土的收縮和膨脹提供了充足的空間，減少了因為收縮產生的拉裂或是因為膨脹產生的擁包問題。在留置后澆帶時，需要考慮后澆帶自身的寬度，根據混凝土的厚度和用量不同，在80 mm～150 mm之間可以滿足要求；另外，相鄰兩處后澆帶的間隔距離，以40 m～50 m為宜，距離太近會影響水工涵閘的整體強度，距離太遠又難以起到防止裂縫的效果。

(a)一字型 (b)T字型 (c)內凹型

1.3.2 表面真空作業

利用真空負壓作用，可以讓混凝土提早達到設計強度，從而降低了因為早期干縮應力導致的裂縫。另外，表面真空作業還可以讓混凝土表面的氣泡完全析出，相當于優化了振搗效果，提高了混凝土表面光滑度，對解決蜂窩、麻面問題也有積極幫助。普通施工和真空施工的混凝土強度差異見表3。

表3 不同施工方式下混凝土強度對比

結合表3可以發現，在混凝土養護28天后，在真空施工方式下，兩種不同配合比下的混凝土，抗壓強度分別達到了36.5 MPa和37.2 MPa。相比來看，采用正常施工的兩種混凝土，抗壓強度分別為31.7 MPa和32.0 MPa。真空作業下混凝土的抗壓強度更好。同樣的，在抗折強度方面真空施工的混凝土表現更好。

1.3.3 表面鋼筋網

拉應力也是造成混凝土結構出現開裂的常見原因。普通建筑施工通常采用鋼筋混凝土結構來增強抗拉能力。在水工涵閘施工時，除了植入鋼筋外，還要考慮表面混凝土承受水流沖擊的影響，在澆筑混凝土時布置表面鋼筋網，讓局部的抗拉能力得到顯著增強。通過對比實驗，同等情況下，使用表面鋼筋網的涵閘混凝土結構很少出現裂縫，而未采取加固措施的混凝土出現多處裂縫。

2 計算模型及計算參數

2.1 工程概況

某立交地涵工程長73.4 m，工程結構采用鋼筋混凝土上槽下洞立體型式，屬于I等II級建造物，設計抗震烈度為7度。洞身采用“三孔一聯”的鋼混箱型結構，從東向西共計12孔。單孔斷面尺寸有4.4 m×6.0 m和5.0 m×7.2 m兩種類型。

2.2 計算區域

選取計算對象時，優先考慮承受荷載較大的閘底板或者是水流直接沖擊的墩墻。其中，閘底板所受荷載主要來自上部，在垂直作用力下容易形成表面裂縫；而墩墻所受荷載既有外側土體的壓力，也有內部水流的沖擊力，更容易出現垂直裂縫。在此基礎上，進行單元劃分(見圖2)，整個計算區域內共有8750個單元，10443個節點。

圖2 計算區域的單元劃分

2.3 熱學和熱力學參數

根據導溫系數計算公式，影響混凝土熱學性能的因素主要有導溫系數和導熱系數，以及混凝土自身的比熱值和密度值。其關系式為：

α=λ/cρ

式中：α為混凝土的導溫系數;λ為混凝土的導熱系數;c是比熱值;ρ是密度值。

參考表4可以計算出水工涵閘施工所用混凝土的熱學性能系數。在施工設計時，可以根據水工涵閘混凝土澆筑體積和熱學性能，采取相應的溫度調節措施，避免因為水化熱導致的溫度差過大而出現混凝土結構性裂縫。

表4 不同材料的熱學性能系數

2.4 力學參數

水工涵閘的混凝土結構，既要承受水流沖擊壓力，同時還要承受外側土體的壓力。這就決定了混凝土必須具備較強的力學性能，才能保持自身結構的穩定性，降低因為復雜受力情況而引發的結構性裂縫。結合水工涵閘的地質特點、水文條件，以及施工設計方案，確定保持混凝土結構安全的力學性能。以抗壓強度為例，采用試驗法，根據《混凝土結構設計規范》(GB 50100-2010)的相關要求，制作規格為200 mm×200 mm×800 mm的混凝土試件，養護28 d后測試其強度，對比試驗結果是否滿足涵閘結構的穩定性要求。如果不滿足，需要調整混凝土的配比，在確定抗壓強度符合要求后方可批量制作和澆筑使用。

3 結語

水工涵閘工程中，通過開展受力分析，在底板和墩墻部分開展分析和參數計算，提高設計方案的科學性。在此基礎上加強施工控制，降低裂縫的發生率，提高水工涵閘的使用質量。