現(xiàn)澆渡槽槽身混凝土裂縫成因分析及控制措施

陳漢法，劉安宇

(湖北大禹建設(shè)股份有限公司，湖北 武漢 430000)

沙河渡槽位于棗陽市環(huán)城街道方灣村至孫井村，設(shè)計(jì)樁號(hào)121+800～C2K123+180，總長(zhǎng)1.38 km，其中槽身段長(zhǎng)1 350 m，每跨長(zhǎng)30 m，共45跨。橫斷面尺寸：內(nèi)輪廓5.8 m×4.6 m(凈寬×凈高)，外輪廓8.0 m×6.7～6.2 m，槽身凈寬5.8 m，側(cè)墻凈高4.6 m，側(cè)墻厚0.5 m，底板厚0.4 m；底肋寬0.4 m，高0.8 m，側(cè)肋寬0.4 m，高0.6 m；側(cè)墻底梁寬1.2 m，高1.6～2.1 m；側(cè)墻人行道板寬1.7 m，厚0.4～0.5 m，拉梁斷面0.3 m×0.4 m。

渡槽槽底縱坡1∶5 000，設(shè)計(jì)水深3.76 m，流量28.6 m3/s，工程建筑物級(jí)別為2級(jí)，空槽重量約1 115 t。

槽身為單孔三向預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土簡(jiǎn)支結(jié)構(gòu)矩形槽，槽身橫向、縱向、豎向均施加預(yù)應(yīng)力。縱向、橫向預(yù)應(yīng)力釆用fptk=1 860 kPa級(jí)鋼絞線，豎向預(yù)應(yīng)力釆用PSB級(jí)ΦPS32 mm精軋螺紋預(yù)應(yīng)力鋼筋。

槽身混凝土為C50W8F150高性能混凝土，采用現(xiàn)澆施工，單槽槽身分二次澆筑(不含二期混凝土)，第一次澆筑縱橫肋梁、底板混凝土及0.8 m側(cè)墻墻身混凝土(底部倒角上0.3 m側(cè)墻墻身)，第二次澆筑側(cè)墻槽身、人行道板及頂部拉梁(共3.8 m高)。

槽身平面圖、預(yù)應(yīng)力布置圖、槽身縱向立面圖、槽身橫剖面見圖1～圖4。

1 槽身裂縫分布與成因分析

沙河渡槽槽身第1跨于2017-11-20日開始施工，至2018-05-03日共計(jì)完成第13跨、第14跨、第26跨、第27跨、第28跨、第43跨、第44跨、第45跨，累計(jì)8跨槽身。經(jīng)過對(duì)已完成的槽身混凝土進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)在槽身的側(cè)墻部位均存在裂縫，尤其是第26跨裂縫最多，共24條。通過對(duì)各跨裂縫分布情況和所有裂縫進(jìn)行檢測(cè)歸納為：裂縫為有規(guī)律的斜紋狀，裂縫平均長(zhǎng)度為2.17 m，最長(zhǎng)3.58 m，分布位于第45跨左側(cè)墻9號(hào)裂縫部位，最短0.26 m；平均縫寬為0.12 mm，最寬0.59 mm，分布位于第26跨右側(cè)墻13號(hào)裂縫部位，最窄0.04 mm；平均深度47 mm，最深96 mm，分布位于第13跨左側(cè)墻9號(hào)裂縫部位，最淺5 mm；絕大多數(shù)裂縫分布在墻體迎水面第2條肋～第12條肋之間的跨中約1/3處～2/3處，距間歇面10～70 cm向高度方向發(fā)展，形成“上不著頂，下不著底”的裂縫分布。大多數(shù)裂縫兩頭尖，中間寬。

圖1 槽身平面圖(單位：mm)

圖2 預(yù)應(yīng)力鋼筋布置圖(單位：mm)

圖3 槽身縱向立面圖(單位：mm)

根據(jù)對(duì)這8跨槽身裂縫分布、結(jié)構(gòu)斷面尺寸及約束、施工溫度、防護(hù)措施等綜合分析，裂縫產(chǎn)生的主要原因?yàn)榛炷翜囟忍荻冗^大及混凝土結(jié)構(gòu)約束應(yīng)力相互疊加所致。

圖4 槽身橫剖面圖(單位：mm)

2 槽身裂縫控制分析

根據(jù)參考文獻(xiàn)和其他類似工程施工經(jīng)驗(yàn)，混凝土抗裂安全系數(shù)K應(yīng)大于1.15，才能確保混凝土不會(huì)出現(xiàn)裂縫[1]，應(yīng)采取相應(yīng)措施提高混凝土抗裂系數(shù)k。

1)抗裂安全系數(shù)K

K=P/σ

式中：P為混凝土T齡期時(shí)的抗拉強(qiáng)度；σ為混凝土的溫度應(yīng)力。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)混凝土試驗(yàn)檢測(cè)報(bào)告結(jié)果，槽身3 d混凝土的抗拉強(qiáng)度為0.84 MPa，若想提高T齡期混凝土的抗裂安全系數(shù)K，應(yīng)控制其溫度應(yīng)力σ。

2)混凝土溫度應(yīng)力計(jì)算

σ=E(t)aΔT/(1-Vc)×S(t)×R

式中：E(t)混凝土的彈性模量；a為混凝土的線膨脹系數(shù)，取1×10-5；S(t)為考慮徐變影響的松弛系數(shù)0.3～0.5，取0.4；R為混凝土的外約束系數(shù)，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)混凝土澆筑結(jié)構(gòu)分層及間歇時(shí)間，取1；Vc為混凝土的泊松比0.17；ΔT為最大綜合溫差。

3)混凝土的絕熱溫升(齡期)

Tt=(Q0×W/cp)×(1-e-mt)

式中：m為熱影響系數(shù)，為0.43+0.001 8Q0；t為齡期；e為負(fù)指數(shù)函數(shù)；c為混凝土的比熱，取0.97 kJ/kg·℃；p為混凝土的容重，取2 450 kg/m3；W為混凝土中水泥實(shí)際用量，kg；Q0為水泥的水化熱，J/kg。

4)混凝土允許的最高澆筑溫度(雙控法)

混凝土允許的最高澆筑溫度同時(shí)滿足：澆筑溫度≤月平均氣溫2℃及澆筑溫度<26℃，兩者取最小值。

由于槽身混凝土采用分層施工，應(yīng)嚴(yán)格控制上、下層混凝土溫差、混凝土內(nèi)外溫差及混凝土內(nèi)部允許最高溫度。

上、下層混凝土溫度應(yīng)不大于10℃，擬定上、下層澆筑間隔時(shí)間按7～10 d控制，混凝土內(nèi)外溫差，△T≤15℃，混凝土內(nèi)部允許最高溫度，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工環(huán)境擬定表1。

表1 槽身混凝土最高溫度控制指標(biāo)表

3 控制措施

經(jīng)過分析總結(jié)前8跨槽身發(fā)生裂縫的原因，在第12、25、29和42跨槽身澆筑中采取了相應(yīng)的防裂控制措施，這4跨槽身混凝土均未發(fā)現(xiàn)裂縫，具體防裂措施如下。

3.1 優(yōu)選原材料，優(yōu)化配合比

1)選用中低熱水泥。采用湖南常德石門葛洲壩特種水泥廠生產(chǎn)的特種P.MH42.5中低熱水泥替換了原來的三峽牌P.O52.5水泥，該水泥品種水泥的水化熱為257 kJ/kg，比表面積328 m2/kg，C3A含量2.38%。

2)更換外加劑。采用HL-8000聚羚酸鹽高效減水劑，減水率為30%，降低用水量30 kg(由原來的單位用水量155 kg調(diào)整為125 kg)。

3)減少砂率。砂率由原來的0.38調(diào)整為0.34，降低砂漿含量。

4)更換纖維素。選用萊蕪市佳和土工合成材料有限公司的UF500纖維素。

5)增加粗骨料含量。進(jìn)一步優(yōu)化C50混凝土配合比，見表2。

3.2 混凝土澆筑溫度控制

根據(jù)設(shè)計(jì)技術(shù)要求，混凝土澆筑溫度應(yīng)不大于當(dāng)月平均氣溫2℃，且不得超過26℃。結(jié)合當(dāng)?shù)貧鉁兀瑪M定6～8月混凝土澆筑溫度控制在25℃以內(nèi)。5、9月按照23℃以內(nèi)，4、10月按照18℃以內(nèi)，11～3月按照10℃以內(nèi)控制。以下就5～9月高溫期從幾個(gè)方面來進(jìn)行控制混凝土澆筑溫度。

表2 新老C50混凝土配合比表

3.2.1 控制混凝土的出機(jī)口溫度

混凝土出機(jī)口溫度T1

T1=T0-0.16(T0-Tb)

式中：Tb為棚內(nèi)溫度，℃；T0為混凝土拌合物溫度，℃。

故若要降低混凝土出機(jī)口溫度，需降低混凝土拌合物溫度T0。

混凝土拌合物溫度T0

T0={0.837×[(Wc×Tc+Ws×Ts+Wf×Tf+Wg×
Tg)+4.19×Tw(Ww-Pg×Wg-Ps×Ws)+C1(Ps×
Ws×Ts+Pg×Wg×Tg)-C2(Ps×Ws+Ps×Wg)]+
Hc}/[4.19×Ww+0.837(Wc+Ws+Wf+Wg)]

設(shè)采用中熱42.5水泥的配合比：Ww=125 kg，Wc=417 kg，Ws=643 kg，Wf=46 kg，Wg=1 249 kg，Ps=3%，Pg=1%，暫不考慮機(jī)械熱。

代入公式得出：

T0={0.837×[(417×Tc+643×Ts+46×Tf+1 249×
Tg)+4.19×Tw(125-3%×643-1 249×1%)+
419(3%×643×Ts+1%×1 249×Tg)]/[4.19×
125+0.837(417+643+46+1 249)]=0.139 9Tc+
0.248 1Ts+0.015 4Tf+0.44Tg+0.156 6Tw

考慮加冰對(duì)溫度的影響因素，則加冰引起的溫降Wt

Wt=335×η×35×∑Ci×Wi

=335×0.8×Wb/0.837×2 450=0.131 ℃/kg

設(shè)加冰量為Wb(kg/m3)，加冰的有效系數(shù)為η，取0.8。

故1 kg冰可引起0.131℃的溫降

則T0=0.139 9Tc+0.248 1Ts+0.015 4Tf+0.44Tg+0.156 6Tw-Wt

故若要降低混凝土拌合物溫度，需降低混凝土拌合物原材料的溫度，根據(jù)公式可以看出，混凝土拌合物溫度T0主要與骨料溫度、水泥溫度和拌合水的溫度有關(guān)，其中粗骨料每降低1℃可降低拌合物溫度0.44℃、沙每降低1℃可降低拌合物溫度0.248℃、水泥溫度每降低1℃可降低拌合物溫度0.139 9℃、拌合水每降低1℃可降低混凝土拌合物溫度0.156 6℃、每1 m3混凝土拌合物加冰1 kg可以降低混凝土拌合物溫度0.131℃。

3.2.2 控制出機(jī)口混凝土溫度的主要措施

1)骨料預(yù)冷(搭設(shè)涼棚，覆蓋、防曬骨料，提前24 h對(duì)粗骨料進(jìn)行18 h噴淋降溫，澆筑前6 h停止噴淋靜置粗骨料濾水，測(cè)出粗骨料含水量)，骨料風(fēng)冷，保證了拌合物骨料溫度控制在25℃以內(nèi)。

2)提前對(duì)膠凝材料(水泥和煤灰)進(jìn)行儲(chǔ)存降溫，在膠凝材料儲(chǔ)存罐外包罐衣并安裝環(huán)狀冷卻水管冷卻，保證了膠凝材料溫度不超過40℃。

3)采用地下井水并通過循環(huán)冷卻，保證了拌合用水溫度控制在10℃左右。

4)高溫條件下，為確保混凝土澆筑溫度在受控范圍內(nèi)，可適量摻入冰渣(25%～80%)以降低混凝土拌合物溫度，保證了混凝土拌合物溫度不超過20℃。為方便摻入冰渣，在現(xiàn)場(chǎng)安裝了1臺(tái)L500型冰渣機(jī)，每小時(shí)生產(chǎn)冰渣2～4 t，可滿足澆筑用冰需要[2-3]。

3.2.3 混凝土澆筑溫度T3

T3=T2+(Th+R/β-T2)(Φ1+Φ2)

式中：R為太陽輻射熱；β為表面放熱系數(shù)；Φ1為平倉前溫度系數(shù)，取0.0030；Φ2為平倉后溫度系數(shù)，取0.315。

則T3=T2+(Th-T2+R/β)×0.318=0.682T2+0.318Th+0.318R/β

故若要降低混凝土澆筑溫度，需降低混凝土入倉溫度T2及運(yùn)輸時(shí)環(huán)境溫度Th，并控制太陽的輻射熱及表面放熱系數(shù)，所以盡可能在夜晚或陰天澆筑。

3.2.4 混凝土入倉溫度T2

T2=T1-(at+0.32n)(T1-Th)

式中：T1為出機(jī)口溫度，℃；t為混凝土運(yùn)輸時(shí)間，h；n為混凝土轉(zhuǎn)運(yùn)次數(shù)，取1；Th為運(yùn)輸時(shí)的環(huán)境溫度，℃；a為混凝土溫度損失系數(shù)，取0.25。

則T2=T1-(0.25×0.75+0.32)(T1-Th)=0.492 5T1+0.507 5Th

故若要降低混凝土入倉溫度，需降低混凝土出機(jī)口溫度T1及運(yùn)輸時(shí)環(huán)境溫度Th。

為了盡可能降低混凝土運(yùn)輸過程中的輻射熱和吸熱，根據(jù)混凝土夏季施工環(huán)境較高的特點(diǎn)，采取了如下措施：

1)優(yōu)選澆筑時(shí)段，盡可能選擇晚間或陰天澆筑混凝土，以減少混凝土的輻射熱和最大可能降低吸熱量；

2)優(yōu)選攪拌車運(yùn)輸，并在運(yùn)輸車外安裝了保溫隔熱罩(簡(jiǎn)稱罐衣)；

3)混凝土澆筑前對(duì)所有運(yùn)輸車輛進(jìn)行了預(yù)冷運(yùn)輸罐，采用循環(huán)水池內(nèi)的冷水在罐內(nèi)循環(huán)攪拌，降低了運(yùn)輸罐溫度；

4)在出機(jī)口安裝了噴淋設(shè)施，對(duì)攪拌車運(yùn)輸罐外的罐衣進(jìn)行噴淋，盡最大可能降低了運(yùn)輸過程中的輻射熱和吸熱。

3.2.5 控制混凝土倉面溫度

控制混凝土倉面溫度主要是營造混凝土澆筑小環(huán)境溫度，從三方面進(jìn)行了控制：

1)搭設(shè)保溫和防曬棚，注意通風(fēng)，利于散熱；

2)倉面提前6 h進(jìn)行了噴霧和淋冷水預(yù)冷倉面；

3)盡可能選擇溫度低的時(shí)段進(jìn)行混凝土澆筑。

3.3 混凝土溫升及溫差控制

3.3.1 混凝土溫升控制

1)混凝土的絕熱溫升(齡期)Tt=(Q0×W/cp)×(1-e-mt)。

2)混凝土齡期溫升Tr=Tt×β，β取值見表3。

表3 溫度折減系數(shù)β取值表

3)混凝土最高溫度：T3+Tr。

根據(jù)混凝土溫升計(jì)算，控制混凝土溫升主要是控制混凝土的絕熱溫升，所以最大的可能是降低水泥的水化熱和單位混凝土水泥用量，前面已在優(yōu)選原材料和優(yōu)選配合比中作了詳細(xì)說明，不再重復(fù)，在此僅對(duì)布置冷卻水管布置對(duì)混凝土溫升控制作簡(jiǎn)要說明。在槽身沿渡槽縱向水平布置了6排Φ48鋼管、壁厚3 mm，鋼管采用專用接頭或焊接連接，確保通水不漏不脫，兩端采用軟管連接，為保證現(xiàn)場(chǎng)冷卻水源，在已經(jīng)澆筑的緊鄰跨修筑100～120 m3蓄水池，在池底安裝儲(chǔ)存冷庫(存放冰塊以保證通水溫度達(dá)到溫控要求)，通水溫度控制在10～16℃，槽身側(cè)墻左右兩邊布置各一套循環(huán)冷卻水系統(tǒng)，每套進(jìn)水管前均設(shè)置一閥一表控制流速和流量，混凝土澆筑前，對(duì)已安裝好的冷卻水管進(jìn)行通水檢查，通水壓力0.3～0.4 MPa，無滲漏現(xiàn)象方可投入使用。在澆筑前開始通水降溫，具體時(shí)間持續(xù)到混凝土內(nèi)部溫度冷卻至接近穩(wěn)定常溫為準(zhǔn)，水流方向8 h調(diào)換一次，控制通水流速1.2 m/s左右，控制流量5.5 m3/h，同時(shí)每2 h測(cè)量一次槽身混凝土溫度和進(jìn)、出口水的溫度，嚴(yán)格控制進(jìn)出口水溫溫差在6～10℃左右，且控制水溫與混凝土內(nèi)部的溫差不超過25℃[4]。

3.3.2 混凝土溫差控制

混凝土溫差控制主要為控制混凝土內(nèi)、外溫差，混凝土表面與環(huán)境溫差。

混凝土內(nèi)外溫差及表面與環(huán)境溫差控制：

1)混凝土表面溫度

Tb(t)=Tq+[4×h′×(H-h)×(T1(t)-Tq)]/H2

2)混凝土內(nèi)外溫差

ΔT=T3+Tr-Tb(t)

3)混凝土表面與大氣溫差

ΔT=Tb(t)-Ta

3.3.3 混凝土內(nèi)外溫差控制

1)在所有模板外側(cè)安裝了5 cm厚聚氯乙烯泡沫板進(jìn)行保溫，以保證混凝土散熱梯度滿足《水工混凝土施工規(guī)范》(SL677-2014)要求。

2)通水降溫在3.3.1中已說明，在此不作詳細(xì)說明。

3)加強(qiáng)混凝土內(nèi)部溫度監(jiān)測(cè)，及時(shí)掌握槽身混凝土內(nèi)外溫差。

4)搭設(shè)保溫棚，保證了混凝土養(yǎng)護(hù)小環(huán)境的溫度

盡最大可能與外環(huán)境隔離，營造養(yǎng)護(hù)小環(huán)境，通過開關(guān)保溫棚篷布，使棚內(nèi)溫度緩慢接近外部環(huán)境溫度，當(dāng)小環(huán)境溫度無限接近外部環(huán)境溫度時(shí)，可以拆掉保溫棚，以控制混凝土表面與環(huán)境溫度差最低。

3.4 混凝土拆模、養(yǎng)護(hù)

3.4.1 混凝土拆模

槽身混凝土澆筑完后根據(jù)混凝土內(nèi)部溫度、表面溫度以及環(huán)境溫度來確定混凝土的拆模時(shí)間，當(dāng)內(nèi)、外溫差控制在15℃以內(nèi)，表面溫度和環(huán)境溫度控制在10℃以內(nèi)即可拆模。

3.4.2 混凝土養(yǎng)護(hù)

1)混凝土養(yǎng)護(hù)指定專人負(fù)責(zé)，并做好了詳細(xì)記錄。

2)采取了足夠的保濕養(yǎng)護(hù)措施，即混凝土拆模后采用自動(dòng)噴淋系統(tǒng)，結(jié)合人工灑水，控制養(yǎng)護(hù)用水溫度與環(huán)境溫度大體相當(dāng)，確保混凝土齡期內(nèi)保證濕潤狀態(tài)。

3)混凝土養(yǎng)護(hù)時(shí)間按設(shè)計(jì)技術(shù)要求執(zhí)行。

4 結(jié) 語

湖北省鄂北地區(qū)水資源配置工程中沙河渡槽項(xiàng)目已完成了通水試驗(yàn)，從運(yùn)行效果看，渡槽混凝土采取上述控制措施后槽身未出現(xiàn)裂縫或滲水現(xiàn)象，實(shí)踐證明：現(xiàn)澆三向預(yù)應(yīng)力矩形渡槽槽身裂縫是可以得到有效控制的。主要通過：控制“兩度”(混凝土入倉澆筑溫度和混凝土中心最高溫度)；“兩差”(槽身混凝土內(nèi)外溫差和槽身表面和環(huán)境溫差)來控制混凝土的溫度應(yīng)力，基本解決了現(xiàn)澆三向預(yù)應(yīng)力大截面、大跨度、大體積矩形渡槽槽身混凝土裂縫問題，從本工程施工實(shí)施情況看，有效控制了槽身混凝土裂縫，成果較為顯著，可供類似工程項(xiàng)目借鑒。