水工涵閘混凝土裂縫控制技術

華耀沛 張仲華

摘要:本文以水工涵閘工程混凝土的墩墻、板裂縫作為典型裂縫,分析了裂縫的形成原因,并從材料選擇、施工方法及結構布置三個層面提出了控制水工水工涵閘有害裂縫的技術措施。

關鍵詞:水工涵閘;混凝土施工;裂縫控制

1 引言

水閘和地涵是平原地區常見的水工建筑物,水工涵閘的裂縫發生的主要部位在底板和墩墻上。水工涵閘工程混凝土一旦產生裂縫,將使水工建筑物產生滲漏,滲漏的結果,一方面在壓力水作用下使裂縫逐步擴寬和發展;另一方面加速混凝土碳化。這些混凝土裂縫直接影響混凝土結構物的結構強度和整體穩定性。只有深入分析水工構筑物裂縫形式與原因,提出控制措,才能保證水工構筑物的安全,提高其使用壽命。

2 水工涵閘結構的典型裂縫及其成因

2.1 墩墻裂縫

水工涵閘混凝土墩墻結構經常出現“上不著頂,下不著底”的“棗核形”裂縫現象,縫寬受外界環境溫度的變化影響較明顯,冬季較寬,夏季較細。從混凝土表面看,裂縫底部通常是豎直的,而頂部則向兩邊傾斜。

在水工涵閘墩墻混凝土結構中,裂縫一方面是由底板或基礎約束引起的。由于墩墻和底板之間存在施工間歇時間,墩墻混凝土的變形受到底板的約束作用,一開始產生壓應力,此時由于早期混凝土彈模小,徐變度大,壓應力大且很快會因松弛變形而降低;當上部混凝土溫度下降時,由于底板對降溫收縮變形的強約束,墩墻就會出現較大的拉應力,當拉應力超過混凝土的即時抗拉強度時,它便會出現由里及表的裂縫,且常常是貫穿性的。墩墻的基礎溫差愈大愈有可能出現這樣的裂縫。

2.2 底板裂縫

底板的沉陷裂縫多屬深進或貫穿性裂縫,其走向與沉陷情況有關,較大的貫穿性沉陷裂縫,往往上下或左右有這定的錯距,裂縫寬度受溫度變形的影響小,因荷載大小而異,且與不均勻沉降值成比例。地基變形穩定后,沉陷裂縫也趨穩定。水工涵閘的底板混凝土沉陷裂縫主要為順水流方向的裂縫。

當水工涵閘底板修建在堅硬的基巖上時,受到的約束作用會很大,有可能產生貫穿性的裂縫。由于地基土體軟硬不均,或局部存在松軟土,未經夯實和必要的加固處理,即使在相同的外荷載作用下,也會產生的不同的沉降量,從而引起混凝土的開裂;墩墻傳給底板的力也是不均勻的,混凝土澆筑后因地基受力不均,產生不均勻下沉,造成結構應力集中,導致出現裂縫;當邊墩外填土接近設計高程時底板中部頂面順水流方向的就會有裂縫產生,這完全是由于邊荷載影響形成的;冬季施工,模板支架支承在凍土層上,上部結構未達到規定強度時,凍土化凍下沉,使結構下垂產生裂縫。

3 水工涵閘混凝土裂縫控制施工技術

3.1 混凝土澆筑材料控制

3.1.1 優先使用低熱和中熱水泥。若需要水工大體積混凝土水化熱低的水泥時,則適當提高C2S和C4AF的含量,并限制C3A和C3S的含量。

3.1.2 優先選用熱學性能好的骨料。粗骨料占混凝土組成比例為89%以上,因此,混凝土的熱學性能在很大程度上取決于粗骨料的礦物性質,優先選用熱學性能好的骨料是混凝土溫度控制的治本措施之一。

3.1.3 減少混凝土水泥用量,摻拌外加劑。在混凝土中摻混合料,如粉煤灰在我國己有廣泛的應用。在混凝土中摻用粉煤后,降低了混凝土的早期強度和極限拉伸值,但混凝土發熱量降低了。根據工程結構性能的要求和建筑物所處的環境條件,選擇適當的外加劑,也是減少水泥用量和降低混凝土水化熱的重要措施之一。

3.2 改進施工方法與工藝

3.2.1 減小外部約束。當水工涵閘建筑在堅硬的基巖上時,堅硬的基巖將約束水工涵閘的底板混凝土變形的發展,在底板上就有可能產生貫穿性的裂縫。水工建筑物基礎開挖規范要求建基面開挖偏差不超過20cm。但由于爆區兩側及后排受到夾制作用,或巖性不均一,開挖出的巖基面一般都會有局部起伏,在巖基面局部起伏處,會引起壩底應力集中,在壩塊因溫度變化而膨脹或收縮時又增加了約束作用。因此,有些國家規定,巖基面的局部起伏度不超0.5m,在我國規范中對此尚無明確規定。對巖基面應盡量要求開挖平整,其局部起伏度以不超過0.5-0.8m為宜,否則應用混凝土把凹坑填平或局部加用鋼筋并進行處理。

3.2.2 設置后澆帶。留置間距首先要考慮能有效削減溫度收縮應力,其次為方便施工要考慮與施工縫重合。通過計算與工程實踐經驗,在正常施工條件下,每區段間距取20~30m,有時還可更小一些,即可保證后澆帶劃分區段中的混凝土可自由伸縮,有效防止裂縫出現。后澆帶的寬度理論上而言只需1cm已足夠保證溫度收縮變形,但考慮施工方便,避免應力集中,一般寬度應在70~100cm之間,工程實踐中大多采用100cm。混凝土后澆帶施工時應重點注意以下問題:防止外界水侵入;防止雜物落入后澆帶清理困難,為防止雜物落入后澆帶中,在主體混凝土澆筑完成后,拆除后澆帶中的模板并清理出后澆帶,然后密封;防止后澆帶部位軟基土體上拱;防止混凝土施工縫滲水。

3.2.3 采用表面真空作業技術。采用表面真空作業,即真空負壓作用,使澆筑的混凝土的水灰比明顯減小,初始孔隙率降低,改變了混凝土的內部結構,提高砂漿與粒料界面的粘結力與混凝土的密度,能減小混凝土的早期干縮應力。在水化程度相同的情況下,真空吸水可以明顯提高混凝土的早期強度。

3.2.4 設置表面鋼筋網。由于混凝土抗拉能力很弱,當受到拉應力時極易發生破壞。因此考慮通過在應力集中點處增加一部分鋼筋,以提高局部抗拉強度。某水閘在上閘首閘孔底板增設鋼筋網,澆筑后經過長期觀測,僅發現一條裂縫,而且長度、寬度都遠比以前裂縫小的多,隨著混凝土齡期增加,此裂縫逐步回縮,最后幾乎肉眼看不到了。

3.3 結構布置改進

3.3.1 結構的合理分縫和分塊。通倉澆筑的優越性是明顯的,一般它能夠簡化柱狀澆筑較繁瑣的后期冷卻和接縫灌漿,縮短工期,使水工混凝土建筑物盡早投入運行,是最先考慮的施工方案。但通倉澆筑增加了澆筑塊受基礎約束的拉應力區范圍和高度;增大了澆筑塊的尺寸,其抗御氣溫驟降的臨界幅度相應減少,發生表面裂縫的機率及條數增多,同時表面裂縫發展的可能性也隨之增加;增大了倉面的尺寸,澆筑過程中更容易出現薄弱面,對混凝土澆筑的平倉振搗要求更高。且水工混凝土建筑物體積和斷面尺寸較大,施工難于一次澆筑到設計高程,所以需要進行合理的分縫分塊澆筑。

3.3.2 設置貼腳。為了防止混凝土的局部的應力集中,應當采取適當的措施來避免,在水工涵閘的設計中,設置貼腳能防止墩墻底部的應力集中現象。另外,設置貼腳還可以增加結構的抵抗垂直于水流方向的水平水壓力的作用,增強整個結構抵抗不平衡力矩的能力,增強了底板的抗裂能力,降低了底板產生順水流方向裂縫的可能性,也增加混凝土結構的整體穩定性,從而大大延長結構的使用壽命。

3.3.3 結構平緩過渡。由于底板的面積和厚度都很大,對上部澆筑的墩墻有較強的約束力,減小底板對墩墻的約束,使結構平緩過渡,將對墩墻的防裂十分有利。底板對墩墻在水平方向x,y兩個方向均有約束作用,垂直方向z則沒有約束。如果能減小x方向或者y方向的約束作用,使結構平緩過渡,將會明顯改善墩墻的應力分布。將一定高度的墩墻和底板同時澆筑,將底板對墩墻的約束變成墩墻對墩墻的約束,由于墩墻在y方向的厚度很薄,只有lm左右,對上部混凝土在y方向的約束作用很小,因此,x方向的約束自作用就可以忽略不計,從而有效地降低底板對墩墻的約束,減小墩墻受約束產生的拉應力。

4 結語

水工涵閘混凝土的裂縫問題已經被越來越多的人所重視。早期裂縫的產生與混凝土的溫度和收縮有關,所以必須加強水工涵閘的早期溫度和自生體積變形方面的控制,控制好原材料第一關,合理的進行結構布置,保證滿足澆筑控溫要求,采用先進的施工方法與工藝,并不斷改進,從而才能不斷提高水工混凝土施工裂縫的可控性。

參考文獻

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