南非瓦爾河水壩擴建項目,防止大體積混凝土裂縫措施及其工程應用

摘 要:在南非瓦爾河水壩擴建項目中，針對大體積混凝土裂縫出現的機理，在混凝土的拌合材料、外加劑的使用、施工方法、養護及溫度監控等方面，采取相應的解決方法，為大體積混凝土施工提供有利的措施和可靠的技術保證。

關鍵詞:大體積混凝土裂縫溫度應力養護溫度監控

中圖分類號:U75文獻標識碼:A文章編號:1674-098X(2011)09(a)-0044-02

南非瓦爾河東部引水子系統擴建項目是一項調水工程，計劃從位于Vaal Marina附近的Vaal大壩內抽水，經Knoppiesfontein調水到Secunda附近的Bosjesspruit水庫和Trichardsfontein水庫。本項目主要包括土建工程，機械、電力設備安裝和管線工程等。

其中，低壓泵房由吸水結構和低位提升泵站兩部分組成，上部結構為鋼結構廠房，高約10米；下部結構為平均深25m的混凝土豎井。取水口豎井平面圖為葫蘆狀，平面尺寸45.75m*37.6m，平面面積1200m2左右，平臺頂標高為1488.83m，底面標高為1463.00m。豎井墻體厚度平均為1.6m，主要鋼筋直徑從16mm到40mm不等，混凝土總量約1.2萬方，立面分11層，22次澆筑完畢。

在低壓泵房豎井的施工過程中，綜合采用了各種工程措施，有效地控制了混凝土裂縫的產生，保證工程質量符合監理規范標準。

1裂縫出現的機理及分類

在建筑工程中，裂縫的產生原因有兩種情況：

(1)荷載變化引起的結構構件內力發生變化，使結構構件的抗力小于外荷載所引起的效應時所發生的裂縫。

(2)變形變化，包括溫度、濕度、收縮、地基變形、膨脹變化等。

大體積混凝土的裂縫屬于第二種原因中的第1到第3種情況。由于構件澆筑后，在混凝土的硬化過程中，水泥漿散發出的大量水化熱會引起混凝土內部溫度及其應力的變化，即由于水化熱的作用形成內外溫差引起混凝土構件內外體積變化而出現裂縫。所以我們應嚴格控制施工方法、加強混凝土的養護、滲入添加劑等措施來控制其裂縫的出現和發展。因此在大體積混凝土施工過程中嚴格控制骨料選用、添加劑使用、施工順序及工藝、混凝土養護、內外溫差等措施是防止和有效地控制裂縫的關鍵所在。

2裂縫控制的材料措施

(1)采用符合當地規范SANS 50197-1的CEM I，42.5N水泥，另外添加符合當地規范SANS 1491標準的粉煤灰一起使用，降低水化溫度；

(2)水泥用量的控制，CEMI，42.5N水泥用量不宜超過400kg/m3， 如果添加粉煤灰，水泥混合物的總用量不宜超過450kg/m3；

(3)25MPa混凝土水灰比不大于0.55，30MPa混凝土水灰比不大于0.5。砂率在45%到50%之間。另外攪拌混凝土用水應用能引用的符合當地標準BS3148的自來水或者清潔的天然水；

(4)對混凝土骨料要求：對于粗骨料的選擇，在大體積混凝土施工中，要根據配筋的間距選擇粗骨料的最大粒徑。在施工條件允許的條件下，盡量選擇選用粒徑較大，級配較好的石子。因為大粒徑的石子，在拌合時，可減少用水量，使混凝土的收縮也會隨之減少；此外還可減少水泥的用量，從而降低了水化熱。但是碎石的最大粒徑不超過38mm，吸水率不大于2.5%。對細骨料的選擇，在拌合混凝土的時候，應盡量選擇中砂，因為這樣可以減少用水量和水泥用量，從而可以減少混凝土的收縮和降低水化熱。但是要控制砂、石的含泥量，因為含泥量過多，不僅會增加混凝土的收縮，也會降低混凝土的強度。因此要求砂、石清洗干凈，控制細骨料的含泥量不超過2%。

南非瓦爾河水壩擴建項目中，低壓泵房豎井的大體積混凝土采用70%的CEM I，42.5N硅酸鹽水泥和30%的粉煤灰拌合使用的方法。25MPa混凝土的水泥用量為225kg，粉煤灰的用量為95kg。水灰比為0.55，砂率為47.8%；30MPa混凝土的水泥用量為246kg，粉煤灰的用量為106kg，水灰比為0.5，砂率為47.1%，使用符合當地規范標準的瓦爾河河水進行拌合。粗骨料采用碎石，粒徑5-19mm的連續級配，細骨料采用中砂，碎石石粉（81%）+細河砂（19%），含泥量不大于2%，細度模量為2.86。根據當地規范BS1881進行混凝土配比的干縮試驗后，其結果不超過0.05%，滿足規范要求。

3裂縫控制的外加劑措施

目前添加劑的使用主要分為減水劑、緩凝劑和膨脹劑3類。混凝土中加入減水劑，不僅可以使混凝土工作性能有所改變，同時又可以減少水泥的用量及攪拌用水的用量，從而達到降低其水化熱的作用。

低壓泵房豎井的大體積混凝土采用Sika公司的Ogemna101減水劑，用量為混凝土每立方米添加1.6L。試驗表明，25MPa混凝土配比中，水泥用量由最初的243kg降至最終的225kg，30MPa混凝土配比中，水泥用量由最初的268kg降至最終的246kg。在水灰比不變的情況下，減水劑有效的降低了水泥用量，降低了水化熱峰值，對混凝土收縮有補償功能，大大提高了混凝土的抗裂性。

4裂縫控制的過程控制

4.1 控制混凝土的出機溫度

為減小大體積混凝土總體的溫度，控制混凝土的出機溫度是很有必要的。其出機溫度是根據攪拌前原材料總熱量與攪拌后混凝土總熱量相等而得出的。

混凝土中的砂、石比熱較小，但用量較大，所以對溫度的影響較大；水的比熱雖大，但是用量較小，所以對溫度的影響較小。控制混凝土的出機溫度，防止太陽直射很重要。項目部將存儲水泥和粉煤灰的罐體涂成了白色，試驗證明，罐體涂成白色后，其表面溫度至少比其他顏色降低了2-3度。另外，在澆筑大體積混凝土的前一天，用冷水淋濕骨料以達到降溫的目的。混凝土拌和工廠有配套的冷卻設備，用于冷卻從瓦爾河中抽取的湖水，同時在溫度較高的夏季和秋季，在澆筑大體積混凝土的當天，在蓄水池內加冰，用來降低拌合用水的溫度。控制混凝土澆筑時的溫度即出機后，經過運送、卸料、泵送、澆筑振搗等工序后的溫度，即為澆筑溫度。南非瓦爾河水壩擴建項目中，規范中規定:混凝土的入模溫度不得超過26°，后經過項目部考慮現場條件，向監理工程師寫信申請將混凝土入模溫度提高到29°。經過上述措施，現場拌合的混凝土溫度基本上符合規范規定的要求。

4.2 混凝土攪拌

項目部在現場建設兩個混凝土拌合工廠，每個工廠的混凝土生產量約為每小時25m3左右。混凝土工廠距離施工地點約為400m，混凝土拌合后，用攪拌車運至現場，再由泵車送至澆筑部位入模。攪拌工廠采用強制性攪拌方式，攪拌一盤混凝土方量約為0.7m3。加料順序為：先將粗骨料、細骨料稱重后運送到攪拌室中拌均，然后將水和水泥、粉煤灰和添加劑加入攪拌約45秒，最后在攪拌車內總體拌合3分鐘成型。計量精度每盤控制，計量控制在：水泥和粉煤灰±1%，水和添加劑±1%，粗骨料和細骨料±2%。攪拌符合機械說明書的時間，每車攪拌車方量為4.9m3，每車出廠和澆筑之前均監測塌落度，保證不超過120mm。如果發現混凝土塌落度過大，由拌和工廠的技術人員及時調整。

4.3 混凝土的場內運輸和布料

低壓泵房豎井大體積混凝土澆筑時，采用1臺34m和1臺42m的汽車泵輸送混凝土入