南水北調中線工程倒虹吸施工期裂縫成因及防裂措施

□石愛軍（廣東水電二局股份有限公司）

□郭 磊（華北水利水電學院）

□樊培培（汝州市水利局）

1.概述

南水北調中線工程由漢江丹江口水庫引水，干渠總長達1277km，總干渠與大量江、河、溝、渠、公路、鐵路相交，形成各類交叉建筑物、控制建筑物。倒虹吸是南水北調工程中一種重要的交叉建筑物，中線共有渠道倒虹吸100座，河道倒虹吸17座。倒虹吸和渡槽一樣，屬于薄壁混凝土結構，在施工期極易產生溫度變形和干縮，從而導致裂縫的產生，影響工程耐久性，故對其實施嚴格的溫控、防裂措施，對防止結構產生裂縫，保證南水北調工程整體施工質量具有重要的意義。

2.倒虹吸裂縫成因分析

倒虹吸混凝土裂縫的產生是多種因素共同作用的結果，這要從混凝土水化機理出發進行成因分析。混凝土攪拌之后，水泥與水接觸，顆粒表面即開始水化，生成少量的水化物并立即溶于水中。此時，又暴露出未水化的新表面，使水化作用繼續進行，直到生成水化物的飽和溶液為止。從中析出六方片狀Ca(OH)2晶體，生成細小的鈣礬石晶體。從水泥初凝起到24h為止，水化開始加速，生成較多的Ca(OH)2和鈣礬石晶體，同時水化硅酸鈣也以長纖維晶體從熟料顆粒上開始長出來，并能逐漸再結晶，生成宏觀晶體，直至混凝土硬化。由此可見，隨著水泥和水不斷水化反應，自由水和毛細孔水量逐漸降低，在硬化水泥石中形成大量微細孔，水的飽和蒸氣壓隨著內部相對濕度降低而降低，導致硬化水泥石受負壓作用而產生收縮，特別是表面，收縮而導致裂縫。另外，水泥水化過程要散發大量的水化熱，使混凝土體積膨脹，加之混凝土是一個熱的不良導體，隨著熱量向外部介質散發，產生一個溫差，內部膨脹量大，外部較小，內部熱的混凝土約束外部冷混凝土的收縮，極有可能出現表面裂縫。可見混凝土裂縫主要由于體積的變化及由體積變化受到約束而產生的應力所造成的。

3.防裂措施優劣對比

倒虹吸混凝土防裂不但從控制自身特性出發，還應從溫控和濕控的角度出發，總的來說，常采用的防裂措施主要有以下幾方面：

3.1 溫控防裂

嚴格控制混凝土溫度是防止裂縫的重要措施，控制溫度主要方法有:

3.1.1 通水冷卻

在澆筑的混凝土中埋設水管，水管中水是流動的，新的水體不斷替換老的水體，通過水管和混凝土的熱交換，帶走水化熱，加快混凝土的散熱速度，減小混凝土內外溫差和基礎溫差，可到達良好的防裂效果。

3.1.2 降低混凝土澆注溫度

冷卻混凝土中一種或數種材料來降低澆筑溫度，減小最高溫度與穩定溫度的溫差，是常采用的方法。在許多情況下，人們把降低澆注溫度作為根本性的控制措施，而只在關鍵部位輔以強制冷卻（如水管冷卻）。

3.1.3 表面保溫

表面保溫的目的有兩個：其一是減緩早期表面溫度的降低速度和晝夜溫差引起的溫度變幅，從而減小內外溫差，最終的目的是減小早期表面拉應力；其二是減緩表面水分蒸發，保溫材料覆蓋之后，使得混凝土不直接暴露在空氣中，相當于阻止了水分散失的通道。用于水工建筑物表面保溫的材料有很多，常用的有草袋、土工膜、聚苯乙烯板等。草袋價格低廉，但是遇水保溫效果就大減，一般不能循環利用；復合土工膜一般采用高聚合物制成，防水效果很好，但是單薄，保溫效果不是很好；目前最經常用的是聚苯乙烯板，它具有封閉孔結構、不吸水、較好的抗壓縮性等優點，價格也不是很高，且可以循環利用。

3.2 濕控防裂

3.2.1 表面養護

養護作為一種控制混凝土早期收縮的措施，已經引起了工程界的重視。國內外對混凝土養護方法認識有所不同，但在現澆混凝土施工現場，一般采用的方法不外乎水養護、密封養護和其它一些專門的養護方法。從混凝土強度發展的角度考慮，水養護法顯然優于密封養護法，因為前者能為混凝土(特別是低水灰比的混凝土)中的水化反應提供充足的水源，使水泥充分水化。密封養護操作更為簡單，也節省勞力，但是密封養護的效果，很大程度上取決于養護膜的包覆厚度和完整性。

3.2.2 內養護

內養護是Philleo于1991年首次提出的。直到上世紀90年代中期Weber和Reinhardt的試驗研究才使得人們正式重視該研究。內養護是通過添加內養護劑，補充水化過程的水分損失，保持相對濕度，減少自干燥的一種措施。D.Cusson通過模型試驗證明了內養護技術可以增加高強混凝土結構的使用壽命和制造成本。內養護按照采用材料和作用機理共分為3類:一是用預吸水輕集料作為養護介質由Philleo通過試驗提出的，該方法緩解自干燥的效果已被Philleo、Vaysburd、Weber和Reinhardt等多位學者所證實，它是采用飽水輕集料（light-weightaggregate,LWA）代替混凝土骨料，當混凝土水化過程中出現水分不足時，飽水輕集料中的水分便補給水化所需水分，支持混凝土水化反應繼續進行。二是用高吸水性聚合物作為養護介質，該方法由丹麥學者Jensen和Hansen在2001年提出，其關鍵是在混凝土中摻入可吸收相當于自身重量數百倍的高吸水性聚合物，在混凝土硬化過程中，高吸水性聚合物將水分釋放，緩解混凝土的自干燥，進而減小自收縮。

3.3 其他措施

3.3.1 控制混凝土自身體積變形

混凝土的自生體積變形主要是由于水泥中膠凝材料和水反應后，反應物與生成物的體積不同所致。若生成物體積小于反應物體積，表現為自生體積膨脹，反之則表現為自生體積收縮。混凝土自生體積變形表現為收縮時，在混凝土結構中產生裂縫的可能性極大，反之，混凝土自生體積變形膨脹則可以抵消部分收縮變形，有利于提高混凝土的抗裂。故添加MgO成為一項有效防裂措施。采用內含一定量MgO的水泥拌制的混凝土自身體積變形具有微膨脹性，含MgO水泥混凝土的膨脹變形與低熱微膨脹水泥混凝土的膨脹變形不同，后者的膨脹變形基本發生在齡期7d以前，膨脹量受濕度的影響較大。含MgO水泥混凝土的膨脹變形屬于延遲性膨脹，對濕度不敏感，受溫度影響較大，更有利于混凝土防裂。

3.3.2 配筋

混凝土裂縫的產生是由于混凝土抗拉強度不足以抵抗約束產生拉應力所致，根據復合材料力學理論，混凝土內配筋可增大抗拉強度。在混凝土結構常溫和允許應力范圍內，當混凝土達到極限變形時，混凝土內鋼筋的應力僅約為20MPa，因此要配置大量的鋼筋方可防止溫度裂縫，這在經濟上顯然是不能接受的，但配筋確實是可以限裂的，從以往經驗看來，裂縫往往開始從混凝土面積突變處開始發展，因為拐角處應力常會集中，故在這些地方要加些配筋。

3.3.3 合理安排混凝土施工進度和施工順序

合理安排混凝土施工程序和施工進度是防止基礎貫穿裂縫，減少表面裂縫的主要措施之一。基礎約束區混凝土在設計規定的間歇期內連續均勻上升不應出現薄層長間歇。基礎強約束區混凝土應在低溫季節澆筑施工，其余部分基本做到短間歇連續均勻上升，必要的時候采取跳倉澆筑。

4. 結論

從倒虹吸混凝土澆筑之后水化機理出發，對幾種常用的防裂方法進行了分析，指出：

4.1 通水冷卻、表面保溫和預冷骨料、加冰拌和是常用的溫控防裂方法，但是預冷骨料、加冰拌和冷卻效果有限且花費巨大；通水冷卻、表面保溫可有效的防止裂縫，但都具有相應的弊端。

4.2 內外養護是有效的減小早期表面干縮裂縫的措施，但內養護技術工藝目前還不成熟，有必要進行更深的研究。

4.3 配筋、添加MgO分別提高抗拉強度和減小自生體積出發進行防裂，配筋可以限制裂縫，但不宜用于過水面，MgO微膨脹混凝土的長期性能還需進一步研究。

4.4 倒虹吸混凝土防裂是一項復雜的系統的工作，在工程應用中，應根據工程特點，選取一種或多種進行優化防裂。