某電站大體積混凝土裂縫成因分析

楊榮勝

(中廣核工程有限公司，廣東深圳 518000)

0 引言

隨著近代鋼筋混凝土規(guī)模的日趨增大，結(jié)構(gòu)形式日趨復(fù)雜，結(jié)構(gòu)材料日趨高強化，超長超寬超厚的大體積混凝土工程大量涌現(xiàn)，大體積混凝土裂縫的出現(xiàn)已成為普遍現(xiàn)象，裂縫形成的原因也多種多樣。目前雖然有不少學(xué)者對大體積混凝土裂縫產(chǎn)生的原因進行了探索，但在國內(nèi)外有關(guān)的參考文獻中大同小異，都是憑經(jīng)驗編制的，各國的執(zhí)行情況也出入較大，研究資料及應(yīng)用軟件尚不成熟，由于建設(shè)的急需，工程實踐走在理論研究和規(guī)范的前面。因此，通過具體的工程實例去探討裂縫產(chǎn)生的原因?qū)︻愃乒こ塘芽p形成的原因分析具有一定參考價值。

1 概述

某電站設(shè)有兩座循環(huán)水泵房，每座水泵房基礎(chǔ)為大體積混凝土筏形基礎(chǔ)，其平面尺寸為95 400 mm×55 550 mm，共12軸，在中心位置軸線⑥和軸線⑦之間設(shè)有20 mm的沉降縫，筏基除了個別集水坑底板厚度為1 000 m，其余部位筏基厚度最薄為3 000 mm;筏基與地基之間鋪設(shè)一層PE膜滑動層。混凝土澆筑采用分塊分層澆筑，其垂直施工縫劃分及分塊圖見圖1;水平施工縫的劃分見圖2，由于筏基混凝土裂縫在每個分塊區(qū)域均普遍存在，因此，對任意分塊進行分析研究都具有代表性意義，本次選擇了⑨軸～○12軸與?軸～?軸之間分塊(即第二分塊)進行了分析。

圖1 第二層混凝土澆筑平面分塊圖

圖2 混凝土澆筑分層圖

2 混凝土施工情況

2.1 混凝土原材料及其配合比

水:采用自來水。水泥:采用廣東珠江水泥P.Ⅱ425。砂碎:采用人工機制碎石，顆粒粒徑為5 mm～31.5 mm。粉煤灰:采用Ⅰ級粉煤灰，產(chǎn)地:珠海電廠。超細(xì)礦粉產(chǎn)地:廣東韶鋼廠。減水劑:采用聚羧酸系高效減水劑，型號:WS-PC。混凝土配合比如表1所示。

表1 C45W12混凝土配合比 kg

坍落度為180 mm±30 mm;混凝土的入模溫度為25.8℃。

2.2 混凝土養(yǎng)護

混凝土頂面用土工布覆蓋并灑水養(yǎng)護，側(cè)墻帶模養(yǎng)護3 d后拆除模板，側(cè)模拆除后懸掛土工布遮蓋并灑水養(yǎng)護;養(yǎng)護期為14 d。經(jīng)現(xiàn)場觀測，養(yǎng)護期間混凝土內(nèi)部在3 d內(nèi)達到最大溫度為65℃。

2.3 裂縫情況描述

第一層混凝土澆筑完成后未見裂縫產(chǎn)生，第二層混凝土澆筑完成拆模后發(fā)現(xiàn)裂縫的分布情況統(tǒng)計見圖3，圖4，裂縫寬度統(tǒng)計見表2。

圖3 第二層混凝土裂縫分布情況

圖4 現(xiàn)場裂縫照片

3 裂縫形成機理分析

通過對筏基裂縫觀測，第一層混凝土未見裂縫;而第二層混凝土養(yǎng)護3 d后拆除側(cè)模時未見裂縫，當(dāng)拆除1 d～2 d后，發(fā)現(xiàn)側(cè)面出現(xiàn)大量沿厚度方向的貫穿裂縫，裂縫間距為500 mm～1 000 mm不等，裂縫寬度見表2，最大裂縫寬度小于0.2 mm。下面主要對裂縫形成機理進行了分析。

表2 裂縫寬度表

第一層混凝土與地基之間鋪設(shè)一層PE膜，大大地減少了地基對混凝土的約束作用，當(dāng)混凝土發(fā)生溫度變形時，地基對混凝土的約束力很小，可忽略不計，因此，第一層混凝土可認(rèn)為為自由滑動的無約束體，由溫度引起的變形見圖5。

圖5 第一層混凝土無約束自由伸縮變形

由于第一層混凝土基本上未受到外界的約束作用，混凝土在溫度及收縮變形時可以自由伸縮，即由外部約束產(chǎn)生的主拉應(yīng)力σxmax=0＜ft，因此，混凝土在溫度收縮變形過程中未產(chǎn)生裂縫。

第二層混凝土與第一層混凝土的澆筑時間間隔為1個月左右，在第二層混凝土澆筑前對第一層混凝土頂面進行鑿毛處理，使得兩層混凝土接觸面能牢固粘結(jié);第二層混凝土澆筑后，由于水泥水化產(chǎn)生的水化熱導(dǎo)致混凝土內(nèi)溫度上升很快，通過現(xiàn)場設(shè)點觀測，3 d內(nèi)溫度達到最大值約65℃，然后溫度按小于2℃/d的幅度降低，根據(jù)現(xiàn)場的情況，在3 d后進行了側(cè)模拆除，在側(cè)模拆除后采用土工布覆蓋澆冷水養(yǎng)護，由于側(cè)模拆除后第二層筏基側(cè)墻面全部暴露在空氣中，并且采用溫度較低的自來水進行養(yǎng)護，表面溫度降低較快，從而第二層混凝土由于溫度下降而產(chǎn)生收縮變形，在收縮變形過程中，由于受到第一層混凝土的連續(xù)約束作用，從而在兩層混凝土的接觸面上產(chǎn)生剪力τ，在第二層混凝土中產(chǎn)生拉應(yīng)力σx，相應(yīng)地在第一層混凝土中產(chǎn)生了壓應(yīng)力，同時分別產(chǎn)生了拉壓變形。第二層混凝土所產(chǎn)生的總變形應(yīng)等于無約束時的自由變形扣除約束變形，見圖6。

圖6 第二層混凝土溫度變形與約束變形的關(guān)系

假如在混凝土澆筑質(zhì)量均勻且兩層之間界面約束阻力系數(shù)一定的情況下(處于理想狀態(tài))，第二層混凝土受到的連續(xù)約束而產(chǎn)生的約束主拉應(yīng)力可按下式考慮:

其中，Cx為水平約束系數(shù);H為混凝土厚度，m;L為混凝土寬度或長度，m。由式(1)可以看出，水平正應(yīng)力σx主要與溫度變化T，L有關(guān)，當(dāng)L一定時，隨著T的變化，σx隨x呈余弦變化(見圖7)，由于施工等原因?qū)е禄炷翝仓蟮幕炷临|(zhì)量不均勻性，因此不同位置的混凝土的抗拉強度也不同，如A，B兩點所產(chǎn)生的主拉水平應(yīng)力 σx，A＞ ft，A和 σx，B＞ ft，B時，且混凝土的拉伸變形分別達到各自極限拉伸變形時(εA= εp，A，εB= εp，B)，在 A，B 兩點出現(xiàn)第一批裂縫，同時混凝土塊被分成三塊，水平主拉應(yīng)力重分布，其每塊又有了自己的水平應(yīng)力分布，且其圖形完全相似，其值由于長度的減少而降低，見圖8。同理隨著溫度變化量的增加，各點的水平應(yīng)力也隨之增加，當(dāng)某些點的值超過了抗拉強度，則第二批裂縫相繼產(chǎn)生，每塊板再分塊，同時約束水平主拉應(yīng)力重新分布，且其圖形完全相似。如圖9所示為C，D，E，F(xiàn)點相應(yīng)的水平拉應(yīng)力大于其混凝土的抗拉強度而新增的裂縫及應(yīng)力分布圖。如此持續(xù)下去一直到最后那塊板中的各點水平應(yīng)力不大于抗拉強度，裂縫便穩(wěn)定，不再增加。

圖7 第二層混凝土水平正應(yīng)力σx分布

圖8 A，B兩點開裂后σx（水平正應(yīng)力）的分布

圖9 C，D，E，F(xiàn)點開裂后σx（水平正應(yīng)力）的分布

4 結(jié)語

通過對某電站大體積混凝土裂縫形成機理的分析可知，溫度收縮裂縫已成為大體積混凝土中普遍存在的現(xiàn)象，其裂縫形成主要與溫度變化量、混凝土L/H比及外部約束作用有關(guān)，為類似裂縫的防治指明了方向，為今后類似的工程中裂縫的成因分析提供參考。

[1]王鐵夢.工程結(jié)構(gòu)裂縫控制[M］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2007.

[2]滕智明.鋼筋混凝土基本構(gòu)件[M］.北京:清華大學(xué)出版社，2001.

[3]朱伯芳.大體積混凝土溫度應(yīng)力及溫度控制[M］.北京:中國電力出版社，1999.

[4]中國冶金建筑協(xié)會.大體積混凝土施工規(guī)范[M］.北京:中國計劃出版社，2009.