船閘大體積混凝土裂縫成因及預(yù)防措施分析

張波

摘 要：隨著河流航運事業(yè)的發(fā)展，船閘日漸增多，其結(jié)構(gòu)尺寸也在逐步增大，大體積混凝土成為船閘結(jié)構(gòu)的常見形式。本文從船閘裂縫的分布及危害、船閘大體積混凝土裂縫的產(chǎn)生原因等方面展開論述，主要從合理選擇原材料、優(yōu)化船閘結(jié)構(gòu)的設(shè)計、嚴(yán)格控制施工工藝等方面提出船閘大體積混凝土裂縫的預(yù)防控制措施。

關(guān)鍵詞：船閘 混凝土 裂縫 結(jié)構(gòu)

1.引言

在船閘工程中，大體積混凝土是一種重要的結(jié)構(gòu)形式，大體積混凝土在閘首、閘室等部位得到廣泛應(yīng)用，如三峽船閘總長達(dá)6456m，葛洲壩1號船閘閘室有效長度為280m。船閘工程除滿足強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性等要求外，還要滿足防水、抗凍、防滲等諸多要求。由于大體積混凝土中配筋率較低，溫度應(yīng)力對其影響較大，易產(chǎn)生裂縫。基于此，筆者結(jié)合多年工程經(jīng)驗，對船閘大體積混凝土裂縫成因及預(yù)防措施進(jìn)行了如下分析與討論。

2.船閘裂縫的分布及危害

按照裂縫的深度貫穿深度不同，其裂縫可分為表面裂縫、深層裂縫、貫穿裂縫等三大類。表面裂縫主要分布在船閘的表面，對結(jié)構(gòu)的危害較小。貫穿裂縫貫穿了船閘結(jié)構(gòu)，對其危害較大，可影響結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和整體性。深層裂縫介于兩者之間。船閘裂縫形成后，在外界各種因素的共同作用下，結(jié)構(gòu)的破壞將加速進(jìn)行。危害主要包括加快滲漏破壞、加速鋼筋的銹蝕、降低船閘結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和使用壽命等。由此可知，船閘結(jié)構(gòu)裂縫的危害較大，因此對船閘大體積混凝土裂縫成因及預(yù)防措施進(jìn)行分析顯得尤為重要。

3.船閘大體積混凝土裂縫產(chǎn)生的原因

船閘大體積混凝土中裂縫產(chǎn)生原因較多，包括環(huán)境溫度及濕度變化、混凝土自身的脆性、水泥水化過程中釋放大量水化熱導(dǎo)致內(nèi)外溫差等，船閘大體積混凝土裂縫產(chǎn)生原因主要如下：

（1）船閘混凝土內(nèi)外溫度應(yīng)力。水泥在水化硬化過程中產(chǎn)生大量水化熱，船閘內(nèi)部溫度不斷升高，在夏季施工時可達(dá)70℃以上，造成船閘內(nèi)外溫差，產(chǎn)生溫度應(yīng)力。船閘在施工結(jié)束后降溫過程中受到基礎(chǔ)等構(gòu)件的約束，又會在混凝土內(nèi)部產(chǎn)生拉應(yīng)力。此外，氣溫的變化也會產(chǎn)生拉應(yīng)力，當(dāng)這些拉應(yīng)力高于混凝土的抗拉強(qiáng)度時，船閘內(nèi)部將出現(xiàn)裂縫。

（2）混凝土自身收縮應(yīng)力。在船閘大體積混凝土固結(jié)硬化過程中，由于混凝土材料中存在水分和縫隙，導(dǎo)致混凝土在硬化過程中會出現(xiàn)收縮現(xiàn)象。船閘大體積混凝土的收縮比例隨時間的延長而增加，一般在三個月可以完成收縮量的50%-60%，一年后趨于穩(wěn)定。

（3）船閘混凝土的配合比不合理或施工澆筑工藝不當(dāng)。水泥及水對船閘大體積混凝土的收縮具有較大影響。在一些船閘中，施工中材料泵送混凝土、水泥用量較大、水灰比較高、混凝土的坍落度過大、骨料級配不合理等多種因素導(dǎo)致船閘結(jié)構(gòu)中易產(chǎn)生裂縫。在船閘結(jié)構(gòu)中，一些部位需要分層澆筑，若混凝土澆筑速度較快，下部混凝土在硬化初期可能會由于沉降產(chǎn)生裂縫，也可能因為在底層混凝土澆筑完后很久才澆筑上一層混凝土，由于底部混凝土的約束導(dǎo)致上層混凝土形成豎向裂縫。

4.船閘大體積混凝土裂縫預(yù)防控制措施

4.1選擇合理的原材料

①水泥：在船閘大體積混凝土中，宜采用凝結(jié)時間較長、水化熱較低的水泥，可優(yōu)選采用粉煤灰水泥、礦渣水泥、火山灰水泥等。若采用普通水泥或硅酸鹽水泥，應(yīng)采取一些措施延以延緩水化熱的釋放。在水泥用量相同情況下，若水灰比越大則船閘結(jié)構(gòu)收縮越大。

②骨料：在船閘大體積混凝土內(nèi)部，骨料可約束水泥石的收縮，而骨料的彈性模量對其提供的約束大小起到至關(guān)重要的作用。一般天然的砂石骨料不易發(fā)生收縮，但一些吸水率較大或輕質(zhì)骨料則可能加大混凝土的收縮。一般情況下，骨料的吸水率、孔隙率及壓縮性越大及其彈性模量越小則混凝土的收縮量越大。

粗骨料的最大料徑應(yīng)符合船閘結(jié)構(gòu)鋼筋間凈距的要求，增大粗骨料的粒徑可減小水泥用量和用水量。粗骨料應(yīng)具有較好的級配，有機(jī)雜質(zhì)、含泥量等控制指標(biāo)合格。細(xì)骨料級配合理，采用中粗砂可降低用水量，國內(nèi)部分船閘結(jié)構(gòu)混凝土的配合比如表1所示。

4.2優(yōu)化船閘結(jié)構(gòu)的設(shè)計

在船閘大體積混凝土工程的設(shè)計中，應(yīng)對易開裂的部分進(jìn)行充分考慮，優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計方案，減少并防止裂縫的出現(xiàn)。基于此，在船閘結(jié)構(gòu)的設(shè)計中應(yīng)做到以下幾個方面：①合理分段澆筑。船閘結(jié)構(gòu)尺寸及體積較大，若采取一次全部澆筑的方式則易產(chǎn)生溫度應(yīng)力。根據(jù)工程經(jīng)驗，船閘結(jié)構(gòu)可在上下閘首設(shè)置“后澆帶”，既有利于避免裂縫的出現(xiàn)，又有利于分段澆筑閉合。②鋼筋的合理配置。船閘閘首邊墩、船閘閘室側(cè)墻等部位均為大體積構(gòu)件，鋼筋類型、直徑、位置、數(shù)量等合理布置在設(shè)計中要給予充分考慮，以提高船閘結(jié)構(gòu)抵抗貫穿性開裂的性能。③避免應(yīng)力集中現(xiàn)象。船閘大體積混凝土結(jié)構(gòu)中一些部位如圓弧段、空洞周邊等易出現(xiàn)應(yīng)力集中，在設(shè)計過程中要有相應(yīng)的預(yù)防措施，如可在空洞周邊配置斜向鋼筋。此外，在船閘結(jié)構(gòu)的表面，為防止裂縫的出現(xiàn)還可設(shè)置應(yīng)力緩和溝。

4.3嚴(yán)格控制施工工藝

在船閘結(jié)構(gòu)施工過程中，可采取如下措施：①混凝土的拌合。混凝土拌合前，應(yīng)精確計算原材料的用量。拌合過程中，采取一定的措施對混凝土拌合物進(jìn)行降溫處理。混凝土運輸及施工前應(yīng)采取相應(yīng)的措施控制混凝土拌合物的溫度。②混凝土原材料的降溫和保護(hù)。由于砂石等原材料的溫度對混凝土拌合物的溫度具有較大的影響，因此采取相應(yīng)措施控制混凝土原材料的溫度具有十分重要的作用。③施工澆筑進(jìn)度的控制。在船閘大體積混凝土結(jié)構(gòu)的施工中，要結(jié)合船閘結(jié)構(gòu)混凝土的鋼筋疏密程度、船閘結(jié)構(gòu)尺寸、混凝土供應(yīng)條件等因素采取合理分層、分段澆筑方式，混凝土澆筑過程中采取“同一坡度、薄層澆注、循序漸進(jìn)、一次到頂”的澆筑方法，減少溫差變化產(chǎn)生的表面裂縫。④拆模。船閘工程拆模時，應(yīng)根據(jù)船閘建設(shè)的實際情況并結(jié)合實驗確定的合理拆模時間，部分溫度控制有較高要求的部位，在拆除模板后應(yīng)貼上保溫材料，以避免船閘大體積混凝土由于內(nèi)外溫差應(yīng)力而產(chǎn)生的裂縫。⑤溫度控制。在船閘大體積混凝土結(jié)構(gòu)施工中，應(yīng)在船閘結(jié)構(gòu)內(nèi)部安裝溫度檢測設(shè)備以監(jiān)控船閘結(jié)構(gòu)的內(nèi)部溫度，從而可以適時監(jiān)控船閘結(jié)構(gòu)的內(nèi)部溫度并為拆模提供依據(jù)。⑥養(yǎng)護(hù)。為避免船閘大體積混凝土裂縫的產(chǎn)生，應(yīng)結(jié)合船閘結(jié)構(gòu)施工中天氣變化、溫度變化等因素選擇混凝土的養(yǎng)護(hù)方式，從而提高船閘結(jié)構(gòu)的工程質(zhì)量。

5.結(jié)語

大體積混凝土是船閘結(jié)構(gòu)的常見形式，控制混凝土的裂縫是船閘結(jié)構(gòu)的重點問題，對于保證船閘結(jié)構(gòu)投入使用后正常運行、提升船閘結(jié)構(gòu)的整體性具有重要的意義。應(yīng)對船閘結(jié)構(gòu)裂縫的危害及其產(chǎn)生原因具有足夠的認(rèn)識，從而采取切實可靠的裂縫控制措施，是值得每個工程技術(shù)人員及科研工作者共同研究的課題。本文結(jié)合工程實踐，對以上問題繼續(xù)了分析與探討，希望能為船閘結(jié)構(gòu)的施工及運營維護(hù)提供有益的借鑒。

參考文獻(xiàn)：

[1]張倩.邵伯三線船閘閘室墻倒角裂縫原因分析及防治[J].水運工程，2011（4）：136-139.

[2]辛彥青，李振聲，劉春俊.船閘混凝土溫度裂縫的經(jīng)驗教訓(xùn)[J].水運工程，2002（8）： 78-80.

[3]聶霞.京杭運河諫壁二線船閘閘室墻防裂措施試驗研究[J].中國港灣建設(shè)，2002（2）： 19-23.endprint