文成高興嶺頭水電站大體積混凝土裂縫控制探究

王伯炯，劉 磊

（浙江省第一水電建設集團股份有限公司，浙江 杭州 310051）

1 工程的基本情況

文成高興嶺頭水電站是一座裝機容量為1.2 MW的河床式電站，2014年7月起進行廠房施工，于2015年10月封頂。然而，11月發現廠房樓梯間的防洪墻上存在三處漏水問題，混凝土內產生了形似發絲的豎直裂縫，寬度為0.2 mm～0.3 mm。經研究發現，施工方是在夏季澆注廠房大體積混凝土，且現場設備條件有限，只是進行了正常的澆水養護，卻未采取其他降溫防裂方法。圖1所示為水電站現場施工圖。

圖1 水電站現場施工圖

2 大體積混凝土開裂機理分析

2.1 主要原因

（1）水泥水化熱。水泥水化反應過程中會有許多水化熱出現，是大體積混凝土的溫度提高的主因之一。測試表明，普通硅酸鹽水泥釋放熱量每克500 J。因混凝土導熱性能不強，大體積混凝土斷面尺寸較大，在硅結構中水化熱難以散失，造成混凝土內部溫度驟然提高。實測數據表明，在水利水電工程中主要由水化集熱引起的溫度上升范圍在15℃～25℃，在絕大多數的建筑工程在20℃～30℃之間。水泥水化熱的溫度之所以提高，是因為水泥類型、混凝土、水泥的用量等因素導致的；在水泥內的鋁酸三鈣與硅酸三鈣的含量比較高的情況下，水化熱會更大，并集中于早期；當混凝土內水泥用量增加時，水化熱也會隨著變得更加明顯。

（2）收縮裂縫。混凝土收縮變形的影響涵蓋了干縮變形、沉縮變形、水泥的合縮三種:

①混凝土的沉縮變形

混凝土混合物是固體顆粒(水泥和骨料)、水和空氣的混合的三相體系。混凝土成型后，由于混凝土中空氣逸出，固體顆粒相互聯系，以此構造出一個孔隙內含水的骨架結構。因為微弱的粒子之間的摩擦，不足以防止粒子之間相互滑動，它們將由于重力繼續沉降，相互接近，使粒子之間空隙減少。同時，混凝土和外界接觸的表面（包括澆灌層的頂面和模板漏縫）上毛細管抽吸作用會起到加速空隙水排出。由于此類受制沉降的影響，混凝土的體積會慢慢減小，直至水泥水化建立起的結構聯系無法抑制住粒子下滑為止。混凝土的體積由于空隙減小、固體沉降而減縮的現象叫做沉縮[1]。

②混凝土的干縮變形

混凝土硬化后，依舊會存在一些能蒸發的自由水，如果空氣中環境相對濕度低于95%，自由水將逐步蒸發散去。同時，混凝土的體積將出現一定減縮，此類大體積混凝土縮減的現象叫做混凝土的干縮，單位體積混凝土縮減率的1/3稱為干縮率。倘若不予以合理地處理，輕則會造成構件表層發生開裂情況，重則會引起整體斷裂。

③水泥的合縮

水和水泥化合物化合的過程中，真正進入反應產物的結構僅有一小部分，仍需一些水用于對反應物結構內的空格填補。所以，反應產物的分子體積往往小于反應物耗費的水的體積與反應物的分子體積之和，上述由于化學結合的體積減縮現象被稱作合縮。水泥的類型不同，其合縮的量亦會發生變化。在開展施工工作的過程中，必須盡早對用了合縮明顯的水泥的混凝土進行保濕養護。

2.2 其他原因

大體積混凝土裂縫之所以會產生，主要是因為施工過程中大體積混凝土結構對外界溫度的敏感度較高、外界溫度變幅大引起的[2]。如果室外溫度下降，那么混凝土溫度的降幅也會隨之增加，特別是環境溫度下降，將大大提高混凝土構件溫度梯度，以及相關的超限溫度應力，造成溫度裂縫形成。

3 處理方法

3.1 表面涂刷法

在進行修復時應將水泥漿涂抹在裂縫表面，或將環氧樹脂類、氰凝、聚氨酯涂抹于裂縫表面，也可以將一些防腐材料涂抹于混凝土表層，如瀝青等，這些方法適用于縫寬小于0.3 mm，且不會影響到結構承載能力的表面裂縫。混凝土表面不僅應該干燥，還需要堅實、清潔。表面涂層和玻璃布方法現在常用的聚氨酯涂料或環氧樹脂膠材料和玻璃布。就拿前者來說吧，在施工過程中必須注意:依據1.5∶1∶2的重量配比把甲乙組分、聚氨酯、二甲苯攪拌均勻，緊接著將其涂抹于基層表層，但是必須確保涂層的厚薄度勻稱。待第一遍涂抹結束之后，至少固化5 h，待不粘手的情況下再繼續進行涂抹，需要涂四五層，總厚度至少為1.5 mm。在第三層與第二層之間設置玻璃絲布。

3.2 嵌逢封堵法

在封堵裂縫的過程中，經常會采取嵌縫法，順著裂縫鑿槽，將剛性或者塑性止水材料嵌填入槽內，從而起到封閉裂縫的效果。目前，使用較為頻繁的剛性止水材料有聚合物水泥砂漿等，塑性材料有丁基橡膠、聚氯乙烯膠泥等。

3.3 灌漿法

灌漿法對修補有防滲要求的或者會影響到結構的整體性的混凝土裂縫較為適用，這是因為膠結材料硬化后同砼構成一體，故借助灌漿設備在混凝土裂縫內壓如膠結材料以此來丟裂縫進行封堵加固，此方法經常被水電工程中所采納。灌漿法主要有兩種:①借助低壓灌入器將環氧樹脂漿液注入到裂縫內，封閉裂縫，修補之后不存在任何顯著痕跡；②壓力灌漿，壓力常用 0.2 MPa～0.4 MPa。

4 防治措施

4.1 設計方面

首先，要科學設置出、進水管，進水管內必須自帶水位控制閥，盡可能不帶溢流管，否則則需設置存水管。同時，放空管必須采用間接排水的方式，不得直接連接市政排水設施。水池（箱）內空氣流通，通氣管應呈下彎管形或者罩形，人孔盡量采用密閉式。

其次，要不斷優化水池（箱）的工藝結構，以防形成死水區。同時，最好分開建設生活水池和消防水池。如若合建，則必須采用隔離方式。生活用水可到達消防系統中，然而消防用水不得到達生活用水系統內。

4.2 材質方面

為了避免水泥內有有害成分沉淀，必須制定內襯解決方案，確保底部與墻的平整度和光滑度達到要求。在選擇水箱時，宜采取熱浸鍍鋅鋼、裝配式不銹鋼水箱以及搪瓷鋼板水箱，如果應用焊接水箱，應該做好焊接鋼防腐解決方案，選用不會對水質產生影響的防腐蝕涂料，比方說食品級環氧樹脂等。

通過采用低熱值的水泥和在混凝土單位體積減少水泥的用量方法，使混凝土的水化熱問題得到緩解。為了使單位體積混凝土水泥用量減少，可考慮采取下列幾種方式:

（1）添加外加劑，將粉煤灰摻入到混凝土內，使混凝土的水化熱溫升下降、水泥用量減少。

（2）使用低流態混凝土，一系列實驗結果顯示，坍落度每下降1 cm，水泥用量就會減少4 kg～6 kg，每立方米混凝土水泥用量縮減10 kg，能使混凝土絕熱溫升大概下降1℃。

（3）將混凝土級配設計工作做到位，要盡可能使用較大骨料粒徑，使骨料級配得到有效改善。

4.3 施工方面

（1）對混凝土的最高溫度進行控制:減小其澆搗溫度。盡可能選擇春天與秋天對大體積混凝土施工，這樣能夠減小其入模溫度；如果在夏天施工，通過風冷法、水冷法對骨料進行降溫。相對而言，中小型項目通常采取的是低溫水拌和，這是因為制冰拌和的成本較高。

（2）對混凝土施工進度與程序進行科學規劃:混凝土澆搗施工時要連續均勻上升、間歇時間段，特別是在基礎約束區不能有薄層長間歇；與此同時，相隔的塊段高差要滿足相關標準。

實驗證明，水溫下降1℃時，混凝土出機口溫度大概會下降0.2℃。為了使混凝土水化熱溫升得到有效控制，除卻可采取上文闡述的分層分塊等諸多策略，在必要的情況下可通過埋設冷水管的方式使混凝土內部溫度下降，減少內部和外部之間的溫差。冷卻管可以用黑色的管道或軟管，水平和垂直間距一般從1.5 m～1.5 m。早期的冷卻水溫度可以低，持續時間通常是10 d～15 d，冷卻水流向1 d～2 d轉換一次。如此確保混凝土能夠被均勻冷卻，混凝土和中間冷卻水的溫差以20℃～25℃為宜[3]。

5 效果評價

通過采取一系列的溫控手段，在文成高興嶺頭水電站澆筑大體積混凝土施工中，將廠房大體積混凝土的最高溫度管控于設計允許值范疇中。通過實測數據，可以得到如下:

（1）從設計、材質、施工等源頭采取進行高效管控，對出機口的溫度實施系統化地控制，使混凝土原材料的溫度被管控于合理范圍內。通過現場的試驗表明，出機口的溫度可降低了0.6℃左右，混凝土骨料的溫度降低了1℃。

（2）加強養護，產生的小氣候內的氣溫往往會低于附近環境氣溫大概6℃，能使混凝土的溫度下降2℃～4℃。

（3）溫度裂縫受到了有力管控，沒有滲水點與裂縫存在，且符合密閉規定與標準，符合使用及設計要求。