水工涵閘混凝土裂縫控制技術(shù)及設(shè)計(jì)參數(shù)計(jì)算

夏 瑀

(黑龍江省融正投資有限公司，黑龍江 哈爾濱 150000)

水工涵閘的混凝土結(jié)構(gòu)出現(xiàn)裂縫后，首先是發(fā)生滲漏，如果不進(jìn)行有效治理，滲漏問題將會(huì)不斷加劇，對(duì)整個(gè)水工建筑物的使用安全也會(huì)造成威脅。其次，使得混凝土的碳化速率加快，除了自身強(qiáng)度降低外，還會(huì)加速內(nèi)部鋼筋的腐蝕，涵閘鋼混結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度降低，存在諸多的安全隱患。要想解決裂縫問題，一種措施是從設(shè)計(jì)方面著手，通過計(jì)算混凝土的熱學(xué)、力學(xué)等性能參數(shù)，優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，保證混凝土的各項(xiàng)性能滿足水工涵閘的使用要求；另一種措施是加強(qiáng)施工管理，包括選擇材料、施工控制、科學(xué)養(yǎng)護(hù)等，降低裂縫的發(fā)生率。

1 水工涵閘混凝土裂縫控制技術(shù)

1.1 混凝土材料

1.1.1 優(yōu)先使用低熱和中熱水泥

選擇水化熱高的水泥制備混凝土，澆筑之后因?yàn)獒尫艧崃慷唷?nèi)外溫度差大，混凝土出現(xiàn)裂縫的概率相應(yīng)的升高。因此，在選擇水泥材料時(shí)，必須盡量選擇低熱或中熱的類型。以硅酸鹽水泥為例，不同礦物的水化熱見表1。根據(jù)表1，優(yōu)先考慮以硅酸二鈣或鐵鋁酸四鈣為主的硅酸鹽水泥。

表1 硅酸鹽水泥中不同礦物的水化熱

1.1.2 優(yōu)先選用熱學(xué)性能好的骨料

骨料的熱學(xué)性能通過影響混凝土的膨脹系數(shù)進(jìn)而與裂縫控制產(chǎn)生關(guān)聯(lián)。其中，骨料的熱學(xué)性能又與熱膨脹系數(shù)和絕熱溫升兩個(gè)變量有直接聯(lián)系。熱學(xué)性能好的骨料，在外界溫度升高后，混凝土的溫度應(yīng)力變化幅度較小，不容易出現(xiàn)裂縫。不同骨料的熱膨脹系數(shù)見表2。因此，在配置混凝土?xí)r，所用骨料盡量選擇玄武巖巖和石灰?guī)r。

表2 幾種常用骨料的熱膨脹系數(shù)

1.1.3 減少混凝土水泥用量

水泥在水化過程中釋放出太多的熱量，是導(dǎo)致混凝土裂縫的一個(gè)重要原因。如果能夠在不影響水工涵閘結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的前提下，適當(dāng)減少混凝土中水泥的用量，通過降低熱量達(dá)到減少裂縫發(fā)生的目的。目前可供選擇的方法有：(1)摻加粉煤灰。研究表明，將水泥和粉煤灰按照2∶3比例配制，同時(shí)加入適量的減水劑，制成的混凝土在養(yǎng)護(hù)28天后強(qiáng)度可以達(dá)到35 MPa，6個(gè)月后強(qiáng)度可以達(dá)到50 MPa，完全能夠滿足一般水工涵閘的使用要求。(2)摻加外加劑。挑選合適的外加劑，既能夠改善混凝土的性能，同時(shí)也可以減少裂縫。例如加入減水劑、早強(qiáng)劑等，在不影響混凝土整體性能的情況下可以減少水泥用量。

1.2 混凝土澆筑時(shí)間選擇

溫差過大是造成混凝土裂縫的重要因素，在澆筑混凝土?xí)r應(yīng)盡量選擇10℃～30℃的環(huán)境。夏季高溫天氣下，由于外界溫度高、陽(yáng)光直射等原因，混凝土表面水分蒸發(fā)速度明顯高于正常情況，出現(xiàn)干縮裂縫。同時(shí)，表面混凝土溫度高，極端情況下甚至能夠達(dá)到50℃～80℃，不利于混凝土內(nèi)外熱量交換，水化釋放出的熱量無法及時(shí)消散，也會(huì)影響混凝土的性能。因此，夏季盡量避開正午及午后的高溫時(shí)段，冬季盡量選擇在氣溫不低于0℃的情況下施工。

1.3 裂縫控制的施工方法

1.3.1 設(shè)置后澆帶

后澆帶的形式有多種，常見的有一字型、T字型和內(nèi)凹型，見圖1。通過留置后澆帶，為混凝土的收縮和膨脹提供了充足的空間，減少了因?yàn)槭湛s產(chǎn)生的拉裂或是因?yàn)榕蛎洰a(chǎn)生的擁包問題。在留置后澆帶時(shí)，需要考慮后澆帶自身的寬度，根據(jù)混凝土的厚度和用量不同，在80 mm～150 mm之間可以滿足要求；另外，相鄰兩處后澆帶的間隔距離，以40 m～50 m為宜，距離太近會(huì)影響水工涵閘的整體強(qiáng)度，距離太遠(yuǎn)又難以起到防止裂縫的效果。

(a)一字型 (b)T字型 (c)內(nèi)凹型

1.3.2 表面真空作業(yè)

利用真空負(fù)壓作用，可以讓混凝土提早達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度，從而降低了因?yàn)樵缙诟煽s應(yīng)力導(dǎo)致的裂縫。另外，表面真空作業(yè)還可以讓混凝土表面的氣泡完全析出，相當(dāng)于優(yōu)化了振搗效果，提高了混凝土表面光滑度，對(duì)解決蜂窩、麻面問題也有積極幫助。普通施工和真空施工的混凝土強(qiáng)度差異見表3。

表3 不同施工方式下混凝土強(qiáng)度對(duì)比

結(jié)合表3可以發(fā)現(xiàn)，在混凝土養(yǎng)護(hù)28天后，在真空施工方式下，兩種不同配合比下的混凝土，抗壓強(qiáng)度分別達(dá)到了36.5 MPa和37.2 MPa。相比來看，采用正常施工的兩種混凝土，抗壓強(qiáng)度分別為31.7 MPa和32.0 MPa。真空作業(yè)下混凝土的抗壓強(qiáng)度更好。同樣的，在抗折強(qiáng)度方面真空施工的混凝土表現(xiàn)更好。

1.3.3 表面鋼筋網(wǎng)

拉應(yīng)力也是造成混凝土結(jié)構(gòu)出現(xiàn)開裂的常見原因。普通建筑施工通常采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)來增強(qiáng)抗拉能力。在水工涵閘施工時(shí)，除了植入鋼筋外，還要考慮表面混凝土承受水流沖擊的影響，在澆筑混凝土?xí)r布置表面鋼筋網(wǎng)，讓局部的抗拉能力得到顯著增強(qiáng)。通過對(duì)比實(shí)驗(yàn)，同等情況下，使用表面鋼筋網(wǎng)的涵閘混凝土結(jié)構(gòu)很少出現(xiàn)裂縫，而未采取加固措施的混凝土出現(xiàn)多處裂縫。

2 計(jì)算模型及計(jì)算參數(shù)

2.1 工程概況

某立交地涵工程長(zhǎng)73.4 m，工程結(jié)構(gòu)采用鋼筋混凝土上槽下洞立體型式，屬于I等II級(jí)建造物，設(shè)計(jì)抗震烈度為7度。洞身采用“三孔一聯(lián)”的鋼混箱型結(jié)構(gòu)，從東向西共計(jì)12孔。單孔斷面尺寸有4.4 m×6.0 m和5.0 m×7.2 m兩種類型。

2.2 計(jì)算區(qū)域

選取計(jì)算對(duì)象時(shí)，優(yōu)先考慮承受荷載較大的閘底板或者是水流直接沖擊的墩墻。其中，閘底板所受荷載主要來自上部，在垂直作用力下容易形成表面裂縫；而墩墻所受荷載既有外側(cè)土體的壓力，也有內(nèi)部水流的沖擊力，更容易出現(xiàn)垂直裂縫。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)行單元?jiǎng)澐?見圖2)，整個(gè)計(jì)算區(qū)域內(nèi)共有8750個(gè)單元，10443個(gè)節(jié)點(diǎn)。

圖2 計(jì)算區(qū)域的單元?jiǎng)澐?/p>

2.3 熱學(xué)和熱力學(xué)參數(shù)

根據(jù)導(dǎo)溫系數(shù)計(jì)算公式，影響混凝土熱學(xué)性能的因素主要有導(dǎo)溫系數(shù)和導(dǎo)熱系數(shù)，以及混凝土自身的比熱值和密度值。其關(guān)系式為：

α=λ/cρ

式中：α為混凝土的導(dǎo)溫系數(shù);λ為混凝土的導(dǎo)熱系數(shù);c是比熱值;ρ是密度值。

參考表4可以計(jì)算出水工涵閘施工所用混凝土的熱學(xué)性能系數(shù)。在施工設(shè)計(jì)時(shí)，可以根據(jù)水工涵閘混凝土澆筑體積和熱學(xué)性能，采取相應(yīng)的溫度調(diào)節(jié)措施，避免因?yàn)樗療釋?dǎo)致的溫度差過大而出現(xiàn)混凝土結(jié)構(gòu)性裂縫。

表4 不同材料的熱學(xué)性能系數(shù)

2.4 力學(xué)參數(shù)

水工涵閘的混凝土結(jié)構(gòu)，既要承受水流沖擊壓力，同時(shí)還要承受外側(cè)土體的壓力。這就決定了混凝土必須具備較強(qiáng)的力學(xué)性能，才能保持自身結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，降低因?yàn)閺?fù)雜受力情況而引發(fā)的結(jié)構(gòu)性裂縫。結(jié)合水工涵閘的地質(zhì)特點(diǎn)、水文條件，以及施工設(shè)計(jì)方案，確定保持混凝土結(jié)構(gòu)安全的力學(xué)性能。以抗壓強(qiáng)度為例，采用試驗(yàn)法，根據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50100-2010)的相關(guān)要求，制作規(guī)格為200 mm×200 mm×800 mm的混凝土試件，養(yǎng)護(hù)28 d后測(cè)試其強(qiáng)度，對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果是否滿足涵閘結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性要求。如果不滿足，需要調(diào)整混凝土的配比，在確定抗壓強(qiáng)度符合要求后方可批量制作和澆筑使用。

3 結(jié)語

水工涵閘工程中，通過開展受力分析，在底板和墩墻部分開展分析和參數(shù)計(jì)算，提高設(shè)計(jì)方案的科學(xué)性。在此基礎(chǔ)上加強(qiáng)施工控制，降低裂縫的發(fā)生率，提高水工涵閘的使用質(zhì)量。