柳樹電航工程HF混凝土裂縫研究

張永振，高正緒

（中國水利水電第三工程局有限公司,陜西 西安 710024）

1 工程概況

涪江柳樹電航工程位于四川省遂寧市射洪縣柳樹鎮涪江干流上,是一座以發電、航運為主,兼有美化沱牌酒城的水生態環境作用的綜合性航電樞紐工程。水庫正常蓄水位314.00 m,相應庫容0.95 億m3,總庫容1.92億m3；電站額定水頭12.5 m,額定引用流量418 m3/s,裝機容量48 MW；船閘設計通過能力近期34萬t,遠期65萬t。

柳樹電航工程屬河床式開發,從左至右依次布置左岸非溢流壩段、船閘壩段、發電廠房壩段、泄洪沖沙閘壩段、右岸非溢流壩段。

2 HF混凝土施工

泄洪沖沙閘壩段布置有泄洪閘18 孔,沖沙閘6 孔,每孔孔口寬12 m。泄洪沖沙閘溢流面及下游消力池表層50 cm采用C40 HF混凝土。實際施工中HF混凝土澆筑采用平鋪法澆筑,無溫控設施,塌落度50 mm~70 mm。門機及長臂反鏟入倉,下料厚度為50 cm。使用φ100 mm型插入式振搗器振搗。混凝土澆筑完畢后,及時進行混凝土養護,保持混凝土表面濕潤。其中溢流面混凝土采用麻袋片覆蓋灑水養護,消力池采用蓄水養護,護措周期28 天。

在2016 年汛前施工中發現,已完成施工的3#~4#孔溢流面及其對應的消力池HF混凝土均出現不同程度的裂縫,項目部隨即對裂縫進行了詳盡排查統計,排查結果顯示多為干縮裂縫及表面溫度裂縫。但汛后再次對已施工的HF混凝土裂縫進行全面調查時發現新增較多的較深及貫穿性溫度裂縫。調查結果見表1。

表1 C40 HF混凝土裂縫調查匯總表

混凝土結構裂縫的危害是巨大的,它將直接影響工程的安全和使用功能,造成內部鋼筋的銹蝕,影響結構的耐久性及安全使用年限,給工程質量帶來潛在的危害。因此,為保證施工質量,避免后續HF混凝土施工裂縫的產生,通過對已澆筑HF混凝土裂縫產生的原因進行分析,制定預防措施,規范施工行為,以預防控制為主,減少HF混凝土產生裂縫。

3 HF混凝土裂縫原因分析

3.1 混凝土養護不及時

溢流面混凝土采用麻袋片覆蓋、灑水養護,消力池部位采用蓄水養護方式。通過對裂縫調查統計結果整理發現,采用蓄水養護的消力池部位較少發生,調查表中的幾條裂縫均出現在養護不力的混凝土側面。溢流面部位出現較多的干縮裂縫及表面溫度裂縫,通過進一步的調查發現,溢流面混凝土養護不力,未能保證混凝土表面始終保持濕潤狀態,尤其是光照強度大、氣溫較高的12 時~16 時,混凝土表面覆蓋的麻袋片經常因養護不及時出現干燥的情況。

干縮裂縫主要是由于混凝土成型后養護不當造成的。溢流面混凝土表面未能始終保持濕潤狀態,加之河道風速大,混凝土表面水分散失過快,體積收縮大,而混凝土內部濕度變化很小,收縮也小,因而表面收縮變形受到內部混凝土的約束,出現拉應力,從而引起混凝土表面開裂。

表面溫度裂縫多是由于溫差較大引起的。工程所在地4月下旬天氣炎熱（氣溫高達30℃以上）,而HF混凝土未采取溫控措施,混凝土澆筑后,在硬化期間水泥放出大量水化熱而無從釋放,從而導致混凝土內部溫度不斷上升。而混凝土養護用水為溫度較低的河水（現場量測僅13℃左右）,在白天氣溫高的時候由于養護不及時,混凝土面未能保持濕潤,當低溫養護用水直接接觸干燥高溫的混凝土面后,混凝土表面會產生急劇的降溫。急劇的降溫會導致混凝土表面產生較大的降溫收縮,此時表面受到內部混凝土的約束,將產生很大的拉應力,而混凝土早期抗拉強度很低,拉應力大于混凝土抗拉強度時將出現裂縫。由于這種溫差僅在表面處較大,離開表面就很減弱,因此裂縫只在接近表面較淺的范圍出現,表面層以下結構仍保持完整。

由此可見,養護不到位是產生干縮裂縫和表層溫度裂縫的主要原因。

3.2 施工間隔過長

消力池混凝土設計厚度為250 cm,面層50 cm為C40 HF混凝土,下部為200 cm的C20 常態混凝土。由于面層鋼筋網直徑較小,且為兩種型號的混凝土,因此,面層HF混凝土和下部C20 常態混凝土采用分層單獨施工,致使部分消力池基層混凝土和面層HF混凝土澆筑間隔時間過長,其中部分倉號澆筑間隔時間長達一個多月。

消力池50 cm的面層HF混凝土澆筑在厚大的基層混凝土上時,環境溫度較高,加上水泥水化熱的溫升很大,使HF混凝土的溫度很高,其體積隨之膨脹,而隨著混凝土凝結硬化,溫度不斷降溫,體積收縮過程會受到基層混凝土的強約束,在混凝土內部產生很大的拉應力,當拉應力超過HF混凝土抗拉強度時就會產生較深或貫穿性的裂縫。而溢流面混凝土由于澆筑間隔較短,且HF混凝土與最后一層50 cm厚基層混凝土同時澆筑,基本未出現較深或貫穿性裂縫。因此,縮短澆筑間隔,盡量安排HF混凝土與最后一層基層混凝土同時澆筑可以有效防止較深及貫穿性溫度裂縫的產生。

3.3 施工工藝的影響

消力池HF混凝土澆筑要求采用平鋪法澆筑,無溫控設施。門機及長臂反鏟入倉,下料厚度為50 cm。使用φ100 mm型插入式振搗器振搗。混凝土振搗完畢后,再用長刮板刮平,然后采用木抹粗抹,鐵抹二次抹光的工藝。溢流面斜坡面采用翻轉模板控制施工,圓弧段采用鋼筋樣架控制施工。實施過程中發現該施工方案存在如下問題：

（1）消力池采用人工找平,二次收面。混凝土表面平整度及壓光質量嚴重依賴工人職業技能。

（2）圓弧段采用鋼筋樣架控制施工,混凝土振搗易造成混凝土流淌現象。不僅很難保證表面平整度及壓光質量,甚至混凝土振搗質量也存在問題。

（3）斜坡面采用翻轉模板控制施工,拆模立模時間較長,導致混凝土施工時間較長,導致收面時間跨度較長,監督不到位的情況下,工人偷懶,從而大大影響收面質量。

眾所周知,不規范的澆搗過程對裂縫產生有著直接的影響,振搗時間過短,或振搗不到位,混凝土都無法達到密實狀態,直接導致混凝土出現蜂窩、麻面、空洞等缺陷,是產生荷載裂縫的起源點。而如果振搗時間過長,石子下沉,面層浮漿過重,收縮不均勻也容易產生裂縫。抹平壓光不足,會造成表面粗糙,而過度的抹平壓光會使混凝土的細骨料過多地浮到表面,形成含水量很大的水泥漿層,水泥漿中的氫氧化鈣與空氣中的二氧化碳作用生成碳酸鈣,引起表面體積碳水化收縮,也會導致混凝土板表面龜裂。壓光過早,水泥的水化作用正在進行,凝膠尚未全部形成,對表層混凝土強度及抗磨能力有不利的影響,易產生裂縫,壓光過遲,水泥已終凝硬化,不但操作困難,且會擾動已硬結的混凝土表面,也將大大降低面層混凝土的強度及抗磨性能,當與溫度變化共同作用時,更易產生裂縫。

因此,改進施工工藝可以有效的減少裂縫的產生。

3.4 細骨料的影響

該項目天然砂細度模數偏小（1.67）,不滿足混凝土生產的要求,故采用按50∶50比例摻和人工砂的混合砂作為混凝土細骨料。其混合后細度模數為2.24。但在實施過程中發現混合砂存在以下三個問題。

（1）混合砂的級配并不合理,根據試驗報告顯示,顆粒級配呈兩頭大中間小杠鈴狀分布。總所周知,級配不合理的細骨料會影響到混凝土拌和物的稠度。而合理的砂子級配,不僅可以減少拌和物的用水量,得到流動性、均勻性及密實性均較佳的混凝土,同時達到減少水泥用量的效果。

（2）由于不同料場的天然砂細度模數不同,導致混合砂細度模數隨之變化,遇到天然砂細度模數無法滿足中粗砂的標準。因而實驗室根據混合砂細度模數對配合比進行了微調,增加了用水量及水泥使用量。

因此解決細骨料存在的問題有助于減少水泥用量,從而有效地降低水化熱,減少裂縫發生幾率。

4 對策及實施結果

4.1 改進混凝土養護手段

混凝土面采取麻袋片全面覆蓋（包括側面）,溢流面最高點設置花管,花管每隔30 cm鉆一個孔24 小時不間斷噴淋養護。必要時上面再鋪設一層塑料薄膜防止因日曬及河道風速過大造成混凝土失水過快。消力池混凝土仍采取蓄水養護方式。

4.2 調整混凝土分倉及縮短施工間隔

（1）根據《水工建筑物抗沖磨防空蝕混凝土技術規范》（DLT 5207-2005）7.2.2條,抗磨蝕混凝上宜與基底混凝土同時澆筑。鑒于消力池部位混凝土總厚度為2.5 m,將消力池混凝土分兩層澆筑,第一層厚度150 cm,第二層厚度為100 cm。溢流面混凝土最后一層也將分倉厚度調整到100 cm。使基層混凝土與HF面層混凝土安排在同一層內澆筑,通過振動棒的振搗,可以在兩種不同的混凝土之間形成一個結合良好的過渡層。使兩種混凝土在強度形成過程中,變形同步,消除因溫差、應力效應產生的拉伸裂縫。

（2）精心組織,盡量縮短上下層混凝土澆筑時間間隔。

4.3 施工工藝的調整

（1）為了在混凝土澆筑過程中,使振搗適宜,做到不過振、不漏振,安排盯倉員旁站,對于不滿足規范要求及施工方案的作業行為進行及時制止。采用兩次振搗,防止因塑性沉降而引起的混凝土內部分層,消除因混凝土泌水而出現的毛細孔道及石子下部隱含的氣泡,提高混凝土強度和減少混凝土裂縫。

（2）消力池混凝土采用抹面機收面,消力池部位采用長刮板刮平,用木抹子對混凝土表面進行2 次~3 次搓平,用鐵抹抹光至要求的平整度,當混凝土表面脫水后,混凝土初凝前,再用抹面機收光,可有效消除混凝土干縮、沉縮和塑性收縮產生的表面裂縫,增加混凝土內部的密實度。

（3）溢流面采用拉模施工工藝,脫模后的混凝土表面,及時進行人工修整、壓平和抹面。當混凝土表面脫水后,人工對混凝土表面進行二次壓面抹光,防止混凝土表面脫水形成細微通道,確保混凝土表面密實、平整,避免面板表面形成微通道或早期裂縫。

4.4 細骨料的調整

為了得到滿足規范要求的砂子,在對比采用人工砂與外購河沙后,決定HF混凝土澆筑采用人工砂,同時加大了抽檢頻次及對設備的檢查次數,要求砂石生產系統在篩分時加大沖洗水量。以減少人工砂里面的石粉含量,確保人工砂的質量合格,性能穩定。

4.5 實施對策后的效果

在后續C40HF混凝土澆筑施工中,項目部嚴格執行既定的方案,實施效果良好。表面溫度裂縫、干縮裂縫出現頻率明顯降低,未出現較深或貫穿性的裂縫,混凝土表面平整度也得到了改觀。

5 結語

雖然目前學術界對于混凝土裂縫的成因和計算方法有不同的理論,但對于具體的預防措施的意見還是比較統一,在實踐中的應用效果也是比較好的。本項目針對HF混凝土裂縫問題經多次的分析研究,找出原因,對癥下藥,采取了針對性的預防措施,收到了良好的效果。這說明在具體施工中要靠我們多觀察、多比較,出現問題后多分析、多總結,結合多種預防處理措施,HF混凝土的裂縫是完全可以避免的。