抗沖耐磨混凝土裂縫控制研究

朱順強

（河南省前坪水庫運行中心，河南 鄭州 450003）

0 引言

水工混凝土裂縫的危害是一個普遍性問題，裂縫的出現造成工程滲漏，影響正常使用；同時滲漏銹蝕鋼筋導致保護層剝落，降低混凝土強度；嚴重損害工程耐久性、結構強度和穩定性，縮短工程使用壽命。文章通過“金包銀”溢流堰面抗沖耐磨混凝土的施工試驗研究及采取的系列措施避免了溫度裂縫的產生，總結出溫控措施的系列方法達到工程要求的質量目標。

1 工程概述

1.1 工程概況

豫西某水庫溢洪道布置于大壩左岸，由進水渠段、進口翼墻段、控制段、泄槽段及消能防沖段五部分組成，中心軸線總長度約383.80 m。控制段閘室共5 孔，單孔凈寬15 m，閘室結構型式為開敞式實用堰結構，堰前閘底板高程399 m，閘墩頂高程423.50 m，閘室設5 扇弧形鋼閘門，采用弧門卷揚式啟閉機啟閉，消能防沖采用挑流消能。

溢流堰長35 m 采用“金包銀”結構，底板澆筑C25W4F100混凝土為Ⅰ期成臺階狀，面板澆筑C40HF 抗沖耐磨混凝土在臺階上澆筑，為Ⅱ期、厚度不小于80 cm，臺階水平方向和垂直方向預留1.50 m 插筋，保護層為150 mm。堰體受力鋼筋為φ36@100，溢流堰斷面（見圖1）。

圖1 溢流堰斷面圖

1.2 第一次澆筑試驗

澆筑時間在2018 年11 月份，大氣溫度最高15 ℃，最低2 ℃。因堰體鋼筋間距為100 mm所以選用塌落度75 mm的二級配常態混凝土滑模澆筑，澆筑前對粗、細骨料進行測溫為8 ℃～15 ℃左右，拌和用水溫度13 ℃。澆筑方式采用50 t吊車吊皮帶機或2 m3吊罐入倉分兩層澆筑，分別為50 cm和30 cm。拋物線和反弧段每次澆筑厚度不大于滑模提升高度（滑模每次提升30 cm），人工平倉振搗，混凝土入倉26 ℃，塌落度實測為70～85 mm，歷時30 h結束。澆筑過程中隨著混凝土面的上升預埋3 個點式電偶式溫度計，并間隔2 h 測量混凝土內部溫度和大氣溫度及混凝土表面溫度，對完成的部位及時使用“兩布一膜”覆蓋保溫，將內外溫差控制在25 ℃的范圍內。

2 第二次澆筑試驗

2.1 第一次混凝土澆筑后出現的問題、原因分析和防治措施

2.1.1 裂縫發生的情況及位置

混凝土澆筑完成后正常的養護三天強度達到2.50 MPa后拆邊模發現，在1#～16#臺階頂角處沿堰體面板立面基本都出現長短不一的裂縫共計16條，向混凝土面部發展，從新老混凝土結合面開始沿著臺階的頂角方向貫穿底板并在面板持續發展。經連續觀察7—14 d，裂縫不再發展，裂縫的長度500～2 000 mm、寬度0.10～0.30 mm、深度30～80 mm不等，根據《水工混凝土建筑物缺陷檢測和評估技術規程》規定為B類裂縫。

2.1.2 產生裂縫原因分析

混凝土裂縫成因主要由工程設計缺陷或是結構不合理，施工過程中原材料選擇不嚴格、控制不規范，混凝土配合比設計不合理，施工方法或工藝不成熟或不規范施工，工程管理薄弱及環境影響等因素造成。其中料粒徑越細，針片狀含量越大，混凝土單方的用水泥量、用水量增多，減少混凝土抗折強度，早期收縮量增大，易產生早期裂縫。

混凝土澆筑完成后發現的裂縫幾乎在每個臺階處都有，原因分析如下：①因裂縫出現的位置規律性較強且大部分都在臺階頂角處，是整個堰體面板應力最集中的地方同時也是最薄弱位置。②堰體下部C25 W4F100 常態混凝土澆筑完成時間較早，經過長時間靜置應力得以充足釋放，且堰體底板上部為C40HF 抗沖耐磨混凝土強度高出下部C25W4F100 三個等級，新老混凝土結合時應力釋放不一致或不同步。③澆筑過程中施工單位管理不到位，沒能嚴格按批復的施工方案組織施工，采取的工程措施不夠。④使用自制的粗、細骨料，原材料針片狀含量達到配合比的上限。⑤所用的混凝土配合比設計為二級配，水泥用量較大導致水化溫升過快。⑥通過圖2 可以看出在澆筑過程中未根據環境溫度的改變及時采取的溫度控制措施，或措施不夠具體、不到位，測溫的項目只有混凝土內部溫度、大氣溫度和養護溫度較少，不能如實反映混凝土內部的溫升情況和外部情況，預埋的3個測點較少。

圖2 北京航空航天大學測溫曲線圖

2.2 第二次混凝土澆筑后出現的問題、原因分析和防治措施

2.2.1 第二次混凝土澆筑所采取裂縫防治措施

在第一次裂縫原因分析基礎上結合工程實際，制定如下預防措施和工程措施：①加強原材料控制，在規定誤差范圍值內盡量減小粗骨料針片狀含量，確保粗、細骨料質量。②使用優質高效減水劑，優化配合比，減少水泥用量。③施工中加強拌合水水溫、混凝土出機口溫度的測量頻次，拌合要充分且拌合時間要滿足規范要求。④堰面混凝土澆筑前應將臺階倒角鈍化，鈍化寬度按30 cm×30 cm交替鈍化并盡量做成弧形。⑤做好混凝土保溫措施，堰面混凝土澆筑搭設掛簾式雙層帆布暖棚，待收面后的混凝土表面覆蓋土工膜或棉被，邊澆筑邊覆蓋，確保混凝土內外溫升滿足規范要求26 ℃以內。⑥采用蒸汽養護在暖棚搭設好后應及時使用蒸汽發生器，并控制好蒸汽溫度（即混凝土表面溫度）與混凝土內部溫度差應符合規范要求的25 ℃以內。⑦在臺階處的上方增加寬度為50 cm長為通倉的鋼筋網片進行局部限裂。⑧注意模板拆除時間，避開降溫期拆除模板，在溫度上升時或中午時段拆除，拆除后及時保溫養護。⑨由施工單位、監測單位、北京航空航天大學三方分別使用不同的測溫設備進行監測記錄，且三方的測溫設備埋設在同樁號截面內，按軸線偏心距間隔分布，監測完成后進行對比分析減小測溫誤差（圖2、圖3）。

圖3 典型單點溫度觀測示意圖

為了保證混凝土質量，應做好過程詳細記錄，包括：大氣溫度、入倉溫度、內部溫度、外部溫度、塌落度等應記錄詳細、齊全并用專用表格記錄。且澆筑前采取的相關措施應記錄詳細、齊全，例如：溫控設備的埋設情況、預埋件等；混凝土澆筑后，各單位的溫控量測記錄要連續、數據要齊全具備可參考性。

2.2.2 裂縫發生的情況及位置

澆筑完成后的混凝土采用暖棚、塑料薄膜和棉被進行養護。混凝土澆筑完成一定長度（不影響澆筑施工）后進行暖棚安裝，暖棚安裝好后及時輸送蒸汽，在塑料薄膜和棉被的基礎上對混凝土采取蒸汽養護。待強度達到2.50 MPa 后拆邊模發現，在2#、4#、7#、8#、10#、12#臺階處共發現6 條長短不一的裂縫。經連續觀察7—14 d，裂縫不再發展，裂縫的長度300～1 500 mm、寬度0.10～0.30 mm、深度100～300 mm不等。

2.2.3 產生裂縫原因分析

在第二次混凝土澆筑時采取上述措施后裂縫由原來的16 條減少到6 條，分別在2#、4#、7#、8#、10#、12#臺階處。4#、7#、8#從新老混凝土結合面開始沿著臺階的頂角方向貫穿底板，2#、10#、12#從橡膠止水上部貫穿底板。具體原因分析如下：①雖然施工中使用了高效減水劑但水泥不是低熱水泥且粉煤灰為二級，水泥用量相比之下還是較大導致水化溫升過快。②臺階倒角雖鈍化但寬度和高度偏小。③厚度為15 mm 鋼筋保護層較大致使表面易產生溫縮裂縫。④在臺階處的下部雖然增加了限裂的鋼筋網片但沒有形成一個整體，某些臺階處的應力還是集中導致裂縫產生，應形成統一的整體增強整個堰面的限裂能力。⑤需進一步完善和改進施工工藝，加強溫控措施。

2.3 第三次澆筑試驗

2.3.1 第三次混凝土澆筑所采取裂縫防治措施

在第二次裂縫原因分析基礎上結合工程實際，增加下列工程及技術措施：①在溢流面混凝土底部即臺階的上方和和面層鋼筋上方增設鋼筋網，下部采用16 鋼筋間排距15 cm；上部和側面采用12鋼筋間排距20 cm，保護層5 cm。②進一步優化配合比使用三級配，并使用低熱水泥和I 級粉煤灰，減少水泥用量，減小水化熱，施工時將塌落度控制在70 mm左右，具體的調整數據（見表1）。③因使用三級配混凝土但鋼筋間距為100 mm導致大石無法或不易入倉，為保證混凝土性能不離析采取“開天窗”的方式進行入倉，“開天窗”形式為每隔2 m 水平距離將水平方向的鋼筋3根暫時不綁扎，將其吊綁在相鄰的鋼筋上形成400 mm 的間距的水平方向通倉的大窗口。④為了避免表面裂縫產生，控制陡坡段混凝土澆筑速度和滑模提升的速度。⑤滑模提升后，先用平板振動磨光機對混凝土進行復振，增加混凝土的密實性，再用小型盤式砂光機進行抹面，待盤式砂光機抹面后進行人工收面，在混凝土終凝前進行人工二次收面、壓光。⑥由于混凝土澆筑速度慢，歷時較長，暖棚覆蓋要及時且供暖提前。⑦將溢流面混凝土臺階的倒角鈍化尺寸按40 cm處理，在臺階容易出現裂縫的輻射范圍再增加一排防裂鋼筋，由設計單位復核增加范圍。⑧在混凝土分層澆筑的上層混凝土200～300 mm 范圍內使添加玄武巖纖維原絲的混凝土預防表面裂縫的產生。

表1 配合比調整對比表

2.3.2 裂縫發生的情況及位置

澆筑完成后的混凝土采用暖棚蒸汽養護、塑料薄膜和棉被進行加強。待強度達到2.50 MPa 后拆邊模發現，立面無一條裂縫產生。混凝土養護14 d后檢查面板僅有3條長度為30～50 cm，肉眼幾乎看不見細微的溫縮裂縫，用手輕擦即不見，28 d齡期檢查混凝土強度及外觀質量均滿足設計要求，外觀質量優良（檢測結果見表2）。

表2 混凝土試塊抗壓強度試驗報告

3 防治結論

通過三次的堰體混凝土澆筑施工，在每次的基礎上進行細致分析并采取相應的技術措施和工程措施。由第一次的16條到第二次的6條逐次減少，再到第三次混凝土澆筑完成后僅有3條長度為300～500 mm，肉眼幾乎看不見細微的細微裂縫，說明在施工過程中所采取的措施是有效的、可行的。在后期的施工中根據大氣溫度的變化及時調整養護措施和溫控措施，已完成的堰面混凝土面板至今沒有發現新的裂縫產生，經檢測混凝土強度滿足設計及規范要求且外觀質量優良。

4 結語

第一，裂縫預防各參建單位要建立健全管理網絡，加強科學管理、施工，編制可行的施工方案且嚴格按批復的方案施工，明確分工，各負其責。

第二，溫控措施是必不可少的一項工作，但要采取多種的測溫方法進行觀測并對比結果，將測溫誤差降至最低。并根據所測量的結果使用“內降外保”的方法加強混凝土表面保濕、保溫，控制內外溫差不超過規范的25 ℃是控制裂縫的有效措施。

第三，適時與設計、施工、監理溝通、配合，增加構造措施和小規格配筋或根據規范允許的范圍內改變鋼筋的布置方式，比如：改為雙層鋼筋、或相應的增大間距、減小保護層厚度，使用三級配混凝土，增加成熟的施工材料纖維類原絲，可避免應力集中和表面溫縮裂縫的產生。在施工過程從混凝土生產時的配合比、用水量、骨料、水泥等方面入手并同時作好澆筑、振搗、養護等環節，混凝土裂縫在一定程度上能夠得到避免。