水利工程大体积混凝土裂缝的成因与防控.pdf

第 3 8卷 第 4期 2 0 1 1年 4月 建筑技术开发 Bu i l d i n g Te c hn i q ue De v e l o p me nt V0 1 38。 No 4 Apr 2 01 1 水 利 工程大体 积 混凝 土裂 缝 的成 因与防控 朱振宇李春利王崧会 ( 北京 市京水 建设工 程有限责 任公 司， 北京1 0 0 1 9 3 ) 摘要 水利工程大体积混凝土裂缝 防治一直是施 工质量控制 的重点 和难点 ， 分 析了产生裂缝 的主要原 因 温度 和干缩 ， 并结合南水北调菱河倒虹吸和汤河渡槽工程 阐述 了为防止有害裂缝的产生所采取施工措施 ， 如为降 低最高温升而采取的降低水泥用量 、 避免高温季节施工 、 降低原材料温度、 混凝 土结构内盘管冷却等 ； 为减少 于缩采取的加强湿养护 、 分期 浇筑 ， 减少结构浇筑长度 等； 通过合理的工艺， 减小外 部约束 。 关键 词 裂 缝 ； 防控 ； 温 控 ； 干 缩 ； 约 束 中图分类号】 T U 7 4 6 2 文献标志码 】 A 文章编号 1 0 0 1 5 2 3 X( 2 0 1 1 ) 0 4 - 0 0 2 8 -0 3 1概 述 水利工程大体积混凝 土浇筑一直是工 程中 的难 点和重 点 ， 而决定混凝土浇筑质量的关键因素是裂缝 的控制 。水利 工程往往 是水坝 、 水 闸、 倒虹吸 、 渡槽 等大型建 筑物 ， 这些水 工建筑物混凝土施 工存在着 一些共 性： 1 ) 单仓 混凝土浇 筑 量大 ， 结构长、 断面尺寸大 ； 2 ) 运行环境处于水中 、 抗腐蚀性 、 抗冻和抗渗性要求高。因为这些共性 ， 前者决定了水 工混 凝 土较容易产生裂缝 ， 后者决定 了混凝 土浇筑质量 要求 高 ， 对 裂缝 的控制标 准比一般混凝土要严格的多。 混凝土裂缝很难避免 ， 有些裂缝对混凝土结 构的寿命影 响小 ， 如表面裂缝 ， 不必过多 在意。施工 中混凝 土质 量控制 的重点是避免 和减少贯穿裂缝 、 深层裂缝 ， 特别是贯穿裂缝 ， 这些有害裂缝会严重影响到工程的总体质量和使用寿命 ， 是 水利工程重点防治的对象。如何才能 有效 得控制混 凝土有 害裂缝的产生呢 ， 这里结合 两个 工程 ， 说明水 利工程 中常用 的一 些 防裂 措 施 。 工程是南水北调中线工程与菱河 、 汤河交叉处的大型水 工建筑物 ， 工程质量要求 高， 混凝土浇筑量大 ， 其中 ： 1 ) 菱 河 倒 虹 吸 ： 倒 虹 吸管 身断 面 为 3( 孔 )7 0 11 1 ( 宽) 7 1 5 m( 高) ， 单节管长 1 5 m， 底 板和顶 板厚 1 4 m， 侧墙厚 1 2 m， 单仓最大混凝土浇筑量 1 0 0 0 m ( C 3 0 、 F 1 5 0 、 W6 ) 共 2 2节 ， 断面形式如图 1 。 收 稿 日期 ： 2 0 1 1一 O l 一1 5 作者筒介： 朱振宇( 1 9 8 2 - ) ， 男 ， 北京人 ， 毕业于中目农业大学 ， 大专 工程师， 南水北调中线三标副总工程师。 2 ) 汤河涵洞式渡槽 ： 汤河涵渡 的结 构尺寸较 大， 渡槽共 分 5节 ， 1号、 5号渡槽长 】 7 1 m， 2号、 4号渡槽长 1 6 。 9 m， 3 号涵渡最 长达到 2 9 9 0 Il l ， 渡 槽结构 断 面呈梯形 ， 宽 0 8 1 6 5 m， 单仓最 大混凝土浇筑 量 1 7 2 0 m ， 混凝 土等级 C 4 0 、 F 1 5 0 、 W8 ， 断面结构如 图 2 。 l 6 0 0 1 6 0 o r - 1 【 一 ( 7 铜 止 水 _ 十 _ _ 。 。 。 。 。 。 。 两期混凝土浇筑筋 5 0 05 0 0 一上 一 J _删 c 3 9 I l 6 5 0 l 一 7 6 5 0 f f 1 _4 o o 7 6 5 0 一I f 塑 汤河涵洞 图 2断面结构 2裂 缝 产 生 的原 因 混 凝 土 裂 缝 很 多种 ， 水 利工 程 中最 常 见 的是 温度 裂 缝 和 干 缩 裂缝 。 1 ) 温度裂缝 ： 大体积混凝土浇筑后 ， 由于水 化热使混凝 土温度升高 ， 当温升达到峰值后 ， 由于环境温度较低 ， 混凝土 温度开始下降 ， 在降温过程 中混凝土发生收缩 ， 收缩受 钢筋、 外部结构的约束 ， 当收缩变形大 于极 限拉伸变 形时 ， 就出现 裂缝 。另外一种情况是大体积混凝土 内部温度下降慢 ， 表面 散热快 ， 温降快 ， 内外收缩不一致 ， 或者说混凝土表面收缩受 内部 制 约 而产 生 裂 缝 。 2 ) 干缩裂缝 ： 指混凝土 因各 种原因失水后 ， 产生体积 收 缩而出现的裂缝 。主要原 因有 ： 混凝土浇筑完成后 ， 养护 不及时或不 良， 混凝土会出现 泌水和水 分急骤 蒸发 ； 混凝 土进入硬化 阶段后 ， 混凝 土中未参加水化反应 的水会蒸发形 成干缩 ； 水泥硬化使体积减小。 第 3 8卷 朱 振 宇 ， 等 ： 水 利 工 程 大 体 积 混 凝 土 裂 缝 的 成 因与 防控 第 4期 实 际情 况 中 ， 大体积 水工 混 凝 土裂 缝 产 生往 往 是 两 种 因 素 共同作用的结果 ， 施工中， 需双管齐下 ， 才能有效预防和控制 。 3裂 缝 的预 防 3 1 降 低 混 凝 土 最 高 温 升 在诸 多 防 裂措 施 中 ， 该 项 对 裂 缝 出现 的 防 控 是 最 为 有 效 的 ， 某些情况下 ， 混凝土温升过高是裂缝产生最直接 的原 因。 混凝 土浇筑完成后 ， 温升过 高会产 生很大 的拉伸 变形 ， 而混 凝 土早 期 抗 拉 强 度 低 ， 因 此 容 易 出现 裂 缝 。 我 项 目部 从 2 0 1 0年 1月 份 开 始 羡 河 倒 虹 吸 冬 季 施 工 ， 截止 2 0 1 0年 7月 1 3日， 共 完 成 1 5节 管 身段 混凝 土 浇 筑。 浇筑 日期在 5月 1 O日之前 ， 浇筑气温在 2 1 以下时 ， 混凝土 浇 筑 质 量 控 制 得 很 好 ， 均 未 发 现 有 害 裂缝 ； 而 5月 2 6 日浇 筑 的 2 1 号管身段 、 7月 1 3日浇 筑的 4号 管身段均 发现有 害的 贯 穿 裂 缝 。测 温 发 现 ， 两 仓 混 凝 土 内部 最 高 温 升 达 到 5 0 E 以上 ( 如 图 3 )， 由此 可 以看 出混 凝 土 内部 的最 高 温 升 与 混 凝 土 出现 裂 缝 两 者 关 系 是 非 常 密 切 的 。 70 6O 5 0 40 30 20 1 O 0 1 O ，6 26 2 5 4 3 4 2 4 3 4 6 4 6 4 6 2 6 4 0 4 3 4 2 4 6 3 5 3 O ” 2 9 3 6 3 4 3 7 3 曼 1 卜1 ， 3 O 28 3 O 一 2 6一 8 3 1 5 1 6 2 ； 1 3 9 9 aI l ： 丑 皿 皿 丑 皿 皿 皿 l - r r 皿 皿 皿 皿 口 I 皿 n _n l 冠 ； 号 一 寸 寸 甘 I n v 、 n n 寸 1 3 1 5 1 7 1 4 1 6 1 8 7 6 f2 O 1 9 8 2 1 2 2 5 4 上 工 E 6 2混凝土内部最高温度 4 5混凝土表面最高温度 3 3 浇筑气温 单位 ： 仓段号 图 3混 凝 土 内部 温 度 1 ) 降低单方水泥用量 ， 水 泥是 产 生 水 化 热 的 主 要 原 因 ， 在 实 际 施 工 中 ， 尽 可 能 采用低热水泥 ， 同时调整 配合 比 ， 在保证强度的前提下 ， 降低 单 方水 泥用 量 。在 该 工 程 中 ， 混 凝 土 设 计 强 度 等 级 C 3 0， 试 验 室通过多次配合 比试 验 ， 将 单方 水泥用 量控 制在 2 7 0 k g m ， 在其他一 些工程 ， 甚至可以降至 2 4 0 k g r ill 。 2 ) 降 低 原 材料 温度 降低原材料 的温度是 简单而有效 的措施 。很多情况下 ， 千 万 不 能 忽 视 原 材 料 所含 的 热 量 ， 它 对 混 凝 土 的 温 升 作 用 非 常 明显 。我们无 法消除水 泥产 生的水化 热 ， 但却可 以采取有 效 的措施降低原材料的温 度。 结合以往的施工经 历 ， l O月 份至 次年 的 5月份 是混凝 土浇筑的最好时间 ， 在该时段 内， 原 材料 的温度 比较低 ， 带入 混凝土仓内的热量少 ， 因此 混凝土 内部最 高温升 较 69月 份低 1 O 以上。在 菱河 倒虹 吸工程 中， 我部 进行 了冬季施 工 ， 并采用暖棚法养 护混凝 土 ， 测温 发现 ， 13月冬 季施工 期间 ， 混凝土 内部最高温升仅 4 2 左 右 ( 如图 3 ) ， 这 是在其 他 时 段 、 采 取 各 种 措 施 都 很 难 达 到 的 结 果 。 经 过 分 析 ， 我 们 认为其关 键是 原 材料 温 度低 ， 如 砂石 骨 料 、 水 泥 等 都处 在 0 以 下 的 环 境 存放 ， 而 在 夏 季 ， 即 使 采 取 冷 水 冷 却 骨 料 、 拌 和时加冰 、 增加拌和时间等措施 ， 也不能 同其相 比， 从 某种意 义 上 说 ， 在 很 多 地 区 ， 只 要 混 凝 土 养 护 和 保 温 措 施 得 当 ， 将 大 体 积混 凝 土浇 筑 安 排 在 冬 季 ， 不 失 为 一 个 可 行 且 有 效 的 办 法 。 可 能有 人会 认 为 这 样 会 增 加 相 关 的 费 用 ， 其 实 不 然 即 使 在夏 季 高 温 季 节 ， 为 保 证 浇 筑 质量 ， 仍 需 采 取 各 种 措 施 。 如 制 冰、 料场搭棚防晒、 掺加 膨胀剂 、 结构 内盘冷却 水管 等 。 增 加 的费用也是 比较高 的 ， 效果 也难 以保证。 由此 看出 ， 6 8 月 应 合 理安 排 施 工 计 划 ， 尽 量减 少 大 体 积 的混 凝 土 浇 筑 。 3 ) 结构内盘冷却水管 在混凝土结构 内盘冷却水管是预先在混凝土结构内埋设 管道， 浇筑完成后 ， 通入循环冷水， 将混凝土内部热量带出， 以达 到 降低 混凝 土 内部 温度 的 目的 ， 在进 行 汤河 渡 槽 槽臂 混 凝 土浇 筑 时 ， 就采 用 了盘管 ， 如 图 4， 这里 只显示 了一道槽 臂 。 l 进 水 图 4结构内盘冷却水管示意 采用盘管降温时要注意几点 ： 管道埋设时 ， 一定要保证密封 ， 否则浇筑时水泥浆进 人管道 内造成堵塞 ， 就无法通水冷却 了。 管道 盘 绕 时注 意 要 均匀 布 置 ， 以保 证整 体 上均 匀 降 温 。 管道固定牢靠 ， 在其周 围振 捣时 ， 注意 保护 ， 避免 管 道位移至模板附近 ， 甚至抵靠模板 。 完成通水冷却后 ， 将管内水排除干净 ， 并 压力灌人水 泥 浆 封 堵 。 这点 很 重 要 ， 管 道 内 水 不 排 除 干 净 ， 或 不 封 堵 以 致 外界 水进入管 内 ， 冬季 来临后 ， 会 对混凝 土结构造 成严 重 的 冻胀 破 坏 。 盘管降温有一定 的降温效果 ， 现场 测温后 发现 ， 进水 口 水 温 2 2 12 ， 出水 口的水 温达到 3 1 ， 且混凝土内部最高温 升 能 降低 5 左 右 。 3 2减 少 混 凝 土 干 缩 混凝土失水发生收缩 ， 当收缩 变形 受到外 界约束 时 产 生约束应力 ， 当该应 力超过混 凝土抗拉 强度时 就产生 裂缝。 加强湿养护和减小混凝 土结构 的浇筑仓 长度能减少 混凝 土 的收 缩 量 。 1 ) 养 护 加 强 养 护 能 尽 可 能 减 少 混 凝 土 在 硬 化 过 程 的 失 水 。大 体积混凝土外表面大 ， 养护不充分 ， 很 容易造成严重失水 ， 特 别在大风天气 ， 更要注意 。在美河倒虹吸和汤河渡槽 混凝土 养 护 时 ， 注 重 了两 点 ： 一 是 保 水 ， 在 混 凝 土 表 面 苫 盖 土 工 膜 ， 土 工 布 含 一 层 塑 料 膜 ， 能 很 好 的 阻 止 混 凝 土 内 部 水 分 散 发 ； 二 是 补 水 ， 保 证 混 凝 土 表 面 始 终 处 在 湿 润 状 态 ， 当 混 凝 土 强 29 、 赠 第 4期 朱 振 字 ， 等 ： 水 利 工 程 大体 积 混 凝 土 裂缝 的 成 因与 防控 第 3 8卷 度上升后 ， 可以松开侧壁螺栓 ， 使冷水能进入混凝 土侧 壁 ， 使 之充分养 护。 2 ) 减小混凝土结构的浇筑长度 混凝 土结构长度越小 ， 收缩变形 就越小 ， 出现裂缝 的几 率也就降低 ， 从经 验上看 ， 混凝土结 构长度 超过 1 5 m， 就易 出现裂缝 。汤河渡槽 3 号 渡槽槽臂长 2 9 9 0 m， 可 以说 ， 采用 常规的措施很难 保证不 出现裂缝 。为此 ， 我方与各参建 方多 次协商， 以保障渡槽质量为 目的 ， 提 出将槽臂分两次浇筑 ， 即 在其过水方向的正 中设置一道 伸缩缝 ， 并设置铜止水 防渗 。 3 3 减 少外 部 约束 无论 混凝 土是 因为温度 还是 失水 发 生收 缩 ， 如果 收 缩不 受 外界约束 ， 或者说这种收缩是 自由的， 那也不会产生裂缝。在很 多水工建筑上， 可以看到一种常见的有害裂缝 ， 如图5所示。 二期墙身 裂缝 l I- 卜 卜 基础底板 图 5 有害裂缝示意 这种裂缝产生的原因是： 浇筑完成 的二期混凝土在收缩 时， 受到刚性基础的制约， 在交界处形成很大的集 中应力 ， 当 该集 中应力大于混凝 土抗拉强度后 ， 出现裂缝 。因此 。 如果 减小外部对混凝土结构的约束或者减小交界处 的集中应力 ， 也可 以有效得 防止裂缝 的产生。菱河 倒虹吸工程 和汤河渡 槽结构形式、 施工工艺 与图 5 相似 ， 在分期施工 时( 如图 1 ) ， 我们将一、 二期混凝 土浇筑的施工 缝定在底 板 “ 八 字” 以上 2 0 c m处 ， 这样做能有效 地减少交 界处 的集 中应力 ， 如 将交 界高程设在“ 八字 ” 以下 ， 即底板处 ， 出现裂缝 的几 率将大得 多 ， 许多事实也证 明了这一点； 另外 ， 缩短两次混凝土浇筑时 间 间 隔也 有 一 定 的 作 用 。 需 要 注 意 的 是 两 期 混 凝 土 的施 工 缝是渗水的薄弱处 ， 应设置止水 。 4结束 语 以上是我们 在进行水工混 凝土施工 时 ， 为 防止裂缝 ， 经 常采取的一些措施和工艺 ， 但并不是说这些做法一定 能杜绝 裂缝的出现 ， 造成裂缝 的因素除 了上 述外 还有很 多， 如施工 人员的水平 、 原材料 的优劣 、 混凝 土配合 比、 施工环境 等 ， 这 些因素的综合致使裂缝出现的不确定性 ， 也决定 了混凝土裂 缝是水工建筑物的质量通病 。施工中 ， 我们不能因为裂缝是 质量通病 ， 可控性差而无所作为， 甚至抱侥幸心理 ， 这些都是 不可取 的。水利工程是造福一方的民生工程 ， 我们要积极主 动采取针对性措施 ， 抓住主 因， 尽最大努力控 制有害裂缝 的 产生 ， 保证工程的质量。 ( 上接第 8页) 表 3底板中心挠度和中心反力值 单元长宽 比( a b ) 中心挠度 w m 中心反力值 ( k N m ) 1 0 1 2 6 2 5 6 1 6 3 5 2 2 0 1 2 6 1 5 4 l 6 3 3 5 3 0 1 2 5 9 8 O l 6 2 9 6 4 0 1 2 5 5 2 4 1 61 1 0 6 0 1 2 5 1 0 1 l 5 8 0l 8 0 1 2 2 8 6 4 1 5 3 3 3 由表 3我们可以粗 略的得到一些规 律 ： 一般 情况下 ， 为 了获得较精确的位移结 果 ， 长 宽 比不应该 超过 6 ， 为 了获得 较精确 的应力结果 ， 长宽 比不应超过 3 。通 常情况下 ， 正 方 形 的单元形态最好 ， 因为对于 四边 形单元 ， 长宽 比过大会 导 致病态的方程组 。因此本文 的有限元模型 中单元 的长宽 比 通 常取 为 l 。 2 3 合 理 地进 行 荷 栽 的 等 效 在 Ma r c有 限元 模 型 中 进 行 单 元 的 加 载 时 ， 由 于 没 有 线 性荷载加载命令 ， 所 以我们通常将线性荷载转化为集中荷载 来进行荷载 的等效处理 。选择不同方式的荷载等效方法后 ， 通常会运算结果的精确性造成一定 程度的影 响。因此 在给 单元加载时如何合理地 进行荷载 的等效在 有限元的建模 中 显得非常重要。下面我们以杆单元为例 ， 来简单地介绍下 合理的荷载等效 的方法 。 假设 A B为一个杆单元 ， 我们需要在其上加载如图 1 ( a ) 3 0 所示的均布荷载 ， 我们通常采用弯矩等效法来进行荷载 的等 效 ， 即使等效荷载在跨 中处产生的最大弯矩与实际荷载作用 下在跨 中产生 的最大弯矩 相等。但 是如果 此时 的 A B杆单 代表建筑物模型中的梁， 那么只单一考虑弯矩等效可能会使 模 型在竖直方向产生 的内力与实际差别较大 ， 这样产生的柱 子的轴力和基础 的沉降的准确性会受 到影响 ， 如何合理的解 决这一矛盾呢?在实体建模 中通常需采用 既考虑弯矩 等效 又考虑竖向力等效 的荷 载等效方法 。即当等效 荷载如 图 1 ( b ) 所示时满足以下条件 ： 竖直方向上力 的等效 ： q l ： q l 8 q l 4+ q l 4+q l 4+q l 8 跨 中弯矩的等效 ： q 8： 3 q l 8l 2一q l 41 4 以上两式左边为图 1 ( a ) 的内力， 式子右边为图 1 ( b ) 的内力。 q l 8 g q l 4 q l 4 q l 8 L 一一 l ( a 】 f 盥 I 。 I 。 l 。 I ( b ) 图 1 梁 的荷载等效 参考 文献 1 粱清香， 张根全 有 限元 与 MAR C实现 北 京： 机械工业 出版 社 2 0 0 3 1 3 92 5 2 2 朱伯芳 有 限单元法 原理 与应用 北 京： 中 国水 利水 电出版社 1 9 9 9 21 02 1 3