大型渠道混凝土裂缝成因分析及预防措施.pdf

第 1 2卷O 2 期 2 0 1 4年 6月 南水北调与水利科技 S o u t h - t o - No r t h Wa t e r Tr a n s f e r s a n d Wa t e r S c i e n c e& Te c h n o l o g y Vo 1 1 2 No O 2 J u T 1 2 0 1 4 大型渠道混凝土裂缝成 因分析及预 防措施 胡智农 。 ， 韦 华 ， 单国良 ， 余 熠 ， 杨 黎 ( 1 南京水利科学研究院， 南京 2 1 0 0 2 9 ； 2 水文水资源与水利工程科学国家重点实验室， 南京 2 1 0 0 2 9 ； 3 水利部水工新材料工程技术研究 中心 ， 南京 2 1 0 0 2 9 ) 摘要： 根据大型渠道衬砌混凝土的结构特点和所处的环境， 通过试验研究了水泥种类、 粉煤灰、 纤维对衬砌混凝土收 缩( 塑性收缩、 干缩、 自收缩) 性能的影响规律。试验结果表明： 在配合比中掺入优质粉煤灰， 可有效降低混凝土的收 缩； 在配合比中掺入纤维， 混凝土的抗收缩能力进一步提高； 与 P C 3 2 5水泥相比， P0 4 2 5 水泥具有更好的抗 收缩性能； 在配合比中掺人优质粉煤灰、 纤维、 使用 P 04 2 5水泥， 可使相同强度等级的混凝土具有更好的抗裂 性 。最后 根据 各类 收缩裂缝 特征及影 响因素， 提出 了预防渠道衬砌混凝土裂缝的措施 。 关键词： 渠道混凝土； 抗收缩性 ； 配合比 中图分类号 ： TV5 4 3 。 。 6 文献标识码 ： A 文章编号 ： 1 6 7 2 1 6 8 3 ( 2 0 1 4 ) 0 0 2 0 0 7 4 0 4 The Ca u s e s o f La r g e Cha n ne l Co n c r e t e Cr a c ks a nd I t s Pr e v e nt i o n Hu Zh i - n o n g ， ， WEl Hu a ， ， u ， SHAN Gu o - l i a n g 1 ， 2 u ， YU Yi 1 ， 2 w， YANG Li 1 ， 2 ， 3 ( 1 Na i n g Hy d r a u l i c Re s e a r c h I n s t i t u t e ， Na n j i n g 2 1 0 0 2 9 ， C h i n a ； 2 S t a t e Ke y L a b o r a t o r y o f Hy d r o l o g y - Wa t e r Re s o u r c e s a n d Hy d r a u l i c E n g i n e e r i n g， Na n j i n g Hy d r a u l i c R e s e a r c h I n s t i t u t e ， Na n j i n g 2 1 0 0 2 9 ， ( i n a ； 3 Re s e a r c h C e n t e r o n Ne w Ma t e r i a l s i n Hy d r a u l i c ： S t r u c t u r e s ， Mi n i s t r y o f Wa t e r Re s o u r c e s ， Na n j i n g 2 1 0 0 2 9 ， C h i n a ) Ab s t r a c t ： W e a n a l y z e d t h e i n f l u e n c e l a w o f c e m e n t t y pe ， f l y a s h a n d f i b e r t o t h e l i n i n g c o n c r e t e s h r i n k a g e a c c o r d i n g t o t h e l a r g e c h a n n e l l i n i n g c o n c r e t e s t r u c t u r e f e a t u r e a nd s i t u a t i o n， whi c h i nc l u d i n g p l a s t i c s hr i nk a g e， d r y i n g s h r i n ka g e a nd a u t o g e n ou s s hr i n k a g e Th e r e s u l t s s h o w t h a t c o nc r e t e s hr i n k a ge wi l 1 r e d u c e e f f e c t i v l y wh e n a d d i n g h i g h q u a l i t y f l y a s h i n t o t h e c o n c r e t e mi x t u r e Th e s h r i nk a g e r e s i s t a n c e 0 f c o nc r e t e wi l l i m p r o v e wh e n a d d i n g f i b e r i n t o t h e c o n c r e t e mixt ur e Co mp a r i n g wi t h t h e PC3 2 5 c e me nt 。 P 04 2 5 c e me n t h a s a be t t e r p e r f o r ma n c e o f s h r i n k a g e r e s i s t a nc e W h e n a d d i n g h i g h qu a l i t y f l y a s h， f i b e r i n t o c o nc r e t e a n d u s i n g P 04 2 5 c e me n t ， t h e c o n c r e t e wi l l h a v e a b e t t e r p e r f o r ma n c e o f c r a c k r e s i s t a n c e I n o r d e r t o p r e ve n t c h a n ne l c o n c r e t e c r a c k s ， s o me r e c o mme n d a t i o n s a r e s u g ge s t e d a c c o r d i n g t o t he c r a c k c h a r a c t e r i s t i c s a n d i n f l u e nc i n g f a c t o r s Ke y wo r d s ： c h a n n e l c o n c r e t e ； c r a c ki c a u s e； p r e v e n t i o n 引水渠道是调输水工程的主要建筑物， 通常采用混凝土 衬砌进行渠道防渗， 提高输水流速、 渠水利用率、 渠道耐久 性 ， 并且外形美观 。与其他 建筑物 混凝 土相 比较 ， 大型 渠道 工程衬砌混凝土有具有以下特点 1 ： ( 1 ) 大多为机械化衬砌 施工， 超薄壁， 裸露表面积特别大； ( 2 ) 使用素混凝土， 脆性大 ( 无钢筋拉结 ) ； 混 凝 土下 部铺 设 土工 膜 、 保 温 板 ， 为柔 性 基 础； ( 3 ) 人工切缝与填缝纵横交叉， 止水防渗要求高； 衬砌混 凝土表面平整度、 光洁度要求高。 以南水北调工程渠道为例， 主体设计基本参数为 ： 渠 道坡 比为 1： 2或 1： 2 5 ， 渠底宽为 2 1 5 m或 2 3 m； 保温材 料为 4 C IT I 、 5 c m的聚苯乙烯保温板或 3 1 c I n的砂砾料， 防渗 材料为复合土工膜， 渠坡衬砌 昆 凝土板厚度为 1 0 e m， 渠底衬 砌混凝土板厚 8 c m； 渠坡分缝为每 1 2 m一条通缝， 1 2 m之 间每 4 m一条半缝， 通缝缝宽 2 C I T I ， 半缝缝宽 i c r n ； 渠底分 缝为左右坡脚和渠底中心位置设一条通缝， 其余纵缝均为半 缝 ， 是典型 的大面积裸露 的薄壁结构 。 此种结构再加上输水线路长、 基础条件复杂、 环境气候 各异等因素 ， 致使大型渠道 的混凝土特 别容易开裂 。从 工程 实践看， 裂缝问题始终贯穿渠道混凝土整个施工过程和运行 过程 。 渠道混凝土衬砌裂缝的出现将导致渠道力学性能、 抗 渗性能及其它耐久性能下降， 造成渠道的输水损失， 使用寿 命缩短 ， 对混凝土结构物的安全性构成威胁。因此， 为保证 渠道衬砌混凝土的工程质量 ， 需要对大型渠道衬砌混凝土 主要开裂原因开展研究 ， 防止或减少渠道衬砌混凝土裂缝 的发生。从大型渠道工程的结构特点看 ， 混凝土的塑性收 收稿 日期 ： 2 0 1 3 - 0 6 0 6 修回 日期 ： 2 0 1 3 0 9 1 6 基金项 目： 中央级公 益性科研 院所基本科研业务费专项 资金重点项 目( Y4 1 2 0 0 1 ； Y4 1 2 0 0 5 ) 作者简介 ： 胡智农( 1 9 6 4 一 ) ， 男 ， 安徽歙县人 ， 教授级高级工程师 ， 主要从事混凝 土耐久性研究 。E ma i l ： z n h u n h r i c n 7 4 王 程 技 ； 采 胡智农等 大型渠道混凝土裂缝成因分析及预防措施 缩、 自身收缩、 干燥收缩是引起渠道衬砌混凝土开裂最主要 的三个因素。本文通过试验对以上引起渠道衬砌裂缝的主 要因素进行分析 ， 同时针对不同类型裂缝成因， 提出相应的 预防措施 。 1 试验材料和配合比 1 1 试验材料 试验研究采 用淮安沂州水 泥有限公 司 PC 3 2 5和 P 04 2 5 水泥； 粉煤灰为连云港电厂 I级粉煤灰； 江苏丹阳 合成纤维厂的 C - X系列“ 丹强丝” ； 细骨料为骆马湖砂 ， 细度 模数为 2 6 0 ； 粗骨料为盱眙产的玄武岩碎石 ； 外加剂采用 S N 1 0高效减水剂和 J M- 2 0 0 0引气剂。表 1为水泥化学成 分分析结果 ， 表 2为粉煤灰化学成分分析结果。上述材料质 量符合标准要求。 表 1 水泥主要化学成分 ( ) 表 2 粉煤 灰主要分学成分 ( ) 1 2试验 配合 比 根据衬砌混凝土常用的设计等级要求， 选用 C 2 5 W4 F 1 5 0 混凝土进行试验。实验过程中分别采用两种水泥进行配合比 设计： 一种是利用 PC 3 2 5水泥， 选择掺 O 、 1 5 粉煤灰、 1 5 粉煤灰+纤维( O 9 k g ) 三种方案进行对 比试验， 试验 编号分别为 A 1 、 A 2 、 A3 ； 另一种是 P O4 2 5水泥 ， 选择掺 O 、 l O 粉煤灰、 1 O 粉煤灰+纤维( O 9 k g m 3 ) 三种方案进 行对比试验， 试验编号分别为 B 1 、 B 2 、 B 3 。各试验方案的具体 配比见表 3 。 表 3 混凝土配合比 恭 鹭 熬 mmX 6 3 ln I n 。试件浇注后立即用塑料薄膜覆盖， 保持环境 温度为 2 O 2， 相对湿度 6 0 土5 。2 h后将塑料薄膜取 下， 用电风扇吹混凝土表面， 风速 4 2 m s 。记录试件开裂时 间、 裂缝数量、 裂缝长度和宽度。从浇注开始， 记录至 2 4 h 。 2 1 2 抗裂性等级标准 根据裂缝形态、 平均开裂面积、 单位面积裂缝数 目、 单位 面积上的总开裂面积等参数划分抗裂性等级， 其 中： 裂缝的 1 平均开裂面积 n 一( ) Wi L ( m m2 根) ； 单位面积的开 厶 t 裂裂缝数 目b =N A( 根 r n 2 ) ； 单位面积上 的总开裂面积 C 一 口 b ( mm2 m2 ) ； 各式 中 w 为第 i 根裂缝的最大宽度 ( ram) ； L ! 为第 i 根裂缝的长度( ram) ； N为总裂缝数目( 根) ； A为平 板的面积 ， 取 0 3 6 m2 。 综合上述参数 ， 将试件早期抗裂性评价标准定为 4条 ： 仅有非常细的裂纹； 平均开裂面积1 0 m 根； 单位面积 开裂裂缝数 目1 O 根m2 ； 单位面积上的总开裂面积1 0 0 r n I n 2 m2 。据此将试件抗裂性划分为五个等级： I级， 全部 满足上述 4个条件 ； 级， 满足其中的 3条； 1 I 级， 满足其 中 的 2 条； I V 级， 满足其中的 1 条； V级， 1 条也不满足。 ( 3 ) 试验结果与分析 根据表 3配合比拌制混凝土的拌合物性能和力学性能 见表 4 。 - ， 表 4 混凝土拌和物性能和力学性能 编号 对比编号 A1 与 A2 、 B 1与 B 2两组混凝土试验结果( 表 2 试验 结果和分析 5 ) 发现， A 2 单位面积上的 总开裂面积仅占A 1 的3 5 ， 而B 2 单位面积上的总开裂面积 占B 1的 8 O ， 可见在配合比中加 2 1 抗 塑性收 缩 能力 人 I 级粉煤灰后 ，相同强度等级的混凝土抗塑性开裂能力有 2 1 1 试 验 方法 。 了很大改善。分析认为， 其主要原因是： 优质粉煤灰的掺 研究渠道混凝土早期抗塑性收缩能力时， 采用的平板试 入， 使混凝土的孔结构变细， 孔隙率大大降低， 避免了毛细孔 验方法主要参考 混凝土结构耐久性设计与施工指南 ( 2 0 0 5 连通， 减少混凝土表面水分的蒸发， 从而减小了水分蒸发形 年修订版) ( C C E S O 1 2 0 0 4 ) 中附录 A中A2 混凝土抗裂性试 成的毛细管压力； 粉煤灰的球形玻璃体可吸附水膜( 且吸 验一平板试件 方法进行。平板试验试件尺寸 6 0 0 mmX 6 0 0 附水量随比表面积增大而增大) ， 提高拌合物的保水性 ， 降低 | 5 VII 4 9 9 2 O 8 O 6 7 3 2 4 9 2 O l 7 6 3 7 9 8 M。 ； & 诣 勰 L M u 0 7 3 2 6 2 1 0 O 1 O 0 2 6 0 3 9 4 乱“ 舵 舳 m 出 第 1 2卷 O 2期 南水北调与水利科技 2 0 1 4 年 6月 泌水率， 因此球形玻璃体越多， 直径越小， 对混凝土早期防开 裂贡献越大 5 ； 粉煤灰的掺人降低了水泥用量 ， 且粉煤灰 与水泥的水化产物 C a ( OH) z 进行二次水化所生成凝胶体的 速度较慢， 使混凝土的早期强度降低， 早期收缩值和弹性模 量也减小， 有利于减小早期开裂的风险 。 对比编号 A 2与 A3 、 B 2与 B 3 两组混凝土塑性开裂参数 ( 表 5 ) 发现， 无论使用何种水泥， 在混凝土中掺入纤维后， 混 凝土最大裂缝宽度和总开裂面积都显著降低， 因此纤维对抑 制混凝土期开裂具有突出贡献。聚丙烯纤维抑制抗塑性开 裂的机理为： 纤维的加入， 增加了水泥浆体混合物中固相 的内表面积 ， 减少了泌水， 相应地降低了毛细孔张力， 减少了 裂缝及其宽度E ； 杂乱分布的纤维在混凝土中形成三维支 撑体系， 可阻止骨料下沉E ， 提高混凝土的均质性等特性； 纤维可减少混凝土的原始微缺陷， 阻止微裂缝的形成； 可 降低混凝土早期弹性模量， 从而降低混凝土中的拉应力， 使 混凝土的变形能力增强， 提高混凝土极限拉伸应变和断裂 能 。 对比编号 A1与 B 1 、 A 2与 B 2四组混凝土塑性开裂参数 ( 表 5 ) 发现， 对于相同强度等级混凝土， 使用 P 04 2 5水泥 时其抗塑性开裂能力较 P C 3 2 5 水泥优越。同时从表 4可 以看出， 使用 P 0 4 2 5 水泥拌制的混凝土初凝时间和终凝 时间较 P C 3 2 5 水泥提前 1 5 h左右。因此在相同养护时 间条件下 ， B 1比 A1 、 B 2比 A2同时期抗 拉强度高， 可见 P 04 2 5 水泥抗塑性收缩能力较 P C 3 2 5 水泥优越。 2 2 自身体积变形 测定混凝土在恒温绝湿的条件下， 曲胶凝材料的水化作 用引起的体积变形 ， 即 自生体积变形。试验对 A1 、 A2 、 B 1 、 B 2四组混凝土进行了自生体积变形测试， 结果见表 6 。 表 6 混凝土 自生体 积变形试 验结果 从表 6 可以看 出， 在相同强度等级条件下， 在混凝土中 掺入粉煤灰后， 混凝土 自身体积变形早期和后期均略有减 少。自身体积变形早期略有降低主要原因是E ： 粉煤灰早 期基本上不参加水化反应， 增加粉煤灰的掺量相当于减少了 早期参加水化反应的胶凝材料量。粉煤灰替代部分水泥后， 胶凝材料早期的水化程度降低， 水化产物对内部结构的填充 作用减弱， 因此粉煤灰掺量增加， 水泥石内部结构变得疏松， 粗毛细孔含量提高， 细毛细孔含量降低， 毛细孔内的 自由水 含量增多， 临界半径增大， 毛细管负压降低， 从而 自生收缩减 小。在后期 ， 自身体积变形降低主要原因是 ： 粉煤灰的“ 二次 水化” 消耗了混凝土 内部的 C a ( OH) 。 ， 导致混凝土更加致 密 1 ， 从而自收缩降低 ； 粉煤灰反应导致实际固相体积增 大_ 】 ， 增大的体积将补偿 由于水化反应引起的 自收缩， 因此 自收缩 减少。 对比A1与 B 1 、 A2与 B 2 结果可知， 对于相同强度等级 -7 6 | 矮 R 的混凝土， 使用 P 0 4 2 5 水泥时自身体积变形较 P C 3 2 5 水泥略低。这是由于 P C 3 2 5 水泥强度较低， 为了达到相 同强度等级混凝土， 其胶凝材料用量 比使用 P 04 2 5水泥 多， 且水胶比也较低， 混凝土 自收缩 自然稍大。 2 3干燥 收缩 混凝土干缩试验依据 水工混凝土试验规程 ( S L 3 5 2 2 0 0 6 ) 中试验方法进行。混凝土试件尺寸为 1 0 0 r n l n 1 0 0 m mX5 1 5 IT L r ， 干缩室温度 2 0 2 C， 相对湿度 6 O 5 。试 件成型 4 8 h 后拆模 ， 拆模后送往干缩室测基长， 分别测 1 d 、 3 d 、 7 d 、 1 4 d 、 2 8 d 、 6 O d 、 9 0 d混凝土试件的长度。试验结果见 表 7 。 表 7 混凝土的干缩变形性能测试 结果 对比A1 与 A2 、 B 1 与 B 2 两组混凝土试验结果( 表 7 ) 发 现， 对于相同强度等级的混凝土， 在配合比中加入 工级粉煤 灰后， 其抗干缩性能明显降低 ， 而加入优质粉煤灰后， 其抗干 缩性能提高。这一方面是由于优质粉煤灰需水量 比小 于 1 O ， 拌合物的黏聚性增强， 同时A2水胶 比比A 1低， B 2 水胶 比比B 1 低 ， 因此配合 比 A2与 B 2中连通孔减少， 在干缩室 内水分蒸发较少， 造成干缩较低； 另一方面， 粉煤灰的“ 二次 水化” I 1 1 消耗了混凝土 内部的 C a ( OH) 。 ， 减少了碳化收缩， 使混凝土更加致密， 从而减少混凝土后期干燥收缩l_ 1 。也 有研究认为_ 】 ， 粉煤灰颗粒的弹性模量高于水泥颗粒 ， 在水 泥浆体内起着限制浆体收缩的作用， 促成了粉煤灰减少混凝 土的干缩 。 对比 A 2与 A3 、 B 2 与 B 3四组混凝土试验结果 ( 表 7 ) 发 现， 在混凝土中掺入纤维后， 9 O d混凝土的干缩值减少了 1 O 到 2 0个微应变。研究认为E 纤维改善干缩的原因在于： 纤 维缩小了混凝土的失水面积和水分迁移通道， 减少了水分蒸 发； 纤维的存在提高了混凝土均匀性 ， 缓解了毛细管压力形 成的应力集中， 从而降低了整体收缩值 对比表 7中 A1 与 B 1 、 A2 与 B 2四组混凝土塑性开裂参 数， 发现对于相同强度等级的混凝土， 使用 P 04 2 5水泥 时其抗干缩能力较 P C 3 2 5 水泥优越。原因是复合硅酸盐 水泥中的掺和料种类多、 掺量大， 致使 P C 3 2 5水泥配制出 的混凝土同龄期强度较 P 0 4 2 5水泥低( 表 4 ) ， 因此水化 程度较低， 内部连通孔和大孔相对较多， 因而在干燥条件下 水分蒸发较大， 引起的毛细孔压力大， 从而混凝土产生的收 缩值也较大。 3 裂缝预 防措施 根据以上实验结果分析， 考虑裂缝形成机理和工程施工 中的相关因素， 可以从减少混凝土塑性收缩、 自身收缩和干 胡智农等 大型渠道混凝土裂缝成因分析及预防措施 燥收缩等方面采取裂缝预防的针对性措施。 3 1预 防 塑性 收缩 ( 1 ) 选用千缩值较小、 早期强度高的硅酸盐或普通硅酸 盐水泥 ； ( 2 ) 严格控制水灰 比， 掺加高效减水剂来增加混凝土的 坍落度和和易性， 减少水泥及水的用量； ( 3 ) 浇筑混凝土之前， 将基层和模板浇水均匀湿透； ( 4 ) 混凝土浇筑时不要堆积， 铺设要均匀， 浇筑后要振 实、 初凝前要完成抹平， 终凝前要完成表面压光工作； ( 5 ) 及时覆盖塑料薄膜或者用水浇湿的草帘、 麻片等， 保 持混凝土终凝前表面湿润， 或者在混凝土表面涂刷养护剂进 行养护； ( 6 ) 高温和大风天气要设置遮阳和挡风设施 ， 及时养护； 加入引气剂 ， 切断毛细管的通路， 减少水分的挥发； ( 7 ) 采用中粗砂， 减少用水 ； ( 8 ) 掺加一定量的纤维， 如钢纤维、 聚丙烯纤维等。 3 2预 防干燥 收缩 ( 1 ) 选用收缩量较小的水泥。一般采用中、 低热水泥和 粉煤灰水泥， 同时在满足强度要求 的情况下 ， 尽量降低水泥 用量 ； ( 2 ) 降低用水量。用水量越少， 混凝土的密实度越高， 其 干缩收缩值越小 ； ( 3 ) 2 1 强混凝土的早期养护， 并适当延长养护时间。根 据情况及早覆盖、 适时洒水养护， 保持混凝土表面的湿润； ( 4 ) 使用级配优良、 含泥量小于 1 的粗骨料。除大体积 外， 一般粒径 5 3 0 mm为宜 ， 最大粒径不能超过4 0 mm， 以提 高混凝土的和易性、 粘聚性， 增加混凝土的密实度； ( 5 ) 控制好砂率。砂率过大， 混凝土的抗裂性能降低， 干 缩收缩加大， 易产生干缩收缩裂缝； ( 6 ) 在混凝土板结构中设置合适的收缩缝 ； ( 7 ) 掺适量质地优良、 含有大量球形颗粒的 I级粉煤灰。 3 3 预 防 自收 缩 ( 1 ) 选用收缩量较小的水泥品种， 在满足强度要求的情 况下， 尽量降低水泥用量， 提高集料体积量； ( 2 ) 掺加优良的高效减水剂来降低用水量； ( 3 ) 掺加 I级粉煤灰。 4 结论 大型渠道工程衬砌为素混凝土， 脆性较大， 具有薄壁、 裸 露面大等结构特征， 而收缩作用 ( 自收缩、 塑性收缩、 干燥收 缩) 是衬砌混凝土产生裂缝主要作用。为了降低衬砌混凝土 收缩， 提高其抗裂能力， 在混凝土配合比设计时应采取以下 预防措施： 相同强度等级的混凝土， 尽量使用 P 04 2 5 水泥； 满足强度和耐久性条件下， 在混凝土中掺入适 当的 优质粉煤灰； 条件许可时， 混凝土中应掺入适量的纤维 ， 可 显著改善衬砌混凝土抗裂性。 参考文献 ： E l i 李典基， 罗 辉， 韩其华， 等 大型渠道机械化衬砌混凝土研究 D I 施工技术， 2 0 0 9 ， 3 8 ( 6 ) ： 5 6 5 9 2 3 杨谢芸 ， 简兴 昌， 李静 南水北调中线工程 大型渠 道混 凝土施工 方案选择 J 人民长江， 2 0 1 0 ， 4 1 ( 1 6 ) ： 7 5 7 7 3 田小路 渠道衬砌 混凝 土防裂施工技术 J 水利建设 与管理 2 0 1 2， ( 1 )： 2 2 2 5 4 吴剑疆 ， 召 剑南 南水北调中线工程总干渠渠道设计关键技术 问题 口 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