1工程現(xiàn)狀
水閘閘室主要由底板和閘墩組成,是呈倒T字形“墻板”式水工混凝土結構。閘墩底部受閘底板砼約束,上部可以自由伸縮。閘墩裂縫一般呈豎直向,兩端小,中間大,似棗核形。水閘閘墩裂縫向上開展,位于墩墻中部區(qū)域,一般略超過墩高的一半,是“上不著頂”;下部距底板10~30cm,是“下不著底”,常常為貫穿性裂縫,在已建和新建的眾多水閘工程中,很多閘墩出現(xiàn)了裂縫,187團近幾年建設的各種水閘工程中,閘墩上都出現(xiàn)了不同程度的裂縫。如某場閘,為兩孔閘,施工時混凝土泵送澆筑,底板混凝土澆筑3個多月后澆筑閘墩。閘墩分22層澆筑,層厚40~60cm,層間間歇約4h。新閘建成后,在中間全部1個閘墩和1個邊墩都出現(xiàn)了貫穿性裂縫。
水閘閘墩裂縫的廣泛存在并不表明這樣的問題是可以忽略的或任其發(fā)展的,正好說明了其突出性。裂縫的預防和控制是一個涉及多學科、多領域、不易解決、需深入研究的綜合性問題。
2裂縫原因分析
為了更好地控制裂縫和采取有效措施對裂縫進行預防,必須對裂縫的成因機理進行全面的分析。大量的工程實踐證明,閘墩裂縫的產(chǎn)生主要與墩體內(nèi)外溫差、混凝土的干縮、自生體積變形、外部約束等有關,通常是多因素綜合作用的結果。
2.1 墩體內(nèi)外溫差
水泥水化產(chǎn)生大量的水化熱,在1~3d內(nèi)可放出熱量的50%,甚至更多,當混凝土達到最高溫度后隨著熱量的散發(fā)又開始降溫,直到與環(huán)境溫度相同。閘墩作為大體積混凝土,熱量傳遞的同時更易在內(nèi)部積存,導致了內(nèi)部溫度高于外部溫度,內(nèi)部出現(xiàn)峰值溫度。升溫階段結束后,是散熱階段。內(nèi)外混凝土散熱條件不同,外部混凝土和外界環(huán)境接觸,散熱條件好,熱量容易散發(fā),內(nèi)部混凝土散熱條件差,于是在降溫階段又造成了外部混凝土溫度低于內(nèi)部混凝土溫度。這樣在升溫和降溫階段都使閘墩內(nèi)外混凝土形成了同一方向的溫度梯度,導致了其變形的不一致。內(nèi)部膨脹受到外部的限制,或相應地外部收縮受到內(nèi)部約束,于是在外部混凝土中產(chǎn)生了拉應力。當外部混凝土拉應變達到其極限拉應變,裂縫就由此產(chǎn)生。裂縫初期很細,隨著時間發(fā)展繼續(xù)擴大、變深,甚至貫穿。除了混凝土水化引起的溫度作用外,運行期環(huán)境溫度變化也會產(chǎn)生作用。特別是遇到寒潮襲擊、表面溫降特別大時,裂縫發(fā)展更為嚴重。
從以上分析可以看出,影響內(nèi)外溫差的主要因素有混凝土水泥用量、水泥品種、澆筑入模溫度及環(huán)境溫度等。
2.2混凝土的干縮
隨著水泥的凝結、硬化,混凝土中的水分在未飽和空氣中慢慢散失,引起混凝土體積縮小、變形,這種變形稱為干縮。由于混凝土的水分蒸發(fā)及含濕量的不均勻分布,形成濕度變化梯度。其水分蒸發(fā)總是從外向內(nèi),由表及里。表層混凝土的水分蒸發(fā)程度和速度總是大于內(nèi)部,表層混凝土收縮的程度亦大,其變形會受到內(nèi)部混凝土的限制,在表層混凝土中也產(chǎn)生拉應力,使得表層混凝土總的拉應力加大,產(chǎn)生干縮裂縫。但干縮一般只發(fā)生在表層,對大體積混凝土而言,干縮擴散深度達6cm需花1個月的時間,故干縮裂縫也只是表面裂縫或開展深度不大。大體積混凝土內(nèi)部一般不存在干縮問題,但表面干縮不容忽視,它會誘導拉裂縫的產(chǎn)生。閘墩屬水工薄壁結構,其影響深度及程度相對較大,尤其是在干熱風大季節(jié),如不及時處理和養(yǎng)護,將會發(fā)生局部貫穿性裂縫。
混凝土的配合比和組成是影響干縮的主要因素,一般水泥用量多,水灰比大,則干縮也大;骨料密度大,級配好,彈性模量高,骨料粒徑大,可以減小混凝土的干縮;其次,混凝土的養(yǎng)護和環(huán)境對干縮也有很大的影響。
2.3自生體積變形
混凝土即使沒有水分蒸發(fā),其各組成部分的化學反應也會產(chǎn)生自生體積變形。在底板約束影響范圍內(nèi),膨脹型自生體積變形會產(chǎn)生預壓應力,有利于防裂;收縮型自生體積變形則不利于防裂。普通混凝土的自生體積變形通常為收縮型的。它也是由于水分
的遷移而引起的。但不是向外蒸發(fā)損失,而是由于水泥水化時消耗水分造成凝膠孔的液面下降,形成彎月面,水泥石供水不足,產(chǎn)生所謂的自干燥作用,使混凝土體相對濕度降低,體積減小�；炷恋淖陨湛s一般在拆模之前完成,雖然其量值不大,但如果同其他收縮疊加在一起,就會使表面拉應力增大。像水閘閘墩這樣的斷面尺寸不是很大,但確屬必須解決水化熱問題的大體積混凝土結構,必須考慮自生收縮參與溫度收縮等疊加的影響。
影響混凝土自生體積收縮的因素主要是材料的化學成分和水灰比。水灰比的變化對自生收縮的影響和對干縮的影響正好相反。當水灰比>0.5時,其自生收縮和干縮相比忽略不計。而當水灰比<0.35時,自生收縮和干縮的作用相當,必須加以考慮。
3防止和控制措施淺析
目前,工程界在防止或控制裂縫方面的措施主要體現(xiàn)在材料、溫度控制、施工方法與工藝等方面。
3.1材料
混凝土材料的合理選擇是預防并控制裂縫的重要方面。
為了降低水化熱,可采用中熱硅酸鹽水泥或低熱礦渣硅酸鹽水泥。減少水泥用量,可降低水化熱,降低混凝土的拉應力。在混凝土中摻活性混合料,如在混凝土中摻粉煤灰。
外加劑的使用也是防裂的有效措施。緩凝劑可減慢混凝土放熱的速率,有利于熱量消散。減水劑可在水灰比不變時減少水和水泥用量,降低水化熱。膨脹劑可以補償混凝土的自生收縮,產(chǎn)生一定的預壓應力,抵消結構由于收縮產(chǎn)生的拉應力。值得注意的是,膨脹劑應使用在閘墩底部有外部約束的部位,注意各部位混凝土膨脹變形的協(xié)調(diào)性,避免內(nèi)部膨脹大于表面膨脹的現(xiàn)象出現(xiàn)。
此外,要特別注意混凝土合理配合比的設計。
3.2溫度控制
首先要降低混凝土的入倉溫度,使現(xiàn)場新拌混凝土的溫度被限制在6℃左右。在高溫期拌和時,可以加入冰片代替一部分水進行混凝土冷卻。澆筑時盡量在春季或秋季,避免在夏季午間高溫時和冬季澆筑。對運送混凝土的工具或澆筑倉面采取遮陽或降溫措施;其次要減小內(nèi)外溫差,內(nèi)部溫度升高和表面溫度降低共同作用會增加溫度梯度。必要時,在混凝土內(nèi)部埋設冷卻水管,用地下水或人工冷卻水進行人工導熱,降低混凝土的內(nèi)部溫度;相反,對于外部混凝土要進行隔熱保護,以調(diào)節(jié)表面溫度下降的速度,使內(nèi)外溫差減小。
3.3施工方法與工藝
為了提高混凝土的運輸速度,現(xiàn)常采用泵送混凝土。由于泵送混凝土要求流動性大,其水泥用量大,水灰比大,粗骨料粒徑小,水化熱溫升高,易產(chǎn)生溫度收縮裂縫。因此在澆筑閘墩混凝土時,為了防裂,不宜采用泵送混凝土�？紤]到泵送混凝土施工效率高,可以用于受約束較小的閘墩上部,而底部采用常態(tài)混凝土。
為了使混凝土更好地散熱,可分層澆筑混凝土,分層的深度為1.0~1.5m。上一層混凝土的澆筑在前一層混凝土初凝前澆完。最底一層混凝土可與底板同時澆筑,這樣就可削弱或消除底板對閘墩混凝土的約束。另外,考慮到約束和長度有關,可以縮短分縫長度,減小底板約束作用,或者分段澆筑,預留1~2m的后澆帶,待各段收縮完成之后,再在后澆帶中澆筑膨脹型混凝土。
