淺析渠道襯砌混凝土裂縫的成因及控制要點

牛尚峰

（勝利油田勝利工程建設（集團）有限責任公司，山東 東營 257000）

1 概述

新疆某水利工程工程干渠長度為110km，i=1/10000，設計輸水流量為55m3/s。渠道斷面為梯形，渠身采用10cm現(xiàn)澆砼板機械襯砌，0.6mm厚一布一膜防滲，膜下鋪設3cm厚的 M10砂漿墊層，渠底寬6m，內(nèi)邊坡1：2.5，渠道深度4.8m。

渠道襯砌混凝土這種結構型式施工質量好，能有效防止渠道滲水，而且施工中可以大量節(jié)約勞動力，若裂縫較多則會影響混凝土的質量和使用壽命，甚至遭到破壞達不到防滲效果。

實際施工中渠道邊坡襯砌混凝土由于面積大，厚度?。▋H10cm）容易產(chǎn)生裂縫，如果采取一定的施工措施，很多裂縫是可以控制和減少的。為了進一步加強對渠道襯砌邊坡混凝土裂縫的認識，盡量避免工程中出現(xiàn)危害較大的裂縫，本文盡可能對裂縫的種類和產(chǎn)生的原因作較全面的分析、總結，以方便施工中找出控制裂縫的可行辦法，達到防范于未然的作用。

2 裂縫產(chǎn)生的原因分析

實際上，渠道襯砌混凝土裂縫的成因復雜而繁多，甚至多種因素相互影響，但每一條裂縫均有其產(chǎn)生的一種或幾種主要原因。渠道襯砌混凝土裂縫的種類，就其產(chǎn)生的原因，大致可劃分如下幾種：

2.1 收縮引起的裂縫

在實際工程中，混凝土因收縮所引起的裂縫是最常見的。在混凝土收縮種類中，塑性收縮和縮水收縮（干縮）是發(fā)生混凝土體積變形的主要原因。

塑性收縮一般在混凝土澆筑后4～5h左右發(fā)生，此時水泥水化反應激烈，分子鏈逐漸形成，出現(xiàn)泌水和水分急劇蒸發(fā)，混凝土失水收縮，同時骨料因自重下沉，此時混凝土尚未硬化，稱為塑性收縮。塑性收縮所產(chǎn)生面積很大，可達1%左右。

縮水收縮（干縮）?；炷两K凝以后，隨著表層水分逐步蒸發(fā)，濕度逐步降低，混凝土體積減小，稱為縮水收縮（干縮）。因混凝土表層水分損失快，內(nèi)部損失慢，因此產(chǎn)生表面收縮大、內(nèi)部收縮小的不均勻收縮，表面收縮變形受到底部混凝土的約束，致使表面混凝土承受拉力，當表面混凝土承受拉力超過其抗拉強度時，便產(chǎn)生收縮裂縫?；炷劣不笫湛s主要就是縮水收縮。

混凝土收縮裂縫的特點是大部分屬表面裂縫，裂縫寬度較細，且縱橫交錯，成龜裂狀，形狀沒有任何規(guī)律。

研究表明，影響混凝土收縮裂縫產(chǎn)生程度的主要因素有：(1)水泥品種、標號及用量。礦渣水泥、快硬水泥、低熱水泥混凝土收縮性較高，普通水泥、火山灰水泥、礬土水泥混凝土收縮性較低。另外水泥標號越低、單位體積用量越大、磨細度越大，則混凝土收縮越大，且發(fā)生收縮時間越長。例如，為了提高混凝土的強度，施工時經(jīng)常采用強行增加水泥用量的做法，結果收縮應力明顯加大。(2)骨料品種。骨料中石英、石灰?guī)r、白云巖、花崗巖、長石等吸水率較小、收縮性較低；而砂巖、板巖、角閃巖等吸水率較大、收縮性較高。另外骨料粒徑大收縮小，含水量大收縮越大。(3)水灰比。用水量越大，水灰比越高，混凝土收縮越大。(4)外摻劑。外摻劑保水性越好，則混凝土收縮越小。(5)養(yǎng)護方法。良好的養(yǎng)護可加速混凝土的水化反應，獲得較高的混凝土強度。養(yǎng)護時保持濕度越高、氣溫越低、養(yǎng)護時間越長，則混凝土收縮越小。蒸汽養(yǎng)護方式比自然養(yǎng)護方式混凝土收縮要小。(6)外界環(huán)境。大氣中濕度小、空氣干燥、溫度高、風速大，則混凝土水分蒸發(fā)快，混凝土收縮越快。(7)振搗方式及時間。機械振搗方式比手工搗固方式混凝土收縮性要小。振搗時間應根據(jù)機械性能決定，一般以5～15s/次為宜。時間太短，振搗不密實，形成混凝土強度不足或不均勻；時間太長，造成分層，粗骨料沉入底層，細骨料留在上層，強度不均勻，上層易發(fā)生收縮裂縫。

2.2 溫度變化引起的裂縫

混凝土具有熱脹冷縮性質，當外部環(huán)境或結構內(nèi)部溫度發(fā)生變化，混凝土將發(fā)生變形，若變形遭到約束，則在結構內(nèi)將產(chǎn)生應力，當應力超過混凝土抗拉強度時即產(chǎn)生溫度裂縫。溫度裂縫區(qū)別其它裂縫最主要特征是將隨溫度變化而擴張或合攏。引起溫度變化主要因素有：(1)水化熱：混凝土澆筑之后由于水泥水化放熱，致使內(nèi)部溫度很高，內(nèi)外溫差太大，致使表面出現(xiàn)裂縫。渠道襯砌混凝土厚度為10cm，這一因素很小。(2)日照：兩布一膜表面受太陽曝曬后，溫度明顯高于其它部位，溫度梯度呈非線形分布。由于受到自身約束作用，導致局部拉應力較大，出現(xiàn)裂縫。(3)北疆地區(qū)晝夜溫差大，如果施工時間不當，混凝土驟冷驟熱，內(nèi)外溫度不均，易出現(xiàn)裂縫。(4)驟然降溫：突降大雨、冷空氣侵襲、日落等可導致結構外表面溫度突然下降，但因內(nèi)部溫度變化相對較慢而產(chǎn)生溫度梯度。

2.3 施工質量引起的裂縫

2.3.1 施工材料質量引起的裂縫

混凝土主要由水泥、砂、骨料、拌和用水及外加劑組成。配置混凝土所采用材料質量不合格，可能導致結構出現(xiàn)裂縫。

水泥：(1)水泥安定性不合格，水泥中游離的氧化鈣含量超標。氧化鈣在凝結過程中水化很慢，在水泥混凝土凝結后仍然繼續(xù)起水化作用，可破壞已硬化的水泥石，使混凝土抗拉強度下降。(2)水泥出廠時強度不足，水泥受潮或過期，可能使混凝土強度不足，從而導致混凝土開裂。(3)當水泥含堿量較高（例如超過0.6%），同時又使用含有堿活性的骨料，可能導致堿骨料反應。

砂、石骨料：砂石的粒徑、級配、雜質含量。砂石粒徑太小、級配不良、空隙率大，將導致水泥和拌和水用量加大，影響混凝土的強度，使混凝土收縮加大，如果使用超出規(guī)定的特細砂，后果更嚴重。砂石中云母的含量較高，將削弱水泥與骨料的粘結力，降低混凝土強度。砂石中含泥量高，不僅將造成水泥和拌和水用量加大，而且還降低混凝土強度和抗凍性、抗?jié)B性。砂石中有機質和輕物質過多，將延緩水泥的硬化過程，降低混凝土強度，特別是早期強度。砂石中硫化物可與水泥中的鋁酸三鈣發(fā)生化學反應，體積膨脹2.5倍。

拌和用水及外加劑：

拌和用水或外加劑中氯化物等雜質含量較高時對鋼筋銹蝕有較大影響。采用含堿水拌制混凝土，或采用含堿的外加劑，可能對堿骨料反應有影響。

2.3.2 施工工藝質量引起的裂縫

在渠道邊坡混凝土澆筑過程中，若施工工藝不合理、施工質量低劣，容易產(chǎn)生縱向的、橫向的、表面的、深進的和貫穿的各種裂縫。裂縫出現(xiàn)的部位和走向、裂縫寬度因產(chǎn)生的原因而異，比較典型常見的有：

(1)混凝土振搗不密實、不均勻。

(2)混凝土澆筑過快，混凝土流動性較低，在硬化前因混凝土沉實不足，硬化后沉實過大，容易在澆筑數(shù)小時后發(fā)生裂縫，即塑性收縮裂縫。

(3)混凝土攪拌、運輸時間過長，使水分蒸發(fā)過多，引起混凝土塌落度過低，使得在混凝土體積上出現(xiàn)不規(guī)則的收縮裂縫。

(4)混凝土初期養(yǎng)護時急劇干燥，使得混凝土與大氣接觸的表面上出現(xiàn)不規(guī)則的收縮裂縫。

(5)用混凝土罐車運送混凝土施工時，為保證混凝土的流動性，增加水和水泥用量，或因其它原因加大了水灰比，導致混凝土凝結硬化時收縮量增加，使得混凝土體積上出現(xiàn)不規(guī)則裂縫。

(6)渠道邊坡混凝土澆筑時，襯砌機待機時間長，接頭部位處理不好，易在新舊混凝土和施工縫之間出現(xiàn)裂縫。

(7)施工質量控制差。任意套用混凝土配合比，水、砂石、水泥材料計量不準，結果造成混凝土強度不足和其他性能（和易性、密實度）下降，導致結構開裂。

3 渠道邊坡襯砌混凝土裂縫的控制

3.1 原材料的控制

3.1.1 水泥、粉煤灰

本工程采用P.O42.5級水泥，粉煤灰采用某電廠的一級粉煤灰，工地試驗室針對供應商提供的水泥、粉煤灰質量合格證明，并按批次取樣進行檢測，確保水泥、粉煤灰的質量。

3.1.2 骨料

粗骨料采用反擊式破碎機軋制的碎石，細骨料采用水洗砂。技術要求見下表。

粗集料技術要求

水洗砂技術要求

骨料中有一項不符合技術要求的均不允許進場使用。

3.1.3 外加劑

本渠道襯砌混凝土外加劑采用NF-2減水劑和PMS-NE引氣劑。

進場的外加劑必須有出廠檢驗報告和合格證，并對每批次進行檢測。

3.2 收縮引起裂縫的控制

(1)采用普通硅酸鹽水泥，并摻用粉煤灰以降低混凝土內(nèi)部溫度。

(2)控制每方混凝土的用水量，本渠道工程每方混凝土用水130kg。

(3)分段澆筑長度為伸縮縫（通縫）的整數(shù)倍即6m的整數(shù)倍。

渠道邊坡襯砌混凝土(C20F300W8)的設計配合比如下：

新疆某水利工程渠道一級半配合比

試驗室配合比砂率37%，水膠比0.43、坍落度7cm～9cm、減水劑摻量0.8%、引氣劑摻量0.012%、粉煤灰摻量25%。

3.3 溫度變化引起的裂縫的控制

(1)當日最高氣溫超過30℃時，宜選擇在早晨、傍晚或夜間施工，并對骨料降溫控制混凝土入倉溫度≤28℃，當現(xiàn)場氣溫超過35℃時，應停止施工。

(2)骨料溫度控制通過搭蓋遮陽網(wǎng)來降溫；混凝土拌合用水采用抽取深井水；因北疆地區(qū)晝夜溫差大，夜間澆筑氣溫相對較低，采取溫控措施后，容易控制混凝土的入倉溫度。因此，在工作中多把混凝土澆筑工序安排在早晨、下午和夜間進行。通過這些溫控措施后，將入倉溫度控制在28℃，出機口溫度控制在18℃以內(nèi)，有效地控制了溫度變化引起的混凝土裂縫。

(3)風天施工時，采取必要的防范措施，防止塑性收縮裂縫產(chǎn)生。適當調整混凝土用水量，增加混凝土出機口的坍落度1～2cm。正在襯砌的作業(yè)面及時收面并立即養(yǎng)護，對已經(jīng)襯砌完成并出面的澆筑段及時采取覆蓋塑料布等養(yǎng)護措施。雨天施工時，砂石料場做好了排水通道，運輸工具增加了防雨及防滑措施，澆筑倉面準備了防雨覆蓋材料。當澆筑期間降雨時，啟動應急預案，澆筑倉面搭棚遮擋防雨水沖刷。降雨停止后清除倉面積水，不得帶水抹面壓光作業(yè)。降雨過后若襯砌混凝土尚未初凝，對混凝土表面進行適當?shù)奶幚砗罄^續(xù)施工；否則按施工縫處理。雨后繼續(xù)施工，重新檢測骨料含水率，并適時調整混凝土配合比中用水量。低溫施工時，當日平均氣溫連續(xù)5天穩(wěn)定在5℃以下或現(xiàn)場最低氣溫在0℃以下時，不宜施工。如因需要繼續(xù)施工，采取措施保證混凝拌和物的入倉溫度不低于5℃；當日平均氣溫低于0℃時，停止施工。

3.4 施工工藝質量引起的裂縫的控制

3.4.1 混凝土拌制

渠道邊坡襯砌混凝土采用拌和站嚴格按照實際配合比集中拌制，充分考慮運輸時間、氣溫、風速對混凝土坍落度的影響和損失，并根據(jù)測定的坍落度在設計規(guī)定的范圍內(nèi)進行適當?shù)恼{整。

3.4.2 混凝土運輸

混凝土運輸采用混凝土罐車運輸，在裝、運、卸過程中杜絕加水。從拌和站出料到運輸、卸完的最長時間不超過1.5h。

3.4.3 混凝土澆筑

(1)布料及攤鋪

渠道邊坡上布料應從下向上連續(xù)進行，減少大石子向下滾動的數(shù)量。襯砌機行走時，及時打開振動，振動過程中，要保證混凝土不過振、漏振或欠振，達到表面出漿，不出現(xiàn)露石、蜂窩、麻面等為宜，若出現(xiàn)露石、蜂窩、麻面及時采取增加碾壓遍數(shù)等方式進行處理，若出現(xiàn)欠料或露石現(xiàn)象，人工及時補料、整平。在渠道邊坡混凝土襯砌過程中，坡肩、坡腳及周邊易出現(xiàn)缺料和振搗不到位的地方，應人工及時補料，并用插入式振動棒進行振搗。襯砌機離開澆筑倉面時，用插入式振搗器自下而上沿模板邊界振搗一遍，以保證混凝土的密實性。

(2)抹光機抹面及收光

混凝土抹光機同襯砌機共用軌道，通過支腿的調節(jié)滿足襯砌坡比的需要，保證了壓光襯砌坡面平整度。

混凝土抹光機采用抹盤和抹片分別抹面。抹盤抹面起到擠壓及提漿整平功能，抹片起到壓光收面功能。

抹面壓光在渠道襯砌混凝土澆筑寬度約有3～4m時開始。第一次抹面時安裝抹盤，抹盤對襯砌混凝土面進行平整和提漿，將裸露于表面的小石子壓入混凝土中。首次抹面時，因混凝土表面較軟，自坡腳至坡肩進行，抹盤以剛好接觸到混凝土表面為宜。抹光機每次移動間距為2/3抹盤直徑。初凝前，卸掉抹盤、用收光刀片進行收光。

根據(jù)澆筑時間、天氣狀況、濕度情況，第二次抹面時間一般控制在第一次抹面15～25min后。第二次抹面仍需使用抹盤，主要是找平。抹面中隨時用2m靠尺檢查混凝土表面的平整度，調整抹面機高度及斜度，保證抹盤底面與襯砌設計頂面重合，漿液厚度不得超過1.5mm。

第三次采用抹片抹面，提高襯砌混凝土表面的光潔度。

施工中人工采用鋼抹子配合抹面，一般為2～3遍。初凝前及時進行壓光處理，清除表面氣泡，使混凝土表面平整、光滑、無抹痕。襯砌抹面施工嚴禁灑水、撒水泥面、涂抹砂漿。

3.4.4 混凝土養(yǎng)護

混凝土養(yǎng)護是混凝土施工的重要環(huán)節(jié)，待人工抹面后立即使用一布一膜覆蓋，混凝土澆筑24h后用φ100mmpvc管線等間距打孔灑水養(yǎng)護，施工隊設專職養(yǎng)護人員。

該工程渠道邊坡襯砌混凝土要求成型為切割而成的3m×3m的單塊混凝土板。由于一般切縫都在混凝土終凝后24h內(nèi)進行，這個階段的養(yǎng)護尤其重要。在切縫期間采用噴霧法進行養(yǎng)護。切縫完成后，立即覆蓋一布一膜對混凝土表面進行全天候養(yǎng)護至28天。

結束語

新疆某水利工程渠道襯砌工程混凝土裂縫的控制技術直接關系到全長110km渠道襯砌混凝土施工的質量和施工進度。通過分析渠道襯砌混凝土裂縫的原因，采取上述防裂的控制技術，使得混凝土裂縫現(xiàn)象得到了很好的控制，取得了較好的效果。

[1]水工混凝土外加劑技術規(guī)程DL-T5100-1999

[2]水工混凝土試驗規(guī)程 (DL-T5150－2001)[3]JGJ55-2000普通混凝土配合比設計.