南水北調(diào)中線工程倒虹吸施工期裂縫成因及防裂措施

□石愛軍（廣東水電二局股份有限公司）

□郭 磊（華北水利水電學(xué)院）

□樊培培（汝州市水利局）

1.概述

南水北調(diào)中線工程由漢江丹江口水庫引水，干渠總長(zhǎng)達(dá)1277km，總干渠與大量江、河、溝、渠、公路、鐵路相交，形成各類交叉建筑物、控制建筑物。倒虹吸是南水北調(diào)工程中一種重要的交叉建筑物，中線共有渠道倒虹吸100座，河道倒虹吸17座。倒虹吸和渡槽一樣，屬于薄壁混凝土結(jié)構(gòu)，在施工期極易產(chǎn)生溫度變形和干縮，從而導(dǎo)致裂縫的產(chǎn)生，影響工程耐久性，故對(duì)其實(shí)施嚴(yán)格的溫控、防裂措施，對(duì)防止結(jié)構(gòu)產(chǎn)生裂縫，保證南水北調(diào)工程整體施工質(zhì)量具有重要的意義。

2.倒虹吸裂縫成因分析

倒虹吸混凝土裂縫的產(chǎn)生是多種因素共同作用的結(jié)果，這要從混凝土水化機(jī)理出發(fā)進(jìn)行成因分析。混凝土攪拌之后，水泥與水接觸，顆粒表面即開始水化，生成少量的水化物并立即溶于水中。此時(shí)，又暴露出未水化的新表面，使水化作用繼續(xù)進(jìn)行，直到生成水化物的飽和溶液為止。從中析出六方片狀Ca(OH)2晶體，生成細(xì)小的鈣礬石晶體。從水泥初凝起到24h為止，水化開始加速，生成較多的Ca(OH)2和鈣礬石晶體，同時(shí)水化硅酸鈣也以長(zhǎng)纖維晶體從熟料顆粒上開始長(zhǎng)出來，并能逐漸再結(jié)晶，生成宏觀晶體，直至混凝土硬化。由此可見，隨著水泥和水不斷水化反應(yīng)，自由水和毛細(xì)孔水量逐漸降低，在硬化水泥石中形成大量微細(xì)孔，水的飽和蒸氣壓隨著內(nèi)部相對(duì)濕度降低而降低，導(dǎo)致硬化水泥石受負(fù)壓作用而產(chǎn)生收縮，特別是表面，收縮而導(dǎo)致裂縫。另外，水泥水化過程要散發(fā)大量的水化熱，使混凝土體積膨脹，加之混凝土是一個(gè)熱的不良導(dǎo)體，隨著熱量向外部介質(zhì)散發(fā)，產(chǎn)生一個(gè)溫差，內(nèi)部膨脹量大，外部較小，內(nèi)部熱的混凝土約束外部冷混凝土的收縮，極有可能出現(xiàn)表面裂縫?？梢娀炷亮芽p主要由于體積的變化及由體積變化受到約束而產(chǎn)生的應(yīng)力所造成的。

3.防裂措施優(yōu)劣對(duì)比

倒虹吸混凝土防裂不但從控制自身特性出發(fā)，還應(yīng)從溫控和濕控的角度出發(fā)，總的來說，常采用的防裂措施主要有以下幾方面：

3.1 溫控防裂

嚴(yán)格控制混凝土溫度是防止裂縫的重要措施，控制溫度主要方法有:

3.1.1 通水冷卻

在澆筑的混凝土中埋設(shè)水管，水管中水是流動(dòng)的，新的水體不斷替換老的水體，通過水管和混凝土的熱交換，帶走水化熱，加快混凝土的散熱速度，減小混凝土內(nèi)外溫差和基礎(chǔ)溫差，可到達(dá)良好的防裂效果。

3.1.2 降低混凝土澆注溫度

冷卻混凝土中一種或數(shù)種材料來降低澆筑溫度，減小最高溫度與穩(wěn)定溫度的溫差，是常采用的方法。在許多情況下，人們把降低澆注溫度作為根本性的控制措施，而只在關(guān)鍵部位輔以強(qiáng)制冷卻（如水管冷卻）。

3.1.3 表面保溫

表面保溫的目的有兩個(gè)：其一是減緩早期表面溫度的降低速度和晝夜溫差引起的溫度變幅，從而減小內(nèi)外溫差，最終的目的是減小早期表面拉應(yīng)力；其二是減緩表面水分蒸發(fā)，保溫材料覆蓋之后，使得混凝土不直接暴露在空氣中，相當(dāng)于阻止了水分散失的通道。用于水工建筑物表面保溫的材料有很多，常用的有草袋、土工膜、聚苯乙烯板等。草袋價(jià)格低廉，但是遇水保溫效果就大減，一般不能循環(huán)利用；復(fù)合土工膜一般采用高聚合物制成，防水效果很好，但是單薄，保溫效果不是很好；目前最經(jīng)常用的是聚苯乙烯板，它具有封閉孔結(jié)構(gòu)、不吸水、較好的抗壓縮性等優(yōu)點(diǎn)，價(jià)格也不是很高，且可以循環(huán)利用。

3.2 濕控防裂

3.2.1 表面養(yǎng)護(hù)

養(yǎng)護(hù)作為一種控制混凝土早期收縮的措施，已經(jīng)引起了工程界的重視。國(guó)內(nèi)外對(duì)混凝土養(yǎng)護(hù)方法認(rèn)識(shí)有所不同，但在現(xiàn)澆混凝土施工現(xiàn)場(chǎng)，一般采用的方法不外乎水養(yǎng)護(hù)、密封養(yǎng)護(hù)和其它一些專門的養(yǎng)護(hù)方法。從混凝土強(qiáng)度發(fā)展的角度考慮，水養(yǎng)護(hù)法顯然優(yōu)于密封養(yǎng)護(hù)法，因?yàn)榍罢吣転榛炷?特別是低水灰比的混凝土)中的水化反應(yīng)提供充足的水源，使水泥充分水化。密封養(yǎng)護(hù)操作更為簡(jiǎn)單，也節(jié)省勞力，但是密封養(yǎng)護(hù)的效果，很大程度上取決于養(yǎng)護(hù)膜的包覆厚度和完整性。

3.2.2 內(nèi)養(yǎng)護(hù)

內(nèi)養(yǎng)護(hù)是Philleo于1991年首次提出的。直到上世紀(jì)90年代中期Weber和Reinhardt的試驗(yàn)研究才使得人們正式重視該研究。內(nèi)養(yǎng)護(hù)是通過添加內(nèi)養(yǎng)護(hù)劑，補(bǔ)充水化過程的水分損失，保持相對(duì)濕度，減少自干燥的一種措施。D.Cusson通過模型試驗(yàn)證明了內(nèi)養(yǎng)護(hù)技術(shù)可以增加高強(qiáng)混凝土結(jié)構(gòu)的使用壽命和制造成本。內(nèi)養(yǎng)護(hù)按照采用材料和作用機(jī)理共分為3類:一是用預(yù)吸水輕集料作為養(yǎng)護(hù)介質(zhì)由Philleo通過試驗(yàn)提出的，該方法緩解自干燥的效果已被Philleo、Vaysburd、Weber和Reinhardt等多位學(xué)者所證實(shí)，它是采用飽水輕集料（light-weightaggregate,LWA）代替混凝土骨料，當(dāng)混凝土水化過程中出現(xiàn)水分不足時(shí)，飽水輕集料中的水分便補(bǔ)給水化所需水分，支持混凝土水化反應(yīng)繼續(xù)進(jìn)行。二是用高吸水性聚合物作為養(yǎng)護(hù)介質(zhì)，該方法由丹麥學(xué)者Jensen和Hansen在2001年提出，其關(guān)鍵是在混凝土中摻入可吸收相當(dāng)于自身重量數(shù)百倍的高吸水性聚合物，在混凝土硬化過程中，高吸水性聚合物將水分釋放，緩解混凝土的自干燥，進(jìn)而減小自收縮。

3.3 其他措施

3.3.1 控制混凝土自身體積變形

混凝土的自生體積變形主要是由于水泥中膠凝材料和水反應(yīng)后，反應(yīng)物與生成物的體積不同所致。若生成物體積小于反應(yīng)物體積，表現(xiàn)為自生體積膨脹，反之則表現(xiàn)為自生體積收縮?；炷磷陨w積變形表現(xiàn)為收縮時(shí)，在混凝土結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生裂縫的可能性極大，反之，混凝土自生體積變形膨脹則可以抵消部分收縮變形，有利于提高混凝土的抗裂。故添加MgO成為一項(xiàng)有效防裂措施。采用內(nèi)含一定量MgO的水泥拌制的混凝土自身體積變形具有微膨脹性，含MgO水泥混凝土的膨脹變形與低熱微膨脹水泥混凝土的膨脹變形不同，后者的膨脹變形基本發(fā)生在齡期7d以前，膨脹量受濕度的影響較大。含MgO水泥混凝土的膨脹變形屬于延遲性膨脹，對(duì)濕度不敏感，受溫度影響較大，更有利于混凝土防裂。

3.3.2 配筋

混凝土裂縫的產(chǎn)生是由于混凝土抗拉強(qiáng)度不足以抵抗約束產(chǎn)生拉應(yīng)力所致，根據(jù)復(fù)合材料力學(xué)理論，混凝土內(nèi)配筋可增大抗拉強(qiáng)度。在混凝土結(jié)構(gòu)常溫和允許應(yīng)力范圍內(nèi)，當(dāng)混凝土達(dá)到極限變形時(shí)，混凝土內(nèi)鋼筋的應(yīng)力僅約為20MPa，因此要配置大量的鋼筋方可防止溫度裂縫，這在經(jīng)濟(jì)上顯然是不能接受的，但配筋確實(shí)是可以限裂的，從以往經(jīng)驗(yàn)看來，裂縫往往開始從混凝土面積突變處開始發(fā)展，因?yàn)楣战翘帒?yīng)力常會(huì)集中，故在這些地方要加些配筋。

3.3.3 合理安排混凝土施工進(jìn)度和施工順序

合理安排混凝土施工程序和施工進(jìn)度是防止基礎(chǔ)貫穿裂縫，減少表面裂縫的主要措施之一。基礎(chǔ)約束區(qū)混凝土在設(shè)計(jì)規(guī)定的間歇期內(nèi)連續(xù)均勻上升不應(yīng)出現(xiàn)薄層長(zhǎng)間歇。基礎(chǔ)強(qiáng)約束區(qū)混凝土應(yīng)在低溫季節(jié)澆筑施工，其余部分基本做到短間歇連續(xù)均勻上升，必要的時(shí)候采取跳倉澆筑。

4. 結(jié)論

從倒虹吸混凝土澆筑之后水化機(jī)理出發(fā)，對(duì)幾種常用的防裂方法進(jìn)行了分析，指出：

4.1 通水冷卻、表面保溫和預(yù)冷骨料、加冰拌和是常用的溫控防裂方法，但是預(yù)冷骨料、加冰拌和冷卻效果有限且花費(fèi)巨大；通水冷卻、表面保溫可有效的防止裂縫，但都具有相應(yīng)的弊端。

4.2 內(nèi)外養(yǎng)護(hù)是有效的減小早期表面干縮裂縫的措施，但內(nèi)養(yǎng)護(hù)技術(shù)工藝目前還不成熟，有必要進(jìn)行更深的研究。

4.3 配筋、添加MgO分別提高抗拉強(qiáng)度和減小自生體積出發(fā)進(jìn)行防裂，配筋可以限制裂縫，但不宜用于過水面，MgO微膨脹混凝土的長(zhǎng)期性能還需進(jìn)一步研究。

4.4 倒虹吸混凝土防裂是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)的工作，在工程應(yīng)用中，應(yīng)根據(jù)工程特點(diǎn)，選取一種或多種進(jìn)行優(yōu)化防裂。