渡槽混凝土施工溫度引發(fā)裂縫的處理

黃　濤（中鐵建大橋工程局集團(tuán)第六工程有限公司,長(zhǎng)春130000）

渡槽混凝土施工溫度引發(fā)裂縫的處理

黃濤
（中鐵建大橋工程局集團(tuán)第六工程有限公司,長(zhǎng)春130000）

目前，利用計(jì)算機(jī)技術(shù)進(jìn)行混凝土溫度應(yīng)力變化的分析能夠較精確的模擬實(shí)際施工過程，為工程設(shè)計(jì)提供依據(jù)。本文根據(jù)南水北調(diào)中線一期總干渠某標(biāo)段工程渡槽工程實(shí)際，將渡槽工程混凝土參數(shù)、初始條件和邊界條件進(jìn)行限制和預(yù)設(shè)，利用FEPG有限元分析計(jì)算軟件進(jìn)行了渡槽溫度應(yīng)力三維有限元分析,結(jié)合有限元分析數(shù)據(jù)分析了避免施工溫度引發(fā)裂縫的措施。因?yàn)榛炷翜囟茸兓^程的復(fù)雜性和影響參數(shù)的多元性，目前對(duì)裂縫的完全避免還難以實(shí)現(xiàn)，因此本文對(duì)一旦出現(xiàn)裂縫后的處理工作進(jìn)行了研究分析。

渡槽；混凝土；有限元分析；溫度；裂縫；防治

渡槽混凝土施工屬于大體積混凝土工程，溫度引發(fā)裂縫一直是一項(xiàng)技術(shù)難題。傳統(tǒng)的大體積混凝土溫度計(jì)算是依靠公式和經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行表面溫度和中心高溫溫度計(jì)算，因?yàn)榛炷羶?nèi)部溫度變化的復(fù)雜性，傳統(tǒng)大體積混凝土溫度計(jì)算方法并不能真實(shí)的反應(yīng)混凝土內(nèi)部溫度及應(yīng)力變化。國(guó)內(nèi)外工程實(shí)踐表明,借助先進(jìn)的計(jì)算機(jī)三維有限元分析軟件，通過對(duì)混凝土溫度裂縫的影響因素分析，能夠?qū)δ纤闭{(diào)中線一期總干渠某標(biāo)段渡槽工程這種大體積混凝土工程進(jìn)行有效的溫度裂縫預(yù)防。

1　研究背景

渡槽又稱高架渠、輸水橋，是一組由橋梁，隧道或溝渠構(gòu)成的輸水系統(tǒng)。在混凝土施工中，混凝土內(nèi)外溫差造成的溫度應(yīng)力是導(dǎo)致產(chǎn)生裂縫的影響因素之一。本文結(jié)合南水北調(diào)中線一期總干渠工程某標(biāo)段渡槽混凝土施工為實(shí)例，分析了對(duì)于渡槽混凝土施工這種大體積混凝土施工中溫度應(yīng)力產(chǎn)生裂縫的影響因素，從防治的角度提出了解決措施。

2　工程簡(jiǎn)介

南水北調(diào)中線一期總干渠某標(biāo)段工程，總長(zhǎng)7.3km。包括長(zhǎng)7.300km的渠道及沿線布置的各類建筑物13座，包括：1座河渠交叉建筑物，2座左岸排水建筑物，1座節(jié)制閘，1座退水閘，6座公路橋，2座生產(chǎn)橋。工程內(nèi)容包括建筑工程、機(jī)電設(shè)備安裝、金屬結(jié)構(gòu)設(shè)備安裝、通信管道采購(gòu)及敷設(shè)、水土保持工程及施工期環(huán)境保護(hù)工程等。工程混凝土用量約16萬m3。槽身為先澆后張法預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，每跨長(zhǎng)40m，寬33m，高8.38m。每跨槽身混凝土分兩期澆筑，第一次澆筑分倉(cāng)處為距槽身底板頂面以上165cm處，第二次澆筑為槽身八字角以上80cm以上。該渡槽特點(diǎn)是跨度大，為大體積預(yù)應(yīng)力混凝土澆筑。

3　混凝土溫度裂縫的原因分析與預(yù)防

3.1原因分析

混凝土在澆筑后，隨著混凝土中含有的水分逐蒸發(fā)，逐漸硬化，形成混凝土結(jié)構(gòu)，這是一個(gè)物理變化過程?；炷劣不^程中，混凝土中的水泥通過水熱化現(xiàn)象釋放出大量的熱量，使得混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部出現(xiàn)相對(duì)高溫，在熱脹冷縮的作用下混凝土內(nèi)部高溫處將會(huì)體積膨脹。而混凝土的熱傳遞性能較差，內(nèi)部雖然是高溫，但是混凝土的外部溫度基本與環(huán)境溫度近似，呈現(xiàn)相對(duì)低溫。導(dǎo)致在混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)中由內(nèi)到外出現(xiàn)了溫度由高到低的階梯溫差。這種溫差導(dǎo)致混凝土內(nèi)部出現(xiàn)拉應(yīng)力，一旦超過混凝土的抗拉極限，將會(huì)產(chǎn)生裂縫。當(dāng)混凝土降溫后，因?yàn)榛炷两M成材料的膨脹系數(shù)不同，在降溫收縮的作用的下，因?yàn)榕蛎浵禂?shù)的不同又會(huì)產(chǎn)生收縮應(yīng)力，這種收縮應(yīng)力與之前所述的熱膨脹拉應(yīng)力作用在一起，將會(huì)加劇混凝土結(jié)構(gòu)的裂縫產(chǎn)生與發(fā)展。

3.2南水北調(diào)中線一期總干渠某標(biāo)段工程渡槽溫度應(yīng)力三維有限元分析

目前，利用計(jì)算機(jī)技術(shù)進(jìn)行混凝土溫度應(yīng)力變化的分析能夠較精確的模擬實(shí)際施工過程，為工程設(shè)計(jì)提供依據(jù)。對(duì)于混凝土溫度進(jìn)行分析，可借助ANSYS有限元分析計(jì)算軟件、FEPG有限元分析計(jì)算軟件等。本文根據(jù)南水北調(diào)中線一期總干渠某標(biāo)段工程渡槽工程實(shí)際，將渡槽工程混凝土參數(shù)、初始條件和邊界條件進(jìn)行限制和預(yù)設(shè)，利用FEPG有限元分析計(jì)算軟件進(jìn)行了渡槽溫度應(yīng)力三維有限元分析。結(jié)合分析結(jié)果，提出防治裂縫措施如下：

（1）水泥水化熱作用產(chǎn)生溫度最高點(diǎn)在混凝土澆注第二天，因此第二天凝土內(nèi)部溫度最高、熱膨脹量最大。隨著時(shí)間的推移，混凝土溫度逐漸降低，經(jīng)過10天左右基本穩(wěn)定。澆注后的前三天，混凝土內(nèi)外溫差超過25℃，容易產(chǎn)生裂縫，因此需要在這個(gè)時(shí)間段內(nèi)對(duì)混凝土進(jìn)行蓄熱保溫。

（2）受到水泥水化熱作用的影響，渡槽的縱梁出現(xiàn)最高溫度，墻體次之，且高溫出現(xiàn)在澆注的第二天，溫差在25～40℃之間。因此在混凝土蓄熱保溫時(shí)無論混凝土的哪個(gè)部位都需要進(jìn)行蓄熱保溫。

（3）渡槽混凝土澆注溫度每降低1℃，則渡槽混凝土的內(nèi)外溫差降低0.7℃。最終導(dǎo)致混凝土內(nèi)外溫差仍然超過25℃。因此，要加強(qiáng)渡槽混凝土表面的保護(hù)措施。在低溫季節(jié)或氣溫驟降季節(jié)，對(duì)混凝土進(jìn)行早期表面保護(hù)；模板拆除時(shí)間根據(jù)混凝土強(qiáng)度及混凝土的內(nèi)外溫差確定，避免在夜間或氣溫驟降時(shí)拆模。拆模時(shí)混凝土內(nèi)部和表面溫差滿足規(guī)范要求。

（4）根據(jù)南水北調(diào)中線一期總干渠某標(biāo)段工程渡槽溫度應(yīng)力三維有限元分析結(jié)果，本工程水泥品種采用52.5級(jí)普通硅酸鹽水泥，混凝土和鋼筋混凝土中摻加Ⅰ～Ⅱ級(jí)粉煤灰，混凝土中需摻加引氣劑、減水劑、緩凝劑、膨脹劑等外加劑。

（5）該渡槽混凝土澆筑為大體積混凝土澆筑，混凝土內(nèi)部水泥熱化溫度高，且渡槽跨度大、長(zhǎng)度較長(zhǎng)，熱面積大，在實(shí)際澆注施工中可以采用降水管降溫。在渡槽混凝土內(nèi)部預(yù)埋降溫管道，利用水泵抽取地下水進(jìn)行水循環(huán)冷卻，并且隨著澆注的進(jìn)行逐漸提升降溫管道的位置，隨著澆注完成移除降溫管。當(dāng)澆注完成后，繼續(xù)向模板噴地下水進(jìn)行降溫，持續(xù)4小時(shí)左右。

4　混凝土裂縫處理

渡槽工程，是用于水利運(yùn)輸、排沙排洪作用的一種大體積混凝土薄壁工程。渡槽混凝土一旦產(chǎn)生裂縫，容易發(fā)生滲水、漏水，影響水利工程的正常使用，還有重大的安全隱患?；炷亮芽p分好幾種情況，有通縫的、不通縫的，規(guī)則的、不規(guī)則，縫隙大的、縫隙小的等，需要及時(shí)處理，否則容易造成小裂縫繼續(xù)加劇變成大裂縫。因?yàn)榛炷翜囟茸兓^程的復(fù)雜性和影響參數(shù)的多元性，目前對(duì)裂縫的完全避免還難以實(shí)現(xiàn)，一旦裂縫產(chǎn)生了，要有處理裂縫的具體措施及方法。

4.1混凝土裂縫的檢查

混凝土裂縫按照表面縫寬、縫長(zhǎng)、縫深的數(shù)值分為Ⅰ類、Ⅱ類、Ⅲ類、Ⅳ類，根據(jù)《南水北調(diào)中線干線工程混凝土結(jié)構(gòu)質(zhì)量缺陷及裂縫處理技術(shù)規(guī)定》，分類見表1。在測(cè)量時(shí)，可以使用米尺、塞尺、游標(biāo)卡尺等進(jìn)行直接測(cè)量縫寬、縫長(zhǎng)、縫深值，用以確定裂縫的基本情況。在測(cè)量工具難以觸及的情況下，可以在局部鑿槽至不見裂縫的程度后使用工具進(jìn)行深度粗略測(cè)量。精確測(cè)量時(shí)，可以采用超聲波定位儀器進(jìn)行深度探測(cè)，或者使用孔內(nèi)攝像技術(shù)進(jìn)行攝像存檔。

表1　渡槽工程混凝土工程裂縫分類

4.2混凝土工程裂縫處理方法選擇。

根據(jù)工程技術(shù)規(guī)定相關(guān)內(nèi)容要求，為了使處理效果更好，且本著盡量少對(duì)混凝土產(chǎn)生破壞的原則，本工程采用以下三種方法對(duì)不同的裂縫進(jìn)行處理：（1）I類裂縫主要采用表面封閉法。（2）Ⅱ類裂縫主要采用低壓灌漿法。（3）III類裂縫主要采用開槽灌漿法。

4.3混凝土工程裂縫處理方案。

4.3.1I類裂縫處理方案

表面封閉法采用工程材料為XYPEX“濃縮劑”防水材料。施工流程為：基層處理→清掃濕潤(rùn)基面→涂刷兩道XYPEX“濃縮劑”灰漿層→養(yǎng)護(hù)七天→蓄水試驗(yàn)48h不滲漏正式驗(yàn)收。

施工要點(diǎn)：對(duì)混凝土表面防水砂漿、浮漿、反堿、塵土、油污以及表面涂層等雜物必須清除干凈，其方法可以用打磨機(jī)、鋼絲刷或5%鹽酸溶液清洗基層表面，然后用清水沖至中性。具體采用哪一種方法，應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)結(jié)構(gòu)混凝土基層實(shí)際情況而定。在使用XYPEX濃縮劑灰漿之前，混凝土表面必須再次用干凈水沖洗。使混凝土表面具有完全濕潤(rùn)的粗麻面，以利XYPEX水泥基滲透結(jié)晶型星中的活性化學(xué)物質(zhì)自內(nèi)層反應(yīng)延伸，深入到混凝土毛細(xì)系統(tǒng)水化結(jié)晶和混凝土合成一個(gè)整體。

4.3.2Ⅱ類裂縫處理方案

低壓灌漿法采用工程材料為HK-G-2低粘度環(huán)氧灌漿材料，輔助材料丙酮、工業(yè)酒精等，封縫材料XYPEX“濃縮劑”防水材料或者HK－966彈性涂料。施工流程為：裂縫周邊封閉面清潔→沿縫鉆孔埋針頭→用堵漏王、HK-EQ或HK-96環(huán)氧膠泥封閉縫面→灌漿。

施工要點(diǎn)：根據(jù)裂縫走向用磨光機(jī)清除裂縫表面乳皮及其他污物，清理范圍為裂縫兩側(cè)5cm，兩頭各10cm范圍內(nèi)處的混凝土表面，清理后用高壓風(fēng)吹浄。沿縫鉆孔埋針頭，孔距一般為20～30cm，用壓縮氣體將孔內(nèi)雜物吹洗干凈。按A:B=5:1的比例配制漿液（如需延長(zhǎng)凝固時(shí)間，可減少B組份摻量），將A、B兩組份充分混合均勻，混合溫度控制在35℃以下。在壓力下進(jìn)行灌漿，灌漿壓力依據(jù)設(shè)計(jì)要求確定，一般在0.2～0.4MPa，最高壓力不要超過結(jié)構(gòu)允許值，豎直縫從最低處開灌，自下而上；水平縫自一端向另一端進(jìn)行。漿液固化后，去除灌漿針頭，用XYPEX“濃縮劑”防水材料或者HK－966彈性涂料進(jìn)行封閉。

4.3.3III類裂縫處理方案

開槽灌漿法采用工程材料HK-G-2低粘度環(huán)氧灌漿材料，輔助材料丙酮、工業(yè)酒精等，封縫材料XYPEX“濃縮劑”防水材料或者HK－966彈性涂料。施工流程為：檢查裂縫狀態(tài)，清除表面污物→沿縫鑿成20×20mm“U”型槽→沿縫鉆孔埋針頭，孔距一般為20～30cm，用壓縮氣體將孔內(nèi)雜物吹洗干凈→用XYPEX“濃縮劑”、HK－966彈性涂料或者還原膠泥封閉縫面→灌漿。

施工要點(diǎn)：按A:B=5:1的比例配制漿液（如需延長(zhǎng)凝固時(shí)間，可減少B組份摻量），將A、B兩組份充分混合均勻，混合溫度控制在35℃以下。在壓力下進(jìn)行灌漿，灌漿壓力依據(jù)設(shè)計(jì)要求確定，一般在0.2～0.4MPa，最高壓力不要超過結(jié)構(gòu)允許值，豎直縫從最低處開灌，自下而上；水平縫自一端向另一端進(jìn)行。漿液固化后，去除灌漿針頭，用XYPEX“濃縮劑”防水材料或者HK－966彈性涂料對(duì)針頭位置進(jìn)行封閉。

4.4混凝土裂縫修補(bǔ)后的質(zhì)量檢查。

渡槽混凝土裂縫修補(bǔ)后，對(duì)重要部位的Ⅱ類、Ⅲ類裂縫修補(bǔ)處應(yīng)該用地質(zhì)雷達(dá)、超聲波或鉆芯取樣來檢測(cè)。地質(zhì)雷達(dá)法、超聲波法測(cè)定灌漿的密實(shí)度。芯樣可檢查裂縫填充的飽滿度，完整的芯樣可作粘結(jié)剪拉強(qiáng)度試驗(yàn)，檢測(cè)粘接效果。

5　結(jié)束語(yǔ)

因?yàn)樵趯?shí)際施工中對(duì)溫度應(yīng)力變化的很少分析，混凝土裂縫容易產(chǎn)生。本文運(yùn)用計(jì)算機(jī)三維有限元分析軟件對(duì)南水北調(diào)中線一期總干渠某標(biāo)段工程渡槽工程進(jìn)行了混凝土溫度應(yīng)力分析，并根據(jù)分析結(jié)果提出了預(yù)防措施。因?yàn)榛炷翜囟茸兓^程的復(fù)雜性和影響參數(shù)的多元性，目前對(duì)裂縫的完全避免還難以實(shí)現(xiàn)，本文只能是通過運(yùn)用計(jì)算機(jī)技術(shù)進(jìn)行較精確的分析，進(jìn)而設(shè)計(jì)好混凝土原料、設(shè)計(jì)好施工步驟和養(yǎng)護(hù)方法來最大程度的控制裂縫的產(chǎn)生。此外，渡槽工程設(shè)計(jì)單位、渡槽施工單位、渡槽工程檢測(cè)單位等參建單位要加強(qiáng)渡槽混凝土施工管理，這也是預(yù)防與處理渡槽裂縫問題的重要途徑和環(huán)節(jié)。一旦裂縫產(chǎn)生，要及時(shí)有效處理，否則容易造成小裂縫繼續(xù)加劇變成大裂縫，影響水利工程的正常使用，還有重大的安全隱患。

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黃濤，男，工程師，研究方向：土建施工。