柳樹(shù)電航工程HF混凝土裂縫研究

張永振，高正緒

（中國(guó)水利水電第三工程局有限公司,陜西 西安 710024）

1 工程概況

涪江柳樹(shù)電航工程位于四川省遂寧市射洪縣柳樹(shù)鎮(zhèn)涪江干流上,是一座以發(fā)電、航運(yùn)為主,兼有美化沱牌酒城的水生態(tài)環(huán)境作用的綜合性航電樞紐工程。水庫(kù)正常蓄水位314.00 m,相應(yīng)庫(kù)容0.95 億m3,總庫(kù)容1.92億m3；電站額定水頭12.5 m,額定引用流量418 m3/s,裝機(jī)容量48 MW；船閘設(shè)計(jì)通過(guò)能力近期34萬(wàn)t,遠(yuǎn)期65萬(wàn)t。

柳樹(shù)電航工程屬河床式開(kāi)發(fā),從左至右依次布置左岸非溢流壩段、船閘壩段、發(fā)電廠房壩段、泄洪沖沙閘壩段、右岸非溢流壩段。

2 HF混凝土施工

泄洪沖沙閘壩段布置有泄洪閘18 孔,沖沙閘6 孔,每孔孔口寬12 m。泄洪沖沙閘溢流面及下游消力池表層50 cm采用C40 HF混凝土。實(shí)際施工中HF混凝土澆筑采用平鋪法澆筑,無(wú)溫控設(shè)施,塌落度50 mm~70 mm。門(mén)機(jī)及長(zhǎng)臂反鏟入倉(cāng),下料厚度為50 cm。使用φ100 mm型插入式振搗器振搗。混凝土澆筑完畢后,及時(shí)進(jìn)行混凝土養(yǎng)護(hù),保持混凝土表面濕潤(rùn)。其中溢流面混凝土采用麻袋片覆蓋灑水養(yǎng)護(hù),消力池采用蓄水養(yǎng)護(hù),護(hù)措周期28 天。

在2016 年汛前施工中發(fā)現(xiàn),已完成施工的3#~4#孔溢流面及其對(duì)應(yīng)的消力池HF混凝土均出現(xiàn)不同程度的裂縫,項(xiàng)目部隨即對(duì)裂縫進(jìn)行了詳盡排查統(tǒng)計(jì),排查結(jié)果顯示多為干縮裂縫及表面溫度裂縫。但汛后再次對(duì)已施工的HF混凝土裂縫進(jìn)行全面調(diào)查時(shí)發(fā)現(xiàn)新增較多的較深及貫穿性溫度裂縫。調(diào)查結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 C40 HF混凝土裂縫調(diào)查匯總表

混凝土結(jié)構(gòu)裂縫的危害是巨大的,它將直接影響工程的安全和使用功能,造成內(nèi)部鋼筋的銹蝕,影響結(jié)構(gòu)的耐久性及安全使用年限,給工程質(zhì)量帶來(lái)潛在的危害。因此,為保證施工質(zhì)量,避免后續(xù)HF混凝土施工裂縫的產(chǎn)生,通過(guò)對(duì)已澆筑HF混凝土裂縫產(chǎn)生的原因進(jìn)行分析,制定預(yù)防措施,規(guī)范施工行為,以預(yù)防控制為主,減少HF混凝土產(chǎn)生裂縫。

3 HF混凝土裂縫原因分析

3.1 混凝土養(yǎng)護(hù)不及時(shí)

溢流面混凝土采用麻袋片覆蓋、灑水養(yǎng)護(hù),消力池部位采用蓄水養(yǎng)護(hù)方式。通過(guò)對(duì)裂縫調(diào)查統(tǒng)計(jì)結(jié)果整理發(fā)現(xiàn),采用蓄水養(yǎng)護(hù)的消力池部位較少發(fā)生,調(diào)查表中的幾條裂縫均出現(xiàn)在養(yǎng)護(hù)不力的混凝土側(cè)面。溢流面部位出現(xiàn)較多的干縮裂縫及表面溫度裂縫,通過(guò)進(jìn)一步的調(diào)查發(fā)現(xiàn),溢流面混凝土養(yǎng)護(hù)不力,未能保證混凝土表面始終保持濕潤(rùn)狀態(tài),尤其是光照強(qiáng)度大、氣溫較高的12 時(shí)~16 時(shí),混凝土表面覆蓋的麻袋片經(jīng)常因養(yǎng)護(hù)不及時(shí)出現(xiàn)干燥的情況。

干縮裂縫主要是由于混凝土成型后養(yǎng)護(hù)不當(dāng)造成的。溢流面混凝土表面未能始終保持濕潤(rùn)狀態(tài),加之河道風(fēng)速大,混凝土表面水分散失過(guò)快,體積收縮大,而混凝土內(nèi)部濕度變化很小,收縮也小,因而表面收縮變形受到內(nèi)部混凝土的約束,出現(xiàn)拉應(yīng)力,從而引起混凝土表面開(kāi)裂。

表面溫度裂縫多是由于溫差較大引起的。工程所在地4月下旬天氣炎熱（氣溫高達(dá)30℃以上）,而HF混凝土未采取溫控措施,混凝土澆筑后,在硬化期間水泥放出大量水化熱而無(wú)從釋放,從而導(dǎo)致混凝土內(nèi)部溫度不斷上升。而混凝土養(yǎng)護(hù)用水為溫度較低的河水（現(xiàn)場(chǎng)量測(cè)僅13℃左右）,在白天氣溫高的時(shí)候由于養(yǎng)護(hù)不及時(shí),混凝土面未能保持濕潤(rùn),當(dāng)?shù)蜏仞B(yǎng)護(hù)用水直接接觸干燥高溫的混凝土面后,混凝土表面會(huì)產(chǎn)生急劇的降溫。急劇的降溫會(huì)導(dǎo)致混凝土表面產(chǎn)生較大的降溫收縮,此時(shí)表面受到內(nèi)部混凝土的約束,將產(chǎn)生很大的拉應(yīng)力,而混凝土早期抗拉強(qiáng)度很低,拉應(yīng)力大于混凝土抗拉強(qiáng)度時(shí)將出現(xiàn)裂縫。由于這種溫差僅在表面處較大,離開(kāi)表面就很減弱,因此裂縫只在接近表面較淺的范圍出現(xiàn),表面層以下結(jié)構(gòu)仍保持完整。

由此可見(jiàn),養(yǎng)護(hù)不到位是產(chǎn)生干縮裂縫和表層溫度裂縫的主要原因。

3.2 施工間隔過(guò)長(zhǎng)

消力池混凝土設(shè)計(jì)厚度為250 cm,面層50 cm為C40 HF混凝土,下部為200 cm的C20 常態(tài)混凝土。由于面層鋼筋網(wǎng)直徑較小,且為兩種型號(hào)的混凝土,因此,面層HF混凝土和下部C20 常態(tài)混凝土采用分層單獨(dú)施工,致使部分消力池基層混凝土和面層HF混凝土澆筑間隔時(shí)間過(guò)長(zhǎng),其中部分倉(cāng)號(hào)澆筑間隔時(shí)間長(zhǎng)達(dá)一個(gè)多月。

消力池50 cm的面層HF混凝土澆筑在厚大的基層混凝土上時(shí),環(huán)境溫度較高,加上水泥水化熱的溫升很大,使HF混凝土的溫度很高,其體積隨之膨脹,而隨著混凝土凝結(jié)硬化,溫度不斷降溫,體積收縮過(guò)程會(huì)受到基層混凝土的強(qiáng)約束,在混凝土內(nèi)部產(chǎn)生很大的拉應(yīng)力,當(dāng)拉應(yīng)力超過(guò)HF混凝土抗拉強(qiáng)度時(shí)就會(huì)產(chǎn)生較深或貫穿性的裂縫。而溢流面混凝土由于澆筑間隔較短,且HF混凝土與最后一層50 cm厚基層混凝土同時(shí)澆筑,基本未出現(xiàn)較深或貫穿性裂縫。因此,縮短澆筑間隔,盡量安排HF混凝土與最后一層基層混凝土同時(shí)澆筑可以有效防止較深及貫穿性溫度裂縫的產(chǎn)生。

3.3 施工工藝的影響

消力池HF混凝土澆筑要求采用平鋪法澆筑,無(wú)溫控設(shè)施。門(mén)機(jī)及長(zhǎng)臂反鏟入倉(cāng),下料厚度為50 cm。使用φ100 mm型插入式振搗器振搗?；炷琳駬v完畢后,再用長(zhǎng)刮板刮平,然后采用木抹粗抹,鐵抹二次抹光的工藝。溢流面斜坡面采用翻轉(zhuǎn)模板控制施工,圓弧段采用鋼筋樣架控制施工。實(shí)施過(guò)程中發(fā)現(xiàn)該施工方案存在如下問(wèn)題：

（1）消力池采用人工找平,二次收面?；炷帘砻嫫秸燃皦汗赓|(zhì)量嚴(yán)重依賴工人職業(yè)技能。

（2）圓弧段采用鋼筋樣架控制施工,混凝土振搗易造成混凝土流淌現(xiàn)象。不僅很難保證表面平整度及壓光質(zhì)量,甚至混凝土振搗質(zhì)量也存在問(wèn)題。

（3）斜坡面采用翻轉(zhuǎn)模板控制施工,拆模立模時(shí)間較長(zhǎng),導(dǎo)致混凝土施工時(shí)間較長(zhǎng),導(dǎo)致收面時(shí)間跨度較長(zhǎng),監(jiān)督不到位的情況下,工人偷懶,從而大大影響收面質(zhì)量。

眾所周知,不規(guī)范的澆搗過(guò)程對(duì)裂縫產(chǎn)生有著直接的影響,振搗時(shí)間過(guò)短,或振搗不到位,混凝土都無(wú)法達(dá)到密實(shí)狀態(tài),直接導(dǎo)致混凝土出現(xiàn)蜂窩、麻面、空洞等缺陷,是產(chǎn)生荷載裂縫的起源點(diǎn)。而如果振搗時(shí)間過(guò)長(zhǎng),石子下沉,面層浮漿過(guò)重,收縮不均勻也容易產(chǎn)生裂縫。抹平壓光不足,會(huì)造成表面粗糙,而過(guò)度的抹平壓光會(huì)使混凝土的細(xì)骨料過(guò)多地浮到表面,形成含水量很大的水泥漿層,水泥漿中的氫氧化鈣與空氣中的二氧化碳作用生成碳酸鈣,引起表面體積碳水化收縮,也會(huì)導(dǎo)致混凝土板表面龜裂。壓光過(guò)早,水泥的水化作用正在進(jìn)行,凝膠尚未全部形成,對(duì)表層混凝土強(qiáng)度及抗磨能力有不利的影響,易產(chǎn)生裂縫,壓光過(guò)遲,水泥已終凝硬化,不但操作困難,且會(huì)擾動(dòng)已硬結(jié)的混凝土表面,也將大大降低面層混凝土的強(qiáng)度及抗磨性能,當(dāng)與溫度變化共同作用時(shí),更易產(chǎn)生裂縫。

因此,改進(jìn)施工工藝可以有效的減少裂縫的產(chǎn)生。

3.4 細(xì)骨料的影響

該項(xiàng)目天然砂細(xì)度模數(shù)偏?。?.67）,不滿足混凝土生產(chǎn)的要求,故采用按50∶50比例摻和人工砂的混合砂作為混凝土細(xì)骨料。其混合后細(xì)度模數(shù)為2.24。但在實(shí)施過(guò)程中發(fā)現(xiàn)混合砂存在以下三個(gè)問(wèn)題。

（1）混合砂的級(jí)配并不合理,根據(jù)試驗(yàn)報(bào)告顯示,顆粒級(jí)配呈兩頭大中間小杠鈴狀分布?？偹苤?級(jí)配不合理的細(xì)骨料會(huì)影響到混凝土拌和物的稠度。而合理的砂子級(jí)配,不僅可以減少拌和物的用水量,得到流動(dòng)性、均勻性及密實(shí)性均較佳的混凝土,同時(shí)達(dá)到減少水泥用量的效果。

（2）由于不同料場(chǎng)的天然砂細(xì)度模數(shù)不同,導(dǎo)致混合砂細(xì)度模數(shù)隨之變化,遇到天然砂細(xì)度模數(shù)無(wú)法滿足中粗砂的標(biāo)準(zhǔn)。因而實(shí)驗(yàn)室根據(jù)混合砂細(xì)度模數(shù)對(duì)配合比進(jìn)行了微調(diào),增加了用水量及水泥使用量。

因此解決細(xì)骨料存在的問(wèn)題有助于減少水泥用量,從而有效地降低水化熱,減少裂縫發(fā)生幾率。

4 對(duì)策及實(shí)施結(jié)果

4.1 改進(jìn)混凝土養(yǎng)護(hù)手段

混凝土面采取麻袋片全面覆蓋（包括側(cè)面）,溢流面最高點(diǎn)設(shè)置花管,花管每隔30 cm鉆一個(gè)孔24 小時(shí)不間斷噴淋養(yǎng)護(hù)。必要時(shí)上面再鋪設(shè)一層塑料薄膜防止因日曬及河道風(fēng)速過(guò)大造成混凝土失水過(guò)快。消力池混凝土仍采取蓄水養(yǎng)護(hù)方式。

4.2 調(diào)整混凝土分倉(cāng)及縮短施工間隔

（1）根據(jù)《水工建筑物抗沖磨防空蝕混凝土技術(shù)規(guī)范》（DLT 5207-2005）7.2.2條,抗磨蝕混凝上宜與基底混凝土同時(shí)澆筑。鑒于消力池部位混凝土總厚度為2.5 m,將消力池混凝土分兩層澆筑,第一層厚度150 cm,第二層厚度為100 cm。溢流面混凝土最后一層也將分倉(cāng)厚度調(diào)整到100 cm。使基層混凝土與HF面層混凝土安排在同一層內(nèi)澆筑,通過(guò)振動(dòng)棒的振搗,可以在兩種不同的混凝土之間形成一個(gè)結(jié)合良好的過(guò)渡層。使兩種混凝土在強(qiáng)度形成過(guò)程中,變形同步,消除因溫差、應(yīng)力效應(yīng)產(chǎn)生的拉伸裂縫。

（2）精心組織,盡量縮短上下層混凝土澆筑時(shí)間間隔。

4.3 施工工藝的調(diào)整

（1）為了在混凝土澆筑過(guò)程中,使振搗適宜,做到不過(guò)振、不漏振,安排盯倉(cāng)員旁站,對(duì)于不滿足規(guī)范要求及施工方案的作業(yè)行為進(jìn)行及時(shí)制止。采用兩次振搗,防止因塑性沉降而引起的混凝土內(nèi)部分層,消除因混凝土泌水而出現(xiàn)的毛細(xì)孔道及石子下部隱含的氣泡,提高混凝土強(qiáng)度和減少混凝土裂縫。

（2）消力池混凝土采用抹面機(jī)收面,消力池部位采用長(zhǎng)刮板刮平,用木抹子對(duì)混凝土表面進(jìn)行2 次~3 次搓平,用鐵抹抹光至要求的平整度,當(dāng)混凝土表面脫水后,混凝土初凝前,再用抹面機(jī)收光,可有效消除混凝土干縮、沉縮和塑性收縮產(chǎn)生的表面裂縫,增加混凝土內(nèi)部的密實(shí)度。

（3）溢流面采用拉模施工工藝,脫模后的混凝土表面,及時(shí)進(jìn)行人工修整、壓平和抹面。當(dāng)混凝土表面脫水后,人工對(duì)混凝土表面進(jìn)行二次壓面抹光,防止混凝土表面脫水形成細(xì)微通道,確?；炷帘砻婷軐?shí)、平整,避免面板表面形成微通道或早期裂縫。

4.4 細(xì)骨料的調(diào)整

為了得到滿足規(guī)范要求的砂子,在對(duì)比采用人工砂與外購(gòu)河沙后,決定HF混凝土澆筑采用人工砂,同時(shí)加大了抽檢頻次及對(duì)設(shè)備的檢查次數(shù),要求砂石生產(chǎn)系統(tǒng)在篩分時(shí)加大沖洗水量。以減少人工砂里面的石粉含量,確保人工砂的質(zhì)量合格,性能穩(wěn)定。

4.5 實(shí)施對(duì)策后的效果

在后續(xù)C40HF混凝土澆筑施工中,項(xiàng)目部嚴(yán)格執(zhí)行既定的方案,實(shí)施效果良好。表面溫度裂縫、干縮裂縫出現(xiàn)頻率明顯降低,未出現(xiàn)較深或貫穿性的裂縫,混凝土表面平整度也得到了改觀。

5 結(jié)語(yǔ)

雖然目前學(xué)術(shù)界對(duì)于混凝土裂縫的成因和計(jì)算方法有不同的理論,但對(duì)于具體的預(yù)防措施的意見(jiàn)還是比較統(tǒng)一,在實(shí)踐中的應(yīng)用效果也是比較好的。本項(xiàng)目針對(duì)HF混凝土裂縫問(wèn)題經(jīng)多次的分析研究,找出原因,對(duì)癥下藥,采取了針對(duì)性的預(yù)防措施,收到了良好的效果。這說(shuō)明在具體施工中要靠我們多觀察、多比較,出現(xiàn)問(wèn)題后多分析、多總結(jié),結(jié)合多種預(yù)防處理措施,HF混凝土的裂縫是完全可以避免的。