衬砌混凝土面板裂缝成因分析及防裂措施探讨.pdf

第 1 2 卷O l期 2 0 1 4年 2月 南水北调与水 利科技 S o u t h - t o - No r t h Wa t e r Tr a n s f e r s a n d Wa t e r S c i e n c e Te c h n o l o g y Vo 1 1 2 No 1 F e b 2 0 1 4 衬砌 混凝 土面板裂缝成 因分析及 防裂措施探讨 孙 海禄 ( 南水北调中线干线工程建设管理局 河北直管项目建设管理部， 石家庄 O 5 O O 3 5 ) 摘要： 南水北调衬砌混凝土常见问题是混凝土裂缝 ， 通过有针对性的分析了南水北调工程中的裂缝产生机理、 产生 原因， 并从混凝土的原材料采用到成型养护提出了控制要点。为减少衬砌混凝土面板施工中易发生的裂缝提供了 科学依据。 关键词： 衬砌混凝土； 裂缝 ； 防裂措施 中图分类号： T V6 7 2 文献标识码： A 文章编号： 1 6 7 2 1 6 8 3 ( 2 0 1 4 ) 0 0 1 0 1 7 9 0 3 Ca u s e An a l y s i s o f Cr a c k s o n Li n i n g C o n c r e t e F a c e a n d Di s c u s s o n Cr a c k Pr e v e n t i o n M e a s u r e s SUN Ha i - l u ( C o n s t r u c t i o n Ma n a g e me n t De p a r t me n t o f He b e i ， u n d e r t h e Mi d d l e Ro u t e o f t h e S o u t h t o No r t h Wa t e r Di v e r s i o n P r o j e c t C o n s t r u c t i o n Ma nag e m e n t Bu r e a u ， S h i j i a z h u a n g 0 5 0 0 3 5 ， C h i na ) A b s t r a c t ： T h e S o u t h t o - No r t h Wa t e r D i v e r s i o n P r o j e c t 1 in i n g c o n c r e t e i s c o mmo n c o n c r e t e c r a c k s ， c r a c k s i n t h e s o u t h - t o - n o r t h wa t e r t r a n s f e r p r o j e c t wa s a n a l y z e d t h r o u g h t a r g e t e d me c h a n i s m， c a u s e s ， a n d f r o m t h e r a w ma t e r i a l s o f c o n c r e t e u s e d t o mo l d i n g c u r in g c o n t r o l p o i n t s i s p r o p o s e d To r e du c e t h e e a s y oc c u r r e n c e o f c r a c k s i n c a s t i n - p l a c e c o n c r e t e p a n e l c o n s t r u c t i o n p r o v i d e s a s c i e n t i f i c b a s i s Ke y wo r d s ： l i n i n g c o n c r e t e ； c r a c k； a n t i c r a c k i n g me a s u r e s 在南水北调工程中主要建设项 目为大断面渠道现浇混 凝土衬砌。因为衬砌混凝土板厚度比较薄， 多在 8 1 0 c m 之间， 混凝土表面积较大， 因而对渠床整理、 原材料控制、 混 凝土浇筑、 切缝等施工过程提出了更高更新的的要求 。混凝 土裂缝是目前南水北调渠道衬砌面板中最常见的质量缺陷， 不但造成外观质量差， 而且后期处理费用高且目前尚未有经 济、 理想的处理方案 ， 因此在施工过程中有效控制和减少混 凝土裂缝 ， 对提高衬砌混凝土内在、 表观质量和节约成本等 方面都有着重大的意义。本文对产生混凝土裂缝的原因和 防裂措施做初步探讨。 l 混凝土裂缝产 生机理 混凝土裂缝主要有 以下几种 ： 塑性收缩裂缝、 干缩收缩 裂缝、 沉降裂缝、 温度裂缝和化学反应引起的裂缝。 1 1塑性收缩裂缝 塑性裂缝多发生 在新 浇筑 的混凝 土 面板 的上表 面 。究 其原因， 在终凝前后阶段混凝土强度很小， 几乎没有强度 ， 如 果此时混凝土表面失水过快， 结构毛细管中产生的负压会导 致混凝土体积急剧收缩， 当该收缩力超过该处混凝土的强度 时就会产生细小裂缝 ， 也就是平时说的龟裂， 造成塑性收缩 裂缝。塑性收缩裂缝一般易产生在多风的春季及干热的夏 季， 裂缝特征是多是两段细、 中间部分较宽， 并且长短不一规 律， 一般裂缝间互不连贯， 较短的裂缝多为长 2 0 3 0 e m， 较 长的裂缝可达 2 3 I n ， 宽 1 5 rai n 。 1 2干缩 收缩 裂缝 干缩收缩裂缝主要是因为在混凝土凝结硬化后较长时 间内水分蒸发而引起的。当受养护措施不到位、 外部环境气 候变化的影响， 造成混凝土表面水分散失过快， 混凝土的变 形也相应增加 ， 而 内部水分蒸发较慢， 变形相对也较小。混 凝土内、 外部分结构变形不一致， 表面变形受到内部变形的 约束， 混凝土表面会产生较大的拉应力而致使混凝土表面产 生裂缝。因而当外界环境或者混凝土表面相对湿度越低 ， 混 凝土干缩程度越快 ， 干缩收缩裂缝越易产生。 1 3沉降裂缝 沉降裂缝主要致因是结构地基中土质类型多样、 土质疏 松、 基础处理不到位、 回填压实度达不到设计要求或浸水而 造成的局部不均匀沉降所致， 特别是在冬季冻土解冻后更容 易产生不均匀沉降， 造成混凝土结构开裂。此类裂缝的基本 特征是其发展走 向与沉陷情况有关 ， 多为深进或贯穿性裂 缝 ， 裂缝呈梭形， 较易发生的部位主要集中在混凝土面板体 型结构发生变化、 地质情况发生变化或不稳定的渠段， 裂缝 宽度与沉降量成正比关系， 当地基变形趋于稳定之后， 沉降 裂缝也 随之趋于稳定 。 收稿 日期 ： 2 0 1 3 0 3 2 7 修回 日期 ： 2 0 1 4 0 2 1 0 作者简介： 孙海禄( 1 9 7 2 一 ) ， 男， 河北冀州人， 高级工程师， 主要从事水利水电工程建设管理工作。E - ma i l ： s u n h a i l u o o l 1 6 3 c o rn 蒜 笑 | 1 7 9 t s g m * m 4 s a 第 1 2卷 0 1 期 南水北调与水利科技 2 0 1 4年 2月 1 4 温度裂缝 由于气候或者昼夜温差变化较大， 终凝后的混凝土保温 措施不到位， 表面部位随外界气温影响而急剧冷却时， 在水 化热的作用下， 混凝土中心部位温度高， 与外界接触的表面 温度低， 混凝土内外结构质点之间的变形会相互约束， 表面产 生拉应力区， 内部产生压应力区， 当混凝土表面拉应力超过混 凝土的抗拉极限强度时， 混凝土表面就会产生裂缝。此种裂 缝多在冬季 昆 凝土施工中， 保温措施不到位的情况下产生。 1 5 化 学反应引起的裂缝 碱骨料反应引起的裂缝是由于化学反应引起混凝土裂 缝的常见类型。混凝土中含有一些碱性离子， 这些碱性离子 与含有氧化硅的活性骨料遇水后发生化学反应， 促使混凝土 体积增大， 造成混凝土酥松、 膨胀开裂。此类裂缝发展较为 缓慢， 一般在混凝土结构物正常使用期间才可能出现 ， 但后 果相当严重 ， 甚至是无法修复的。 2 混凝土裂缝产 生的原因分析 2 1混凝 土 的收缩 收缩是混凝土的固有特性， 对混凝土的物理性能有着直 接的重要的影响。一般认为在水泥水化热作用和外部气温 的作用共同影响下而造成混凝土不同部位收缩的不均匀是 产生的裂缝的根本原因。 2 2 混凝 土材料 及 配合 比 配合比的设计直接影响混凝土的抗拉强度， 也是造成混 凝土裂缝的重要原因。配合比设计不当通常指混凝土中水 泥用量偏大、 水灰比过大、 含砂率不适合、 骨料性质和级配不 合理、 选用外加剂不当等， 这几个因素是互相关联的。有关 试验资料显示 ： 用水量不变时， 水泥用量每增加 1 O ， 混凝土 收缩会增加 5 ； 水泥用量不变时， 用水量每增加 1 O ， 混凝 土强度会降低 2 O ， 混凝土与钢筋的粘结力会降低 1 O 。 应注意如下几个方面。 ( 1 ) 当混凝土粗细集料中含泥量过大时， 会导致混凝土 收缩的增大。间断级配不合理或级配不佳， 也易造成混凝土 收缩量的增大， 增加混凝土裂缝形成的可能性。 ( 2 ) 当骨料的粒径越细、 针片含量增大、 用水量和用灰量 的增多， 都会造成混凝土收缩量的增加。 ( 3 ) 当混凝土外加剂、 掺和料选择不当或添加量不符合 要求 ， 会增加混凝土本身的收缩。 ( 4 ) 水泥等级及混凝土强度等级原因： 水泥等级越高、 细 度越细、 早强越高对混凝土裂缝的产生影响越大。当混凝土 设计强度等级越高时， 会造成混凝土脆性的增大、 较易产生 混凝 土裂缝 。 2 3 L _r - - 及现场养护原 因 ( 1 ) 现场浇筑振捣混凝土时， 振捣不规范， 漏振、 过振 ， 都 将会对混凝土内部的均匀性和密实性产生影响， 成为裂缝形 成的诱因。 ( 2 ) 混凝土浇筑过程中风速过大、 气温过高容易造成混 凝土表面水分散失过快， 从而混凝土收缩量会增加。 ( 3 ) 配合比设计时对混凝土水化热计算失误、 现场混凝 土保温及降温措施不到位， 将引起混凝土内部温度过高或内 1 8 0 霉 诔 焉 交 |栽镪 外温差过大， 造成混凝土产生温度裂缝。 ( 4 ) 现场养护措施不到位， 混凝土早期脱水过快， 导致产 生收缩 裂缝 。 3 防裂技术措施 为有效预防衬砌混凝土面板裂缝产生， 建议从以下方面 采取相关措施 。 3 1 原材料控制 严格控制原材料的总碱含量， 在原材料选材时， 控制混 凝土的总碱量即混凝土 中水泥、 外加剂、 粉煤灰等原材料的 含碱质量总和。水泥应采用低碱性普通硅酸盐水泥， 碱含量 不应大于 0 6 ； 粉煤灰等级采用 1 1 级灰， 碱含量不应大于 1 5 oA 夕 加剂中的碱含量不应大于 1 0 。 合理调整混凝土骨料粒径级配， 良好的级配能有效降低 混凝土内部孔隙率， 提高混凝土的和易性， 增强混凝土浇筑 的密实度， 有效保证混凝土的强度。砂子中的有害物质如云 母 、 有机质、 黏土或淤泥等会降低混凝土耐久性和强度， 增大 混凝土的于缩性， 使用前应严格进行检验， 控制在标准范围 以内。控制针、 片状粗骨料含量， 减少混凝土的薄弱层面。 选用收缩值较小、 早期强度较高的低碱普通硅酸盐水 泥， 降低水泥用量 ， 降低混凝土凝固过程中的水化热， 选用高 性能的减水剂， 减少混凝土配比中的用水量。 3 2配合 比控 制 严格控制混凝土的坍落度和水灰比， 适当增加粉煤灰掺 量， 以减少混凝土中水泥用量， 有效降低混凝土的水化热。 严格控制混凝土的用水量， 通过添加减水剂来提高混凝土的 密实度和和易性， 减少因水分大量快速蒸发而产生的塑性收 缩和干缩性收缩。 3 3 混凝土拌和及 浇筑过程 中的防裂措施 拌和程序和拌和时间必须通过试验测定， 并严格控制。 采用多种措施， 严格控制原材料温度、 混凝土出机口温度及 混凝土的入仓温度。混凝土拌制用水最好采用深井地下水， 以保持水温的稳定。对骨料料仓宜采用遮阳棚防护 ， 防止阳 光暴晒及雨水等外界影响。浇筑时间应根据天气气温合理 调整， 避开高温或低温时段进行混凝土施工， 最大限度降低 混凝土的初凝温度。对混凝土运输的罐车进行包裹保温， 当 温度过高时， 对罐体的包裹层进行洒水降温， 从而降低外界 温度对罐内 昆 凝土的影响。 浇筑振捣过程中加强混凝土振捣控制 ， 提高混凝土内部 密实度。加大混凝土坍落度测定频率， 及时调整混凝土拌合 用水量， 保证人仓坍落度控制在配合比设计范围内。混凝土 布料沿渠坡均匀分布， 避免出现骨料堆积及离析现象。加强 关键部位振捣， 特别是分仓结合部、 坡脚、 坡肩和齿槽等部 位， 提高混凝土均匀性和密实度 。混凝土成型宜分四次进行 抹面收面， 在混凝土初凝前应进行二次人工抹压收面， 以利 于消 除因混凝土干 缩 、 塑性 收缩产 生表 面裂缝 ， 以增加表 面 混凝 土密实度 加强养护， 衬砌混凝土板结构厚度薄， 表面暴露面积大， 混凝土收面完成后 ， 要及时有效地对表面进行覆盖养护。现 场混凝土养护条件越接近标准养护条件， 混凝土产生裂缝的 孙海禄 衬砌混凝土面板裂缝成因分析及防裂措施探讨 可能性就越小。建议采用在混凝土表面喷涂混凝土养护剂， 同时覆盖 1 层塑料薄膜保湿、 1 层土工布及草帘及时进行洒 水保温养护。 3 4 沉 降预 防措施 渠道边坡混凝土厚度多为 1 0 c m， 渠底混凝土厚度为 8 c m。基础的密实度及坡面平整度将直接影响混凝土面板裂 缝的形成和发育情况。为保证回填区域边坡的压实度， 防止 漏压 ， 在渠堤填筑时应沿渠坡边线超填宽度不得小于 5 0 c m 的保护层 ， 对于高填方区尚需满足不小于 3个月的沉 降期 ， 并建议经过一个汛期的沉降， 减少渠堤沉降对后期混凝土面 板的影响。保护层开挖宜采用削坡机进行， 以控制削坡机行 走轨道位置及高程的方式控制坡面高程和坡面平整度。 3 5面板 切缝 及时对混凝土面板切缝施工， 对防止温度裂缝的产生非 常关键。混凝土面板切缝时间不能太早或太晚， 混凝土抗压 强度达到 1 5 MP a切缝效果最理想， 当遇到高温天气或温 差变化大的天气时， 切割时间应适当提前， 混凝土切缝要及 ( 上接 第 1 7 8页) 参考文献： 时根据外界环境的变化而做出相应调整， 避免切缝时间过 晚， 应力无法释放而产生裂缝。在切缝的类型上， 目前施工 中分为通缝和半缝 ， 施工人员应严格按照图纸设计要求或者 有关规范保证切缝深度， 使其真正发挥诱导裂缝发展方向的 作用。 混凝土裂缝的控制是一个综合性 的问题， 大量实践证 明， 通过采取以上措施加强相关方面的控制， 特别注意及时 调整配合 比和作业时间， 将会大大降低混凝土衬砌面板产生 裂缝的概率。 参考 文献 ： E I J D L T 5 1 4 4 - 2 0 0 1 ， 水工混凝土施工规范 S 2 D L T 5 3 3 0 2 0 0 5 ， 水工混凝土配合比设计规程 s 3 S L 3 5 2 2 0 0 6 ， 水工混凝土试验规程 S 4 N S B D 5 - 2 0 0 6 ， 渠道混凝土衬砌机械化施工技术规程( 试行) E S 5 NS B D 8 - 2 0 0 7 ， 渠道混凝土衬砌机械化施工质量评定验收标准 ( 试行) s 1 薛馨 ， 金吾根， 李珏， 等 T r e f f t z 直接法解渗流自由面问题口 岩石力学 与工程学报 ， 2 0 0 5 ， 2 4 ( 1 3 ) ：2 3 2 2 2 3 2 6 2 童汉毅， 槐文信 ， 黄纪忠， 等 边界元法和坐标变换法解二维无 压渗流E J 3 武汉大学学报( 工学版) 2 0 0 5 ， 3 8 ( 1 ) ： 1 4 1 7 3 时卫民， 郑颖人 库水位下降情况下滑坡的稳定性分析 J 水 利 学报 2 0 0 4 ， ( 3 ) ： 7 0 8 0 E 4 吴世余， 宋新江 不透水地基上设有排水棱体堤坝渗流计算的 理论解口 岩土工程学报 ， 2 0 1 2 ， 3 4 ( 1 ) ： 1 0 2 1 0 9 5 牛文杰， 叶为民 不透水地基上均质土坝渗流 自由面的有限元 计算 J 岩土力学 ， 2 0 0 7 ， 2 8 ( s 1 ) ： 3 7 5 3 7 8 6 李跃鹏 某土石坝运行期渗流状态测试分析与理论研究 D 中 南大学 ， 2 0 1 2 7 胡冉 ， 陈益峰， 李典庆， 等 心墙堆石坝渗透稳定可靠性分析的 随机响应面法 J 岩土力学， 2 0 1 2 ， 3 3 ( 4 ) ： 1 0 5 1 1 0 6 0 E 8 劳道邦， 宋亚净 ， 刘立华 南水北调中线总干渠小近距交叉工程 渗控探讨口 南水北调与水利科技 ， 2 0 1 0 ， 8 ( 2 ) ： 1 3 1 1 3 3 E g 张可霓， 王洋 非饱和砂一 膨润土混合物渗流过程实验的数值模 拟 J 南水北调与水利科技， 2 0 1 1 ， 9 ( 3 ) ： 5 7 6 2 E l O 3 焦珍， 付晓刚， 黄云飞， 等 无限透水坝基渗流场的有限差分数 值模拟 J 南水北调与水利科技， 2 0 1 1 ， 9 ( 5 ) ： 1 2 3 1 2 6 E l 1 康雁德， 杨凡 纳子峡面板砂砾石坝渗流性态三维有限元分析 J 南水j E 调与水利科技， 2 o 1 2 ， l O ( 2 ) ： 1 5 4 1 5 7 E 1 2 J 黄影， 赵坚， 沈振中， 姜嫒媛， 金伟 两河口水电站地下厂房渗 流控制布置方案研究 J 南水北调与水利科技， 2 0 0 9 ， 7 ( 3 ) ： 3 5 3 7 7 O 1 3 李斌， 凌霄， 宋志宇 南水北调中线一期穿黄工程南岸渠道高 边坡渗流分析 J 长江科学院院报， 2 0 0 9 ， 2 6 ( 1 0 ) ： 8 2 8 6 9 1 E 1 4 3 崔皓东 ， 张家发 ， 张伟 ， 等 南水北调中线典 型承压 水地层渠段 渗流场数值分析I J 岩土力学， 2 0 1 0 ， 3 1 ( s 2 ) ： 4 4 7 4 5 1 E 1 5 J 姜海波 土石坝坝体， 坝基和水库库区土工膜防渗体力学特性 及渗透系数研究 D 新疆农业大学， 2 0 1 1 蒜交 菱 蠢 4 1 8 1