论文部分内容阅读
【摘要】水闸结构通常需要大体积混凝土浇筑，结构内部容易产生大量水化热，引起很大的温升，这种温升以及随后的降温带来的内外温差，会使闸墩与底板上产生大量的表面裂缝甚至贯穿性裂缝。本文分析了水闸产生裂缝的主要原因，并根据原因提出了有针对性的温度控制措施。
【关键词】水闸；裂缝；原因；控制措施
Study of sluice temperature crack and measures of cracks Prevention
Hu Yao-peng
（Water Conservancy Burea of Hantai District Hanzhong Shanxi 723000）
【Abstract】Sluice is an important water conservancy projects in the hydraulic structures. Sluice often carried out large pieces of pouring. The internal structure of a large amount of hydration heat, the temperature will greatly rise, this temperature rise and the subsequent cooling of the huge temperature change will produce a series of movements of the structural problems, In particular the problem of concrete cracking. The main reasons of producing temperature crack are studied and provide the temperature control and crack prevention measures.
【Key words】Sluice;Crack;Reasons;Control measures
1. 引言
水闸是一种以闸门挡水为主的低水头水工建筑物，既能挡水，又能泄水，多用于河道、渠系及水库等。水闸经常修建在一些河流的出入口处，在地势比较平缓的地区应用比较广泛。水闸属于大体积混凝土，混凝土的浇注容易产生裂缝，直接影响建筑物的结构强度和整体稳定性。轻则会影响水工建筑物的外观、正常使用和耐久性；严重的会产生贯穿性裂缝，贯穿性裂缝则可能导致混凝土结构无法正常使用，甚至完全破坏 ［1］。
2. 水闸裂缝的形成及主要原因
水闸主要由底板和闸墩组成，是倒T字型水工混凝土结构，闸墩底部受闸底板约束，上部可以自由伸缩。闸墩裂缝通常呈竖直向，两端小，中间大，呈枣核形。裂缝通常发生在施工期混凝土的表面，随后向内部扩展，由于墩墙较窄，裂缝很容易贯穿整个墩墙，形成贯穿性裂缝。底板的沉陷裂缝多为贯穿性裂缝，其走向与沉陷情况有关，一般与地面垂直或呈30～45°方向；较大的贯穿性沉陷裂缝，往往上下或左右有一定的错距，裂缝受温度变形的影响小，因荷载大小而异，且与不均匀沉降值成比例。底板表面的温度裂缝与闸墩的温度裂缝相似，当底板修建在度较大的岩基上时，受到的约束较大，有可能会产生贯穿性裂缝 ［2］。
水闸混凝土裂缝形成的原因很多，大量的工程实践证明，主要有以下几方面：（1）大体积混凝土浇注产生大量的水化热，导致内外温度梯度很大，容易产生裂缝，特别是遇到昼夜温差显著或者寒潮来袭时，在表面形成较大的温度梯度，产生温度裂缝；（2）基础对底板或底板对墩墙有较大的约束，导致拉应力过大，混凝土开裂；（3）混凝土振捣完毕后，随着水泥的凝结、硬化，混凝土的水分在空气中慢慢消失，引起混凝土干缩，形成湿度变化梯度，导致开裂；（4）混凝土各组成部分的化学反应也会产生自生体积变形，由于水泥水化反应时消耗水分，水泥供水不足，使混凝土体相对湿度降低，体积减小，导致开裂。另外，分缝分块过长，施工质量不易控制等也可能导致裂缝 ［3］。
3. 水闸防裂措施
针对水闸混凝土的开裂形式与裂缝形成原因，主要从材料、施工过程、约束以及后期养护等环节提出有针对性的温控防裂措施，防止混凝土裂缝的产生和扩展。
3.1 混凝土材料选择。
3.1.1 选择低热水泥。影响混凝土绝热温升的因素包括：水泥品种、水泥用量、混合材料品种和浇筑温度。水泥品种对绝对温升的影响主要是水泥中的矿物成份产生水化热。水泥矿物成分中发热速率最快和发热量最大的是铝酸三钙，其它成分依次为硅酸三钙和硅酸二钙。水泥越细，发热量速率越快，但细度不影响最终发热量。因此，进行水闸混凝土浇筑时，应选择水化热低的水泥，适当提高 C2S和C4AF 的含量，并限制C3A 和C3S 的含量。
3.1.2 选用热学性能好的骨料。水工混凝土各种成分的重量百分比大致为：石子63%-65%，砂子22%-23%，水泥7%-10%，水约5%。石子对混凝土热性能的影响最大，其次为砂子。因此，混凝土的热学性能在一定程度上取决于粗骨料的矿物性质，优先选用热学性能好的骨料是混凝土温度控制的根本措施之一。目前，我国各地工程所需的骨料基本是就地取材，对于天然骨料应该按规范要求进行物理力学性能试验。在缺乏天然骨料的地区使用人工骨料时，人工骨料的热膨胀系数α 和绝热温升 θ等，各地往往有很大差异。 α值的大小直接影响混凝土的温度应力，应尽量选用 α值小的骨料 ［4］。石灰岩骨料α 值小，极限拉伸值大，施工时应优先使用。
3.1.3 减少胶凝材料的用量。掺入一定量的混合料有利于降低水化热。在混凝土的掺混合料研究中，掺加粉煤灰技术已经发展较为成熟，并已在我国广泛应用。掺加粉煤灰后，虽然降低了混凝土的早期强度和极限拉伸值，但混凝土发热量大为降低。以7d龄期为例，仅从降低混凝上温升与混凝土极限拉伸值相比较（忽略混凝土早期徐变增加、弹性模量降低等因素），掺加混合料极限拉伸值会降低19×10-6m，而温度变形值会降低34.1×10-6m，可以看出，对混凝土抗裂是有利的。
同时，调整混凝土骨料级配也是一种有效手段。提高利用混凝土骨料的最大粒径，如改三级配为四级配，可以减少水泥用量。丹江口工程试验表明，最大粒径150mm的四级配比最大粒径120mm的三级配混凝土减少水泥用量2%-4%，混凝土强度不降低，而混凝土水化热可相应减少。另外，根据工程要求和建筑物所处的环境条件，选择适当的外加剂，也是减少水泥用量和降低混凝土水化热的重要措施之一。
3.2 混凝土浇筑时间。混凝土的水化反应是放热反应，而混凝土却是不良导热体，混凝土内部的热量很难散发出去。如在高温季节施工，外部的环境温度很高，不利于混凝土的散热，在混凝土的初期还可能出现混凝土吸收外界环境的热量，这样势必在混凝土的内部产生很高的温升。所以混凝土的施工应避开夏季高温时段，尤其是夏季中午时段，可以选择温度低的夜间进行施工，同时注意混凝土的养护。
在低温季节施工时，水泥的水化作用会减缓，相应的混凝土的凝固时间会增加，低温浇筑的混凝土容易冻结使混凝土强度损失，但这与养护时间有关。如在受冻前只有一个小时的凝结时间，强度损失可达到50%；如果浇筑温度为24℃，冻结前经过6h的硬化，强度损失较小。因此，避开严寒季节的施工，可以避免混凝土受冻后强度降低，减少裂缝的产生。
3.3 控制混凝土的温度。控制混凝土的温度主要包括两方面：（1）降低混凝土的入仓温度。可选择降低拌合水的温度，其方法是在拌合的时候加入适量冰屑；然而水在混凝土热容量中所占的比重并不大，单纯依靠冷水拌和及掺加冰屑，并不能充分降低混凝土入仓温度。而骨料所占比重大，根据计算，骨料温度每下降1℃，混凝土温度就下降0.42℃。因此，加强对骨料的预冷能有效提高对混凝土的制冷效率；当然在混凝土的运输过程中，应采取措施防止混凝土在运输过程中温度回升。（2）控制温升幅度。主要是通过在混凝土里埋设冷却水管，用冷却水循环带走混凝土的热量，从降低混凝土的温升峰值来减小混凝土的基础温差和混凝土的内表温差，是一种有效的温控防裂措施。
3.4 改善约束。改善约束是水闸减少裂缝的有效手段，主要措施有以下几项。
3.4.1 合理分缝分块。通过设计，有计划的用纵缝和横缝将大块的混凝土分成许多小块进行浇筑，可有效减少块体内部温升幅度，有利于混凝土的防裂；同时，由于水闸底板和闸墩的断面尺寸较大，蓄水后各部位承受不同的荷载，在不同基岩位置设置沉降缝，有利于减少沉降裂缝。
3.4.2 控制浇筑层厚度和层间间歇时间。混凝土在施工期，主要依靠浇筑层表面散热，散热效果的好坏，受到浇筑厚度和浇筑层间歇时间的影响。通过层间间歇时间把混凝土内部的热量向表面散发时，间歇时间要大于混凝土早期最高温度出现的时间。但过长的间歇时间对于上层新浇筑的混凝的防裂也是不利的。一般提倡短间歇连续均匀上升，不宜超过15天。浇筑层越薄，越有利于混凝土热量的散发，浇筑层厚度主要取决于层面散热效果，混凝土的上升速度以及施工方便程度。
3.4.3 采用吊空模板技术。由于水闸底板的面积和厚度都比较大，底板会对闸墩产生较大的约束。吊空模板技术是将闸墩混凝土分期浇筑，一期闸墩高约lm左右，并和底板连续浇筑，间歇一段时间后浇筑二期闸墩到预定高程。采用该技术可将底板对闸墩的约束改为二期闸墩对一期闸墩的约束，这样二期混凝土在垂直方向受到的约束相对较小，从而有效地降低底板对闸墩的约束。
3.4.4 设置后浇带。施工后浇带可使结构充分变形，并取消结构中的永久变形缝。后浇带原则上浇灌时间越迟越好，但考虑设备安装、使用要求等方面，后浇带浇灌应选在两个月后为宜，并且要保证至少有30%的收缩都己完成。
3.5 改善混凝土的养护混凝土的的养护是防止表面裂缝的重要措施之一。当浇灌完毕后，在相当长的时间内要保持适当的温度和足够的湿度，满足混凝土的硬化条件。混凝土养护的三要素是介质的温度、湿度及养护延续时间。
水闸混凝上的裸露面大，遇到气温骤降极易发生施工初期的表面裂缝温年变化和气温骤降也可能发生施工中、后期表面裂缝或深层裂缝。对于闸底板可以先覆盖一层草袋或土工布，然后在上面再加盖一层防水塑料膜。对于底板侧面等一些垂直面，应尽量采用导热系数低，保温效果好的竹胶模板。如果受施工条件一定要采用钢模板，可在模板外面贴上一层泡沫板或其它保温材料。在夏季高温季节，保持仓面混凝土的湿度是非常关键的，目前常用的方法是采取仓面喷雾技术能达到良好的效果。在冬季或者最低气温低于5℃以下时，振捣完成后应立即在混凝土表面盖上保温材料，提高表面混凝土的温度，降低内外温差。在选择保温材料时，应该选择导热系数低的材料 ［5］。
3.6 掺氧化镁技术。水泥中“内含”氧化镁，或混凝上中“外掺”氧化镁，它在水化过程中产生的膨胀变形，表现出一种独特的“延迟性”。这种延迟性膨胀正好符合了大体积混凝土散热慢、降温收缩变形迟缓的特点，而且由于混凝土在晚龄期弹性模量提高、徐变度变低，单位膨胀量可以提供较高的预压应力，不容易被松弛，提高了混凝土膨胀能的储存效率。膨胀变形可以作为一种潜能存在，到一定时间，混凝土温度缓慢降到稳定温度，出现最大收缩变形前，这种潜在的膨胀能再缓慢地释放，抵消温度收缩，将收缩变形控制在极限拉伸范围之内，混凝土就不致开裂。
参考文献
［1］ 沈兴华，林秋英，王新斌.观音寺闸裂缝处理及效果评价［J］.人民长江，2002（5）：15-16.
［2］ 曹为民.水闸闸墩温度场及应力场仿真分析［J］.河海大学学报（自然版）， 2002（9）：143-149.
［3］ 朱岳明，黎军，刘勇军.石梁河新建泄洪水闸闸墩裂缝成因分析［J］.红水河，2002（2）：4-6.
［4］ 刘勇军. 水工混凝土温度与防裂技术研究［D］. 南京：河海大学， 2002.
［5］ 高英.混凝土的冬季施工［J］.化工施工技术，1997（6）：121-125.
［文章编号］1006-7619（2011）08-08-803
［作者简介］ 胡姚鹏（1976-），男，籍贯：陕西汉中人，职称：助理工程师，主要从事水利工程施工技术管理工作。
【关键词】水闸；裂缝；原因；控制措施
Study of sluice temperature crack and measures of cracks Prevention
Hu Yao-peng
（Water Conservancy Burea of Hantai District Hanzhong Shanxi 723000）
【Abstract】Sluice is an important water conservancy projects in the hydraulic structures. Sluice often carried out large pieces of pouring. The internal structure of a large amount of hydration heat, the temperature will greatly rise, this temperature rise and the subsequent cooling of the huge temperature change will produce a series of movements of the structural problems, In particular the problem of concrete cracking. The main reasons of producing temperature crack are studied and provide the temperature control and crack prevention measures.
【Key words】Sluice;Crack;Reasons;Control measures
1. 引言
水闸是一种以闸门挡水为主的低水头水工建筑物，既能挡水，又能泄水，多用于河道、渠系及水库等。水闸经常修建在一些河流的出入口处，在地势比较平缓的地区应用比较广泛。水闸属于大体积混凝土，混凝土的浇注容易产生裂缝，直接影响建筑物的结构强度和整体稳定性。轻则会影响水工建筑物的外观、正常使用和耐久性；严重的会产生贯穿性裂缝，贯穿性裂缝则可能导致混凝土结构无法正常使用，甚至完全破坏 ［1］。
2. 水闸裂缝的形成及主要原因
水闸主要由底板和闸墩组成，是倒T字型水工混凝土结构，闸墩底部受闸底板约束，上部可以自由伸缩。闸墩裂缝通常呈竖直向，两端小，中间大，呈枣核形。裂缝通常发生在施工期混凝土的表面，随后向内部扩展，由于墩墙较窄，裂缝很容易贯穿整个墩墙，形成贯穿性裂缝。底板的沉陷裂缝多为贯穿性裂缝，其走向与沉陷情况有关，一般与地面垂直或呈30～45°方向；较大的贯穿性沉陷裂缝，往往上下或左右有一定的错距，裂缝受温度变形的影响小，因荷载大小而异，且与不均匀沉降值成比例。底板表面的温度裂缝与闸墩的温度裂缝相似，当底板修建在度较大的岩基上时，受到的约束较大，有可能会产生贯穿性裂缝 ［2］。
水闸混凝土裂缝形成的原因很多，大量的工程实践证明，主要有以下几方面：（1）大体积混凝土浇注产生大量的水化热，导致内外温度梯度很大，容易产生裂缝，特别是遇到昼夜温差显著或者寒潮来袭时，在表面形成较大的温度梯度，产生温度裂缝；（2）基础对底板或底板对墩墙有较大的约束，导致拉应力过大，混凝土开裂；（3）混凝土振捣完毕后，随着水泥的凝结、硬化，混凝土的水分在空气中慢慢消失，引起混凝土干缩，形成湿度变化梯度，导致开裂；（4）混凝土各组成部分的化学反应也会产生自生体积变形，由于水泥水化反应时消耗水分，水泥供水不足，使混凝土体相对湿度降低，体积减小，导致开裂。另外，分缝分块过长，施工质量不易控制等也可能导致裂缝 ［3］。
3. 水闸防裂措施
针对水闸混凝土的开裂形式与裂缝形成原因，主要从材料、施工过程、约束以及后期养护等环节提出有针对性的温控防裂措施，防止混凝土裂缝的产生和扩展。
3.1 混凝土材料选择。
3.1.1 选择低热水泥。影响混凝土绝热温升的因素包括：水泥品种、水泥用量、混合材料品种和浇筑温度。水泥品种对绝对温升的影响主要是水泥中的矿物成份产生水化热。水泥矿物成分中发热速率最快和发热量最大的是铝酸三钙，其它成分依次为硅酸三钙和硅酸二钙。水泥越细，发热量速率越快，但细度不影响最终发热量。因此，进行水闸混凝土浇筑时，应选择水化热低的水泥，适当提高 C2S和C4AF 的含量，并限制C3A 和C3S 的含量。
3.1.2 选用热学性能好的骨料。水工混凝土各种成分的重量百分比大致为：石子63%-65%，砂子22%-23%，水泥7%-10%，水约5%。石子对混凝土热性能的影响最大，其次为砂子。因此，混凝土的热学性能在一定程度上取决于粗骨料的矿物性质，优先选用热学性能好的骨料是混凝土温度控制的根本措施之一。目前，我国各地工程所需的骨料基本是就地取材，对于天然骨料应该按规范要求进行物理力学性能试验。在缺乏天然骨料的地区使用人工骨料时，人工骨料的热膨胀系数α 和绝热温升 θ等，各地往往有很大差异。 α值的大小直接影响混凝土的温度应力，应尽量选用 α值小的骨料 ［4］。石灰岩骨料α 值小，极限拉伸值大，施工时应优先使用。
3.1.3 减少胶凝材料的用量。掺入一定量的混合料有利于降低水化热。在混凝土的掺混合料研究中，掺加粉煤灰技术已经发展较为成熟，并已在我国广泛应用。掺加粉煤灰后，虽然降低了混凝土的早期强度和极限拉伸值，但混凝土发热量大为降低。以7d龄期为例，仅从降低混凝上温升与混凝土极限拉伸值相比较（忽略混凝土早期徐变增加、弹性模量降低等因素），掺加混合料极限拉伸值会降低19×10-6m，而温度变形值会降低34.1×10-6m，可以看出，对混凝土抗裂是有利的。
同时，调整混凝土骨料级配也是一种有效手段。提高利用混凝土骨料的最大粒径，如改三级配为四级配，可以减少水泥用量。丹江口工程试验表明，最大粒径150mm的四级配比最大粒径120mm的三级配混凝土减少水泥用量2%-4%，混凝土强度不降低，而混凝土水化热可相应减少。另外，根据工程要求和建筑物所处的环境条件，选择适当的外加剂，也是减少水泥用量和降低混凝土水化热的重要措施之一。
3.2 混凝土浇筑时间。混凝土的水化反应是放热反应，而混凝土却是不良导热体，混凝土内部的热量很难散发出去。如在高温季节施工，外部的环境温度很高，不利于混凝土的散热，在混凝土的初期还可能出现混凝土吸收外界环境的热量，这样势必在混凝土的内部产生很高的温升。所以混凝土的施工应避开夏季高温时段，尤其是夏季中午时段，可以选择温度低的夜间进行施工，同时注意混凝土的养护。
在低温季节施工时，水泥的水化作用会减缓，相应的混凝土的凝固时间会增加，低温浇筑的混凝土容易冻结使混凝土强度损失，但这与养护时间有关。如在受冻前只有一个小时的凝结时间，强度损失可达到50%；如果浇筑温度为24℃，冻结前经过6h的硬化，强度损失较小。因此，避开严寒季节的施工，可以避免混凝土受冻后强度降低，减少裂缝的产生。
3.3 控制混凝土的温度。控制混凝土的温度主要包括两方面：（1）降低混凝土的入仓温度。可选择降低拌合水的温度，其方法是在拌合的时候加入适量冰屑；然而水在混凝土热容量中所占的比重并不大，单纯依靠冷水拌和及掺加冰屑，并不能充分降低混凝土入仓温度。而骨料所占比重大，根据计算，骨料温度每下降1℃，混凝土温度就下降0.42℃。因此，加强对骨料的预冷能有效提高对混凝土的制冷效率；当然在混凝土的运输过程中，应采取措施防止混凝土在运输过程中温度回升。（2）控制温升幅度。主要是通过在混凝土里埋设冷却水管，用冷却水循环带走混凝土的热量，从降低混凝土的温升峰值来减小混凝土的基础温差和混凝土的内表温差，是一种有效的温控防裂措施。
3.4 改善约束。改善约束是水闸减少裂缝的有效手段，主要措施有以下几项。
3.4.1 合理分缝分块。通过设计，有计划的用纵缝和横缝将大块的混凝土分成许多小块进行浇筑，可有效减少块体内部温升幅度，有利于混凝土的防裂；同时，由于水闸底板和闸墩的断面尺寸较大，蓄水后各部位承受不同的荷载，在不同基岩位置设置沉降缝，有利于减少沉降裂缝。
3.4.2 控制浇筑层厚度和层间间歇时间。混凝土在施工期，主要依靠浇筑层表面散热，散热效果的好坏，受到浇筑厚度和浇筑层间歇时间的影响。通过层间间歇时间把混凝土内部的热量向表面散发时，间歇时间要大于混凝土早期最高温度出现的时间。但过长的间歇时间对于上层新浇筑的混凝的防裂也是不利的。一般提倡短间歇连续均匀上升，不宜超过15天。浇筑层越薄，越有利于混凝土热量的散发，浇筑层厚度主要取决于层面散热效果，混凝土的上升速度以及施工方便程度。
3.4.3 采用吊空模板技术。由于水闸底板的面积和厚度都比较大，底板会对闸墩产生较大的约束。吊空模板技术是将闸墩混凝土分期浇筑，一期闸墩高约lm左右，并和底板连续浇筑，间歇一段时间后浇筑二期闸墩到预定高程。采用该技术可将底板对闸墩的约束改为二期闸墩对一期闸墩的约束，这样二期混凝土在垂直方向受到的约束相对较小，从而有效地降低底板对闸墩的约束。
3.4.4 设置后浇带。施工后浇带可使结构充分变形，并取消结构中的永久变形缝。后浇带原则上浇灌时间越迟越好，但考虑设备安装、使用要求等方面，后浇带浇灌应选在两个月后为宜，并且要保证至少有30%的收缩都己完成。
3.5 改善混凝土的养护混凝土的的养护是防止表面裂缝的重要措施之一。当浇灌完毕后，在相当长的时间内要保持适当的温度和足够的湿度，满足混凝土的硬化条件。混凝土养护的三要素是介质的温度、湿度及养护延续时间。
水闸混凝上的裸露面大，遇到气温骤降极易发生施工初期的表面裂缝温年变化和气温骤降也可能发生施工中、后期表面裂缝或深层裂缝。对于闸底板可以先覆盖一层草袋或土工布，然后在上面再加盖一层防水塑料膜。对于底板侧面等一些垂直面，应尽量采用导热系数低，保温效果好的竹胶模板。如果受施工条件一定要采用钢模板，可在模板外面贴上一层泡沫板或其它保温材料。在夏季高温季节，保持仓面混凝土的湿度是非常关键的，目前常用的方法是采取仓面喷雾技术能达到良好的效果。在冬季或者最低气温低于5℃以下时，振捣完成后应立即在混凝土表面盖上保温材料，提高表面混凝土的温度，降低内外温差。在选择保温材料时，应该选择导热系数低的材料 ［5］。
3.6 掺氧化镁技术。水泥中“内含”氧化镁，或混凝上中“外掺”氧化镁，它在水化过程中产生的膨胀变形，表现出一种独特的“延迟性”。这种延迟性膨胀正好符合了大体积混凝土散热慢、降温收缩变形迟缓的特点，而且由于混凝土在晚龄期弹性模量提高、徐变度变低，单位膨胀量可以提供较高的预压应力，不容易被松弛，提高了混凝土膨胀能的储存效率。膨胀变形可以作为一种潜能存在，到一定时间，混凝土温度缓慢降到稳定温度，出现最大收缩变形前，这种潜在的膨胀能再缓慢地释放，抵消温度收缩，将收缩变形控制在极限拉伸范围之内，混凝土就不致开裂。
参考文献
［1］ 沈兴华，林秋英，王新斌.观音寺闸裂缝处理及效果评价［J］.人民长江，2002（5）：15-16.
［2］ 曹为民.水闸闸墩温度场及应力场仿真分析［J］.河海大学学报（自然版）， 2002（9）：143-149.
［3］ 朱岳明，黎军，刘勇军.石梁河新建泄洪水闸闸墩裂缝成因分析［J］.红水河，2002（2）：4-6.
［4］ 刘勇军. 水工混凝土温度与防裂技术研究［D］. 南京：河海大学， 2002.
［5］ 高英.混凝土的冬季施工［J］.化工施工技术，1997（6）：121-125.
［文章编号］1006-7619（2011）08-08-803
［作者简介］ 胡姚鹏（1976-），男，籍贯：陕西汉中人，职称：助理工程师，主要从事水利工程施工技术管理工作。