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【摘要】本文从原材料、施工方法、温度控制及后期护养等角度分析,以预防裂缝的产生。
【关键字】水闸（闸）墩；裂缝预防措施
1 前言
水闸是泵站（水利）中最常见的建筑物之一,是典型的钢筋混凝土结构。闸墩部位因诸多因素易产生裂缝。这种现象长期一直以来困扰着建筑工程界,没有得到很好的解决。水闸混凝土裂缝的出现给水闸本身带来很多的弊端,给水闸各功能带来不同程度的危害。在多方面收集相关资料及调研的基础上,本文针对水闸混凝土裂缝的成因及防治进行了详细的分析。
2 水闸闸墩裂缝产生的原因
2.1 闸墩混凝土内外温差大,导致裂缝
2.1.1 闸墩为大体积混凝土,因为其内外的散热条件不同,热量的传递易在内部积存,导致内部温度逐步高于外部温度。在升温阶段,外部混凝土散热条件好,热量容易散发;而内部混凝土散热条件差,内部热量散不出去,导致闸墩内外产生较大温度差。
2.1.2 因闸墩内部散热性能较低,在外界降温阶段造成外部混凝土温度低于内部。使闸墩内外混凝土形成了一温度梯度,导致了其变形的不一致。内部膨胀受到外部的限制,或相应地外部收缩受到内部约束,于是在外部混凝土中产生了拉应力。当外部混凝土拉应变达到其极限拉应变,裂缝就由此产生。
2.1.3 水闸所处的物理环境温度变化也会对闸墩裂缝造成影响。特别是遇到寒潮袭击、表面温降特别大时,裂缝更为严重。
2.2 闸墩混凝土的水分挥发严重且不均,导致裂缝
2.2.1 一方面外部混凝土水分的蒸发程度、速度均大于内部的混凝土,另一方面外部混凝土收缩的程度大于内部混凝土。就使得外部混凝土整体的拉应力逐渐增大,导致干缩裂缝的产生。
2.2.2 闸墩混凝土内部的水分,一部分提供了水泥水化的需要,另一部产生流失,但大部分水分是在浇捣完毕后慢慢蒸发掉。随着水泥的凝结、硬化,混凝土中的水分在未饱和空气中慢慢散失,引起混凝土的水分蒸发及含湿量的不均匀分布,形成湿度变化梯度,从而导致裂缝的产生。
2.3 混凝土自生体积变形,导致裂缝
2.3.1 由于水泥水化时消耗水分造成凝胶孔的液面下降,形成弯月;另一方面,水泥供水不足时,会产生自干燥作用,使混凝土体相对湿度降低,体积变小。水闸闸墩断面尺寸虽然不是很大,但属于必须解决水化热问题的大体积混凝土结构,必须考虑自生收缩参与温度收缩等叠加的影响。影响混凝土自生体积收缩的因素主要是材料的化学成分和水灰比。
2.3.2 排除混凝土的水分蒸发,其各组成部分的化学反应也会产生自生体积变形。在底板约束影响范围内,膨胀型自生体积变形会产生预压应力,有利于防裂;收缩型自生体积变形则不利于防裂。普通混凝土的自生体积变形通常为收缩型的。混凝土的自生收缩一般在拆模之前完成。虽然其量值不大,但如果同其他收缩加在一起,就会使表面拉应力增大,产生裂缝。因此,必须考虑自生收缩参与温度收缩等叠加的影响。
2.4 外部约束导致产生裂缝
2.4.1 闸墩是底部固结在底板上,上部自由的结构。外部约束主要受闸墩的分缝长度和底板与闸墩混凝土的浇筑时间间隔影响。闸墩在沿其高度方向可以自由伸缩,不受约束;厚度方向由于闸墩厚度不大,约束很小;而在沿水流方向,则受底板约束相对很大。
2.4.2 闸墩混凝土浇筑早期,产生大量水化热,温度升高,体积膨胀,受到底板约束,产生压应力,但弹性模量低,产生的压应力很小。随着热量的散发,混凝土开始降温,加之干缩、自生体积变形等影响,体积开始收缩,同样受到底板約束,产生拉应力,此时混凝土弹性模量已增大很多,产生的拉应力足以很快抵消早期产生的压应力,并进而出现较大的净拉应力。由于沿水流方向受到的约束最大,则该方向的拉应力也最大,此时混凝土龄期短,强度低,产生的拉应力易超过其抗拉强度,于是在闸墩上产生了常见的垂直于底板和水流方向的裂缝。
3 预防闸墩混凝土裂缝的预防措施
根据以上的分析可知,混凝土各种不同情况下的开裂有着多方面的原因,并且通常是多方面作用的结果。为防止混凝土的开裂,可从以下几个方面进行预防。
3.1 选择合理的原材料配合比
3.1.1 为了降低水化热,可采用中热硅酸盐水泥或低热矿渣硅酸盐水泥。减少水泥用量,可降低水化热,降低混凝土的拉应力。
3.1.2 在混凝土中掺活性混合料,如在混凝土中掺粉煤灰,可使混凝土最高温度降低,并可将达到最高温度的时间向后推迟,有利于热量消散,用时间控制裂缝。
3.1.3 使用外加剂进行裂缝的预防。例如掺加20%粉煤灰、缓凝剂、减少剂等可减慢混凝土放热的速度,减少混凝土裂缝的产生。
3.1.4 使用膨胀剂可以补偿混凝土的自生收缩,产生一定的预压应力,抵消结构由于收缩产生的拉应力。要注意膨胀剂应使用在闸墩底部有外部约束的部位,注意各部位混凝土膨胀变形的协调性,避免内部膨胀大于表面膨胀现象的出现。
此外,要特别注意混凝土合理配合比的设计。
3.2 严格控制施工方法及工艺
3.2.1 为了使混凝土更好地散热,可分层浇筑混凝土,分层的深度为1.0～1.5m。上一层混凝土的浇筑在前一层混凝土初凝前浇完,最底一层混凝土可与底板同时浇筑,这样就可削弱或消除底板对闸墩混凝土的约束。
3.2.2 对于不渗水的干燥缝的处理,首先用环氧腻子均匀封缝,然后使用结构胶将裂缝两边各2cm范围内的表面批2~5mm厚做第二道密封层,以确保灌浆时裂缝中的浆液不会泄漏。
3.2.3 对于潮湿缝的处理,首先用堵漏剂堵水,待干燥后,在裂缝两边各2cm宽的范围用结构胶批2~5mm厚做为保护层,确保裂缝不漏浆。
3.2.4 按由下而上的顺序进行灌浆。灌浆过程中,保持工作压力在0.1~0.3Mpa,当灌到最后一个灌浆嘴时,应适当加大压力迸浆。浆液固化以后,沿裂缝走向,凿除封缝用的结构胶、灌浆嘴及残留物,,并用聚合物水泥砂浆找平对裂缝表面进行防护。
3.3 进行温度控制
3.3.1 降低混凝土的入仓温度,使现场新拌混凝土的温度控制在6℃左右。
3.3.2 在高温期拌和时,加入冰片代替一部分水进行混凝土冷却。
3.3.3 浇筑时间选择在秋季,而且避开午间高温时浇筑。
3.3.4 对运送混凝土的工具或浇筑仓面采取遮阳和降温措施,在混凝土内部埋设冷却水管,用人工冷却水进行人工导热,降低混凝土的内部温度。
3.3.5 对于外部混凝土进行隔热保护,以调节表面温度下降的速度,使内外温差减小。
3.4 定期进行闸墩养护
3.4.1 早期养护可以在模板未拆时,尽可能减少环境风速。
3.4.2 拆模后可从结构顶部浇水或淋水,保证混凝土表面湿润,若在闸墩四周裹上不透气塑料膜后再浇水或淋水,则养护效果会更好。
3.4.3 拆模后立即在混凝土表面涂上防裂剂,以便能起到保湿的作用。
4 结论
水闸闸墩混凝土结构的裂缝问题突出且复杂,已受到越来越多的重视。在采取防裂预防措施时,要分析其主要原因,综合考虑各种预防措施对混凝土抗裂能力的评价,以便采取最为有效的防裂措施;同时要加强科学研究工作,分析裂缝产生的内在动因,以便提出新的技术、新的方法;另一方面要加设计、施工、监管部门之间的合作,尽力将裂缝降低到最小程度。
【关键字】水闸（闸）墩；裂缝预防措施
1 前言
水闸是泵站（水利）中最常见的建筑物之一,是典型的钢筋混凝土结构。闸墩部位因诸多因素易产生裂缝。这种现象长期一直以来困扰着建筑工程界,没有得到很好的解决。水闸混凝土裂缝的出现给水闸本身带来很多的弊端,给水闸各功能带来不同程度的危害。在多方面收集相关资料及调研的基础上,本文针对水闸混凝土裂缝的成因及防治进行了详细的分析。
2 水闸闸墩裂缝产生的原因
2.1 闸墩混凝土内外温差大,导致裂缝
2.1.1 闸墩为大体积混凝土,因为其内外的散热条件不同,热量的传递易在内部积存,导致内部温度逐步高于外部温度。在升温阶段,外部混凝土散热条件好,热量容易散发;而内部混凝土散热条件差,内部热量散不出去,导致闸墩内外产生较大温度差。
2.1.2 因闸墩内部散热性能较低,在外界降温阶段造成外部混凝土温度低于内部。使闸墩内外混凝土形成了一温度梯度,导致了其变形的不一致。内部膨胀受到外部的限制,或相应地外部收缩受到内部约束,于是在外部混凝土中产生了拉应力。当外部混凝土拉应变达到其极限拉应变,裂缝就由此产生。
2.1.3 水闸所处的物理环境温度变化也会对闸墩裂缝造成影响。特别是遇到寒潮袭击、表面温降特别大时,裂缝更为严重。
2.2 闸墩混凝土的水分挥发严重且不均,导致裂缝
2.2.1 一方面外部混凝土水分的蒸发程度、速度均大于内部的混凝土,另一方面外部混凝土收缩的程度大于内部混凝土。就使得外部混凝土整体的拉应力逐渐增大,导致干缩裂缝的产生。
2.2.2 闸墩混凝土内部的水分,一部分提供了水泥水化的需要,另一部产生流失,但大部分水分是在浇捣完毕后慢慢蒸发掉。随着水泥的凝结、硬化,混凝土中的水分在未饱和空气中慢慢散失,引起混凝土的水分蒸发及含湿量的不均匀分布,形成湿度变化梯度,从而导致裂缝的产生。
2.3 混凝土自生体积变形,导致裂缝
2.3.1 由于水泥水化时消耗水分造成凝胶孔的液面下降,形成弯月;另一方面,水泥供水不足时,会产生自干燥作用,使混凝土体相对湿度降低,体积变小。水闸闸墩断面尺寸虽然不是很大,但属于必须解决水化热问题的大体积混凝土结构,必须考虑自生收缩参与温度收缩等叠加的影响。影响混凝土自生体积收缩的因素主要是材料的化学成分和水灰比。
2.3.2 排除混凝土的水分蒸发,其各组成部分的化学反应也会产生自生体积变形。在底板约束影响范围内,膨胀型自生体积变形会产生预压应力,有利于防裂;收缩型自生体积变形则不利于防裂。普通混凝土的自生体积变形通常为收缩型的。混凝土的自生收缩一般在拆模之前完成。虽然其量值不大,但如果同其他收缩加在一起,就会使表面拉应力增大,产生裂缝。因此,必须考虑自生收缩参与温度收缩等叠加的影响。
2.4 外部约束导致产生裂缝
2.4.1 闸墩是底部固结在底板上,上部自由的结构。外部约束主要受闸墩的分缝长度和底板与闸墩混凝土的浇筑时间间隔影响。闸墩在沿其高度方向可以自由伸缩,不受约束;厚度方向由于闸墩厚度不大,约束很小;而在沿水流方向,则受底板约束相对很大。
2.4.2 闸墩混凝土浇筑早期,产生大量水化热,温度升高,体积膨胀,受到底板约束,产生压应力,但弹性模量低,产生的压应力很小。随着热量的散发,混凝土开始降温,加之干缩、自生体积变形等影响,体积开始收缩,同样受到底板約束,产生拉应力,此时混凝土弹性模量已增大很多,产生的拉应力足以很快抵消早期产生的压应力,并进而出现较大的净拉应力。由于沿水流方向受到的约束最大,则该方向的拉应力也最大,此时混凝土龄期短,强度低,产生的拉应力易超过其抗拉强度,于是在闸墩上产生了常见的垂直于底板和水流方向的裂缝。
3 预防闸墩混凝土裂缝的预防措施
根据以上的分析可知,混凝土各种不同情况下的开裂有着多方面的原因,并且通常是多方面作用的结果。为防止混凝土的开裂,可从以下几个方面进行预防。
3.1 选择合理的原材料配合比
3.1.1 为了降低水化热,可采用中热硅酸盐水泥或低热矿渣硅酸盐水泥。减少水泥用量,可降低水化热,降低混凝土的拉应力。
3.1.2 在混凝土中掺活性混合料,如在混凝土中掺粉煤灰,可使混凝土最高温度降低,并可将达到最高温度的时间向后推迟,有利于热量消散,用时间控制裂缝。
3.1.3 使用外加剂进行裂缝的预防。例如掺加20%粉煤灰、缓凝剂、减少剂等可减慢混凝土放热的速度,减少混凝土裂缝的产生。
3.1.4 使用膨胀剂可以补偿混凝土的自生收缩,产生一定的预压应力,抵消结构由于收缩产生的拉应力。要注意膨胀剂应使用在闸墩底部有外部约束的部位,注意各部位混凝土膨胀变形的协调性,避免内部膨胀大于表面膨胀现象的出现。
此外,要特别注意混凝土合理配合比的设计。
3.2 严格控制施工方法及工艺
3.2.1 为了使混凝土更好地散热,可分层浇筑混凝土,分层的深度为1.0～1.5m。上一层混凝土的浇筑在前一层混凝土初凝前浇完,最底一层混凝土可与底板同时浇筑,这样就可削弱或消除底板对闸墩混凝土的约束。
3.2.2 对于不渗水的干燥缝的处理,首先用环氧腻子均匀封缝,然后使用结构胶将裂缝两边各2cm范围内的表面批2~5mm厚做第二道密封层,以确保灌浆时裂缝中的浆液不会泄漏。
3.2.3 对于潮湿缝的处理,首先用堵漏剂堵水,待干燥后,在裂缝两边各2cm宽的范围用结构胶批2~5mm厚做为保护层,确保裂缝不漏浆。
3.2.4 按由下而上的顺序进行灌浆。灌浆过程中,保持工作压力在0.1~0.3Mpa,当灌到最后一个灌浆嘴时,应适当加大压力迸浆。浆液固化以后,沿裂缝走向,凿除封缝用的结构胶、灌浆嘴及残留物,,并用聚合物水泥砂浆找平对裂缝表面进行防护。
3.3 进行温度控制
3.3.1 降低混凝土的入仓温度,使现场新拌混凝土的温度控制在6℃左右。
3.3.2 在高温期拌和时,加入冰片代替一部分水进行混凝土冷却。
3.3.3 浇筑时间选择在秋季,而且避开午间高温时浇筑。
3.3.4 对运送混凝土的工具或浇筑仓面采取遮阳和降温措施,在混凝土内部埋设冷却水管,用人工冷却水进行人工导热,降低混凝土的内部温度。
3.3.5 对于外部混凝土进行隔热保护,以调节表面温度下降的速度,使内外温差减小。
3.4 定期进行闸墩养护
3.4.1 早期养护可以在模板未拆时,尽可能减少环境风速。
3.4.2 拆模后可从结构顶部浇水或淋水,保证混凝土表面湿润,若在闸墩四周裹上不透气塑料膜后再浇水或淋水,则养护效果会更好。
3.4.3 拆模后立即在混凝土表面涂上防裂剂,以便能起到保湿的作用。
4 结论
水闸闸墩混凝土结构的裂缝问题突出且复杂,已受到越来越多的重视。在采取防裂预防措施时,要分析其主要原因,综合考虑各种预防措施对混凝土抗裂能力的评价,以便采取最为有效的防裂措施;同时要加强科学研究工作,分析裂缝产生的内在动因,以便提出新的技术、新的方法;另一方面要加设计、施工、监管部门之间的合作,尽力将裂缝降低到最小程度。