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摘要：水闸闸墩是水利工程的重要组成部分,属于混凝土结构,但在浇筑后时常会出现裂缝的现象，给水闸的运行带来安全隐患。本文结合笔者多年实践经验，分析了水闸闸墩裂缝形成的原因，并从材料、施工过程、约束以及后期养护等环节提出有效的温控防裂措施，防止混凝土裂缝的产生和扩展。供类似工程参考。
关键词：水闸闸墩；混凝土裂缝；内外温差；防裂措施
中图分类号：TU37 文献标识码：A 文章编号：
1 引言
随着我国经济建设的快速发展，政府加大了对城市水利基础设施的建设投入，水闸工程数量日益增加。水闸是常见的水工建筑物，具有排洪、排涝、减灾等作用，主要应用于水库的水位控制及水量调节当中。水闸闸墩为混凝土结构，和很多混凝土工程一样，水闸闸墩在浇筑完成后时常有裂缝产生的现象，这不仅影响到水闸闸墩建筑物的整体性能和使用寿命，严重情况下会影响到建筑物的结构强度和整体稳定性，导致混凝土结构无法正常使用。裂缝问题长期以来困扰着水利工程界，一直未能得到很好地解决。因此，本文对水闸闸墩裂缝产生的原因进行分析，提出一些针对性的温控防裂措施，这对做好水闸闸墩混凝土裂缝的防治工作具有重要意义。
2 水闸闸墩裂缝形成原因分析
水闸主要是由底板和闸墩组成,是呈倒T字形“墙板”式水工混凝土结构,闸墩底部受闸底板约束，上部可以自由伸缩。混凝土具有热胀冷缩的性质，其线膨胀系数一般为1.0×10-5／℃左右，水化反应时产生大量的水化热，在1～3d内可放出热量的50％，甚至更多。当混凝土达到最高温度后，随着热量的散发又开始降温，直到与环境温度相同。当温度发生变化时，混凝土内外产生较大温差，而建筑物往往受到各种约束，在温度变形和约束的共同作用下，产生较大温度应力而形成裂缝。闸墩混凝土裂缝形成的主要原因有：内外温差、底板约束和混凝土收缩。
2.1 内外温差
闸墩作为大体积混凝土，再加上混凝土是热的不良导体，因此在闸墩内部和表面易形成温差。对于闸墩混凝土，在早期容易产生“内部受压、表面受拉”的情况。混凝土的温度变化大体上可以分为升温和降温两个阶段。
在混凝土浇筑后的温升时期，水化反应产生大量热，混凝土温度上升，热量传递的时候容易在内部积存，表面混凝土的温升幅度远小于内部混凝土。大约在2d后，内部混凝土的温度达到峰值，此时内外温差也达到最大。虽然闸墩内外混凝土都处于膨胀变形状态，相对于内部混凝土来讲，外部混凝土处于收缩状态，从而形成变形约束，导致闸墩表面产生拉应力，内部出现压应力。由于早期混凝土弹性模量小，而应力很大，因此容易产生裂缝。
升温阶段结束后，是散热阶段。闸墩内外混凝土温度都逐渐降低，但内外散热条件不同，外部混凝土和外界环境接触，热量容易散发，内部混凝土散热条件差，于是在降温阶段又造成了外部温度低于内部温度，与升温阶段产生同一方向的温度梯度，导致了变形的不一致。内部膨胀受到外部的限制，外部收缩受到内部约束，于是在表面混凝土中产生了拉应力。拉应力超过极限抗拉强度时，裂缝就会产生。
另外，在遭遇寒潮或者昼夜温差较大的天气时，混凝土表面的温度急剧降低，内外温差会突然变大，导致裂缝的产生。
2.2 底板约束
闸墩是底板固结在底板上。上部自由的结构。由于底板和闸墩混凝土施工间隙时间较长，在建筑闸墩时，底板混凝土已经固结。闸墩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；而沿水流方向，则受板约束相对很大。后期闸墩混凝土除自身相互约束外，底板对闸墩的约束作用强。早期混凝土弹性模量较少、徐变度大，还处在塑性状态，而当混凝土温度下降时，由于底板对降温引起的混凝土收缩有约束作用，混凝土内部会产生较大的拉应力，闸墩中间靠近底板的部位通常成为闸墩拉应力最大的区域。当拉应力超过混凝土极限抗拉强度时，便会开裂。
2.3 混凝土收缩
混凝土的收缩分为干缩、自身收缩和塑性收缩。水化反应中，随着水泥的凝结、硬化，混凝土中的水分会慢慢挥发，引起混凝土体积缩小、变形，这种变形称为干缩。由于表面混凝土跟空气接触，水分蒸发的速度总比内部混凝土快。表面混凝土的收缩程度比内部混凝土大，收缩变形会受到内部混凝土的制約，因此在表面混凝土中会产生拉应力，从而导致裂缝的产生。虽然干缩裂缝只发生在混凝土的表面，且比较细小，但时间较长会诱导裂缝的发展，危及结构的安全。
自身收缩与干缩一样，都是由于水的迁移而引起的。但自身收缩不是由于水向外蒸发散失，而是因为水泥水化时消耗水分造成凝胶孔的液面下降，形成弯月面，产生自干燥作用，使混凝土体的体积减小。通常，水灰比的变化对干燥收缩和自身收缩的影响是不一样的。当混凝土的水灰比降低时，干燥收缩减小，而自身收缩增大。但是，当水灰比小于0.135时，体内相对湿度会很快降低到80％以下，自身收缩与干缩几乎各占一半。此外，两种收缩完成的时间也不一样。在模板拆除之前，混凝土的自身收缩几乎已经产生；而干燥收缩，除了未盖且暴露面很大的地面以外，许多构件的干缩都发生在拆模以后。在大体积混凝土里，即使水灰比并不低，自身收缩量值也不大，但是它与温度收缩叠加到一起，就会使裂缝迅速扩展。
3水闸闸墩温控防裂措施
3.1 混凝土材料选择
(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分产生水化热。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，其他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。
(2)选用热学性能好的骨料
水工混凝土各种成分的质量百分比大致为：石子63％～65％，砂子22％～23％，水泥7％～1O％，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，应尽量选用线膨胀系数小的骨料。
(3)减少胶凝材料的用量
掺人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，但混凝土发热量大大降低。以7d龄期为例，仅从降低混凝土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19×10-6mm，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。
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。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，相应的混凝土凝固时间会增加，低温浇筑的混凝土容易冻结而使混凝土强度减小，但这与养护时间有关。如在受冻前只有1h的凝结时间，强度损失可达到5O％；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以下两个方面：
(1)降低混凝土的入仓温度。可选择降低拌和水的温度，其方法是在拌和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人仓温度。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：
(1)合理分缝分块。通过设计，有计划地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。
(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土的防裂也是不利的。一般提倡短间歇连续均匀上升，不宜超过15d。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、混凝土的上升速度及施工方便程度。此外，采用吊空模板技术和设置后浇带，也可以有效改善约束。
3.5 改善混凝土的养护
混凝土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。
水闸混凝土的裸露面大，施工初期气温骤降时极易发生表面裂缝；此外，施工中、后期气温骤降也可能产生表面裂缝或深层裂缝。对于闸墩，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。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，能達到良好的效果。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。
4 结语
综上所述，水闸闸墩的防裂工作是一项系统性的工程，闸墩裂缝的原因是多方面的，包括内外温差、底板约束和混凝土收缩等因素。因此，水利人员应针对裂缝产生的原因，从做好材料选取、施工过程、约束改善以及后期养护等环节入手，采取有效的防治措施，及时消除安全隐患，防止混凝土裂缝的产生和扩展，确保水利工程的正常运行。
参考文献
[1] 周峰.水闸闸墩裂缝成因及防治措施[J].科技信息，2012年第21期
[2] 戴亚飞；符国兵.水利工程闸墩裂缝的成因及预防措施[J].水利建设与管理，2012年第04期
关键词：水闸闸墩；混凝土裂缝；内外温差；防裂措施
中图分类号：TU37 文献标识码：A 文章编号：
1 引言
随着我国经济建设的快速发展，政府加大了对城市水利基础设施的建设投入，水闸工程数量日益增加。水闸是常见的水工建筑物，具有排洪、排涝、减灾等作用，主要应用于水库的水位控制及水量调节当中。水闸闸墩为混凝土结构，和很多混凝土工程一样，水闸闸墩在浇筑完成后时常有裂缝产生的现象，这不仅影响到水闸闸墩建筑物的整体性能和使用寿命，严重情况下会影响到建筑物的结构强度和整体稳定性，导致混凝土结构无法正常使用。裂缝问题长期以来困扰着水利工程界，一直未能得到很好地解决。因此，本文对水闸闸墩裂缝产生的原因进行分析，提出一些针对性的温控防裂措施，这对做好水闸闸墩混凝土裂缝的防治工作具有重要意义。
2 水闸闸墩裂缝形成原因分析
水闸主要是由底板和闸墩组成,是呈倒T字形“墙板”式水工混凝土结构,闸墩底部受闸底板约束，上部可以自由伸缩。混凝土具有热胀冷缩的性质，其线膨胀系数一般为1.0×10-5／℃左右，水化反应时产生大量的水化热，在1～3d内可放出热量的50％，甚至更多。当混凝土达到最高温度后，随着热量的散发又开始降温，直到与环境温度相同。当温度发生变化时，混凝土内外产生较大温差，而建筑物往往受到各种约束，在温度变形和约束的共同作用下，产生较大温度应力而形成裂缝。闸墩混凝土裂缝形成的主要原因有：内外温差、底板约束和混凝土收缩。
2.1 内外温差
闸墩作为大体积混凝土，再加上混凝土是热的不良导体，因此在闸墩内部和表面易形成温差。对于闸墩混凝土，在早期容易产生“内部受压、表面受拉”的情况。混凝土的温度变化大体上可以分为升温和降温两个阶段。
在混凝土浇筑后的温升时期，水化反应产生大量热，混凝土温度上升，热量传递的时候容易在内部积存，表面混凝土的温升幅度远小于内部混凝土。大约在2d后，内部混凝土的温度达到峰值，此时内外温差也达到最大。虽然闸墩内外混凝土都处于膨胀变形状态，相对于内部混凝土来讲，外部混凝土处于收缩状态，从而形成变形约束，导致闸墩表面产生拉应力，内部出现压应力。由于早期混凝土弹性模量小，而应力很大，因此容易产生裂缝。
升温阶段结束后，是散热阶段。闸墩内外混凝土温度都逐渐降低，但内外散热条件不同，外部混凝土和外界环境接触，热量容易散发，内部混凝土散热条件差，于是在降温阶段又造成了外部温度低于内部温度，与升温阶段产生同一方向的温度梯度，导致了变形的不一致。内部膨胀受到外部的限制，外部收缩受到内部约束，于是在表面混凝土中产生了拉应力。拉应力超过极限抗拉强度时，裂缝就会产生。
另外，在遭遇寒潮或者昼夜温差较大的天气时，混凝土表面的温度急剧降低，内外温差会突然变大，导致裂缝的产生。
2.2 底板约束
闸墩是底板固结在底板上。上部自由的结构。由于底板和闸墩混凝土施工间隙时间较长，在建筑闸墩时，底板混凝土已经固结。闸墩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；而沿水流方向，则受板约束相对很大。后期闸墩混凝土除自身相互约束外，底板对闸墩的约束作用强。早期混凝土弹性模量较少、徐变度大，还处在塑性状态，而当混凝土温度下降时，由于底板对降温引起的混凝土收缩有约束作用，混凝土内部会产生较大的拉应力，闸墩中间靠近底板的部位通常成为闸墩拉应力最大的区域。当拉应力超过混凝土极限抗拉强度时，便会开裂。
2.3 混凝土收缩
混凝土的收缩分为干缩、自身收缩和塑性收缩。水化反应中，随着水泥的凝结、硬化，混凝土中的水分会慢慢挥发，引起混凝土体积缩小、变形，这种变形称为干缩。由于表面混凝土跟空气接触，水分蒸发的速度总比内部混凝土快。表面混凝土的收缩程度比内部混凝土大，收缩变形会受到内部混凝土的制約，因此在表面混凝土中会产生拉应力，从而导致裂缝的产生。虽然干缩裂缝只发生在混凝土的表面，且比较细小，但时间较长会诱导裂缝的发展，危及结构的安全。
自身收缩与干缩一样，都是由于水的迁移而引起的。但自身收缩不是由于水向外蒸发散失，而是因为水泥水化时消耗水分造成凝胶孔的液面下降，形成弯月面，产生自干燥作用，使混凝土体的体积减小。通常，水灰比的变化对干燥收缩和自身收缩的影响是不一样的。当混凝土的水灰比降低时，干燥收缩减小，而自身收缩增大。但是，当水灰比小于0.135时，体内相对湿度会很快降低到80％以下，自身收缩与干缩几乎各占一半。此外，两种收缩完成的时间也不一样。在模板拆除之前，混凝土的自身收缩几乎已经产生；而干燥收缩，除了未盖且暴露面很大的地面以外，许多构件的干缩都发生在拆模以后。在大体积混凝土里，即使水灰比并不低，自身收缩量值也不大，但是它与温度收缩叠加到一起，就会使裂缝迅速扩展。
3水闸闸墩温控防裂措施
3.1 混凝土材料选择
(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分产生水化热。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，其他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。
(2)选用热学性能好的骨料
水工混凝土各种成分的质量百分比大致为：石子63％～65％，砂子22％～23％，水泥7％～1O％，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，应尽量选用线膨胀系数小的骨料。
(3)减少胶凝材料的用量
掺人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，但混凝土发热量大大降低。以7d龄期为例，仅从降低混凝土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19×10-6mm，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。
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。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，相应的混凝土凝固时间会增加，低温浇筑的混凝土容易冻结而使混凝土强度减小，但这与养护时间有关。如在受冻前只有1h的凝结时间，强度损失可达到5O％；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以下两个方面：
(1)降低混凝土的入仓温度。可选择降低拌和水的温度，其方法是在拌和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人仓温度。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：
(1)合理分缝分块。通过设计，有计划地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。
(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土的防裂也是不利的。一般提倡短间歇连续均匀上升，不宜超过15d。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、混凝土的上升速度及施工方便程度。此外，采用吊空模板技术和设置后浇带，也可以有效改善约束。
3.5 改善混凝土的养护
混凝土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。
水闸混凝土的裸露面大，施工初期气温骤降时极易发生表面裂缝；此外，施工中、后期气温骤降也可能产生表面裂缝或深层裂缝。对于闸墩，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。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，能達到良好的效果。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。
4 结语
综上所述，水闸闸墩的防裂工作是一项系统性的工程，闸墩裂缝的原因是多方面的，包括内外温差、底板约束和混凝土收缩等因素。因此，水利人员应针对裂缝产生的原因，从做好材料选取、施工过程、约束改善以及后期养护等环节入手，采取有效的防治措施，及时消除安全隐患，防止混凝土裂缝的产生和扩展，确保水利工程的正常运行。
参考文献
[1] 周峰.水闸闸墩裂缝成因及防治措施[J].科技信息，2012年第21期
[2] 戴亚飞；符国兵.水利工程闸墩裂缝的成因及预防措施[J].水利建设与管理，2012年第04期