水閘閘墩裂縫形成原因分析及防裂措施

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 　　摘要：水閘閘墩是水利工程的重要組成部分,屬于混凝土結(jié)構(gòu),但在澆筑后時(shí)常會(huì)出現(xiàn)裂縫的現(xiàn)象，給水閘的運(yùn)行帶來安全隱患。本文結(jié)合筆者多年實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，分析了水閘閘墩裂縫形成的原因，并從材料、施工過程、約束以及后期養(yǎng)護(hù)等環(huán)節(jié)提出有效的溫控防裂措施，防止混凝土裂縫的產(chǎn)生和擴(kuò)展。供類似工程參考。 

  　　關(guān)鍵詞：水閘閘墩；混凝土裂縫；內(nèi)外溫差；防裂措施  　　中圖分類號(hào)：TU37 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：  　　1 引言  　　隨著我國經(jīng)濟(jì)建設(shè)的快速發(fā)展，政府加大了對(duì)城市水利基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)投入，水閘工程數(shù)量日益增加。水閘是常見的水工建筑物，具有排洪、排澇、減災(zāi)等作用，主要應(yīng)用于水庫的水位控制及水量調(diào)節(jié)當(dāng)中。水閘閘墩為混凝土結(jié)構(gòu)，和很多混凝土工程一樣，水閘閘墩在澆筑完成后時(shí)常有裂縫產(chǎn)生的現(xiàn)象，這不僅影響到水閘閘墩建筑物的整體性能和使用壽命，嚴(yán)重情況下會(huì)影響到建筑物的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和整體穩(wěn)定性，導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)無法正常使用。裂縫問題長期以來困擾著水利工程界，一直未能得到很好地解決。因此，本文對(duì)水閘閘墩裂縫產(chǎn)生的原因進(jìn)行分析，提出一些針對(duì)性的溫控防裂措施，這對(duì)做好水閘閘墩混凝土裂縫的防治工作具有重要意義。  　　2 水閘閘墩裂縫形成原因分析  　　水閘主要是由底板和閘墩組成,是呈倒T字形“墻板”式水工混凝土結(jié)構(gòu),閘墩底部受閘底板約束，上部可以自由伸縮?；炷辆哂袩崦浝淇s的性質(zhì)，其線膨脹系數(shù)一般為1.0×10-5／℃左右，水化反應(yīng)時(shí)產(chǎn)生大量的水化熱，在1～3d內(nèi)可放出熱量的50％，甚至更多。當(dāng)混凝土達(dá)到最高溫度后，隨著熱量的散發(fā)又開始降溫，直到與環(huán)境溫度相同。當(dāng)溫度發(fā)生變化時(shí)，混凝土內(nèi)外產(chǎn)生較大溫差，而建筑物往往受到各種約束，在溫度變形和約束的共同作用下，產(chǎn)生較大溫度應(yīng)力而形成裂縫。閘墩混凝土裂縫形成的主要原因有：內(nèi)外溫差、底板約束和混凝土收縮。  　　2.1 內(nèi)外溫差  　　閘墩作為大體積混凝土，再加上混凝土是熱的不良導(dǎo)體，因此在閘墩內(nèi)部和表面易形成溫差。對(duì)于閘墩混凝土，在早期容易產(chǎn)生“內(nèi)部受壓、表面受拉”的情況。混凝土的溫度變化大體上可以分為升溫和降溫兩個(gè)階段。  　　在混凝土澆筑后的溫升時(shí)期，水化反應(yīng)產(chǎn)生大量熱，混凝土溫度上升，熱量傳遞的時(shí)候容易在內(nèi)部積存，表面混凝土的溫升幅度遠(yuǎn)小于內(nèi)部混凝土。大約在2d后，內(nèi)部混凝土的溫度達(dá)到峰值，此時(shí)內(nèi)外溫差也達(dá)到最大。雖然閘墩內(nèi)外混凝土都處于膨脹變形狀態(tài)，相對(duì)于內(nèi)部混凝土來講，外部混凝土處于收縮狀態(tài)，從而形成變形約束，導(dǎo)致閘墩表面產(chǎn)生拉應(yīng)力，內(nèi)部出現(xiàn)壓應(yīng)力。由于早期混凝土彈性模量小，而應(yīng)力很大，因此容易產(chǎn)生裂縫。  　　升溫階段結(jié)束后，是散熱階段。閘墩內(nèi)外混凝土溫度都逐漸降低，但內(nèi)外散熱條件不同，外部混凝土和外界環(huán)境接觸，熱量容易散發(fā)，內(nèi)部混凝土散熱條件差，于是在降溫階段又造成了外部溫度低于內(nèi)部溫度，與升溫階段產(chǎn)生同一方向的溫度梯度，導(dǎo)致了變形的不一致。內(nèi)部膨脹受到外部的限制，外部收縮受到內(nèi)部約束，于是在表面混凝土中產(chǎn)生了拉應(yīng)力。拉應(yīng)力超過極限抗拉強(qiáng)度時(shí)，裂縫就會(huì)產(chǎn)生。  　　另外，在遭遇寒潮或者晝夜溫差較大的天氣時(shí)，混凝土表面的溫度急劇降低，內(nèi)外溫差會(huì)突然變大，導(dǎo)致裂縫的產(chǎn)生。  　　2.2 底板約束  　　閘墩是底板固結(jié)在底板上。上部自由的結(jié)構(gòu)。由于底板和閘墩混凝土施工間隙時(shí)間較長，在建筑閘墩時(shí)，底板混凝土已經(jīng)固結(jié)。閘墩沿其高度方向可以自由伸縮，不受約束；厚度方向由于閘墩厚度不大，約束很??；而沿水流方向，則受板約束相對(duì)很大。后期閘墩混凝土除自身相互約束外，底板對(duì)閘墩的約束作用強(qiáng)。早期混凝土彈性模量較少、徐變度大，還處在塑性狀態(tài)，而當(dāng)混凝土溫度下降時(shí)，由于底板對(duì)降溫引起的混凝土收縮有約束作用，混凝土內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生較大的拉應(yīng)力，閘墩中間靠近底板的部位通常成為閘墩拉應(yīng)力最大的區(qū)域。當(dāng)拉應(yīng)力超過混凝土極限抗拉強(qiáng)度時(shí)，便會(huì)開裂。  　　2.3 混凝土收縮  　　混凝土的收縮分為干縮、自身收縮和塑性收縮。水化反應(yīng)中，隨著水泥的凝結(jié)、硬化，混凝土中的水分會(huì)慢慢揮發(fā)，引起混凝土體積縮小、變形，這種變形稱為干縮。由于表面混凝土跟空氣接觸，水分蒸發(fā)的速度總比內(nèi)部混凝土快。表面混凝土的收縮程度比內(nèi)部混凝土大，收縮變形會(huì)受到內(nèi)部混凝土的制約，因此在表面混凝土中會(huì)產(chǎn)生拉應(yīng)力，從而導(dǎo)致裂縫的產(chǎn)生。雖然干縮裂縫只發(fā)生在混凝土的表面，且比較細(xì)小，但時(shí)間較長會(huì)誘導(dǎo)裂縫的發(fā)展，危及結(jié)構(gòu)的安全。  　　自身收縮與干縮一樣，都是由于水的遷移而引起的。但自身收縮不是由于水向外蒸發(fā)散失，而是因?yàn)樗嗨瘯r(shí)消耗水分造成凝膠孔的液面下降，形成彎月面，產(chǎn)生自干燥作用，使混凝土體的體積減小。通常，水灰比的變化對(duì)干燥收縮和自身收縮的影響是不一樣的。當(dāng)混凝土的水灰比降低時(shí)，干燥收縮減小，而自身收縮增大。但是，當(dāng)水灰比小于0.135時(shí)，體內(nèi)相對(duì)濕度會(huì)很快降低到80％以下，自身收縮與干縮幾乎各占一半。此外，兩種收縮完成的時(shí)間也不一樣。在模板拆除之前，混凝土的自身收縮幾乎已經(jīng)產(chǎn)生；而干燥收縮，除了未蓋且暴露面很大的地面以外，許多構(gòu)件的干縮都發(fā)生在拆模以后。在大體積混凝土里，即使水灰比并不低，自身收縮量值也不大，但是它與溫度收縮疊加到一起，就會(huì)使裂縫迅速擴(kuò)展。  　　3水閘閘墩溫控防裂措施  　　3.1 混凝土材料選擇  　　(1)選擇低熱水泥  　　影響混凝土絕熱溫升的因素包括水泥品種、水泥用量、混合材料品種和澆筑溫度。水泥品種對(duì)絕對(duì)溫升的影響主要是水泥中的礦物成分產(chǎn)生水化熱。水泥礦物成分中發(fā)熱速率最快和發(fā)熱量最大的是鋁酸三鈣，其他成分依次為硅酸三鈣和硅酸二鈣。水泥越細(xì)，發(fā)熱量速率越快，但細(xì)度不影響最終發(fā)熱量。因此，進(jìn)行水閘混凝土澆筑時(shí)，應(yīng)選擇水化熱低的水泥，適當(dāng)提高C2S和C4AF的含量，并限制C3A和C3S的含量。  　　(2)選用熱學(xué)性能好的骨料  　　水工混凝土各種成分的質(zhì)量百分比大致為：石子63％～65％，砂子22％～23％，水泥7％～1O％，水約5％。石子對(duì)混凝土熱性能的影響最大，其次為砂子。因此，混凝土的熱學(xué)性能在一定程度上取決于粗骨料的礦物性質(zhì)，優(yōu)先選用熱學(xué)性能好的骨料是混凝土溫度控制的根本措施之一。目前，我國各地工程所需的骨料基本是就地取材；對(duì)于天然骨料，應(yīng)該按規(guī)范要求進(jìn)行物理力學(xué)性能試驗(yàn)。在缺乏天然骨料的地區(qū)使用人工骨料時(shí)，應(yīng)盡量選用線膨脹系數(shù)小的骨料。  　　(3)減少膠凝材料的用量  　　摻人一定量的混合料有利于降低水化熱。在混凝土的摻混合料研究中，摻加粉煤灰技術(shù)已經(jīng)較為成熟，并已在我國廣泛應(yīng)用。摻加粉煤灰后，雖然降低了混凝土的早期強(qiáng)度和極限拉伸值，但混凝土發(fā)熱量大大降低。以7d齡期為例，僅從降低混凝土溫升與混凝土極限拉伸值相比較(忽略混凝土早期徐變增加、彈性模量降低等因素)，摻加混合料極限拉伸值會(huì)降低19×10-6mm，而溫度變形值會(huì)降低34.1×10-6m，可以看出，對(duì)混凝土抗裂是有利的。  　　另外，根據(jù)工程要求和建筑物所處的環(huán)境條件，選擇適當(dāng)?shù)耐饧觿?，也是減少水泥用量和降低混凝土水化熱的重要措施之一。  　　3.2 混凝土澆筑時(shí)間  　　混凝土的水化反應(yīng)是放熱反應(yīng)，而混凝土卻是不良導(dǎo)熱體，混凝土內(nèi)部的熱量很難散發(fā)出去。如在高溫季節(jié)施工，外部的環(huán)境溫度很高，不利于混凝土的散熱。所以，混凝土的施工應(yīng)避開夏季高溫時(shí)段，尤其是夏季中午時(shí)段，可以選擇溫度低的夜間進(jìn)行施工，同時(shí)注意混凝土的養(yǎng)護(hù)。    botxt