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      試析泵站施工期裂縫成因及防治措施

      2014-01-09 03:11:18孫亞軍
      關(guān)鍵詞:施工期泵站防治措施

      孫亞軍

      【摘 要】筆者結(jié)合自己的工作實際,簡要分析了泵站施工期開裂的原因,并針對裂縫的成因提出相應(yīng)的防治方法。

      【關(guān)鍵詞】泵站;施工期;混凝土;防治措施;結(jié)構(gòu)開裂

      0.前言

      在眾多泵站的施工、運行管理過程中,泵站結(jié)構(gòu)頻繁出現(xiàn)了開裂的現(xiàn)象,成為一直困擾工程界的“疑難雜癥”之一。裂縫的出現(xiàn)不僅降低了結(jié)構(gòu)的抗?jié)B性能,還加速了混凝土的碳化以及鋼筋的銹蝕,對泵站的結(jié)構(gòu)安全產(chǎn)生了不利影響,因此,結(jié)構(gòu)開裂成為泵站設(shè)計、施工、運行管理中亟待解決的關(guān)鍵技術(shù)問題之一。泵站結(jié)構(gòu)中時常開裂的部位包括底板、流道、擋水墻以及電機大梁等,其中尤以在底板和流道發(fā)現(xiàn)的裂縫居多。本文基于混凝土溫度場和應(yīng)力場的基本理論[1],對泵站底板和流道結(jié)構(gòu)施工期開裂的主要原因進行了初步探究,并根據(jù)裂縫的成因以及泵站結(jié)構(gòu)的具體特點提出相應(yīng)的溫控方法,供相關(guān)工程參考應(yīng)用。

      1.施工期裂縫成因分析

      1.1底板裂縫成因分析

      底板澆筑后,水泥、粉煤灰等與水發(fā)生劇烈的水化反應(yīng),釋放出大量的熱量?;炷翆?dǎo)熱性能較差,大量的水化熱量積貯底板中心,底板內(nèi)部溫度升高幅度較大;而底板的四周、頂面以及底面分別與大氣和地基接觸,通過熱對流和熱傳導(dǎo)散出部分水化熱量,溫度升高幅度有限。與升溫幅度對應(yīng),底板內(nèi)部熱膨脹變形較大,表面熱膨脹變形較小,內(nèi)部混凝土的熱膨脹變形受到表層混凝土的約束,因此,底板表面出現(xiàn)拉應(yīng)力,而內(nèi)部則出現(xiàn)壓應(yīng)力??紤]到混凝土早期抗裂強度性能有限,混凝土底板早期存在表面開裂的可能。這種類型的裂縫在一般出現(xiàn)在低溫季節(jié)澆筑的底板表面的中部,出現(xiàn)時間一般在混凝土澆筑后7天內(nèi),裂縫方向與底板的長邊方向垂直,且以表面淺層裂縫為主。

      后期,底板混凝土溫度逐漸下降,產(chǎn)生溫縮變形,溫縮變形受地基的約束因而在底板中產(chǎn)生拉應(yīng)力??紤]到底板中心降溫幅度大于表面,因此,后期底板中心的拉應(yīng)力較大,一旦開裂,裂縫將從內(nèi)部向表面擴展。后期一旦在底板表面發(fā)現(xiàn)裂縫,一般已經(jīng)貫穿整塊底板,對結(jié)構(gòu)安全的危害性較大。

      1.2流道裂縫成因分析

      與底板相似,流道結(jié)構(gòu)早期也呈現(xiàn)出“內(nèi)熱外冷”的分布規(guī)律,混凝土表面拉應(yīng)力較大,很有可能從表面開裂。早期發(fā)現(xiàn)的裂縫一般出現(xiàn)在厚度較大的墩墻部位,結(jié)構(gòu)越厚,內(nèi)外溫差越大,混凝土開裂的可能性相應(yīng)增大。在后期,流道結(jié)構(gòu)的溫縮變形受到了前期澆筑的混凝土底板的強約束作用,結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)了較大的拉應(yīng)力。與上述底板后期開裂的基理相同,流道后期一旦發(fā)現(xiàn)裂縫,一般已是貫穿性裂縫,對結(jié)構(gòu)安全的影響較大。底板與流道澆筑時間的間隔越長,后期底板對流道的約束作用越強,后期開裂的可能性越大。

      2.泵站溫控防裂對策

      筆者將根據(jù)裂縫的成因及泵站具體的特點從設(shè)計優(yōu)化和施工控制這兩個不同的角度闡述這兩個關(guān)鍵部位施工期的溫控防裂方法。

      2.1設(shè)計優(yōu)化

      2.1.1優(yōu)選混凝土

      在結(jié)構(gòu)設(shè)計中,應(yīng)根據(jù)泵站各個部位承受荷載的實際情況合理地確定混凝土的強度等級。在混凝土各項物理性能可以滿足工程要求的前提下,應(yīng)盡可能降低混凝土的強度等級,尤其是內(nèi)部大體積混凝土的強度等級?;炷恋膹姸鹊燃壴礁?,水泥的用量必然越大,水化熱量相應(yīng)增加,早期的內(nèi)外溫差和后期的降溫幅度隨之增大,混凝土前、后期開裂的風(fēng)險均有所增加。除了設(shè)法降低混凝土的強度等級外,選擇中熱或低熱水泥、選擇低熱膨脹性的骨料、摻入減水劑、微膨脹劑等外加劑或摻入硅粉、鋼纖維以及聚丙烯纖維等均可以提高混凝土的抗裂性能。

      2.1.2配筋設(shè)計的優(yōu)化

      在對泵站底板、流道等易裂部位配筋時,除了應(yīng)按結(jié)構(gòu)承載和正常使用的相關(guān)要求配置受力鋼筋外,還應(yīng)在混凝土表面適當(dāng)?shù)卦雠洳糠譁囟蠕摻顏硖岣呋炷恋目沽研阅?,溫度鋼筋的直徑宜控制?0-14mm之間,間距宜控制在100-150mm之間,溫度鋼筋宜布置在受力鋼筋的外側(cè),與混凝土邊緣的距離宜控制在25-30mm左右。在表面增配溫度鋼筋后,混凝土早期表面開裂的風(fēng)險相應(yīng)減小,但這種鋼筋對后期的貫穿性裂縫限裂作用不大。

      2.1.3利用拋石混凝土或漿砌石代替部分混凝土

      在進行底板或墩墻等大體積混凝土結(jié)構(gòu)的設(shè)計時,可利用拋石混凝土或漿砌石代替部分混凝土。此舉不僅可以有效地控制混凝土中的水泥用量,進而降低混凝土的水化熱量,相應(yīng)減小早期的內(nèi)外溫差和后期的降溫幅度,減小混凝土結(jié)構(gòu)開裂的風(fēng)險外,還可以降低工程的投資,但施工過程中限制較多,施工工藝也較為復(fù)雜。

      2.2施工控制

      除了從優(yōu)化設(shè)計的角度考慮泵站施工期的溫控防裂外,施工控制也是溫控防裂的一個至關(guān)重要的環(huán)節(jié)。

      2.2.1合理的分塊澆筑混凝土

      分塊澆筑是指根據(jù)泵站結(jié)構(gòu)的具體形式,有計劃、有目的地利用臨時施工縫將整體結(jié)構(gòu)劃分成多個獨立的塊體進行間隔澆筑。這樣施工一方面是受制施工方的于混凝土的生產(chǎn)能力,更重要的是通過合理的分塊澆筑,可以有效地控制混凝土早期的內(nèi)外溫差以及基礎(chǔ)對上部結(jié)構(gòu)的約束作用,減小混凝土前、后期開裂的風(fēng)險。常用的分塊方式有“后澆帶”和“吊空模板”等。

      2.2.2降低澆筑溫度

      混凝土施工過程中應(yīng)盡量降低澆筑溫度。澆筑溫度越低,混凝土早期的內(nèi)外溫差和后期的溫降幅度也越小,混凝土前、后期開裂的可能性也相應(yīng)降低。在施工過程中,可以根據(jù)施工現(xiàn)場的實際情況來確定具體的降溫措施,如地龕取料來降低骨料的溫度、加冰或冰水拌合、運輸過程中遮陽隔熱保溫、避開高溫季節(jié)澆筑等等。

      2.2.3表面保溫和養(yǎng)護

      混凝土早期表面開裂的主要原因是內(nèi)外溫差過大,在混凝土表面覆蓋合適的保溫材料后,混凝土內(nèi)外溫差相應(yīng)減小,表面應(yīng)力狀態(tài)明顯改善,早期表面開裂可能性明顯減小。但保溫后混凝土后期降溫幅度有所加大,因此一味地強調(diào)加強表面保溫也是不合適的。

      2.2.4通水冷卻

      過去,在混凝土內(nèi)部布置冷卻水管通水冷卻一般用于混凝土重力壩或拱壩施工,在水閘、泵站這類水工建筑物中應(yīng)用得較少。但根據(jù)國內(nèi)相關(guān)文獻[2,3],在南水北調(diào)工程東線多個已建成的泵站也引進了這項技術(shù),底板和流道施工過程中在混凝土內(nèi)部布置了冷卻水管并通深井水冷卻,取得了良好的效果。通水冷卻可以有效地帶出混凝土內(nèi)部的水化熱量,相應(yīng)降低混凝土的內(nèi)外溫差和后期的降溫幅度,有力地提高了混凝土的抗裂性能。但水管布置形式的確定,水管材質(zhì)和直徑的選擇、層距和間距的選擇、通水流量和通水時間選擇仍處在探索階段,宜進一步深入研究。

      3.總結(jié)

      本文根據(jù)混凝土溫度場和應(yīng)力場的基本理論簡要分析了泵站底板和流道結(jié)構(gòu)施工期開裂的主要原因,并從設(shè)計優(yōu)化和施工控制兩個方面分別提出了技術(shù)可行、經(jīng)濟合理且施工簡便的溫控防裂方法,供類似工程參考使用。 [科]

      【參考文獻】

      [1]朱伯芳.大體積混凝土溫度應(yīng)力與溫度控制[M].北京:中國電力出版社,1999.

      [2]韓仕賓,戴敬秋,陳衛(wèi)東.淺談泵站進水流道大體積混凝土裂縫的預(yù)防和控制[J].南水北調(diào)與水利科技,2008,6(1):295-297.

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