水工大體積混凝土抗裂實(shí)踐與研究
——以太湖治理新溝河江邊樞紐工程為例

范天

(1.江蘇省太湖水利規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司， 江蘇 蘇州 215128；2.江蘇省太湖治理工程建設(shè)管理局， 江蘇 南京 210029；3.江蘇省水利建設(shè)工程有限公司， 江蘇 揚(yáng)州 225007)

經(jīng)國(guó)家和江蘇省發(fā)改委審批實(shí)施的太湖治理新溝河江邊樞紐工程是新溝河連通長(zhǎng)江的控制性建筑物[1]。其船閘閘室采用鋼筋混凝土整體大跨度結(jié)構(gòu)，屬水工大體積混凝土結(jié)構(gòu)(見(jiàn)圖1)。設(shè)計(jì)和施工采取多重控制措施，有效地避免了結(jié)構(gòu)有害裂縫的產(chǎn)生，2期閘站工程在此基礎(chǔ)上繼續(xù)采取相關(guān)抗裂措施，整個(gè)工程在結(jié)構(gòu)抗裂方面施工效果較為理想。

1 工程概況

工程位于江蘇省江陰市境內(nèi)的新溝河入江口，由大(2)型泵站(Q=180 m3/s)、中型擋潮節(jié)制閘(五孔總凈寬B=48 m)、Ⅴ級(jí)船閘(凈寬16 m)和魚道4個(gè)部分組成。本文重點(diǎn)研究和實(shí)踐的船閘按通行300～500 t標(biāo)準(zhǔn)貨船設(shè)計(jì)，上下閘首之間總長(zhǎng)220 m，閘室尺度16 m×180 m×3.0 m(長(zhǎng)×寬×高)。船閘基礎(chǔ)坐落在粉砂土地基上[2]，厚度5～8 m，中等透水，地基允許承載力85～100 kPa，為松軟透水地基，需進(jìn)行地基加固處理。下臥層為中密-密實(shí)的粉砂土，承載力180 kPa。

2 大體積混凝土定義

2.1 國(guó)內(nèi)相關(guān)規(guī)范定義

《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》的定義：體積較大的、可能由膠凝材料水化熱引起的溫度應(yīng)力導(dǎo)致有害裂縫的結(jié)構(gòu)混凝土[3]。

《大體積混凝土工程施工規(guī)范》的定義：結(jié)構(gòu)物實(shí)體最小幾何尺寸不小于1 m 的大體量混凝土，或預(yù)計(jì)會(huì)因混凝土中膠凝材料水化引起的溫度變化和收縮而導(dǎo)致有害裂縫產(chǎn)生的混凝土[4]。

圖1 復(fù)合地基上的整體大跨度閘室結(jié)構(gòu)示意(單位：cm)

2.2 國(guó)外相關(guān)定義

美國(guó)混凝土學(xué)會(huì)(ACI)將大體積混凝土定義為：任何就地澆筑大體積混凝土，其尺寸之大，必須采取措施解決水化熱及隨之引起的體積變形問(wèn)題，以最大限度地減少開(kāi)裂。

日本建筑學(xué)會(huì)(JASS5)將大體積混凝土定義為：結(jié)構(gòu)斷面最小尺寸在80 cm 以上，同時(shí)水化熱引起的混凝土內(nèi)最高溫度與外界氣溫之差預(yù)計(jì)超過(guò)25℃的混凝土。

3 裂縫成因分析

國(guó)內(nèi)外大量實(shí)踐證明[5-6]，大體積混凝土裂縫主要是由溫度變化引起的，是混凝土自身強(qiáng)度和抵抗變形的能力與溫度應(yīng)力和應(yīng)變同步矛盾發(fā)展的結(jié)果。溫度變化導(dǎo)致混凝土體積脹縮變形，當(dāng)其內(nèi)外部受到約束不能自由變形時(shí)，就會(huì)積聚應(yīng)力，大體積混凝土后期的溫降或失水將導(dǎo)致混凝土收縮產(chǎn)生拉應(yīng)力，當(dāng)拉應(yīng)力達(dá)到并超過(guò)混凝土抗拉強(qiáng)度時(shí)，混凝土結(jié)構(gòu)就會(huì)產(chǎn)生裂縫。

大體積混凝土溫度變化分為溫升和溫降兩個(gè)階段，溫升階段發(fā)生早而快，溫降階段相對(duì)遲而緩。大體積混凝土在澆筑和強(qiáng)度發(fā)展過(guò)程中，早期溫度迅速上升，通常3～5 d達(dá)到峰值，持續(xù)一段時(shí)間后開(kāi)始緩慢降溫。溫度升降變化產(chǎn)生體積脹縮，其線脹縮值符合ΔL=L0×a×ΔT(a為線膨脹系數(shù))的規(guī)律。

混凝土的特點(diǎn)是抗壓強(qiáng)度高而抗拉強(qiáng)度低，混凝土導(dǎo)熱性較差、散熱慢。在混凝土澆筑成型的早期，其內(nèi)部溫度會(huì)很快升高，其中，水泥水化放熱是混凝土內(nèi)部溫升的主要原因，而大體積混凝土結(jié)構(gòu)物一般斷面較厚，混凝土水化反應(yīng)釋放的熱量聚集在結(jié)構(gòu)物內(nèi)部不易散發(fā)。混凝土在早期快速升溫階段總體上處于熱膨脹狀態(tài)，由于早期混凝土的強(qiáng)度和彈性模量都很低，混凝土自身約束小，徐變大，溫度升高產(chǎn)生內(nèi)部超強(qiáng)拉應(yīng)力的可能性較小，所以早期溫升階段的體積膨脹一般不會(huì)對(duì)混凝土產(chǎn)生有害影響，通常不會(huì)產(chǎn)生混凝土內(nèi)部裂縫。但在后期的溫降階段，混凝土從熱膨脹的最大變形開(kāi)始降溫收縮，隨著混凝土齡期和強(qiáng)度的增長(zhǎng)，彈性模量逐漸增高，對(duì)混凝土內(nèi)部降溫收縮的約束也就愈來(lái)愈大，加上外部約束(如地基或先期成型混凝土的固支約束)作用，降溫收縮與失水干燥收縮疊加在一起時(shí)，大體積混凝土內(nèi)部或外表面將產(chǎn)生超強(qiáng)的拉應(yīng)力，當(dāng)拉應(yīng)力達(dá)到并超過(guò)混凝土自身抗拉強(qiáng)度時(shí)，就會(huì)導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)裂縫的發(fā)生。起初的細(xì)微裂縫會(huì)引起應(yīng)力集中，裂縫可逐漸加寬加長(zhǎng)，甚至產(chǎn)生結(jié)構(gòu)有害裂縫[5]。

4 閘室結(jié)構(gòu)的大體積混凝土特征

該工程船閘閘室采用水泥攪拌樁復(fù)合地基上的倒“∏”型鋼筋混凝土整體結(jié)構(gòu)(見(jiàn)圖1)，混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C25，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要尺度：閘室分節(jié)長(zhǎng)度15 m，共12節(jié)，閘室凈寬16 m，閘室底板總寬21.5 m，閘室墻高10 m。根據(jù)結(jié)構(gòu)承載需要，底板斷面設(shè)計(jì)為變截面結(jié)構(gòu)，厚1.0～1.8 m，地基約束條件為底板底面與粉砂土上的水泥攪拌樁復(fù)合地基直接接觸；墩墻為固支于底板上的懸臂式變截面結(jié)構(gòu)，根部厚1.6～2.5 m。常規(guī)施工條件下，底板與墩墻一般需先后澆筑施工，墩墻底部受先期成型的底板結(jié)構(gòu)的約束。對(duì)照以上關(guān)于大體積混凝土的相關(guān)規(guī)定，由于結(jié)構(gòu)跨度也較大，需要設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)厚度超過(guò)1 m，且閘室結(jié)構(gòu)單體體積1 015 m3，結(jié)構(gòu)體量也較大。根據(jù)工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，結(jié)構(gòu)內(nèi)外溫度變化和混凝土收縮，將導(dǎo)致閘室結(jié)構(gòu)在底板頂面以及墩墻根部以上約1/3的高度范圍內(nèi)可能產(chǎn)生有害裂縫。該工程的大跨度整體閘室結(jié)構(gòu)應(yīng)歸類于水工大體積混凝土結(jié)構(gòu)[3-4]，需按大體積混凝土的設(shè)計(jì)要求采取相應(yīng)抗裂措施。

5 抗裂措施

避免有害結(jié)構(gòu)裂縫的發(fā)生是該工程大體積混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)踐成敗的關(guān)鍵。大量研究成果表明，大體積混凝土中的溫度裂縫是不可避免的，因此采用合理的措施來(lái)防治和控制裂縫的發(fā)展是關(guān)鍵。

根據(jù)裂縫成因分析，大體積混凝土裂縫的主要影響因素涉及結(jié)構(gòu)物的體型體量、約束條件、混凝土的各組成材料的特性以及施工條件等。結(jié)合整體閘室大體積混凝土結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，本文基于裂縫成因分析，研究并落實(shí)相應(yīng)抗裂措施，盡量消除各種抗裂不利因素，確保結(jié)構(gòu)不出現(xiàn)有害裂縫。

5.1 結(jié)構(gòu)措施

通過(guò)對(duì)大跨度結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)從地基約束、結(jié)構(gòu)尺度、體量以及抗裂配筋等方面，消除各種抗裂不利的因素，滿足大體積混凝土抗裂要求。

5.1.1 改善地基約束條件

該工程為松軟粉砂土地基，中等透水，承載力僅85 kPa。為了滿足彈性地基條件下的常規(guī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需要，一方面通過(guò)降排水對(duì)砂性土地基進(jìn)行預(yù)壓密實(shí)；另一方面，采用水泥攪拌樁復(fù)合地基，復(fù)合土層壓縮模量大大提高，地基承載能力和抵抗變形的能力隨之提高，對(duì)結(jié)構(gòu)受力較為有利，復(fù)合地基條件較天然地基有較大改善[2]。

5.1.2 合理選擇結(jié)構(gòu)塊體尺度

結(jié)構(gòu)單體尺度越大，受地基約束的影響就越大，合理確定結(jié)構(gòu)塊體長(zhǎng)度，可改善大體積混凝土來(lái)自地基的約束作用。該工程閘室底板總寬21.5 m，基本接近規(guī)范規(guī)定的軟基上最大結(jié)構(gòu)單體尺度。長(zhǎng)度方向考慮地基約束條件對(duì)大體積混凝土的不利影響，尺度宜小，根據(jù)通航尺度及相關(guān)設(shè)計(jì)需要，閘室總長(zhǎng)180 m，分節(jié)尺度取15 m，共分為12節(jié)。

5.1.3 優(yōu)化結(jié)構(gòu)體量

設(shè)計(jì)應(yīng)滿足防滲、抗浮、承載等需要，在合理確定結(jié)構(gòu)塊體尺寸的基礎(chǔ)上，還應(yīng)盡量控制單體結(jié)構(gòu)體量，根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需要控制斷面體量大小；依據(jù)不同工況計(jì)算結(jié)果，通過(guò)設(shè)計(jì)優(yōu)化，節(jié)省混凝土量的同時(shí)，進(jìn)一步精減冗余結(jié)構(gòu)體量。

為了滿足彈性地基條件下的常規(guī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需要，大跨度閘室結(jié)構(gòu)厚度應(yīng)滿足1/10～1/8跨度的要求，底板厚度應(yīng)在1.9～2.3 m之間取值，如采用天然地基，雖然勉強(qiáng)滿足要求，但由于地基條件較差，底板厚度取值宜大不宜小；由于結(jié)構(gòu)厚度增大，地基應(yīng)力較大，將導(dǎo)致閘室沉降變形增大，對(duì)大跨度、大體積混凝土結(jié)構(gòu)受力較為不利。

通過(guò)簡(jiǎn)單的地基處理，不但可改善地基約束條件，而且邊荷載作用影響明顯減小。計(jì)算結(jié)果顯示，大跨度底板結(jié)構(gòu)跨中內(nèi)力明顯減小，底板厚度取下限值即可滿足要求；經(jīng)設(shè)計(jì)優(yōu)化后，閘室底板的大體積混凝土厚度由1.9～2.3 m減小到1.8 m，底板厚度減小 0.5 m，底板結(jié)構(gòu)體量縮減量超過(guò)15%。

另外，結(jié)合彈性地基上的整體閘室結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)，底板和墩墻均按變截面結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。一方面，懸臂式墩墻自底部向上為自由端，結(jié)構(gòu)內(nèi)力隨擋土高度減小而逐漸減小，結(jié)構(gòu)斷面可按漸變縮減處理，墩墻厚度自下而上由1.8 m縮減為 0.4 m；另一方面，整體閘室結(jié)構(gòu)的底板兩端與懸臂式墩墻固支，設(shè)計(jì)對(duì)懸臂式墩墻底部固支節(jié)點(diǎn)處增設(shè) 0.8 m×1.2 m貼角予以加強(qiáng)后，將底板兩端各1/4跨長(zhǎng)范圍內(nèi)的底面向上漸變翹起 0.8 m。不但保證了底板與墩墻固支節(jié)點(diǎn)處的剛度，而且施工開(kāi)挖深度減小，擋土和擋水高度減小，兩側(cè)懸臂結(jié)構(gòu)承受的內(nèi)力和固支節(jié)點(diǎn)向大跨度底板傳遞的內(nèi)力均降低。通過(guò)變截面設(shè)計(jì)優(yōu)化，進(jìn)一步減小大體積混凝土結(jié)構(gòu)體量。

5.1.4 配置抗裂鋼筋

混凝土抗壓、鋼筋抗拉是普通鋼筋混凝土的主要工作機(jī)理，二者有機(jī)結(jié)合，可使鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)具有較強(qiáng)的承載能力。其中，混凝土結(jié)構(gòu)中的拉應(yīng)力主要由鋼筋承擔(dān)，對(duì)于大體積混凝土結(jié)構(gòu)，在溫度應(yīng)力作用下不滿足抗裂要求時(shí)，應(yīng)配置溫度鋼筋限制裂縫擴(kuò)展[7-8]。由各種工況條件下的結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)可知，整體結(jié)構(gòu)中底板沿跨度方向在跨中面層和跨端底層內(nèi)力較大，懸臂式墩墻受土壓力、水壓力作用，臨土側(cè)豎向內(nèi)力較大。因此底板順閘寬方向和墩墻臨土側(cè)豎向均需按承載力極限狀態(tài)(底板為受彎構(gòu)件、墩墻為偏心受壓構(gòu)件)計(jì)算配筋，并按正常使用極限狀態(tài)驗(yàn)算裂縫開(kāi)展寬度。以上部位一般需要配筋較大，而底板垂直閘寬方向和墩墻水平向內(nèi)力較小，一般為構(gòu)造性配筋，配筋量較小。

在施工過(guò)程中，大體積混凝土的溫度作用一般發(fā)生在混凝土澆筑成型期和混凝土固化期。早期的溫度作用主要表現(xiàn)為升溫膨脹，對(duì)尚未固結(jié)成型、具有較強(qiáng)徐變能力的混凝土基本無(wú)害，而有害的溫度作用往往出現(xiàn)在混凝土固化期，溫度作用表現(xiàn)為降溫收縮產(chǎn)生拉應(yīng)力。根據(jù)常規(guī)施工加載程序，大體積混凝土中溫度應(yīng)力一般不可能與設(shè)計(jì)常規(guī)荷載遭遇或組合。計(jì)算復(fù)核結(jié)果顯示，按結(jié)構(gòu)受力條件配置的受力鋼筋一般能起到限制溫度應(yīng)力的作用，其鋼筋配置基本可滿足溫度作用的配筋要求，不需要額外增加溫度鋼筋；但在構(gòu)造配筋的部位，由于大體積混凝土中不可避免的溫度作用，按構(gòu)造要求配置的架立鋼筋，一般難以滿足溫度作用下的配筋需要。

對(duì)照《水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL191-2008)第11.2條“關(guān)于大體積混凝土在溫度作用下的裂縫控制”規(guī)定，大體積混凝土的抗裂配筋需作專門設(shè)計(jì)，其主筋和架立鋼筋，除了需要滿足結(jié)構(gòu)構(gòu)造要求外，還要滿足大體積混凝土溫度作用的要求。根據(jù)大體積混凝土抗裂計(jì)算需要確定配筋量，通過(guò)鋼筋的超強(qiáng)抗拉作用，有效限制裂縫擴(kuò)展。

彈性地基上的大體積混凝土結(jié)構(gòu)，可利用混凝土應(yīng)力松弛系數(shù)進(jìn)行徐變溫度應(yīng)力計(jì)算[7]。將時(shí)間劃分為n個(gè)時(shí)段，計(jì)算每一時(shí)段首末的溫度ΔTi、混凝土線熱漲系數(shù)ac及該時(shí)段的平均彈性模量Ec(τi)，然后求得第i時(shí)段Δτi內(nèi)彈性溫度應(yīng)力的增量Δσi，并利用松弛系數(shù)考慮混凝土的徐變。根據(jù)SL191-2008第11.2條規(guī)定，計(jì)算時(shí)刻t徐變溫度應(yīng)力σ*·(t)如下：

(1)

式中，t為計(jì)算時(shí)刻的混凝土齡期；τi混凝土在第i時(shí)段中點(diǎn)的齡期；Kr(t,τi)為混凝土的應(yīng)力松弛系數(shù)。

大體積混凝土在溫度作用下的抗裂驗(yàn)算應(yīng)符合：

σ*(t)≤εt(t)Ec(t)

(2)

εt(t)=[0.655arctan(0.84t)]ε(28)

(3)

Ec(t)=1.44[1-exp(-0.41t0.32)]E(28)

(4)

式中，εt(t)為計(jì)算時(shí)刻t時(shí)的混凝土允許拉應(yīng)變，對(duì)于不摻粉煤灰的混凝土可按式(2)計(jì)算；Ec(t)為計(jì)算時(shí)刻t時(shí)的混凝土彈性模量，N/mm2;ε(28)為28 d 齡期混凝土的允許拉應(yīng)變，對(duì)于C25混凝土為0.6×10-4；E(28)為28 d齡期的混凝土彈性模量，N/mm2。

按抗裂設(shè)計(jì)成果，閘室結(jié)構(gòu)抗裂配筋如下。

(1)底板抗裂鋼筋。正常架立配筋Φ12～14@200，計(jì)算結(jié)果顯示，溫度鋼筋比主筋小，但比普通架立鋼筋大，該工程按Φ18@200配置。

(2)墩墻抗裂鋼筋。正常架立配筋Φ14～16@200。由于溫度作用早于其它荷載出現(xiàn)，設(shè)計(jì)將墩墻水平鋼筋布置于外側(cè)；對(duì)厚度較大且受底板約束較大的下部約1/3H范圍內(nèi)的墩墻水平分布鋼筋，經(jīng)抗裂驗(yàn)算，實(shí)際配筋為Φ16@100。

(3)設(shè)置抗裂暗梁。在大體積混凝土內(nèi)部出現(xiàn)較大拉應(yīng)力、計(jì)算必須配置抗裂鋼筋時(shí)采用。可設(shè)置一道或幾道抗裂暗梁，配置抗裂鋼筋，限制混凝土內(nèi)部裂縫擴(kuò)展。該工程架立筋加大并采取了有效的溫控措施后，抗裂驗(yàn)算均滿足要求，不需要再設(shè)置抗裂暗梁。

5.2 溫控措施

5.2.1 溫控原理

大體積混凝土中，水泥水化熱引起溫升，在絕熱狀態(tài)下混凝土內(nèi)部的溫度可用SL191-2008規(guī)范附錄G中混凝土的熱學(xué)指標(biāo)計(jì)算[7]：

T=T0+Tt

(5)

Tt=WQt(1-0.75P)/Cρ

(6)

Qt=Q0[1-exp(-mtn)]

(7)

式中，T為在絕熱狀態(tài)下不同齡期混凝土內(nèi)部溫度，℃；T0為澆筑溫度，℃；Tt為在齡期t時(shí)絕熱溫度，℃；P為粉煤灰摻量百分?jǐn)?shù)；C為混凝土比熱，取0.96 KJ(kg·℃)；Qt為齡期t時(shí)的累積水化熱，隨水泥品種取值不同，kJ/kg;Q0為最終水化熱，隨水泥品種取值不同，kJ/kg;W為包括水泥及煤粉灰的膠凝材料用量，kg/m3;ρ為煤粉灰摻量的百分?jǐn)?shù)。

實(shí)際上，由于混凝土澆搗時(shí)總是暴露在大氣中，與大氣存在熱量交換，處于散熱而非絕熱狀態(tài)中，混凝土由水泥水化熱引起的溫升遠(yuǎn)比絕熱條件下最終水化熱的溫升要小。另外，混凝土內(nèi)部最高溫升還與澆筑塊的厚度有關(guān)，塊體越薄散熱越快，最高升溫越低；反之塊體越厚散熱越慢，則最高升溫越高。因此，工程實(shí)踐中引入一個(gè)與澆筑厚度有關(guān)的系數(shù)ξ，內(nèi)部最高溫度改用以下公式：

T=T0+ξTt

(8)

相關(guān)研究成果顯示，對(duì)于厚度超過(guò)1 m的大體積混凝土，內(nèi)部絕對(duì)溫升可達(dá)35℃～50℃，隨結(jié)構(gòu)厚度增大，內(nèi)部絕對(duì)溫升甚至更高。由溫差引起的變形和應(yīng)力值計(jì)算公式為

ΔL=L(t2-t1)α

(9)

σt=EcΔL/L=Ec(t2-t1)α

(10)

式中，ΔL為構(gòu)件變形值；L為構(gòu)件長(zhǎng)度；t2-t1為溫度變化值；α為溫度膨脹系數(shù)；σt為溫度應(yīng)力。

混凝土降溫時(shí)，熱量從內(nèi)向外傳遞擴(kuò)散，表面散熱快，溫度低，從而形成內(nèi)外溫差，由理論公式計(jì)算出允許內(nèi)外溫差為10℃左右。但由于構(gòu)件不可能受到絕對(duì)約束，混凝土也不可能完全沒(méi)有徐變和塑性變形，大量統(tǒng)計(jì)資料顯示，多數(shù)工程混凝土的內(nèi)外溫差在10℃～25℃尚未開(kāi)裂。因此，我國(guó)規(guī)范對(duì)大體積混凝土澆筑時(shí)規(guī)定內(nèi)外溫差控制在25℃之內(nèi)，JASS5直接將溫差大于25℃的混凝土劃歸大體積混凝土。

另外，環(huán)境溫度越低，產(chǎn)生內(nèi)外溫差越大，引起混凝土開(kāi)裂的機(jī)率增加，可采取表面覆蓋措施控制溫差，以防止混凝土表面散熱過(guò)快。根據(jù)以上理論分析，大體積混凝土施工中，考慮溫度應(yīng)力的影響，并設(shè)法減緩最高溫升、降低混凝土內(nèi)部最高溫度，減小其內(nèi)外溫差，是防止裂縫產(chǎn)生的最為直接和有效的手段。

5.2.2 主要措施

溫控措施具有適用性和靈活性，以及能夠控制整個(gè)結(jié)構(gòu)物內(nèi)部溫度，在國(guó)內(nèi)外得到廣泛應(yīng)用。

根據(jù)大體積混凝土溫升原理，按溫度作用設(shè)計(jì)要求，結(jié)合工程實(shí)際和施工條件，閘室結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)直接給出了有效的溫控輔助措施，并明確提出混凝土內(nèi)外溫差控制小于25℃的要求。在混凝土內(nèi)部預(yù)埋冷卻水管，利用水管內(nèi)流通的恒溫冷水(4℃)帶走大體積混凝土內(nèi)部積聚的水化熱，削減澆筑層水化熱溫升[9-13]。

溫控具體做法為：在每塊混凝土澆筑之前，預(yù)先布置并固定冷卻水管(鐵管，管徑 3.81 cm，壁厚2 mm)，底板或墩墻厚度方向均布置3層，水平及豎向間距小于1 m，每層支管設(shè)總管(管徑10.16 cm)集中供排水。結(jié)合該工程粉砂土地基以及地下水源較為充沛的特性，可直接引接降排水獲得的地下水，作為恒溫冷卻水源，用水泵和閘閥控制冷卻水的循環(huán)或外排；混凝土中預(yù)埋適當(dāng)數(shù)量的溫度傳感器，監(jiān)控混凝土凝固過(guò)程中的內(nèi)部溫度，并根據(jù)檢測(cè)數(shù)據(jù)調(diào)節(jié)通水量。通過(guò)通水冷卻措施，降低混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部溫度，與外部保溫、保濕措施共同作用，有效控制混凝土內(nèi)外溫差。通水結(jié)束后，水管內(nèi)采用壓力水泥漿充填封堵。

5.3 收縮補(bǔ)償措施

大體積混凝土所處降溫階段通常也是結(jié)構(gòu)干燥失水的階段，兩種作用都將導(dǎo)致大體積混凝土收縮產(chǎn)生拉應(yīng)力，互相疊加后破壞作用增強(qiáng)。鑒于此，如果設(shè)計(jì)采取適當(dāng)?shù)难a(bǔ)償混凝土收縮的措施，使得混凝土自身具有微膨脹、低收縮的特性，可改善混凝土抗裂性能。

5.3.1 摻加高效復(fù)合型抗裂外加劑

根據(jù)工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，混凝土澆筑基本為泵送，泵送混凝土坍落度較大，大體積混凝土產(chǎn)生水化熱較高，混凝土自身脹縮變形較大。為了適度控制自身變形，設(shè)計(jì)采用適合于泵送的高效抗裂復(fù)合材料，摻量為膠凝材料的10%左右。該材料為多組分復(fù)合材料，主要成分為微膨脹劑和聚丙烯纖維[14]，前者補(bǔ)償混凝土收縮，后者減小混凝土脆性，提高混凝土抗拉強(qiáng)度，加上保水組分及改性組分等多種材料的共同作用，從階段抗裂、層次抗裂等多方面達(dá)到全程抗裂目的。

5.3.2 摻加減水劑

摻加高效緩凝型減水劑也是改善大體積混凝土自身抗裂性能的有效措施之一?？山档蛦挝挥盟?，從而降低水泥用量；緩凝型減水劑還有抑制水泥水化作用，可降低水化溫升，延遲水化熱釋放速度，熱峰也有所降低；同時(shí)，減水劑可緩凝，避免冷接縫，提高工作性及流動(dòng)性，有利于泵送施工。

5.4 施工控制措施

盡管在設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)已明確了多項(xiàng)抗裂措施要求，但大體積混凝土抗裂是一個(gè)綜合而復(fù)雜的課題，涉及各個(gè)環(huán)節(jié)的多種因素。其中，只要某個(gè)環(huán)節(jié)出現(xiàn)對(duì)抗裂不利的因素，就有可能導(dǎo)致裂縫發(fā)生，所以僅從設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)采取措施是不夠的。工程施工時(shí)，必須按施工規(guī)范中大體積混凝土相關(guān)要求實(shí)施，才能確保工程抗裂安全。根據(jù)相關(guān)規(guī)范要求，設(shè)計(jì)以施工圖說(shuō)明的形式，從原材料、配合比、施工溫度控制以及大體積混凝土的養(yǎng)護(hù)等方面提出了相關(guān)施工技術(shù)要求。

5.4.1 原材料及配合比控制

水泥水化產(chǎn)生水化熱是大體積混凝土發(fā)生溫度變化而導(dǎo)致體積變化的根源。由于礦物成分及摻合料含量不同，水泥水化熱差異較大。為降低水化熱、減小體積變形，大體積混凝土需優(yōu)先選用水化熱較低的水泥[15]，嚴(yán)格控制水灰比，降低混凝土絕熱溫升。

根據(jù)混凝土配合比設(shè)計(jì)原理可知，一方面骨料粒徑越大，其表面積和空隙率越小，混凝土中水泥漿及水泥用量就越小，因此，應(yīng)盡可能采用較大的骨料粒徑；另一方面，還應(yīng)降低水泥用量，摻用混合材料。摻合料可以有效降低水化的峰值溫度，推遲水化溫峰的出現(xiàn)時(shí)間，隨摻合料摻量的增大，溫峰出現(xiàn)的時(shí)間延遲。該工程通過(guò)摻加優(yōu)質(zhì)(一級(jí))粉煤灰[16]，控制骨料粒徑和級(jí)配，并添加適當(dāng)?shù)膿胶狭?，?yōu)化混凝土配合比，從源頭上控制混凝土的內(nèi)部溫升。

5.4.2 施工溫度控制及監(jiān)測(cè)

混凝土入模溫度取決于各種原材料的初始溫度，應(yīng)嚴(yán)格控制入倉(cāng)溫度，必要時(shí)，入倉(cāng)前可采取適當(dāng)?shù)慕禍卮胧?。主要方法是施工時(shí)加冰冷卻拌和水、骨料、水泥，盡量選擇較低氣溫時(shí)段澆筑混凝土。

大體積混凝土裂縫，特別是表面裂縫，主要是由于混凝土中產(chǎn)生了溫度梯度。為了使內(nèi)外溫差降低，可采用表面保溫方法，使混凝土內(nèi)外溫差降低。常用的保溫材料有模板、草袋、濕砂、鋸末等，保溫材料不僅要放置在混凝土的表面，還要注意結(jié)構(gòu)物四周的保溫。

對(duì)大體積混凝土進(jìn)行溫度跟蹤監(jiān)測(cè)，可及時(shí)準(zhǔn)確地掌握混凝土各部位溫度變化，以便采取措施降低內(nèi)部溫度，保證工程質(zhì)量?；炷翜厣羁斓碾A段在澆筑后1～5 d，每1h讀取數(shù)據(jù)一次，以后數(shù)據(jù)讀取時(shí)間可適當(dāng)延長(zhǎng)，通過(guò)整理、歸納，形成系統(tǒng)的溫控?cái)?shù)據(jù)資料。該工程溫控監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)資料顯示，按設(shè)計(jì)溫控措施加上施工輔助措施實(shí)施后，大體積混凝土內(nèi)部最大溫升均控制小于25℃，施工溫度控制效果良好。

5.4.3 混凝土澆筑時(shí)段及養(yǎng)護(hù)

合理安排混凝土澆筑時(shí)間。高溫季節(jié)盡量安排在16：00至翌日10：00前進(jìn)行，以減少混凝土溫度回升。冬季避免在夜間低溫時(shí)段澆筑，同時(shí)進(jìn)行保溫養(yǎng)護(hù)，在混凝土表面覆蓋塑料薄膜和草簾，減小混凝土內(nèi)外溫差?；炷翝仓?，安排專人及時(shí)灑水養(yǎng)護(hù)，并適當(dāng)延遲側(cè)向模板的拆模時(shí)間，以保持混凝土表面溫度和濕度，避免氣溫陡降和快速失水引起混凝土表面的收縮裂縫。

6 結(jié) 語(yǔ)

本文基于新溝河江邊樞紐船閘整體閘室結(jié)構(gòu)，對(duì)水工大體積混凝土結(jié)構(gòu)抗裂進(jìn)行了實(shí)踐與研究。通過(guò)改善地基約束條件、優(yōu)化結(jié)構(gòu)體量并采取布管通水冷卻、摻抗裂外加劑以及配置溫度鋼筋等多個(gè)抗裂措施加以控制。結(jié)合施工環(huán)節(jié)的自拌混凝土原材料及配合比控制、溫度控制及監(jiān)測(cè)、澆筑及養(yǎng)護(hù)等方面的控制措施，實(shí)現(xiàn)了大體積混凝土內(nèi)外溫差小于25℃的控制目標(biāo)。船閘完建時(shí)，經(jīng)專項(xiàng)檢測(cè)，閘首和閘室共28個(gè)大體積墩墻的裂縫常見(jiàn)部位均未有裂縫發(fā)生。在此基礎(chǔ)上，2期閘站工程繼續(xù)采取各項(xiàng)抗裂措施，后續(xù)閘站大體積混凝土也未有裂縫發(fā)生，總體抗裂效果明顯。目前，工程已驗(yàn)收通水，正準(zhǔn)備完工驗(yàn)收。實(shí)踐證明，該工程研究并采取的多重抗裂措施行之有效，取得了理想的抗裂實(shí)施效果。

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