大體積水利水電工程混凝土裂縫原因探析

姜 峰

(葫蘆島市綏中縣大風(fēng)口水庫(kù)管理處，遼寧 綏中 125200)

0 引 言

裂縫的存在顯著縮短了結(jié)構(gòu)的服役壽命，并對(duì)結(jié)構(gòu)的安全性、穩(wěn)定性和耐久性造成極為不利的影響，這主要體現(xiàn)在加速鋼筋銹蝕及混凝土碳化、促使混凝土發(fā)生凍融與溶蝕破壞、破壞整體性、改變?cè)瓚?yīng)力狀態(tài)、產(chǎn)生滲漏等方面[1-4]。由于水工大體積混凝土具有易受環(huán)境約束、熱傳導(dǎo)性差、抗拉強(qiáng)度低、結(jié)構(gòu)體積大的特點(diǎn)，實(shí)際工程中極易出現(xiàn)裂縫，因此質(zhì)量控制的重點(diǎn)為有效防治裂縫。受外界環(huán)境、施工工藝和自身特性等多種因素的影響，水工大體積混凝土裂縫有進(jìn)一步擴(kuò)張的趨勢(shì)。從裂縫成因的角度上，施工條件、材料特性、內(nèi)部與外部約束、混凝土收縮變形、水泥水化熱、體型體量、環(huán)境溫度、配合比設(shè)計(jì)等為影響大體積混凝土裂縫的主要因素[5-6]。研究表明，因施工因素、混凝土材料、設(shè)計(jì)不當(dāng)及其他因素造成的大體積混凝土裂縫占比約為80%、15%和5%。因此，為最大限度的減少混凝土有害裂縫，必須采取有效的防裂技術(shù)，以保證結(jié)構(gòu)施工質(zhì)量及其設(shè)計(jì)使用年限[7-8]。

1 工程概況

水電站廠房6號(hào)壩段6-2-左上游面的倉(cāng)位產(chǎn)生裂縫，倉(cāng)位尺寸長(zhǎng)19.25m×寬25.00m×高1.71m，存在于高出基建面2.05m處。澆筑C9025三級(jí)常態(tài)和C9025三級(jí)富漿混凝土，塌落度為7-9cm與5-7cm，利用臺(tái)階法及纜機(jī)澆筑將近16h，該過(guò)程采取的溫控措施有冷卻通水、噴霧機(jī)，并覆蓋保溫被。由于施工進(jìn)度的限制，在澆筑完成一個(gè)月后排查其裂縫，結(jié)果發(fā)現(xiàn)2條沿橫向、豎向呈十字形展布的貫穿裂縫，縫長(zhǎng)為20.26mm與25.71cm，縫深約168cm，寬度為0.1-0.2mm，在上下游和左右方向上從上游貫穿下游、從左側(cè)貫穿右側(cè)全倉(cāng)。

2 混凝土裂縫原因

2.1 原因分析關(guān)聯(lián)圖

通過(guò)咨詢施工人員、查閱相關(guān)資料以及分析澆筑環(huán)境、倉(cāng)位位置和工藝技術(shù)，結(jié)合裂縫成因以及工程施工經(jīng)驗(yàn)總結(jié)該倉(cāng)混凝土裂縫形成的主要原因，并對(duì)形成裂縫的原因利用關(guān)聯(lián)圖分析，如圖1。

圖1 關(guān)聯(lián)圖

2.2 裂縫產(chǎn)生要因

對(duì)可能導(dǎo)致裂縫產(chǎn)生的原因利用原因分析關(guān)聯(lián)圖查找，并確定末端原因有11條。通過(guò)對(duì)照施工技術(shù)相關(guān)要求以及查閱施工過(guò)程有關(guān)資料，對(duì)末端原因的關(guān)聯(lián)度組織工程各參建方打分，從而確定9、10月份施工晝夜溫差變化大、混凝土料配合比不合理、施工藍(lán)圖下發(fā)不及時(shí)和混凝土澆筑倉(cāng)面過(guò)大等4項(xiàng)關(guān)聯(lián)程度較高的末端原因，如表1。對(duì)于較高關(guān)聯(lián)程度的末端原因提出有效的對(duì)策，如表2。

表1 裂縫產(chǎn)生要因

表2 末端原因?qū)Σ弑?/p>

3 溫控監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

依據(jù)廠房壩段分縫分塊布置和設(shè)計(jì)提供的溫控技術(shù)要求，考慮各種邊界條件及不同季節(jié)逐層澆筑的情況，采用三維有限元溫控計(jì)算軟件仿真模擬溫度徐變應(yīng)力場(chǎng)和壩體溫度場(chǎng)，并按照規(guī)程規(guī)范類比分析其他類似工程，結(jié)合工程實(shí)際提出行之有效的溫控要求。因此，對(duì)于有效防止倉(cāng)面裂縫的產(chǎn)生、合理控制混凝土水化熱等施工使用的溫控技術(shù)發(fā)揮著重要作用。本研究對(duì)一期通水冷卻溫控?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)(如表3)，即發(fā)現(xiàn)裂縫至倉(cāng)位混凝土收縮時(shí)段的溫度，通過(guò)分析混凝土內(nèi)部溫度數(shù)據(jù)與一期通水冷卻進(jìn)水溫度，準(zhǔn)確識(shí)別裂縫產(chǎn)生的責(zé)任主體，并給出合理的結(jié)論和依據(jù)。

表3 通水冷卻溫控?cái)?shù)據(jù) ℃

3.1 一期通水冷卻溫控?cái)?shù)據(jù)

水化熱熱量大且難于散發(fā)為引起大體積混凝土溫度裂縫的主要原因，倉(cāng)面混凝土溫度與混凝土內(nèi)部溫差積聚從而產(chǎn)生較大溫差，加之外部約束的存在使得混凝土不能自由變形，并產(chǎn)生相應(yīng)的溫度應(yīng)力。溫差越大溫度應(yīng)力越高，從而混凝土開(kāi)裂的可能性就越大。一期通水冷卻溫控?cái)?shù)據(jù)極差-均值控制如圖2，其特性值服從N(μ，σ)分布。

(a)極差

(b)均值

3.2 溫控與溫度變化

混凝土澆筑過(guò)程中和澆筑后的部分熱量可通過(guò)埋設(shè)冷卻水管的循環(huán)水帶走，從而有效縮短水化熱峰值時(shí)間和降低絕對(duì)溫升高值，混凝土內(nèi)部溫度與冷卻水管進(jìn)出水溫差均值如圖3。

3.3 溫度監(jiān)測(cè)頻數(shù)表

通水冷卻設(shè)計(jì)給定了通水流量和水文的范圍，工程設(shè)計(jì)、施工環(huán)境等條件應(yīng)引起重視。為準(zhǔn)確判定通水冷卻效果是否有效需要對(duì)混凝土內(nèi)溫度監(jiān)測(cè)頻數(shù)(表7)進(jìn)行分析，在此基礎(chǔ)上對(duì)是否優(yōu)化通水措施給予判定。收面以后混凝土內(nèi)部溫度直方圖和監(jiān)測(cè)頻數(shù)，如圖4。

圖3 內(nèi)部溫度變化散布圖

表4 溫度監(jiān)測(cè)頻數(shù)

圖4 溫度監(jiān)測(cè)直方圖

若對(duì)于水工大體積混凝土溫度控制一期通水冷卻溫控技術(shù)發(fā)揮顯著效果，可以避免倉(cāng)面裂縫的形成，則對(duì)溫控國(guó)政質(zhì)量控制效果利用混凝土收面以后內(nèi)部溫度監(jiān)測(cè)直方圖、內(nèi)部溫度變化與冷卻通水溫差散布圖、內(nèi)部極差-均值控制圖判定，主要結(jié)論如下：

1)通過(guò)對(duì)內(nèi)部溫度極差-均值控制圖分析可知，極差數(shù)據(jù)在第4-11d時(shí)具有較大的變化幅度，極差數(shù)據(jù)在16-25d時(shí)處于極差均值下方且變化極不規(guī)律；第3-15d時(shí)混凝土內(nèi)部均值超出控制上限，在17-28d時(shí)超出均值控制下限。所以，對(duì)于內(nèi)部溫度控制承包人采取的溫控措施并未發(fā)揮明顯的作用。

2)通過(guò)對(duì)混凝土內(nèi)溫差變化與冷卻通水溫差散布圖分析發(fā)現(xiàn)，混凝土內(nèi)溫差與3-4℃范圍的冷卻通水溫差存在負(fù)相關(guān)，混凝土內(nèi)溫差隨冷卻通水溫差的升高而降低；混凝土內(nèi)溫差數(shù)據(jù)在冷卻通水溫差為5-6℃范圍時(shí)集中于25-30℃之間，并且維持時(shí)間較長(zhǎng)。由此表明，混凝土內(nèi)部溫度控制與某一時(shí)段冷卻通水溫度極不匹配，對(duì)此可進(jìn)一步優(yōu)化通水溫度；針對(duì)集中于25-30℃天數(shù)的混凝土內(nèi)溫差有必要實(shí)施有效的降溫措施，從而有效控制內(nèi)外溫差。

3)通過(guò)對(duì)溫度數(shù)據(jù)頻數(shù)的分析可知，在采取溫控措施作用下分布于29.02-30.15℃、27.95-29.02℃高溫度區(qū)間的頻數(shù)較多，在混凝土收面后承包人仍需要加強(qiáng)溫控措施，分布于30.15-31.30℃的頻數(shù)相對(duì)較少，可見(jiàn)采取必要的溫控措施能夠有效控制該倉(cāng)混凝土水化熱，并結(jié)合溫度監(jiān)測(cè)直方圖可以判定溫控措施總體穩(wěn)定。

綜上分析，總體上在混凝土收面后承包人實(shí)施的溫控措施有效，但仍需要進(jìn)一步加強(qiáng)溫控措施的落實(shí)以解決混凝土內(nèi)部水化熱集中釋放的問(wèn)題。雖然混凝土裂縫受多方面因素的影響，但在落實(shí)溫控措施方面承包人還存在許多問(wèn)題，針對(duì)產(chǎn)生的混凝土裂縫承包人應(yīng)承擔(dān)一定責(zé)任。

4 結(jié) 論

文章從引起裂縫產(chǎn)生的原因入手，準(zhǔn)確識(shí)別了產(chǎn)生水工大體積混凝土裂縫的要因，水泥水化熱為產(chǎn)生溫度裂縫的主因，并且混凝土自身收縮、外部約束及環(huán)境溫度的變化也對(duì)裂縫的產(chǎn)生較大的影響。結(jié)合工程實(shí)際提出了有效的防控對(duì)策，為水工混凝土質(zhì)量控制和倉(cāng)面裂縫防治提供技術(shù)支撐，然后利用質(zhì)量過(guò)程控制工具分析了混凝土一期冷卻通水溫控?cái)?shù)據(jù)，并提出在落實(shí)混凝土溫控措施時(shí)承包人還存在一定的問(wèn)題，對(duì)此應(yīng)承擔(dān)一定的責(zé)任。