小浪底泄洪工程高標(biāo)號(hào)混凝土裂縫產(chǎn)生的原因及防治

簡介： 小浪底泄洪工程中采用了抗空蝕、耐磨性能好的C70高標(biāo)號(hào)硅粉混凝土?？装?導(dǎo)流)洞、排沙洞明流段、明流洞和溢洪道大體積、C70高標(biāo)號(hào)硅粉混凝土中均出現(xiàn)早期和后期施工裂縫。早期裂縫主要與混凝土因水泥水化熱引起的內(nèi)外溫差和干燥引起的內(nèi)外濕差有關(guān)。后期裂縫主要由基礎(chǔ)溫差引起。采取摻加25-40%粉煤灰優(yōu)化混凝土配合比、加強(qiáng)混凝土溫度控制、縮短混凝土分塊長度等措施能有效預(yù)防裂縫產(chǎn)生。工程修補(bǔ)時(shí)采用環(huán)氧樹脂和特細(xì)水泥注漿法處理已出現(xiàn)的裂縫、效果良好。
關(guān)鍵字：高標(biāo)號(hào)硅粉混凝土裂縫環(huán)氧樹脂特細(xì)水泥

黃河小浪底水利樞紐工程位于河南省洛陽市以北40km，黃河中游最后一段峽谷的出口處，上距三門峽水利樞紐130km，下距花園口128km.水庫總庫容126.5億m3，其中有效庫容51億m3.樞紐主要任務(wù)是以防洪、防凌、減淤為主，兼顧供水、灌溉和發(fā)電，蓄清排渾、除害興利、綜合利用。小浪底的泄洪項(xiàng)目主要包括：進(jìn)水口引渠、10個(gè)功能不同的塔體組成的進(jìn)水塔、3條孔板(導(dǎo)流)洞、3條明流泄洪洞、3條排沙洞、1條正常溢洪道、出口消力塘和泄水渠、尾水明渠。在3條孔板(導(dǎo)流)洞閘室以下洞身段、3條排沙洞明流段、3條明流洞和溢洪道采用了抗空蝕耐磨性能好的C70高標(biāo)號(hào)硅粉混凝土。標(biāo)號(hào)40MPa以下的混凝土在我國普遍使用，并具有豐富的施工經(jīng)驗(yàn)和研究成果。但大體積、大范圍使用70MPa混凝土，在我國水利工程中還是較少的。在小浪底孔板(導(dǎo)流)洞閘室以下洞身段、排沙洞明流段、明流洞和溢洪道C70高標(biāo)號(hào)硅粉混凝土施工過程中，混凝土都有不同程度的裂縫出現(xiàn)，裂縫寬度一般在0.4～0.8mm，最大寬度2mm，裂縫平均長度4m.C70高標(biāo)號(hào)硅粉混凝土裂縫分布部位和裂縫主要類型見表1.

表1 C70高標(biāo)號(hào)硅粉混凝土裂縫分布部位和裂縫類型

1 高強(qiáng)度等級(jí)混凝土裂縫產(chǎn)生的原因

　　1.1 早期裂縫分析混凝土早期裂縫主要與混凝土因水泥水化熱引起的內(nèi)外溫差和干燥引起的內(nèi)外濕差(特別在拆模后)有關(guān)。混凝土澆筑后，因水泥水化熱作用，引起溫度升高較快，見圖1，加上混凝土的導(dǎo)熱性能很差，導(dǎo)致混凝土內(nèi)外出現(xiàn)溫差。由于材料的熱脹冷縮性，引起內(nèi)部受壓、外部受拉。當(dāng)混凝土此時(shí)的抗拉強(qiáng)度小于外部溫度拉應(yīng)力時(shí)就要出現(xiàn)裂縫。有些部位在拆模(齡期2～3d左右)時(shí)已出現(xiàn)裂縫，有些部位在拆模后1～2d內(nèi)出現(xiàn)裂縫。表2是計(jì)算的C25、C70混凝土升溫過程中不同內(nèi)表溫差和不同表面溫度降溫梯度的拉應(yīng)力。

相關(guān)圖片如下

圖1 C70高標(biāo)號(hào)硅粉混凝土現(xiàn)場實(shí)測溫度上升曲線

表2 C25、C70混凝土表面早期溫度拉應(yīng)力

注：①3d齡期抗拉強(qiáng)度：C25混凝土[σ]=1.34MPa，C70高標(biāo)號(hào)硅粉混凝土[σ]=1.92MPa;②5d齡期抗拉強(qiáng)度：C25混凝土[σ]=　—　　　1.72MPa，C70高標(biāo)號(hào)硅粉混凝土[σ]=2.47MPa.

　　從表2可以看出，低標(biāo)號(hào)C25混凝土因其水泥用量少，水化熱引起升溫較C70低，在溫差相同時(shí)，C70混凝土比C25混凝土溫度拉應(yīng)力要大得多。在升溫過程中，當(dāng)內(nèi)表溫差超過12℃時(shí)，C70混凝土的實(shí)際拉應(yīng)力大于C70混凝土的極限拉應(yīng)力[σ]；表面溫度降溫梯度超過10℃時(shí)，C70混凝土的實(shí)際拉應(yīng)力大于C70混凝土的極限拉應(yīng)力[σ]，都將產(chǎn)生裂縫。根據(jù)統(tǒng)計(jì)的現(xiàn)場溫度資料，混凝土在木模板保護(hù)、外界氣溫10℃左右情況下，1～2m厚的C70混凝土在升溫過程中內(nèi)表溫差在6～9℃左右，根據(jù)表2的計(jì)算分析結(jié)果，拆模前一般是不會(huì)出現(xiàn)裂縫。從現(xiàn)場施工情況發(fā)現(xiàn)，凡是拆模時(shí)即出現(xiàn)裂縫的，多是采用混凝土泵入倉水泥用量加大或澆筑后遇到特別冷的天氣未很好的進(jìn)行冬季保溫，或同時(shí)具備上述兩種因素，此時(shí)混凝土在升溫過程中內(nèi)表溫差大于12℃，所以在拆模時(shí)混凝土就已經(jīng)產(chǎn)生了裂縫。3號(hào)明流洞左邊墻第54塊混凝土在拆模時(shí)就發(fā)現(xiàn)有裂縫出現(xiàn)。

　　混凝土在拆模后無任何保護(hù)的情況下，經(jīng)計(jì)算C70混凝土表面拆模后第一天降溫梯度最陡，一般達(dá)到12～20℃左右，根據(jù)表2計(jì)算分析結(jié)果，一天表面降溫10℃時(shí)所產(chǎn)生的溫度應(yīng)力足以將混凝土表面拉開。實(shí)際統(tǒng)計(jì)資料表明拆模后混凝土未進(jìn)行有效的保護(hù)措施，遇低溫時(shí)混凝土表面溫度驟然下降，引起更大的溫度變化，使得混凝土表面的拉應(yīng)力更大，這樣混凝土在拆模后1～2d內(nèi)將出現(xiàn)表面裂縫。溢洪道左邊墻WL-510K塊的F層(層高3m)在拆模時(shí)未發(fā)現(xiàn)裂縫，拆模后未進(jìn)行任何保護(hù)，拆模后第2天發(fā)現(xiàn)3條豎向貫穿裂縫。

　　早期混凝土裂縫一般為表面裂縫，方向不定，數(shù)量較多。根據(jù)現(xiàn)場統(tǒng)計(jì)資料顯示此類裂縫占總量的69%.1.2 后期裂縫分析混凝土后期裂縫主要由基礎(chǔ)溫差引起，與施工分塊尺寸、混凝土彈模/基巖彈模等因素有關(guān)。對(duì)于厚度1～2m的混凝土底板或邊墻，當(dāng)混凝土塊溫度由最高降至最低(或穩(wěn)定溫度)時(shí)，由于受基巖的強(qiáng)約束，產(chǎn)生較大的拉應(yīng)力，如果基礎(chǔ)溫差較大或分塊尺寸較大，產(chǎn)生的拉應(yīng)力大于混凝土抗拉力，混凝土就會(huì)產(chǎn)生裂縫，對(duì)厚度1m的C25、C70混凝土基礎(chǔ)溫差溫度應(yīng)力進(jìn)行計(jì)算的結(jié)果見表3.

表3 因混凝土與基礎(chǔ)溫差引起的溫度拉應(yīng)力

　　注：①28d齡期抗拉強(qiáng)度：C25混凝土[σ]=1.85MPa，C70高標(biāo)號(hào)硅粉混凝土[σ]=3.5MPa，應(yīng)力安全系數(shù)均為1.3；②L為澆筑塊最長邊尺寸。

　　由表3可見，基巖上的C25混凝土板，若控制基礎(chǔ)溫差22℃(對(duì)應(yīng)最高溫度為30℃左右)，澆筑分塊長度應(yīng)在15m以內(nèi)，可防止混凝土出現(xiàn)裂縫?；鶐r上的C70高標(biāo)號(hào)硅粉混凝土板，若控制基礎(chǔ)溫差37℃(對(duì)應(yīng)最高溫度為45℃左右)，澆筑分塊長度大于15m時(shí)其拉應(yīng)力大于C70高標(biāo)號(hào)硅粉混凝土[σ]值3.5MPa，將會(huì)產(chǎn)生裂縫。若控制基礎(chǔ)溫差46℃(對(duì)應(yīng)最高溫度為54℃左右)，澆筑分塊長度大于6m，將會(huì)產(chǎn)生裂縫。在溢洪道C70高標(biāo)號(hào)硅粉混凝土分塊長度達(dá)15m，因其最高溫度超過45℃，出現(xiàn)了后期混凝土裂縫。

　　在無早期裂縫的澆筑塊上，后期裂縫一般出現(xiàn)在澆筑塊中間位置，而在已出現(xiàn)早期裂縫的澆筑塊，后期裂縫只在已出現(xiàn)的裂縫上繼續(xù)拉長加深。由于底板和圍巖形成的基礎(chǔ)約束力較強(qiáng)，由此產(chǎn)生的裂縫是深層裂縫和貫穿性裂縫。此類裂縫數(shù)量較少，但危害最大。根據(jù)現(xiàn)場統(tǒng)計(jì)資料顯示此類裂縫占總量的31%.

2 C70高標(biāo)號(hào)硅粉混凝土裂縫的預(yù)防

　　(1)優(yōu)化混凝土配合比。在滿足強(qiáng)度等設(shè)計(jì)指標(biāo)要求的情況下，摻加粉煤灰25%～40%盡量減少水泥用量，降低混凝土水化熱溫升，提高混凝土的后期強(qiáng)度及抗裂能力。(2)提高施工質(zhì)量。加強(qiáng)混凝土澆筑過程中的振搗控制，保證混凝土內(nèi)部組織密實(shí)，達(dá)到提高混凝土極限拉伸值的目的。(3)縮短混凝土分塊長度。根據(jù)水工規(guī)范，隧洞及泄洪槽襯砌分塊長度一般6～12m.據(jù)表3計(jì)算分析結(jié)果，C70高標(biāo)號(hào)硅粉混凝土分塊長度取規(guī)范的下限，以4～6m較合適。(4)加強(qiáng)混凝土溫度控制。C70高標(biāo)號(hào)硅粉混凝土溫控比其他低強(qiáng)度混凝土更難以控制。高強(qiáng)度等級(jí)混凝土溫控有其特殊性，與低強(qiáng)度混凝土相比，其齡期3～7d左右溫度提高的幅度遠(yuǎn)大于其強(qiáng)度提高的幅度。因此需采取比一般低強(qiáng)度混凝土更強(qiáng)的溫控措施。在混凝土施工時(shí)降低澆筑溫度，也就是降低最高溫升和初始溫差，達(dá)到降低表面拉應(yīng)力的目的。這對(duì)防止早期溫度裂縫非常有效。降低澆筑溫度要控制3個(gè)環(huán)節(jié)，控制骨料溫度、控制水泥溫度，充分利用制冷設(shè)施來降低出機(jī)溫度；混凝土運(yùn)輸中采用攪拌車，減少運(yùn)輸途中的溫度回升；減少入倉振搗時(shí)的溫度回升。(5)混凝土養(yǎng)護(hù)。混凝土冬季拆模后，為防止混凝土表面灑水結(jié)冰造成內(nèi)外溫差過大出現(xiàn)裂縫，小浪底工程使用Sika保水養(yǎng)護(hù)劑，拆模后刷在混凝土表面進(jìn)行養(yǎng)護(hù)。該養(yǎng)護(hù)劑在90d后老化，自行剝落，不存在將來過水后有害物質(zhì)污染黃河問題。同時(shí)覆蓋泡沫塑料保溫。

　　施工中采取以上措施后，有效地控制了裂縫的發(fā)生和發(fā)展。3號(hào)明流洞在施工后期裂縫明顯減少。

3 C70高標(biāo)號(hào)硅粉混凝土裂縫處理措施

　　根據(jù)技術(shù)規(guī)范要求凡是裂縫寬度大于0.5mm或是長度大于1.5m的裂縫均應(yīng)進(jìn)行處理。小浪底泄洪工程對(duì)C70高標(biāo)號(hào)硅粉混凝土裂縫主要采用環(huán)氧樹脂和特細(xì)水泥注漿進(jìn)行處理。3.1 環(huán)氧注漿處理

3.1.1 注漿材料 Sika 752環(huán)氧樹脂漿材為雙組分化灌材料按比例混合后，可在自然狀態(tài)下或潮濕的混凝土表面無收縮固化。Sika 752環(huán)氧樹脂力學(xué)強(qiáng)度指標(biāo)及適用條件見表4。

表4 齡期14d的強(qiáng)度指標(biāo)及適用條件

　　3.1.2 裂縫處理步驟 (1)用沖擊鉆沿裂縫鉆孔，孔徑6mm、孔深10cm、孔距30cm左右。(2)用高壓風(fēng)水槍沖洗裂縫及周圍混凝土表面，并用高壓空氣吹凈縫內(nèi)積水。(3)在鉆孔處安放灌漿咀。同時(shí)用Sika 731環(huán)氧砂漿封閉裂縫及灌漿咀底座。固化24h.(4)把分別包裝的Sika 752A、B兩種材料按2∶1的比例在干凈的容器內(nèi)混合并攪拌3min.(5)用環(huán)氧注漿泵將拌合好的漿液注入裂縫內(nèi)，豎向縫自下而上，水平縫自一端向另一端，逐孔灌注，灌注壓力為0.4～0.6MPa.(6)自然狀態(tài)下養(yǎng)護(hù)，達(dá)到一定強(qiáng)度后用砂輪機(jī)把表面打平磨光。

　　3.1.3 裂縫處理效果孔板(導(dǎo)流)洞、排沙洞泄槽段均采用此方法進(jìn)行處理，在處理過的裂縫中進(jìn)行隨機(jī)取芯檢查，從芯樣外觀看，灌注材料充滿裂縫空隙與混凝土結(jié)合很好。進(jìn)行抗壓實(shí)驗(yàn)時(shí)，滿足混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度要求。3.2 特細(xì)水泥注漿處理

表5 強(qiáng)度指標(biāo)及適用條件

　　3.2.1 注漿材料特細(xì)水泥(Sika Mikrodur R-U)因其細(xì)度(最大顆粒通過d95<9.5um，比表面積>16000cm2/g)有別于普通水泥。使用時(shí)特細(xì)水泥添加3%的外加劑(Sika Intraplast HE50)和水混合。特細(xì)水泥的力學(xué)強(qiáng)度指標(biāo)及適用條件見表5.

　　3.2.2 裂縫處理步驟其施工方法及操作步驟與環(huán)氧樹脂灌漿類似，不同的是環(huán)氧樹脂灌漿沿逢面鉆孔插入灌漿管，而特細(xì)水泥灌漿不需鉆孔，只需沿逢面每隔30～50cm安裝一只管座，管座上連接支管，豎直縫自下而上，水平縫從一端到另一端，逐孔灌注，灌漿壓力約0.6～1.2MPa.

　　3.2.3 裂縫處理效果 3條明流洞泄槽段裂縫采用此方法處理，根據(jù)取芯檢查結(jié)果，水泥變形與混凝土接近，進(jìn)行抗壓實(shí)驗(yàn)時(shí)，滿足混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度要求。如果有滲水的裂縫采用特細(xì)水泥方法效果要比Sika環(huán)氧樹脂好，但特細(xì)水泥方法價(jià)格?萐ika752方法高30%左右。因此，處理C70高標(biāo)號(hào)硅粉混凝土裂縫時(shí)應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況選擇不同的修補(bǔ)方法。

4 結(jié)束語

小浪底泄洪工程采用C70高標(biāo)號(hào)硅粉混凝土的部位出現(xiàn)各種類型的裂縫的機(jī)率較C40以下混凝土的部位為高。從裂縫產(chǎn)生的時(shí)間上看，早期裂縫居多。從表面裂縫、深層裂縫、貫穿裂縫類型上看，C70高標(biāo)號(hào)硅粉混凝土中深層裂縫、貫穿裂縫較C40以下混凝土多。通過對(duì)早期裂縫和后期裂縫的原因分析，采取了有效的預(yù)防措施，這些措施的實(shí)施對(duì)防止裂縫形成取得了良好的效果。按照技術(shù)規(guī)范要求，凡是縫寬大于0.5mm或長度大于1.5m的裂縫均應(yīng)進(jìn)行處理。小浪底采用環(huán)氧樹脂注漿法和特細(xì)水泥注漿法處理裂縫，這兩種方法工藝成熟，處理后的抗壓強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求。為了避免和減少高強(qiáng)度混凝土的裂縫，優(yōu)化配合比設(shè)計(jì)、研制“補(bǔ)償收縮混凝土”是土木工程材料學(xué)科的新課題。