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.doc

小浪底泄洪工程高標(biāo)號(hào)混凝土裂縫產(chǎn)生的原因及防治廖波(小浪底工程咨詢有限公司)摘 要：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。孔板(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(zhǎng)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)鍵詞：高標(biāo)號(hào)硅粉混凝土；裂縫；環(huán)氧樹脂；特細(xì)水泥收稿日期：2000-06-08作者簡(jiǎn)介：廖波(1966-)，男，安徽壽縣人，工程師，從事水利水電施工及監(jiān)理工作。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0.40.8mm，最大寬度2mm，裂縫平均長(zhǎng)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C70高標(biāo)號(hào)硅粉混凝土裂縫分布部位澆筑尺寸裂縫主要類型混凝土澆筑方量/(萬m3)孔板(導(dǎo)流)洞洞身段(洞徑14.5m)上半圓長(zhǎng)度12m內(nèi)弧長(zhǎng)34.16m厚度0.8-1.2m斜向發(fā)展到近似水平向的混凝土裂縫17.0下半圓長(zhǎng)度12m內(nèi)弧長(zhǎng)11.39m厚度0.8-1.2m明流洞洞身段和泄槽段邊墻12m(9-11.5)m1m豎直縫和45左右的傾斜裂縫14.4底板12m(12.5-13.7)m1m橫向貫穿裂縫排沙洞明渠段邊墻8.9m7.9m0.8m豎直縫和45左右的傾斜裂縫2.8底板8.9m6m0.8m橫向貫穿裂縫溢洪道邊墻15m11m0.8m豎直縫和45左右的傾斜裂縫12.0底板15m14m0.5m橫向貫穿裂縫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)?；炷翝仓螅蛩嗨療嶙饔?，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23d左右)時(shí)已出現(xiàn)裂縫，有些部位在拆模后12d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。圖1 C70高標(biāo)號(hào)硅粉混凝土現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)溫度上升曲線表2 C25、C70混凝土表面早期溫度拉應(yīng)力溫差/C25混凝土溫度拉應(yīng)力/MPaC70混凝土溫度拉應(yīng)力/MPa升溫過程內(nèi)表溫差(齡期3d)70.931.2891.301.79121.862.5651.011.38表面溫度降溫梯度(齡期5d)81.612.21102.022.76注：3d齡期抗拉強(qiáng)度：C25混凝土=1.34MPa，C70高標(biāo)號(hào)硅粉混凝土=1.92MPa;5d齡期抗拉強(qiáng)度：C25混凝土=1.72MPa，C70高標(biāo)號(hào)硅粉混凝土=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；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，都將產(chǎn)生裂縫。根據(jù)統(tǒng)計(jì)的現(xiàn)場(chǎng)溫度資料，混凝土在木模板保護(hù)、外界氣溫10左右情況下，12m厚的C70混凝土在升溫過程中內(nèi)表溫差在69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(chǎng)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)?；炷猎诓鹉：鬅o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1220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12d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(chǎng)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12m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C25混凝土拉應(yīng)力/MPaC70混凝土拉應(yīng)力/Mpa基礎(chǔ)溫差/L=6mL=10mL=15mL=6mL=10mL=15m221.671.78272.052.18372.73.43.6463.44.24.5注：28d齡期抗拉強(qiáng)度：C25混凝土=1.85MPa，C70高標(biāo)號(hào)硅粉混凝土=3.5MPa，應(yīng)力安全系數(shù)均為1.3；L為澆筑塊最長(zhǎng)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(zhǎng)度應(yīng)在15m以內(nèi)，可防止混凝土出現(xiàn)裂縫。基巖上的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(zhǎng)度大于15m時(shí)其拉應(yīng)力大于C70高標(biāo)號(hào)硅粉混凝土值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(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)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(chǎng)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(zhǎng)度。根據(jù)水工規(guī)范，隧洞及泄洪槽襯砌分塊長(zhǎng)度一般612m.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(zhǎng)度取規(guī)范的下限，以46m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37d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)?；炷炼静鹉：?，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(zhǎng)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)及適用條件抗壓強(qiáng)度/MPa抗拉強(qiáng)度/MPa與混凝土的粘結(jié)強(qiáng)度/MPa與鋼材粘結(jié)強(qiáng)度/MPa被修補(bǔ)的混凝土表面允許溫度/可修補(bǔ)裂縫寬度/mm6427393400.20.53.1.2 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21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0.40.6MPa.(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)及適用條件抗壓強(qiáng)度/Mpa水灰比密度/(kg/l)比表面積/(cm2/g)修補(bǔ)裂縫寬度1d7d38d/mm0.55-0.653.0160002345600.23.2.1 注漿材料 特細(xì)水泥(Sika Mikrodur R-U)因其細(xì)度(最大顆粒通過d9516000cm2/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3050cm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0.61.2MPa.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)