水閘閘墩裂縫的成因分析

水閘閘墩裂縫的成因分析

1檢修門門門庫(kù)1969年6月，南排河工程完成，護(hù)坡加固，南排河工程完成。這是一座兩級(jí)建筑。上層設(shè)計(jì)水位為6.44m，下游為6.24m，設(shè)計(jì)流量為3603m/s。重建后,南閘共27孔,每孔凈寬9.5m,其中兩端邊孔未設(shè)工作閘門,為檢修門門庫(kù)。水閘主要由底板和閘墩組成,是呈倒T字形的“墻板”式水工混凝土結(jié)構(gòu)。閘墩底部受閘底板約束,上部可以自由伸縮。閘墩裂縫位于墩墻中部區(qū)域,近垂直方向,兩端小,中間大,呈棗核形;一般略超過(guò)墩高的1/2,上不到頂,下不著底,距底板10~30cm,為貫穿性裂縫,見(jiàn)圖1。閘墩裂縫的出現(xiàn)和存在,勢(shì)必會(huì)對(duì)其整體性、安全性帶來(lái)不利的影響。而且,由于混凝土開裂后會(huì)發(fā)生碳化等化學(xué)反應(yīng),進(jìn)而影響其耐久性。作為水工建筑物,其抗?jié)B性也會(huì)受到不利的影響,由此會(huì)產(chǎn)生溶蝕破壞作用,對(duì)于邊墩而言,有時(shí)還會(huì)出現(xiàn)透過(guò)裂縫而發(fā)生滲透變形的嚴(yán)重現(xiàn)象,裂縫出現(xiàn)后進(jìn)行修補(bǔ)又增加了工程的維修費(fèi)用。另外,裂縫還影響了建筑物的美觀,給人們帶來(lái)視覺(jué)上的不良效果和心理上的不安全感。2裂縫預(yù)防和控制為了更好地控制閘墩墩體的裂縫,必須采取有效措施對(duì)裂縫進(jìn)行預(yù)防和控制。大量的工程實(shí)踐證明,閘墩裂縫的產(chǎn)生主要與墩體內(nèi)外溫差、混凝土的干縮、自生體積變形、外部約束等因素有關(guān),通常是多因素綜合作用的結(jié)果。2.1混凝土運(yùn)行期溫度變化產(chǎn)生的抗拉力水泥水化產(chǎn)生大量的水化熱,在1~3d內(nèi)可放出熱量的50%,甚至更多,當(dāng)混凝土達(dá)到最高溫度后隨著熱量的散發(fā)又開始降溫,直到與環(huán)境溫度相同。圖2為混凝土澆筑后溫度變化過(guò)程線(圖中,Tp為入倉(cāng)溫度;Tr為溫升值;Tf為穩(wěn)定溫度;ΔT為最高溫度和穩(wěn)定溫度升高值,即基礎(chǔ)溫差)。閘墩作為大體積混凝土,熱量在傳遞的同時(shí)更易在內(nèi)部積存,導(dǎo)致了內(nèi)部溫度高于外部溫度,內(nèi)部出現(xiàn)峰值溫度。升溫階段結(jié)束后,是散熱階段,內(nèi)外混凝土散熱條件不同,外部混凝土和外界環(huán)境接觸,散熱條件好,熱量容易散發(fā),而內(nèi)部混凝土散熱條件差,于是在降溫階段又造成外部混凝土溫度低于內(nèi)部混凝土溫度,這樣在升溫和降溫階段都使閘墩內(nèi)外混凝土形成了同一方向的溫度梯度,導(dǎo)致了其變形的不一致。內(nèi)部膨脹受到外部的限制,或相應(yīng)地外部收縮受到內(nèi)部約束,于是在外部混凝土中產(chǎn)生了拉應(yīng)力。當(dāng)外部混凝土拉應(yīng)變達(dá)到其極限時(shí),裂縫就由此產(chǎn)生。裂縫初期很細(xì),隨著時(shí)間發(fā)展繼續(xù)擴(kuò)大、變深,甚至貫穿整個(gè)礅體。除了混凝土水化引起的溫度作用外,運(yùn)行期環(huán)境溫度變化也會(huì)產(chǎn)生一定作用。特別是遇到寒潮襲擊、表面溫降特別大時(shí),裂縫發(fā)展更為嚴(yán)重。從以上分析可以看出,影響內(nèi)外溫差的主要因素有混凝土水泥用量、水泥品種、澆筑入模溫度及環(huán)境溫度等。2.2表層混凝土熱性能混凝土內(nèi)的水分,少部分提供了水泥水化的需要,少部分泌出流失,大部分水分是在澆搗完畢后慢慢蒸發(fā)掉的。隨著水泥的凝結(jié)、硬化,混凝土中的水分在未飽和空氣中慢慢散失,引起混凝土體積縮小、變形,這種變形稱為干縮。由于混凝土的水分蒸發(fā)及含濕量的不均勻分布,形成濕度變化梯度。其水分蒸發(fā)總是從外向內(nèi),由表及里。表層混凝土的水分蒸發(fā)程度和速度總是大于內(nèi)部,表層混凝土收縮的程度亦大,其變形會(huì)受到內(nèi)部混凝土的限制,在表層混凝土中產(chǎn)生拉應(yīng)力,使得表層混凝土總的拉應(yīng)力加大,產(chǎn)生干縮裂縫。但干縮一般只發(fā)生在表層,對(duì)大體積混凝土而言,干縮擴(kuò)散深度達(dá)6cm需花1個(gè)月的時(shí)間,故干縮裂縫也只是表面裂縫或展開深度不大。大體積混凝土內(nèi)部一般不存在干縮問(wèn)題,但表面干縮不容忽視,它會(huì)誘導(dǎo)拉裂縫的產(chǎn)生。閘墩屬水工薄壁結(jié)構(gòu),其影響深度及程度相對(duì)較大,尤其是在干熱風(fēng)大季節(jié),如不及時(shí)處理和養(yǎng)護(hù),將會(huì)發(fā)生局部貫穿性裂縫?；炷恋呐浜媳群徒M成是影響干縮的主要因素。一般來(lái)說(shuō),水泥用量多,水灰比大,則干縮也大。骨料密度大,級(jí)配好,彈性模量高,骨料粒徑大,可以減小混凝土的干縮。其次,混凝土的養(yǎng)護(hù)和環(huán)境對(duì)干縮也有很大的影響。2.3收縮型自生體積混凝土即使沒(méi)有水分蒸發(fā),其各組成部分的化學(xué)反應(yīng)也會(huì)產(chǎn)生自生體積變形。普通混凝土的自生體積變形通常為收縮型的。在底板約束影響范圍內(nèi),收縮型自生體積變形則不利于防裂。它也是由于水分的遷移而引起的。但不是向外蒸發(fā)損失,而是由于水泥水化時(shí)消耗水分造成凝膠孔的液面下降,形成彎月面,水泥石供水不足,產(chǎn)生自干燥作用,使混凝土體相對(duì)濕度降低,體積減小。混凝土的自生收縮一般在拆模之前完成,雖然其量值不大,但如果同其他收縮疊加在一起,就會(huì)使表面拉應(yīng)力增大。閘墩墩體的斷面尺寸不是很大,但必須考慮自生收縮參與溫度收縮等產(chǎn)生的疊加影響。2.4沿水流方向的裂縫閘墩是底部固結(jié)在底板上,上部自由的結(jié)構(gòu)。通常是在底板澆筑完間隔一定時(shí)間后才開始澆筑閘墩,此時(shí)底板混凝土已經(jīng)固結(jié),是“老混凝土”。閘墩在沿其高度方向可以自由伸縮,不受約束;厚度方向由于閘墩厚度不大,約束很小;而在沿水流方向,則受底板約束相對(duì)很大。閘墩混凝土澆筑早期,產(chǎn)生大量水化熱,溫度升高,體積膨脹,受到底板約束,產(chǎn)生壓應(yīng)力。但混凝土澆筑早期,彈性模量低,產(chǎn)生的壓應(yīng)力很小。隨著熱量的散發(fā),混凝土開始降溫,加上干縮、自生體積變形等影響,體積開始收縮,同樣受到底板約束,產(chǎn)生拉應(yīng)力。但此時(shí)混凝土彈性模量已增大很多,產(chǎn)生的拉應(yīng)力足以很快抵消早期產(chǎn)生的壓應(yīng)力,并進(jìn)而出現(xiàn)較大的凈拉應(yīng)力,由于沿水流方向受到的約束最大,則該方向的拉應(yīng)力也最大,此時(shí)混凝土齡期短、強(qiáng)度低,產(chǎn)生的拉應(yīng)力易超過(guò)其抗拉強(qiáng)度,于是在閘墩上產(chǎn)生了常見(jiàn)的垂直于底板和水流方向的裂縫。因此,影響外部約束的因素主要是閘墩的分縫長(zhǎng)度和底板與閘墩混凝土的澆筑時(shí)間間隔。3減少或防止混凝土開裂的措施混凝土在各種不同情況下的開裂有著多方面的原因,并且通常是多方面作用的結(jié)果。當(dāng)了解了各種原因及影響因素后,就可以采取措施,減少或防止混凝土的開裂。目前,工程界在防止或控制裂縫方面的措施主要體現(xiàn)在材料、溫度控制、施工方法與工藝、養(yǎng)護(hù)等方面。3.1混凝土抗裂性的提高混凝土材料的合理選擇是預(yù)防和控制裂縫的重要方面。在混凝土中摻活性混合料和摻粉煤灰,可使混凝土最高溫度降低,并可將達(dá)到最高溫度的時(shí)間向后推遲,有利于熱量消散,從而用時(shí)間控制裂縫;使混凝土和易性得到改善,減小了水泥和水的用量;因略有膨脹,減小了混凝土的自生體積收縮;降低混凝土吸附水的能力,使混凝土干縮減小,抗裂性提高。外加劑的使用也是防裂的有效措施。緩凝劑可減慢混凝土放熱的速率,有利于熱量消散。減水劑可在水灰比不變時(shí)減少水和水泥用量,降低水化熱。膨脹劑可以補(bǔ)償混凝土的自生收縮,產(chǎn)生一定的預(yù)壓應(yīng)力,抵消結(jié)構(gòu)由于收縮產(chǎn)生的拉應(yīng)力。同時(shí),要注意各部位混凝土膨脹變形的協(xié)調(diào)性,避免內(nèi)部膨脹大于表面膨脹的現(xiàn)象出現(xiàn);加強(qiáng)對(duì)混凝土合理配合比的設(shè)計(jì)。3.2適時(shí)澆筑節(jié)澆筑控制混凝土的出倉(cāng)溫度在20℃左右。一是在春秋兩季澆筑,避免夏、冬季節(jié)澆筑。二是減小內(nèi)外溫差,內(nèi)部溫度升高和表面溫度降低的共同作用會(huì)增加溫度梯度。3.3混凝土表面清洗閘墩混凝土澆筑前,基面已成形混凝土表面采用人工鑿毛,直至露出新鮮石子,然后用高壓水槍將混凝土表面清洗干凈,排除積水。在第一層混凝土澆筑前,先鋪一層2~3cm與混凝土同標(biāo)號(hào)的水泥砂漿。在澆筑閘墩混凝土?xí)r為了防裂,閘墩混凝土采用塔吊提升集料斗、串筒入倉(cāng),水平分層澆筑,以0.4m為一層,全斷面均勻上升、人工布料,澆筑振搗由人工入倉(cāng)作業(yè),保證振搗細(xì)致密實(shí)。3.4對(duì)混凝土進(jìn)行養(yǎng)護(hù)閘墩體拆模后,裸露在空氣中,空氣濕度小,水分蒸發(fā)快,其變形速度也會(huì)加快。對(duì)混凝土進(jìn)行養(yǎng)護(hù)是為了減慢其變形速度。早期養(yǎng)護(hù)在混凝土澆筑后的12~18h內(nèi)進(jìn)行,從結(jié)構(gòu)頂部澆水或淋水,保證混凝土表面濕潤(rùn),延長(zhǎng)拆模時(shí)間3~4d,拆模后在閘墩四周裹上不透氣塑料膜后再澆水或淋水,這樣養(yǎng)護(hù)效果可以達(dá)到最佳。4抗裂能力的評(píng)價(jià)水閘閘墩混凝土產(chǎn)生裂縫是各種因素共同作用的結(jié)果,但是各種因素并不是互相獨(dú)立的。有時(shí)要減小一種原因的不利影響,卻會(huì)增加另一種因素的不利影響,由此也會(huì)導(dǎo)致