水閘閘墩裂縫成因論文

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水閘是平原地區常見的主要水工建筑物,閘墩部位易出現裂縫的問題,長期以來困擾著工程界,一直未能得到很好的解決.閘墩裂縫的出現給水閘工程帶來了多方面不同程度的危害,也越來越受到學術界的重視.在文獻資料的基礎上,本文針對這一現象的成因及其防治措施進行了概括性的分析和述評.

1工程現狀

水閘主要由底板和閘墩組成,是呈倒T字形“墻[CD*2]板”式水工混凝土結構.閘墩底部受閘底板約束,上部可以自由伸縮.閘墩裂縫近豎直向,兩端小,中間大,呈棗核形.裂縫向上開展,位于墩墻中部區域,一般略超過墩高的一半,是“上不著頂”;下部距底板10～30cm,是“下不著底”,常常為貫穿性裂縫，見圖1.

在已建和新建的眾多水閘工程中,很多在閘墩上出現了裂縫,比如在北京永定河閘、北京小清河閘、湖北荊江分洪北閘、江蘇三河閘等工程中,閘墩上都出現了不同程度的裂縫.新建的石梁河新泄洪閘,位于江蘇省連云港市贛榆、東海兩縣交界處的新沭河中游,是石梁河水庫樞紐工程的建筑物之一.施工時混凝土泵送澆筑,底板混凝土澆筑3個多月后澆筑閘墩.閘墩分22層澆筑,層厚40～60cm,層間間歇約4h.新閘建成后,在中間全部9個閘墩和1個邊墩都出現了貫穿性裂縫［1］.

水閘閘墩裂縫的廣泛存在并不表明這樣的問題是可以忽略的或任其發展的，正好說明了其突出性.裂縫的預防和控制是一個涉及多學科、多領域、不易解決、需深入研究的綜合性問題.

閘墩裂縫的出現和存在,勢必會對其整體性、安全性帶來不利的影響.并且由于混凝土開裂后會發生碳化等化學反應,影響其耐久性.作為水工建筑物,其抗滲性也會受到不利的影響,由此會產生溶蝕破壞作用.對于邊墩,有時還會出現透過裂縫而發生滲透變形的嚴重現象.裂縫出現后進行修補，又增加了工程的維修費用.另外,出現裂縫還影響了建筑物的美觀,給人們帶來視覺上的不良效果和心理上的不安全感.

2研究現狀

目前在對待混凝土結構裂縫問題上,一般是允許出現裂縫,而對其寬度進行一定的限制，不同國家和地區對不同使用環境和要求下的混凝土建筑物的裂縫寬度有不同的控制標準.我國GBJ1089《混凝土結構設計規范》規定允許裂縫寬為0.2～0.3mm,美國AGI規定為0.108mm,法國規定為0.27mm,加拿大規定為0.064mm［2］.

另外,王鐵夢教授在對待裂縫問題上提出“抗”與“放”的兩種方法［3，4］.變形變化引起的約束應力首先要求結構所處的環境能給結構以變形的機會,即變形得到滿足,則不會產生約束應力.在全自由狀態下,如以空間應力[CD*2]應變關系為例,有：

此狀態下結構可以有任意長度、任意溫差不產生約束應力.因此給結構創造自由變形的條件就是控制裂縫的“放”原則.在實際工程中,全自由的理想狀態不易做到,但是,可以采用“抗放兼施,以放為主”的設計原則,減少約束,釋放大部分變形,使出現較低的約束應力;當結構處于全約束狀態,仍以空間問題為例，有：

式(1)和式(2)中，ε為正應變；γ為剪應變；τ為剪應力；E為彈性模量；α為線膨脹系數；μ為側向變形系數；T為各點承受的溫差.此時有最大約束應力并與長度無關,只要材料的強度能超過最大約束應力,即R≥σmax,或者材料的極限拉伸大于最大約束拉伸變形,即εp≥εmax,則任意長度不設伸縮縫亦不開裂,只須所選用的結構材料具有足夠的抗拉強度和極限拉伸.該設計原則稱為控制裂縫的“抗”原則.一般說來,采取“抗”的方法,必須有足夠的強度儲備;采取“放”的方法,必須有充分的變形余地.

現在一般認為,混凝土建筑物不出現裂縫是不可能的或是很難的.防止裂縫出現,在材料、設計、施工、運行和維護等方面均有一定的研究,但還不夠完善或效果不是十分明顯.在水工結構工程中,因水的存在,以“抗”為主,力求工程各部位都不裂.

3成因機理

為了更好地控制裂縫和采取有效措施對裂縫進行預防,必須對裂縫的成因機理進行全面的分析.大量的工程實踐證明,閘墩裂縫的產生主要與墩體內外溫差、混凝土的干縮、自生體積變形、外部約束等有關,通常是多因素綜合作用的結果.

3.1墩體內外溫差

水泥水化產生大量的水化熱,在1～3d內可放出熱量的50％,甚至更多,當混凝土達到最高溫度后隨著熱量的散發又開始降溫,直到與環境溫度相同.圖2為混凝土澆筑后溫度變化過程圖(圖中，Tp為入倉溫度；Tr為溫升值；Tf為穩定溫度；ΔT為最高溫度和穩定溫度升高值(基礎溫差)).

閘墩作為大體積混凝土,熱量傳遞的同時更易在內部積存,導致了內部溫度高于外部溫度,內部出現峰值溫度［5］.升溫階段結束后,是散熱階段.內外混凝土散熱條件不同,外部混凝土和外界環境接觸,散熱條件好,熱量容易散發,內部混凝土散熱條件差,于是在降溫階段又造成了外部混凝土溫度低于內部混凝土溫度.這樣在升溫和降溫階段都使閘墩內外混凝土形成了同一方向的溫度梯度,導致了其變形的不一致.內部膨脹受到外部的限制，或相應地外部收縮受到內部約束,于是在外部混凝土中產生了拉應力.當外部混凝土拉應變達到其極限拉應變,裂縫就由此產生.裂縫初期很細,隨著時間發展繼續擴大、變深,甚至貫穿.

除了混凝土水化引起的溫度作用外，運行期環境溫度變化也會產生作用.特別是遇到寒潮襲擊、表面溫降特別大時,裂縫發展更為嚴重.

從以上分析可以看出,影響內外溫差的主要因素有混凝土水泥用量、水泥品種、澆筑入模溫度及環境溫度等.

3.2混凝土的干縮

混凝土內的水分,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掉的.隨著水泥的凝結、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［6］.由于混凝土的水分蒸發及含濕量的不均勻分布,形成濕度變化梯度.其水分蒸發總是從外向內,由表及里.表層混凝土的水分蒸發程度和速度總是大于內部,表層混凝土收縮的程度亦大,其變形會受到內部混凝土的限制,在表層混凝土中也產生拉應力,使得表層混凝土總的拉應力加大,產生干縮裂縫.但干縮一般只發生在表層,對大體積混凝土而言,干縮擴散深度達6cm需花1個月的時間,故干縮裂縫也只是表面裂縫或開展深度不大.大體積混凝土內部一般不存在干縮問題,但表面干縮不容忽視,它會誘導拉裂縫的產生.閘墩屬水工薄壁結構,其影響深度及程度相對較大,尤其是在干熱風大季節,如不及時處理和養護,將會發生局部貫穿性裂縫.

混凝土的配合比和組成是影響干縮的主要因素.一般水泥用量多,水灰比大,則干縮也大.骨料密度大,級配好,彈性模量高,骨料粒徑大,可以減小混凝土的干縮［7］.其次,混凝土的養護和環境對干縮也有很大的影響［8］.

3.3自生體積變形

混凝土即使沒有水分蒸發,其各組成部分的化學反應也會產生自生體積變形.在底板約束影響范圍內,膨脹型自生體積變形會產生預壓應力,有利于防裂;收縮型自生體積變形則不利于防裂.普通混凝土的自生體積變形通常為收縮型的.它也是由于水分的遷移而引起的.但不是向外蒸發損失,而是由于水泥水化時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,產生所謂的自干燥作用,使混凝土體相對濕度降低,體積減小［9，10］.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,就會使表面拉應力增大.像水閘閘墩這樣的斷面尺寸不是很大,但確屬必須解決水化熱問題的大體積混凝土結構,必須考慮自生收縮參與溫度收縮等疊加的影響.

影響混凝土自生體積收縮的因素主要是材料的化學成分和水灰比.水灰比的變化對自生收縮的影響和對干縮的影響正好相反.當水灰比大于0.5時,其自生收縮和干縮相比忽略不計.而當水灰比小于035時,自生收縮和干縮的作用相當,必須加以考慮［10］.

3.4外部約束

閘墩是底部固結在底板上,上部自由的結構.通常是在底板澆筑完間隔一定時間后才開始澆筑閘墩,此時底板混凝土已經固結,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,則受底板約束相對很大.閘墩混凝土澆筑早期,產生大量水化熱,溫度升高,體積膨脹,受到底板約束,產生壓應力.但混凝土澆筑早期,彈性模量低,產生的壓應力很小.隨著熱量的散發,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,產生拉應力.但此時混凝土彈性模量已增大很多,產生的拉應力足以很快抵消早期產生的壓應力,并進而出現較大的凈拉應力.由于沿水流方向受到的約束最大,則該方向的拉應力也最大,此時混凝土齡期短,強度低,產生的拉應力易超過其抗拉強度,于是在閘墩上產生了常見的垂直于底板和水流方向的裂縫.

影響外部約束的因素主要是閘墩的分縫長度和底板與閘墩混凝土的澆筑時間間隔.

4防止和控制措施

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果.當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在材料、溫度控制、施工方法與工藝、養護等方面.

4.1材料

混凝土材料的合理選擇是預防并控制裂縫的重要方面.

為了降低水化熱,可采用中熱硅酸鹽水泥或低熱礦渣硅酸鹽水泥［11］.減少水泥用量,可降低水化熱,降低混凝土的拉應力.在混凝土中摻活性混合料,如在混凝土中摻粉煤灰,可使混凝土最高溫度降低,并可將達到最高溫度的時間向后推遲,有利于熱量消散,用時間控制裂縫;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［5］.摻入粉煤灰的百分數就是溫度和水化熱降低的百分數.如摻加20％粉煤灰的混凝土溫度和水化熱為未摻混凝土的80％.

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減少水和水泥用量,降低水化熱.膨脹劑可以補償混凝土的自生收縮,產生一定的預壓應力,抵消結構由于收縮產生的拉應力［12～14］.值得注意的是,膨脹劑應使用在閘墩底部有外部約束的部位,注意各部位混凝土膨脹變形的協調性,避免內部膨脹大于表面膨脹的現象出現［15］.

此外,要特別注意混凝土合理配合比的設計［15］.

4.2溫度控制［5］

首先要降低混凝土的入倉溫度,使現場新拌混凝土的溫度被限制在6℃左右.在高溫期拌和時,可以加入冰片代替一部分水進行混凝土冷卻.澆筑時盡量在春季或秋季,避免在夏季午間高溫時和冬季澆筑.對運送混凝土的工具或澆筑倉面采取遮陽或降溫措施；其次要減小內外溫差,內部溫度升高和表面溫度降低共同作用會增加溫度梯度.必要時,在混凝土內部埋設冷卻水管,用地下水或人工冷卻水進行人工導熱,降低混凝土的內部溫度.相反,對于外部混凝土要進行隔熱保護，以調節表面溫度下降的速度,使內外溫差減小.

4.3施工方法與工藝

為了提高混凝土的運輸速度,現常采用泵送混凝土.由于泵送混凝土要求流動性大［16］,其水泥用量大,水灰比大,粗骨料粒徑小,水化熱溫升高,易產生溫度收縮裂縫.因此在澆筑閘墩混凝土時,為了防裂,不宜采用泵送混凝土.考慮到泵送混凝土施工效率高,可以用于受約束較小的閘墩上部,而底部采用常態混凝土.

為了使混凝土更好地散熱,可分層澆筑混凝土［5］,分層的深度為1.0～1.5m.上一層混凝土的澆筑在前一層混凝土初凝前澆完.最底一層混凝土可與底板同時澆筑,這樣就可削弱或消除底板對閘墩混凝土的約束.另外,考慮到約束和長度有關,可以縮短分縫長度,減小底板約束作用,或者分段澆筑,預留1～2m的后澆帶,待各段收縮完成之后,再在后澆帶中澆筑膨脹型混凝土［17］.

4.4養護

當溫度高時,混凝土水化反應加快,強度發展快,變形速度也快;當空氣濕度小時,水分蒸發快,其變形速度也會加快.對混凝土進行養護是為了減慢其變形速度.早期養護可以在模板未拆時,盡可能減小環境風速;拆模后可從結構頂部澆水或淋水,保證混凝土表面濕潤,若在閘墩四周裹上不透氣塑料膜后再澆水或淋水,則養護效果會更好.模板可推遲3～4d拆除［17］,起到隔熱和保濕作用.拆模后立即在混凝土表面涂上防裂劑,也能起到保濕的作用.

5展望及結語

水閘閘墩混凝土產生裂縫是各種因素共同作用的結果,但是各種因素并不是互相獨立的.在本文的述評中,我們可以看到，有時要減小一種原因的不利影響,卻會增加另一種因素的不利影響.由此也導致了在防裂措施中,有的防裂措施既有其積極的影響,也有其消極的影響.因此在采取防裂措施的時候,怎樣抓住主要矛盾,各種措施該如何進行到一個合理的度,這個度應該怎樣把握,是值得進一步探討的問題.這就要求對混凝土的抗裂能力進行一個最為合理的評價［18］,以指導我們采取最為有效的防裂措施.

水閘閘墩及其他類似倒“T”形混凝土結構的裂縫問題突出且復雜,已受到越來越高度的重視.要使混凝土結構的裂縫得到有效的控制,必須加強科學研究工作,揭示裂縫機理,推出新技術、新方法.要加強工程業主、科研、設計和施工人員之間的合作與協調,科研先行.目前已有一些工程很好地解決了裂縫問題,比如江蘇二河新泄洪閘工程,采用在閘墩混凝土內預埋冷卻水管的方法,用循環水冷卻混凝土來控制內外溫差,并且墩體底部與底板混凝土同時澆筑，以減小底板的約束作用,使得該工程在施工期均未出現1條貫穿性裂縫.

致謝:本文在成文過程中得到了河海大學水利水電工程學院朱岳明教授的指導，在此深表謝意.

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