大型泵站大体积混凝土施工中的裂缝控制

汪文萍 张昌银

（湖南水利水电职业技术学院 长沙市 410131）（澧阳大垸水利管理委员会 常德市 415500）

SL 234-1999《泵站施工规范》给出了施工中对混凝土通用的要求，适用于新建、扩建或改建的大、中型灌溉、排水及工业、城镇供水泵站的施工，但对大体积混凝土裂缝控制的应对措施较少。《水工混凝土施工规范》[DL/T 5144-2001]是水利水电大中型工程中1、2、3级水工建筑物的混凝土和钢筋混凝土施工的通用规范，并不专门针对泵站大体积混凝土施工。《大体积混凝土施工规范》[GB 50496-2009]适用于工业与民用建筑混凝土结构工程，也不是针对水利工程建设的施工规范。下面以深圳宝安区沙井河片区排涝工程沙井泵站大体积混凝土施工为例进行研究。

1 泵站大体积混凝土裂缝类型和防治要求

（1）地基不均匀沉降造成混凝土结构裂缝。这就要求泵站地基基础设计计算准确，采取的基础桩等处理措施对混凝土结构安全有充分的保证，根据各部位的承载力要求综合考虑选择合适的桩型和不同的入岩深度；施工前应现场试验，根据现场试验结果调整设计参数；施工中认真作业，从严控制，保证基础满足上部结构承载力要求，运行过程沉降均匀。

（2）混凝土本身物理力学性质决定的微观裂缝。混凝土骨料与胶凝材料之间、骨料自身和胶凝材料自身的裂缝在混凝土结构中杂乱无章，分布无规则、不贯通。混凝土微观裂缝是可控裂缝，要求在原材料选择上有相应的控制要求，按照设计和规范要求选择合适的碎石、砂、水泥和外加剂。

（3）可能出现的肉眼可见的宏观裂缝。宏观裂缝宽度不小于0.05mm，严格的允许裂缝宽度为0.1 mm，无侵蚀介质可允许在0.4mm以内，经常处在水下土壤覆盖无侵蚀介质裂缝宽度允许在0.3mm以内，在海水及干湿交替环境，混凝土裂缝宽度允许在0.15mm以内。由于本地区属于感潮河段，河水受海水潮汐影响大，同时本地区工业污染严重，两岸工业废水、生活污水都流入河中，由于沿裂缝处有侵蚀介质，必须对混凝土裂缝宽度严格控制。

2 裂缝产生机理

认真分析裂缝产生机理，找出和施工有关的影响因素是现场施工中控制裂缝产生的关键所在。以下就几个主要方面进行剖析：

（1）结构设计不合理。非均质复杂多相混相材料混凝土微观结构相组成之间主要的结合力是范德华力，当内部产生拉应力超过其抗拉强度时产生裂缝，结构设计不合理更加剧混凝土裂缝发展。各种外部荷载与自重形成的内部应力容易引起裂缝，实际工况与模型工况不同的结构次应力也会引起裂缝。

（2）大体积混凝土施工中水化热控制不好。结构截面大，水泥用量多，水泥水化释放的水化热能产生很大的温度变化和收缩作用，是导致大体积混凝土温度裂缝的主要原因。结构的截面尺寸较大，水泥水化过程中释放出大量水化热，热量不易散发，造成较大温升导致结构体积增大，这种变形受到与外部环境温度差异引起的约束和内部的条件不同产生的约束，自身体积变形不能自由伸缩，产生温度应力和自身体积变形应力。其次，在混凝土表面由于湿度传导率远小于热度传导率（约为1/1 600），混凝土表面湿度变化引起混凝土内部各单元体之间相互约束，产生干缩应力。

大体积混凝土结构施工受到底、顶板顶面边界无约束时的自生应力和侧面等全部或部分受到外界约束不能自由变形而引起的约束应力，这两种应力往往和混凝土的干缩所引起的应力共同作用。早期水化热温度迅速升高阶段，由于混凝土内外散热条件不同形成温度梯度，表面受拉、内部受压。当拉应力超过混凝土抗拉强度时混凝土表面就产生裂缝。后期在混凝土的降温阶段，混凝土的温差引起的变形与混凝土的体积收缩变形受到地基和结构边界条件的约束，在中部断面产生内部拉应力，当该拉应力超过混凝土抗拉强度时就有可能产生全断面的贯穿裂缝。

温度应力变化经历三个过程：一是自浇筑混凝土开始至水泥放热基本结束时放出大量的水化热，混凝土弹性模量的急剧变化在混凝土内形成残余应力。二是自水泥放热作用基本结束时起至混凝土冷却到稳定温度时，由于混凝土的冷却及外界气温变化所引起的应力与早期形成的残余应力相叠加。三是混凝土完全冷却以后的运转时期由外界气温变化所引起的温度应力与前两种的残余应力相叠加。

3 本工程施工难点

按照泵站结构分缝，宝安区沙井河片区排涝工程沙井泵站底板中最大一块长达28.0m宽38.3m，前后齿槽部分最厚达3.5m，底板中间部分厚2.5m，按照建设部GB 50496-2009《大体积混凝土施工规范》规定混凝土厚度超过1.0m即为大体积混凝土。为了尽量避免或减小扬尘与噪音污染给环境造成影响，按照广东省和深圳市建设要求，市区工程不允许自拌混凝土施工，只能采用商品混凝土。

（1）采用商品混凝土施工不确定因素多。为便于运输和泵送混凝土，商品混凝土骨料要求较为特殊，粒径小，坍落度较大，配合比中掺加大量外加剂，施工中泌水现象严重，给混凝土浇筑增加了不少困难。

（2）施工期环境温度较高不利于温控。本工程地处广东南端，气温较高，昼夜温差较大，不利于混凝土浇筑施工。

（3）施工场面受到限制。本工程按照深基坑设计施工，基坑深度达到11m，基坑内为淤泥土质，运输道路虽经特殊处理，但状况频出，给混凝土输送造成困难。

（4）本工程底板单块结构大，又不能无限期施工，对混凝土入仓速度、层间铺筑间隔时间要求较高。

4 混凝土底板施工中的主要裂缝控制措施

4.1 施工方案的拟定

4.1.1 设计方面

同时考虑变形的大小、约束的程度、实时抗拉强度三个条件。由于泵站整体结构要求受到限制，不能缩小结构尺寸，经过对混凝土强度等级、钢筋的品种和规格、建筑物的结构形式等统筹设计，在大体积结构内部设置一层温度钢筋，加密层间钢筋拉筋和支撑筋。

4.1.2 商品混凝土方面

对混凝土用碎石、砂采用喷洒冷却水降温，尽量缩短运输时间，尽量减小混凝土坍落度，混凝土坍落度控制在120mm左右，混凝土入仓温度控制在25°C。

4.1.3 混凝土浇筑方面

利用大仓面施工的有利条件采用分层浇筑，在设计混凝土配合比的初凝期内，尽量延长混凝土浇筑时间，在初凝结束前覆盖上层混凝土。

采用两次振捣技术，除了混凝土入仓振捣外，在覆盖上层混凝土前进行第二次振捣，二次振捣是对第一次振捣的补充。实践证明二次振捣能增加混凝土强度，提高抗裂性。

4.1.4 浇筑时间

浇筑时间选择在气温变化较小的时段内进行，避开夏天正午时间，选择下午或者晚上浇筑，冬季不在晚上浇筑混凝土，浇筑时气温高于10℃。

4.1.5 拆 模

混凝土底模和木模尽可能晚些拆模，采取带模养护；钢制侧模在一个星期之内拆模，既保护混凝土又不至于钢模锈蚀在混凝土表面留下痕迹。

4.1.6 混凝土的测温和及时养护

按温控技术进行保温养护，降低大体积混凝土浇筑块体的内外温差值以降低混凝土块体的自约束应力，降低大体积混凝土浇筑块体的降温速度，充分利用混凝土自身的抗拉强度以提高混凝土块体的抗裂能力，保持良好的湿度和抗风条件，使混凝土在有利环境下得到良好的养护。

4.2 现场试验

泵站底板混凝土施工中的有利因素是底面、顶面为自由面，底面直接与地基接触，对混凝土散热保温有一定的好处。但在极端气温下施工的保温降温要求较高，本工程所在地为深圳，又是夏季施工，施工外界环境污染严重、气温高、体积大、基坑面积大，又是商品混凝土泵送入仓，为确保混凝土不产生温度裂缝或控制在允许宽度范围内，我们就原材料选择与配合比实验、模板材料及其支撑体系、机械设备选用与匹配、混凝土浇筑强度、劳动力组织、操作技术与安全交底等施工组织与施工工艺方面有针对性地制定了详细的施工方案，严格按方案施工。为了从根本上控制裂缝产生，我们从源头上抓起，主要做了两类实验。两类实验同时进行：

（1）第一类：混凝土配合比设计实验。

本类试验包括三个实验，一是普通混凝土配合比设计，确定普通混凝土配合比为水∶水泥∶砂∶石∶掺合料（粉煤灰）∶外加剂（减水剂）=0.54∶1.0∶2.6∶3.42∶0.2 376∶0.0 264，水灰比0.43。二是防腐混凝土配合比设计，防腐混凝土配合比为水泥∶砂∶石∶掺合料（粉煤灰）∶掺合料（防腐剂）∶外加剂（减水剂）=0.57∶1.0∶2.54：3.52∶0.184∶0.131∶0.028，水灰比为 0.44。 三是大体积防腐混凝土配合比设计，经过现场浇注试验和专家会议讨论，确定本工程大体积防腐混凝土配合比为水∶水泥∶砂∶石∶掺合料（粉煤灰）：掺合料（矿粉）∶掺合料（防腐剂）：外加剂（减水剂）=0.64∶1.0∶3.07∶4.21：0.24∶0.14∶0.152∶0.0 291，水灰比为 0.43。

（2）第二类：温控及模板体系与浇注工艺试验。

为了得到大面积施工工艺，我们特意选择场地进行现场实体模拟实验，按照实体结构尺寸做长3.5m，宽3.5m，厚3.5m混凝土块，模板采用平衡混凝土内外温差，满足实体施工温控要求，内部沿高程方向等厚三分布两层冷却水管进行通水冷却降温，冷却水管采用Ф25镀锌钢管，布设测温元件跟踪测量不同部位温度，根据不同的表现观察、分析原因，调整、完善施工方案。

4.3 原材料选择与控制

4.3.1 选择细度模数较大的粗砂、减小砂率

混凝土的干燥收缩随砂率的增大而增大。经过试验得知使用较高强度的粗砂，混凝土的弹性模量较高，收缩量较小，可减少开裂。本工程选择东莞珠三角出海口河道内采取的表观密度2 630 kg/m3，堆积密度1 480 kg/m3，细度模数2.9，含泥量0.6%的粗砂，使用之前进行二次清洗去除杂质。

4.3.2 适当增加粗骨料含量，尽量选用粒径较大，级配良好的粗骨料

本工程混凝土用碎石粒径受混凝土泵送限制不能太大，为方便施工又不影响施工质量。本工程采用中山市产最大粒径25mm、级配良好的花岗岩质碎石。

4.3.3 采用中低水化热的非早强型普通硅酸盐水泥，并尽量减少水泥用量

中低水化热水泥在拌和过程中水化热释放较小，混凝土升温较为缓慢，加上尽量少的水泥用量，可有效控制水化热的产生，对控制混凝土凝结初期内部温度的骤升和减小混凝土内外温差有至关重要的作用。通过试验，本工程用普通硅酸盐水泥每立方用量265 kg。

4.3.4 采用混凝土掺加技术

由于本工程所处水环境已被严重污染，腐蚀性极强，设计采用防腐混凝土，故在做配合比试验时采用多次不同配比试验，最终选择掺加15.67%的F类Ⅱ级粉煤灰，9.14%的S95矿渣粉，9.92%的 SYKS型抗腐蚀增强剂，1.90%的FST-2型高效缓凝减水剂。通过采用混凝土掺加技术，减少水泥用量，降低水化热并使混凝土在常温下延长初凝时间。

4.3.5 拆 模

加入水泥用量14%的UEA膨胀剂，使混凝土在凝固过程中产生微膨胀，抵消混凝土在凝固过程中的收缩量，同时提高混凝土自防水能力

4.4 温控措施

为确保本工程大体积混凝土满足强度和外观等质量要求，对混凝土浇筑施工主要采取以下几点温控措施：①原材料冷却；②控制混凝土入模温度；③注意混凝土浇筑方法；④温度监控和循环通水冷却；⑤保温保湿养护。

4.4.1 原材料冷却

由于本工程的混凝土为商品混凝土，为保证混凝土的质量，要求商品混凝土搅拌站采取用冷却水拌和、加冰拌合等措施保证运至施工现场入模的商品混凝土不超过30℃，并安排专职试验工到混凝土公司不定期的抽查混凝土原材料，包括水泥、骨料、粉煤灰和外加剂的品牌和用量是否满足已审批的配合比要求。在混凝土拌合前及拌合中，控制水泥的入机温度小于60℃。

混凝土运输采用混凝土搅拌运输车，运输车具有防风、防晒和防雨设施。混凝土运输车在装料前，将罐内的积水排尽。

4.4.2 控制混凝土入模温度

浇筑前需测量混凝土温度，每台班不得少于2次。本试验段混凝土入模温度为30℃，混凝土浇筑体在入模温度基础上的温升不宜大于50℃。混凝土浇筑块体的里表温差（不含混凝土收缩的当量温度）不大于25℃。混凝土浇筑体的降温速率不大于2℃/d，混凝土浇筑体表面与大气温差不大于20℃。

4.4.3 注意混凝土浇筑方法

（1）分层浇筑。试验段混凝土浇筑层厚度为（300～500）mm。浇筑时缩短间歇时间，并在前层混凝土初凝之前将次层混凝土浇筑完毕。层间最长间歇时间不应大于混凝土6 h的初凝时间（从混凝土出厂开始计算）。当层间间歇时间超过混凝土的初凝时间时，层面应做施工缝处理。

（2）分块浇筑。根据试验段结构形式，拟先浇筑-9.0m齿槽位置，再浇筑上游-8.625m的齿槽位置，两个齿槽浇筑完成后，最后从-7.625m高程处浇筑至-5.625m高程（廊道位置浇筑至-7.5m和-6.5m）。

（3）浇筑顺序。无论是齿槽位置还是齿槽以上底板浇筑，入仓顺序都由5#机组和4#机组分两个入料点，分别用混凝土泵车入料，向中间推进。

4.4.4 温度监控和水循环冷却控制工艺

（1）温度监控。在本工程混凝土浇筑前，需布设温度监测点，用以监控混凝土内部温度。当监控温度接近警戒值时，即需要在预埋的冷却水管内通水以降低混凝土内外温差。

温度监控的警戒值为：混凝土浇筑体在入模温度基础上的温升不大于50℃。混凝土浇筑块体的里表温差（不含混凝土收缩的当量温度）不大于25℃。混凝土浇筑体表面与大气温差不大于20℃。

当因通水造成混凝土浇筑体的降温速率大于2℃/d时，即需要停止通水冷却。

温度监控频率为：混凝土浇筑体里表温差、降温速率及环境温度的测试，在混凝土浇筑后，每昼夜不应少于4次。

混凝土浇筑体内温度监测点的布置按如下原则：

① 监测点的布置范围以所选混凝土浇筑体平面对称轴线的半条轴线为测试区，在测试区内监测点按平面分层布置。

② 在测试区内，监测点的位置与数量根据混凝土浇筑体内温度场的分布情况及温控的要求确定。

③ 在每条测试轴线上，设置4处监测点。

④ 沿混凝土浇筑体厚度方向，必须布置外表、底面和中心温度测试点，其余测点按间距不大于600mm布置。

⑤ 保温养护效果及环境温度监测点数量应根据具体需要确定。

⑥ 混凝土浇筑体的外表温度，为混凝土外表以内50mm处的温度。

⑦ 混凝土浇筑体底面的温度，为混凝土浇筑体底面上50mm处的温度。

根据上述布置原则，在主厂房试验段（4#、5#机组底板）浇筑前，设置温度监测点，分别在该处底板顺水流和垂直于水流方向的半轴线上分别布置4个温度监测点。

测温元件顺水流方向布置 H1、H2、H3、H4，垂直于水流方向布置S1、S2、S3、S4，各测温元件水平面上，间距为2m，H1布置高程为-7.3m（底板竖向中心位置），H2布置高程为-5.675m（底板浇筑面以下50mm），H3布置高程为-7.575m（垫层以上50 mm），H4布置高程为-6.975m（H3以上 600mm）。 S1布置高程为-5.675m（底板浇筑面以下50mm），S2布置高程为-7.3m（底板竖向中心位置），S3布置高程为-8.95 m（垫层以上50 mm），S4布置高程为-8.35m（S3以上 600mm）。

本试验段的测温元件已符合下列规定：测温元件的温度误差不大于0.3℃（25℃环境以下），测试范围为（-30～150）℃，绝缘电阻应大于 500MΩ。

测试过程中及时描绘各点的温度变化曲线和断面的温度分布线。发现温控数值异常应及时报警，并应采取混凝土的降温或保温保湿措施。

（2）水循环冷却控制工艺。由于本工程属于大体积混凝土浇筑，为防止因温度应力而产生的裂缝，除了控制混凝土原材料的温度和质量、混凝土浇筑的入模温度和混凝土浇筑的顺序和层厚之外，需要在本试验段内布置冷却水管作为预防措施。

当混凝土浇筑后，通过测温元件按照在混凝土浇筑后每昼夜4次的频率测量混凝土的表里温差和温升，当测得混凝土在入模基础上的温升达到40℃，或者混凝土里表温差达到15℃时，则需通过预埋在混凝土内的冷却水管对混凝土进行降温。具体的降温措施为：

① 冷却水管的布置与安装。本工程底板厚度为2 m，在检修廊道齿槽位置，底板厚度为3.5m，在主厂房上有齿槽位置，底板厚度为3m。根据本试验段结构形式，在底板中层位置（-6.625m高程处）设置冷却水管；廊道齿槽位置冷却水管高程为-7.75m。2m厚底板位置的冷却水管直接辐射在底板中层钢筋上，垂直于机组轴线方向的间距为1m，并用Φ12mm钢筋做成“□”型固定钢管，并将Φ12mm钢筋点焊到钢筋上；在廊道位置，用Φ12mm钢筋做成“□”型弯勾勾住冷却水管，并将Φ12mm钢筋点焊到钢筋上。

② 通水降温冷却。冷却水管采用DN32钢管，管桩转弯处采用90°的DN32弯头转弯，在冷却水管进出水位置各设置一个控制阀门用于控制进水与放水。

由于本试验段所布置的冷却水管为预防措施，其主要目的为控制因混凝土内部温升过快或内外温差较大而产生的温度裂缝。由于本试验段已经埋设测温元件，故在混凝土浇筑完成后安装测量频率测量混凝土内外温差，当混凝土在入模基础上的温升达到40℃，或者混凝土里表温差达到15℃时，即通过安放在基坑内1#降水井旁的水泵向冷却水管内通水降温，水泵与冷却水管之间通过塑料软管连接，水泵放在1#降水井旁预先挖设的积水坑中；在冷却水管出水处也连接塑料软管，用于将冷却水排回到积水坑内。

通水降温后，仍按测温频率监测混凝土内外温度，当混凝土内部的降温速率接近2℃/d时，停止向冷却水管内供水。

5 保温保湿养护

在每次混凝土浇筑完毕后，应按温控技术措施的要求进行保温养护，并符合下列规定：

（1）专人负责保温养护工作，按规范操作，采用先洒水，再铺设土工布和塑料薄膜并压木枋。

（2）在混凝土浇筑完成，表面收好面后，立即进行喷雾保湿处理，覆盖塑料薄膜和土工布进行养护，保湿养护的持续时间不得少于14 d，并应检查塑料薄膜和土工布的完整情况，保持混凝土表面湿润。

（3）保温覆盖层的拆除应分层逐步进行，当混凝土的表面温度与环境最大温差小于20℃时，可全部拆除。

当混凝土表面和外界温差接近20℃时，搭设挡风保温棚。大风天气浇筑时，除应搭设挡风棚外，还应增加混凝土表面的模压次数，并及时覆盖保温材料和塑料薄膜。混凝土拆模后，地下结构及时回填土，不应长期暴露在自然环境中。

浇筑施工前应提前掌握当天天气情况，若将出现降雨情况，应避免浇筑施工。若施工浇筑过程中突遇降雨情况，除做好必要的防雨措施之外，必要时在结构的合理位置留置施工缝，并应尽快终止混凝土浇筑；对已浇筑还未硬化的混凝土应立即进行覆盖，严禁雨水直接冲刷新浇筑的混凝土。

6 裂缝控制效果和结论

通过对大型泵站大体积混凝土裂缝产生机理和原因的分析，本工程在施工中有针对性地采取了一系列的控制措施，经过半年的观测，所有部位均未产生任何肉眼可见裂缝。

大型泵站大体积混凝土结构裂缝并不是洪水猛兽，裂缝的产生很正常甚至有时是不可避免，只是发生的原因错综复杂，重点是在事前控制。中国地域宽广，应针对不同的地点和建筑物所处环境，合理地进行结构设计，有针对性实验，拟定适合于具体工程的施工方案，正确选择原材料，多方案配合比试验比较，严格按照施工技术方案和设计、规范施工控制，采取有效的技术措施，加强施工监控与控制调整。只要正确地采取综合措施，就能把裂缝有效地控制在允许范围内。