某电站大体积混凝土裂缝成因分析

杨荣胜

(中广核工程有限公司，广东深圳 518000)

0 引言

随着近代钢筋混凝土规模的日趋增大，结构形式日趋复杂，结构材料日趋高强化，超长超宽超厚的大体积混凝土工程大量涌现，大体积混凝土裂缝的出现已成为普遍现象，裂缝形成的原因也多种多样。目前虽然有不少学者对大体积混凝土裂缝产生的原因进行了探索，但在国内外有关的参考文献中大同小异，都是凭经验编制的，各国的执行情况也出入较大，研究资料及应用软件尚不成熟，由于建设的急需，工程实践走在理论研究和规范的前面。因此，通过具体的工程实例去探讨裂缝产生的原因对类似工程裂缝形成的原因分析具有一定参考价值。

1 概述

某电站设有两座循环水泵房，每座水泵房基础为大体积混凝土筏形基础，其平面尺寸为95 400 mm×55 550 mm，共12轴，在中心位置轴线⑥和轴线⑦之间设有20 mm的沉降缝，筏基除了个别集水坑底板厚度为1 000 m，其余部位筏基厚度最薄为3 000 mm;筏基与地基之间铺设一层PE膜滑动层。混凝土浇筑采用分块分层浇筑，其垂直施工缝划分及分块图见图1;水平施工缝的划分见图2，由于筏基混凝土裂缝在每个分块区域均普遍存在，因此，对任意分块进行分析研究都具有代表性意义，本次选择了⑨轴～○12轴与Ⓑ轴～Ⓒ轴之间分块(即第二分块)进行了分析。

图1 第二层混凝土浇筑平面分块图

图2 混凝土浇筑分层图

2 混凝土施工情况

2.1 混凝土原材料及其配合比

水:采用自来水。水泥:采用广东珠江水泥P.Ⅱ425。砂碎:采用人工机制碎石，颗粒粒径为5 mm～31.5 mm。粉煤灰:采用Ⅰ级粉煤灰，产地:珠海电厂。超细矿粉产地:广东韶钢厂。减水剂:采用聚羧酸系高效减水剂，型号:WS-PC。混凝土配合比如表1所示。

表1 C45W12混凝土配合比 kg

坍落度为180 mm±30 mm;混凝土的入模温度为25.8℃。

2.2 混凝土养护

混凝土顶面用土工布覆盖并洒水养护，侧墙带模养护3 d后拆除模板，侧模拆除后悬挂土工布遮盖并洒水养护;养护期为14 d。经现场观测，养护期间混凝土内部在3 d内达到最大温度为65℃。

2.3 裂缝情况描述

第一层混凝土浇筑完成后未见裂缝产生，第二层混凝土浇筑完成拆模后发现裂缝的分布情况统计见图3，图4，裂缝宽度统计见表2。

图3 第二层混凝土裂缝分布情况

图4 现场裂缝照片

3 裂缝形成机理分析

通过对筏基裂缝观测，第一层混凝土未见裂缝;而第二层混凝土养护3 d后拆除侧模时未见裂缝，当拆除1 d～2 d后，发现侧面出现大量沿厚度方向的贯穿裂缝，裂缝间距为500 mm～1 000 mm不等，裂缝宽度见表2，最大裂缝宽度小于0.2 mm。下面主要对裂缝形成机理进行了分析。

表2 裂缝宽度表

第一层混凝土与地基之间铺设一层PE膜，大大地减少了地基对混凝土的约束作用，当混凝土发生温度变形时，地基对混凝土的约束力很小，可忽略不计，因此，第一层混凝土可认为为自由滑动的无约束体，由温度引起的变形见图5。

图5 第一层混凝土无约束自由伸缩变形

由于第一层混凝土基本上未受到外界的约束作用，混凝土在温度及收缩变形时可以自由伸缩，即由外部约束产生的主拉应力σxmax=0＜ft，因此，混凝土在温度收缩变形过程中未产生裂缝。

第二层混凝土与第一层混凝土的浇筑时间间隔为1个月左右，在第二层混凝土浇筑前对第一层混凝土顶面进行凿毛处理，使得两层混凝土接触面能牢固粘结;第二层混凝土浇筑后，由于水泥水化产生的水化热导致混凝土内温度上升很快，通过现场设点观测，3 d内温度达到最大值约65℃，然后温度按小于2℃/d的幅度降低，根据现场的情况，在3 d后进行了侧模拆除，在侧模拆除后采用土工布覆盖浇冷水养护，由于侧模拆除后第二层筏基侧墙面全部暴露在空气中，并且采用温度较低的自来水进行养护，表面温度降低较快，从而第二层混凝土由于温度下降而产生收缩变形，在收缩变形过程中，由于受到第一层混凝土的连续约束作用，从而在两层混凝土的接触面上产生剪力τ，在第二层混凝土中产生拉应力σx，相应地在第一层混凝土中产生了压应力，同时分别产生了拉压变形。第二层混凝土所产生的总变形应等于无约束时的自由变形扣除约束变形，见图6。

图6 第二层混凝土温度变形与约束变形的关系

假如在混凝土浇筑质量均匀且两层之间界面约束阻力系数一定的情况下(处于理想状态)，第二层混凝土受到的连续约束而产生的约束主拉应力可按下式考虑:

其中，Cx为水平约束系数;H为混凝土厚度，m;L为混凝土宽度或长度，m。由式(1)可以看出，水平正应力σx主要与温度变化T，L有关，当L一定时，随着T的变化，σx随x呈余弦变化(见图7)，由于施工等原因导致混凝土浇筑后的混凝土质量不均匀性，因此不同位置的混凝土的抗拉强度也不同，如A，B两点所产生的主拉水平应力 σx，A＞ ft，A和 σx，B＞ ft，B时，且混凝土的拉伸变形分别达到各自极限拉伸变形时(εA= εp，A，εB= εp，B)，在 A，B 两点出现第一批裂缝，同时混凝土块被分成三块，水平主拉应力重分布，其每块又有了自己的水平应力分布，且其图形完全相似，其值由于长度的减少而降低，见图8。同理随着温度变化量的增加，各点的水平应力也随之增加，当某些点的值超过了抗拉强度，则第二批裂缝相继产生，每块板再分块，同时约束水平主拉应力重新分布，且其图形完全相似。如图9所示为C，D，E，F点相应的水平拉应力大于其混凝土的抗拉强度而新增的裂缝及应力分布图。如此持续下去一直到最后那块板中的各点水平应力不大于抗拉强度，裂缝便稳定，不再增加。

图7 第二层混凝土水平正应力σx分布

图8 A，B两点开裂后σx（水平正应力）的分布

图9 C，D，E，F点开裂后σx（水平正应力）的分布

4 结语

通过对某电站大体积混凝土裂缝形成机理的分析可知，温度收缩裂缝已成为大体积混凝土中普遍存在的现象，其裂缝形成主要与温度变化量、混凝土L/H比及外部约束作用有关，为类似裂缝的防治指明了方向，为今后类似的工程中裂缝的成因分析提供参考。

[1]王铁梦.工程结构裂缝控制[M］.北京:中国建筑工业出版社，2007.

[2]滕智明.钢筋混凝土基本构件[M］.北京:清华大学出版社，2001.

[3]朱伯芳.大体积混凝土温度应力及温度控制[M］.北京:中国电力出版社，1999.

[4]中国冶金建筑协会.大体积混凝土施工规范[M］.北京:中国计划出版社，2009.