GIS大体积混凝土基础裂缝成因分析及其质量控制＊

周建文，朱 勋，高 健

（国网浙江省电力公司湖州供电公司，浙江湖州 313000）

0 引言

近年来，很多电网建设工程的配电装置采用GIS，其基础混凝土工程量较大，属大体积混凝土.对于这种具有结构厚度大、体积大、混凝土数量多、工程条件复杂和施工技术要求高的大体积混凝土，很多参建单位（包括设计、施工和监理单位），对其认识不够，致使很多工程GIS基础不同程度地出现了裂缝.

我国《普通混凝土配合比设计规程》（JG55－2011）对大体积混凝土作了定量和定性的定义：混凝土结构物实体最小几何尺寸不小于1m的大体量混凝土，或预计会因混凝土中胶凝材料水化引起的温度变化和收缩而导致有害裂缝产生的混凝土［1］.

湖州某220 k V变电站工程220 k V、110kV屋外配电装置均采用GIS布置.GIS设备基础混凝土厚1.55 m.220 k VGIS设备基础混凝土体量为650 m3，110kVGIS设备基础混凝土体量为680 m3，属大体积混凝土.由于参建单位各项目部人员均第一次接触这种体量的大体积设备混凝土，缺乏经验，质量控制措施不当，工程实施后，GIS设备基础出现了不规则裂缝.

由此可见，研究分析GIS设备基础裂缝成因及加强对混凝土施工的质量控制，确保GIS大体积混凝土质量，就成为湖州电网建设研究的迫切课题.

1 大体积砼产生裂缝的原因

1.1 水泥水化热引起的温度应力和温度变形

大体积混凝土因其体积大，水化时产生的水化热无法在短时间内消散，从而使其内部温度升高又快又高［2］.水泥在水化过程中产生了大量的热量，因而使混凝土内部的温度升高，由于导热性差，大体积混凝土内外降温速度明显不同，当混凝土内部与表面温差过大时，就会产生温度应力和温度变形.温度应力与温差成正比，温差越大，温度应力越大，当温度应力超过混凝土内外的约束力时，就会产生裂缝.混凝土内部的温度与混凝土的厚度及水泥用量有关.混凝土越厚，水泥用量越大，内部温度越高.本工程220 k V、110kV GIS设备基础的混凝土浇筑采用泵送工艺，以后浇带为界一次性浇筑完成，不留施工缝.致使混凝土内部水化热急骤产生的温度变化以及大面积混凝土硬代收缩引起体积变形.乃是该工程产生裂缝的主要原因.因此，防止混凝土出现裂缝的关键是控制混凝土内部与表面的温差.

1.2 内外约束条件的影响

本工程承台砼与地基浇筑在一起，当温度变化时，受到下部地基的限制.产生外部约束应力.混凝土在早期温度上升时，产生的膨胀受到约束而形成压应力.当温度下降，则产生较大的拉应力，若超过混凝土的抗拉强度，混凝土将会产生垂直裂缝.另外，混凝土内部由于水泥的水化热而形成中心温度高，热膨胀大，因而在中心产生压应力，在表面产生拉应力.

本工程GIS设备基础的混凝土以后浇带为界一次性浇筑完成，不留施工缝.厚大体积的混凝土水化热积聚产生的内外应力差，是产生裂缝的又一原因.

1.3 外界气温变化的影响

大体积砼在施工阶段，常受外界气温的影响.混凝土内部温度是由水泥水化热的绝热温度、浇筑温度和散热温度三者的叠加.当气温下降，特别是气温骤降，会大大增加外层混凝土与混凝土内部的温度梯度，产生温差和温度应力，使大体积混凝土产生裂缝.

本工程施工期为5月中下旬至6月初，本地区平均气温20℃，混凝土内部最高温度计算值为52℃，混凝土表面需控计算温度为27℃，混凝土浇筑完成后，施工单位虽采取了覆盖土工布等保温措施，但由于土工布属于渗透性能好的合成材料，其保温性能并不理想.因此，本工程的保温材料的不当也是造成GIS设备基础出现裂缝的又一诱因.

1.4 混凝土的收缩变形

混凝土中的80%水分要蒸发，约20%的水分是水泥硬化所必需的.而最初失去的30%自由水分几乎不引起收缩，随着混凝土的陆续干燥而使20%的吸附水逸出，就会出现干燥收缩，而表面干燥收缩快，中心干燥收缩慢.由于表面的干缩受到中心部位混凝土的约束，因而在表面产生拉应力而出现裂缝.此其为GIS设备基础出现裂缝另一原因.

1.5 地基沉降

GIS设备基础具有上部荷载分布不均匀、占地面积比较大的特点.在工程实际中，软土地基及基础持力层出现分布不均匀的情况，在设计及施工过程中，如果对上述因素不重视，不采取地基加固或构造措施，极容易产生基础的沉降差异，进而导致基础变形而产生裂缝.

2 GIS大体积砼主要质量控制措施

2.1 优化大体积混凝土的设计

GIS设备由于生产厂家的不同，布置形式也有多种.合理地选择基础型式以及合理的配置基础的构造措施可以有效地控制裂缝的产生.目前，变电站工程GIS屋外设备基础布置型式主要有筏梁基础和阀板基础两种，如遇地质条件较差的情形则采用打桩加固地基.

2.1.1 筏梁基础

对一些设备布置间距较大的GIS基础，设计上采用筏梁基础，根据设备工艺布置、设备荷载以及地基土承载力布置基础筏板，梁仅设置于需架设设备处（见图1、图2），筏板处设置后浇施工带，间距控制在20 m左右，具体尺寸根据设备的工艺尺寸来定.这种处理方式的优点是：① 可以有效地减少混凝土的工程量，降低造价；② 施工时筏板基础与梁分步进行，可以大大减少一次性浇捣的混凝土方量，从而可以有效地降低裂缝发生的几率.这种基础型式成为目前变电站GIS屋外设备基础布置的优选的主要基础型式.如之后建设的220 k V白龙变、220 k V金钉子变电站（图3），均采用筏梁基础布置型式.

2.1.2 筏板基础

有些设备布置较密，设计上只能采用筏板基础，本工程就采用筏板基础这种型式（见图4）.为了防止裂缝的产生，设计上需增强基础混凝土的构造措施.

（1）设置后浇带，具体做法同筏梁基础；

（2）在基础面层设置钢丝网，钢丝网与基础中的钢筋或基础上部的预埋铁件做有效地连接.

2.1.3 地基处理

对软土、填土地基在上部结构施工前应进行必要的夯实和加固.在基础范围内夹有松软土时应进行换填，必要时可采取打桩进行加固地基，以保证基础的均匀沉降.

2.2 加强对大体积砼施工的专项方案审查

对于大体积混凝土，监理单位应对施工单位的大体积混凝土施工专项方案进行审查，重点审查以下内容：① 材料要求和配合比设计；② 分层分块浇捣措施；③ 混凝土的搅拌、运输和浇筑方案；④ 混凝土的保温措施；⑤ 混凝土的测温措施；⑥ 混凝土养护措施.

2.3 优化混凝土配合比

大体积混凝土因其水泥水化热的大量积聚，易使混凝土内外形成较大的温差，而产生温差应力.高等级混凝土水泥用量较多，因此在施工中应选用水化热较低的水泥.

（1）对于基础来说，一般不会很快就增加结构荷载，因此，充分利用混凝土的中后期强度，可有效地降低水泥用量.

（2）选用中低热水泥，如矿渣水泥、粉煤灰水泥等，以降低水泥水化所产生的热量，从而控制大体积混凝土的温度升高.

（3）粗骨料选用粒径为5～40 mm连续级配碎石；细骨料选用细度模数3.5左右的中砂.严格控制粗细骨料的含泥量，石子控制在1%以下，黄砂控制在2%以下.如果含泥量大的话，不仅会增加混凝土的纠缩，而且会引起混凝土抗拉强度的降低，对混凝土抗裂不利.

（4）可选用掺入具有缓凝、减水作用的外加剂，以改善混凝土的性能.加入外加剂后，可延长混凝土的凝结时间.采取分层浇筑混凝土，利用浇筑面散热，并大大减少施工中出现冷缝的可能性.

（5）坍落度：控制在120±20 mm.

（6）凝结时间：初凝时间为9～10 h，终凝时间为12～13 h.

（7）混凝土强度试验确定配合比以及掺合料相容性测试.

2.4 改善混凝土的搅拌加工工艺

在传统的“三冷技术”的基础上采用“二次风冷”新工艺，降低混凝土的浇筑温度［4］.或者采用加冰拌合，一般使新拌混凝土的温度控制在6℃左右.

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2.5 采取有效的保温措施

保温措施建议采用二层塑料薄膜，二层草包覆盖，覆盖工作必须严格认真贴实，薄膜幅边之间搭接宽度不小于10 cm，草包之间连口紧拼.

2.6 加强混凝土的养护

混凝土养护的时间和方法：

（1）养护时间.为了保证新浇筑的混凝土有适宜的硬化条件，防止在早期由于干缩而产生的裂缝，大体积混凝土浇筑完毕后，应在12 h内加以覆盖和浇水.具体要求是：普通硅酸盐水泥拌制的混凝土不得少于14 d；矿渣水泥、火山灰质水泥、大坝水泥、矿渣大坝水泥拌制的混凝土不得少于21 d.

（2）养护方法.大体积混凝土养护方法，分降温法和保温法两种.降温法，即在混凝土浇筑成型后，用蓄水、洒水、喷水养护以及湿麻袋覆盖，保持混凝土表面潮湿，养护时间不应少于14 d；保温法是在混凝土成型后，立即使用保温材料、塑料薄膜覆盖养护.

2.7 加强大体积混凝土的入模温度控制及测温分析

严格控制混凝土入模温度，一般入模温度不宜超过35℃，分块分层浇筑，延缓混凝土升温速率、减小混凝土基础内外温差，避免表面温度骤降，采用二次振捣工艺等.

加强测温和温度监测与管理，实行信息化控制，随时控制混凝土内的温度变化，内外温差控制在25℃以内，基面温差和基底面温差均控制在20℃以内，及时调整保温及养护措施，使混凝土的温差梯度和湿度不至过大，以有效控制有害裂缝的出现［5］.

一般情况下，温控指标不宜大于下列数值［5］（表1）.

表1 温度指标要求

为了掌握大体积混凝土的温升和降温的变化规律以及各种材料在各种条件下的温度影响，需要对混凝土进行温度监测控制.

（1）测温点的布置——必须具有代表性和可比性.沿浇筑的高度，应布置在底部、中部和表面，可按主要承台的数量1／4布置.

（2）测温制度：在混凝土温度上升阶段每2～4 h测一次，温度下降阶段每8 h测一次，同时应测大气温度.所有测温孔均应进行编号，进行混凝土内部不同深度和表面温度的测量.测温工作应由经过培训、责任心强的专人进行.测温记录，应交监理方审核，并作为对混凝土施工和质量的控制依据.

（3）测温工具的选用：为了及时控制混凝土内外两个温差，以及校验计算值与实测值的差别，随时掌握混凝土温度动态，宜采用热电偶或半导体液晶显示温度计.在测温工程中，当发现温差超过25℃时，应及时加强保温或延缓拆除保温材料，以防止混凝土产生温差应力和裂缝.

2.8 重视后浇施工带的设置

2.8.1 设计措施

根据设备的工艺尺寸确定后浇带的间距，但应控制在20 m左右.后浇带的宽度为800～1 000 mm.后浇带做成平直缝，结构主筋不在缝中断开，并配置适量的加强钢筋.

明确待缝两侧混凝土浇灌至少28 d以后，将缝两侧的混凝土表面凿毛，再用比设计的混凝土强度等级高一级的混凝土（浇筑水泥配置，内掺12%混凝土微膨胀剂）浇灌，并加强养护.

2.8.2 施工措施

后浇带两侧混凝土表面凿毛及清洁要到位，外露钢筋必须除锈干净，后浇带的浇灌必须在28 d以后，根据气候制定养护保护措施.

3 结语

依据上述控制要求，220 k V白龙变、220 k V金钉子变GIS设备基础裂缝问题得到很好的解决，其中220 k V白龙变电站被评为国家电网公司优质工程，220 k V金钉子变电站工程在省电力公司流动红旗评比及国网公司交叉互查工作中取得优秀成绩.

GIS大体积混凝土裂缝问题十分复杂，涉及设计、材料、施工、养护、环境等多方面因素，为预防控制裂缝的产生，须从设计、材料、施工工艺等方面统筹考虑，采取综合措施，才能取得预期效果.

［1］中华人民共和国住房与城乡建设部，JGJ55－2011.普通混凝土配合比设计规范［S］.北京：中国建筑工业出版社，2011.

［2］熊跃华.大体积混凝土温度裂缝机理及其控制措施［J］.工程建设与设计，2008（11）：103－104.

［3］刘华清，程永锋.特高压变电站GIS设备基础大体积混凝土温度裂缝控制［J］.混凝土，2009（11）：118－119.

［4］罗清，李红丽.二次风冷骨科技术在江口水电站工程的应用［J］.人民长江，2001（32～33）：63－65.

［5］建筑施工手册（第四版）编写组.建筑施工手册（第四版）［M］.北京：中国建筑工业出版社，2003.

［6］王铁梦.工程裂缝控制［M］.北京：中国建筑工业出版社，1997.