大体积水利水电工程混凝土裂缝原因探析

姜 峰

(葫芦岛市绥中县大风口水库管理处，辽宁 绥中 125200)

0 引 言

裂缝的存在显著缩短了结构的服役寿命，并对结构的安全性、稳定性和耐久性造成极为不利的影响，这主要体现在加速钢筋锈蚀及混凝土碳化、促使混凝土发生冻融与溶蚀破坏、破坏整体性、改变原应力状态、产生渗漏等方面[1-4]。由于水工大体积混凝土具有易受环境约束、热传导性差、抗拉强度低、结构体积大的特点，实际工程中极易出现裂缝，因此质量控制的重点为有效防治裂缝。受外界环境、施工工艺和自身特性等多种因素的影响，水工大体积混凝土裂缝有进一步扩张的趋势。从裂缝成因的角度上，施工条件、材料特性、内部与外部约束、混凝土收缩变形、水泥水化热、体型体量、环境温度、配合比设计等为影响大体积混凝土裂缝的主要因素[5-6]。研究表明，因施工因素、混凝土材料、设计不当及其他因素造成的大体积混凝土裂缝占比约为80%、15%和5%。因此，为最大限度的减少混凝土有害裂缝，必须采取有效的防裂技术，以保证结构施工质量及其设计使用年限[7-8]。

1 工程概况

水电站厂房6号坝段6-2-左上游面的仓位产生裂缝，仓位尺寸长19.25m×宽25.00m×高1.71m，存在于高出基建面2.05m处。浇筑C9025三级常态和C9025三级富浆混凝土，塌落度为7-9cm与5-7cm，利用台阶法及缆机浇筑将近16h，该过程采取的温控措施有冷却通水、喷雾机，并覆盖保温被。由于施工进度的限制，在浇筑完成一个月后排查其裂缝，结果发现2条沿横向、竖向呈十字形展布的贯穿裂缝，缝长为20.26mm与25.71cm，缝深约168cm，宽度为0.1-0.2mm，在上下游和左右方向上从上游贯穿下游、从左侧贯穿右侧全仓。

2 混凝土裂缝原因

2.1 原因分析关联图

通过咨询施工人员、查阅相关资料以及分析浇筑环境、仓位位置和工艺技术，结合裂缝成因以及工程施工经验总结该仓混凝土裂缝形成的主要原因，并对形成裂缝的原因利用关联图分析，如图1。

图1 关联图

2.2 裂缝产生要因

对可能导致裂缝产生的原因利用原因分析关联图查找，并确定末端原因有11条。通过对照施工技术相关要求以及查阅施工过程有关资料，对末端原因的关联度组织工程各参建方打分，从而确定9、10月份施工昼夜温差变化大、混凝土料配合比不合理、施工蓝图下发不及时和混凝土浇筑仓面过大等4项关联程度较高的末端原因，如表1。对于较高关联程度的末端原因提出有效的对策，如表2。

表1 裂缝产生要因

表2 末端原因对策表

3 温控监测数据分析

依据厂房坝段分缝分块布置和设计提供的温控技术要求，考虑各种边界条件及不同季节逐层浇筑的情况，采用三维有限元温控计算软件仿真模拟温度徐变应力场和坝体温度场，并按照规程规范类比分析其他类似工程，结合工程实际提出行之有效的温控要求。因此，对于有效防止仓面裂缝的产生、合理控制混凝土水化热等施工使用的温控技术发挥着重要作用。本研究对一期通水冷却温控数据进行了统计(如表3)，即发现裂缝至仓位混凝土收缩时段的温度，通过分析混凝土内部温度数据与一期通水冷却进水温度，准确识别裂缝产生的责任主体，并给出合理的结论和依据。

表3 通水冷却温控数据 ℃

3.1 一期通水冷却温控数据

水化热热量大且难于散发为引起大体积混凝土温度裂缝的主要原因，仓面混凝土温度与混凝土内部温差积聚从而产生较大温差，加之外部约束的存在使得混凝土不能自由变形，并产生相应的温度应力。温差越大温度应力越高，从而混凝土开裂的可能性就越大。一期通水冷却温控数据极差-均值控制如图2，其特性值服从N(μ，σ)分布。

(a)极差

(b)均值

3.2 温控与温度变化

混凝土浇筑过程中和浇筑后的部分热量可通过埋设冷却水管的循环水带走，从而有效缩短水化热峰值时间和降低绝对温升高值，混凝土内部温度与冷却水管进出水温差均值如图3。

3.3 温度监测频数表

通水冷却设计给定了通水流量和水文的范围，工程设计、施工环境等条件应引起重视。为准确判定通水冷却效果是否有效需要对混凝土内温度监测频数(表7)进行分析，在此基础上对是否优化通水措施给予判定。收面以后混凝土内部温度直方图和监测频数，如图4。

图3 内部温度变化散布图

表4 温度监测频数

图4 温度监测直方图

若对于水工大体积混凝土温度控制一期通水冷却温控技术发挥显著效果，可以避免仓面裂缝的形成，则对温控国政质量控制效果利用混凝土收面以后内部温度监测直方图、内部温度变化与冷却通水温差散布图、内部极差-均值控制图判定，主要结论如下：

1)通过对内部温度极差-均值控制图分析可知，极差数据在第4-11d时具有较大的变化幅度，极差数据在16-25d时处于极差均值下方且变化极不规律；第3-15d时混凝土内部均值超出控制上限，在17-28d时超出均值控制下限。所以，对于内部温度控制承包人采取的温控措施并未发挥明显的作用。

2)通过对混凝土内温差变化与冷却通水温差散布图分析发现，混凝土内温差与3-4℃范围的冷却通水温差存在负相关，混凝土内温差随冷却通水温差的升高而降低；混凝土内温差数据在冷却通水温差为5-6℃范围时集中于25-30℃之间，并且维持时间较长。由此表明，混凝土内部温度控制与某一时段冷却通水温度极不匹配，对此可进一步优化通水温度；针对集中于25-30℃天数的混凝土内温差有必要实施有效的降温措施，从而有效控制内外温差。

3)通过对温度数据频数的分析可知，在采取温控措施作用下分布于29.02-30.15℃、27.95-29.02℃高温度区间的频数较多，在混凝土收面后承包人仍需要加强温控措施，分布于30.15-31.30℃的频数相对较少，可见采取必要的温控措施能够有效控制该仓混凝土水化热，并结合温度监测直方图可以判定温控措施总体稳定。

综上分析，总体上在混凝土收面后承包人实施的温控措施有效，但仍需要进一步加强温控措施的落实以解决混凝土内部水化热集中释放的问题。虽然混凝土裂缝受多方面因素的影响，但在落实温控措施方面承包人还存在许多问题，针对产生的混凝土裂缝承包人应承担一定责任。

4 结 论

文章从引起裂缝产生的原因入手，准确识别了产生水工大体积混凝土裂缝的要因，水泥水化热为产生温度裂缝的主因，并且混凝土自身收缩、外部约束及环境温度的变化也对裂缝的产生较大的影响。结合工程实际提出了有效的防控对策，为水工混凝土质量控制和仓面裂缝防治提供技术支撑，然后利用质量过程控制工具分析了混凝土一期冷却通水温控数据，并提出在落实混凝土温控措施时承包人还存在一定的问题，对此应承担一定的责任。