抗冲耐磨混凝土裂缝控制研究

朱顺强

（河南省前坪水库运行中心，河南 郑州 450003）

0 引言

水工混凝土裂缝的危害是一个普遍性问题，裂缝的出现造成工程渗漏，影响正常使用；同时渗漏锈蚀钢筋导致保护层剥落，降低混凝土强度；严重损害工程耐久性、结构强度和稳定性，缩短工程使用寿命。文章通过“金包银”溢流堰面抗冲耐磨混凝土的施工试验研究及采取的系列措施避免了温度裂缝的产生，总结出温控措施的系列方法达到工程要求的质量目标。

1 工程概述

1.1 工程概况

豫西某水库溢洪道布置于大坝左岸，由进水渠段、进口翼墙段、控制段、泄槽段及消能防冲段五部分组成，中心轴线总长度约383.80 m。控制段闸室共5 孔，单孔净宽15 m，闸室结构型式为开敞式实用堰结构，堰前闸底板高程399 m，闸墩顶高程423.50 m，闸室设5 扇弧形钢闸门，采用弧门卷扬式启闭机启闭，消能防冲采用挑流消能。

溢流堰长35 m 采用“金包银”结构，底板浇筑C25W4F100混凝土为Ⅰ期成台阶状，面板浇筑C40HF 抗冲耐磨混凝土在台阶上浇筑，为Ⅱ期、厚度不小于80 cm，台阶水平方向和垂直方向预留1.50 m 插筋，保护层为150 mm。堰体受力钢筋为φ36@100，溢流堰断面（见图1）。

图1 溢流堰断面图

1.2 第一次浇筑试验

浇筑时间在2018 年11 月份，大气温度最高15 ℃，最低2 ℃。因堰体钢筋间距为100 mm所以选用塌落度75 mm的二级配常态混凝土滑模浇筑，浇筑前对粗、细骨料进行测温为8 ℃～15 ℃左右，拌和用水温度13 ℃。浇筑方式采用50 t吊车吊皮带机或2 m3吊罐入仓分两层浇筑，分别为50 cm和30 cm。抛物线和反弧段每次浇筑厚度不大于滑模提升高度（滑模每次提升30 cm），人工平仓振捣，混凝土入仓26 ℃，塌落度实测为70～85 mm，历时30 h结束。浇筑过程中随着混凝土面的上升预埋3 个点式电偶式温度计，并间隔2 h 测量混凝土内部温度和大气温度及混凝土表面温度，对完成的部位及时使用“两布一膜”覆盖保温，将内外温差控制在25 ℃的范围内。

2 第二次浇筑试验

2.1 第一次混凝土浇筑后出现的问题、原因分析和防治措施

2.1.1 裂缝发生的情况及位置

混凝土浇筑完成后正常的养护三天强度达到2.50 MPa后拆边模发现，在1#～16#台阶顶角处沿堰体面板立面基本都出现长短不一的裂缝共计16条，向混凝土面部发展，从新老混凝土结合面开始沿着台阶的顶角方向贯穿底板并在面板持续发展。经连续观察7—14 d，裂缝不再发展，裂缝的长度500～2 000 mm、宽度0.10～0.30 mm、深度30～80 mm不等，根据《水工混凝土建筑物缺陷检测和评估技术规程》规定为B类裂缝。

2.1.2 产生裂缝原因分析

混凝土裂缝成因主要由工程设计缺陷或是结构不合理，施工过程中原材料选择不严格、控制不规范，混凝土配合比设计不合理，施工方法或工艺不成熟或不规范施工，工程管理薄弱及环境影响等因素造成。其中料粒径越细，针片状含量越大，混凝土单方的用水泥量、用水量增多，减少混凝土抗折强度，早期收缩量增大，易产生早期裂缝。

混凝土浇筑完成后发现的裂缝几乎在每个台阶处都有，原因分析如下：①因裂缝出现的位置规律性较强且大部分都在台阶顶角处，是整个堰体面板应力最集中的地方同时也是最薄弱位置。②堰体下部C25 W4F100 常态混凝土浇筑完成时间较早，经过长时间静置应力得以充足释放，且堰体底板上部为C40HF 抗冲耐磨混凝土强度高出下部C25W4F100 三个等级，新老混凝土结合时应力释放不一致或不同步。③浇筑过程中施工单位管理不到位，没能严格按批复的施工方案组织施工，采取的工程措施不够。④使用自制的粗、细骨料，原材料针片状含量达到配合比的上限。⑤所用的混凝土配合比设计为二级配，水泥用量较大导致水化温升过快。⑥通过图2 可以看出在浇筑过程中未根据环境温度的改变及时采取的温度控制措施，或措施不够具体、不到位，测温的项目只有混凝土内部温度、大气温度和养护温度较少，不能如实反映混凝土内部的温升情况和外部情况，预埋的3个测点较少。

图2 北京航空航天大学测温曲线图

2.2 第二次混凝土浇筑后出现的问题、原因分析和防治措施

2.2.1 第二次混凝土浇筑所采取裂缝防治措施

在第一次裂缝原因分析基础上结合工程实际，制定如下预防措施和工程措施：①加强原材料控制，在规定误差范围值内尽量减小粗骨料针片状含量，确保粗、细骨料质量。②使用优质高效减水剂，优化配合比，减少水泥用量。③施工中加强拌合水水温、混凝土出机口温度的测量频次，拌合要充分且拌合时间要满足规范要求。④堰面混凝土浇筑前应将台阶倒角钝化，钝化宽度按30 cm×30 cm交替钝化并尽量做成弧形。⑤做好混凝土保温措施，堰面混凝土浇筑搭设挂帘式双层帆布暖棚，待收面后的混凝土表面覆盖土工膜或棉被，边浇筑边覆盖，确保混凝土内外温升满足规范要求26 ℃以内。⑥采用蒸汽养护在暖棚搭设好后应及时使用蒸汽发生器，并控制好蒸汽温度（即混凝土表面温度）与混凝土内部温度差应符合规范要求的25 ℃以内。⑦在台阶处的上方增加宽度为50 cm长为通仓的钢筋网片进行局部限裂。⑧注意模板拆除时间，避开降温期拆除模板，在温度上升时或中午时段拆除，拆除后及时保温养护。⑨由施工单位、监测单位、北京航空航天大学三方分别使用不同的测温设备进行监测记录，且三方的测温设备埋设在同桩号截面内，按轴线偏心距间隔分布，监测完成后进行对比分析减小测温误差（图2、图3）。

图3 典型单点温度观测示意图

为了保证混凝土质量，应做好过程详细记录，包括：大气温度、入仓温度、内部温度、外部温度、塌落度等应记录详细、齐全并用专用表格记录。且浇筑前采取的相关措施应记录详细、齐全，例如：温控设备的埋设情况、预埋件等；混凝土浇筑后，各单位的温控量测记录要连续、数据要齐全具备可参考性。

2.2.2 裂缝发生的情况及位置

浇筑完成后的混凝土采用暖棚、塑料薄膜和棉被进行养护。混凝土浇筑完成一定长度（不影响浇筑施工）后进行暖棚安装，暖棚安装好后及时输送蒸汽，在塑料薄膜和棉被的基础上对混凝土采取蒸汽养护。待强度达到2.50 MPa 后拆边模发现，在2#、4#、7#、8#、10#、12#台阶处共发现6 条长短不一的裂缝。经连续观察7—14 d，裂缝不再发展，裂缝的长度300～1 500 mm、宽度0.10～0.30 mm、深度100～300 mm不等。

2.2.3 产生裂缝原因分析

在第二次混凝土浇筑时采取上述措施后裂缝由原来的16 条减少到6 条，分别在2#、4#、7#、8#、10#、12#台阶处。4#、7#、8#从新老混凝土结合面开始沿着台阶的顶角方向贯穿底板，2#、10#、12#从橡胶止水上部贯穿底板。具体原因分析如下：①虽然施工中使用了高效减水剂但水泥不是低热水泥且粉煤灰为二级，水泥用量相比之下还是较大导致水化温升过快。②台阶倒角虽钝化但宽度和高度偏小。③厚度为15 mm 钢筋保护层较大致使表面易产生温缩裂缝。④在台阶处的下部虽然增加了限裂的钢筋网片但没有形成一个整体，某些台阶处的应力还是集中导致裂缝产生，应形成统一的整体增强整个堰面的限裂能力。⑤需进一步完善和改进施工工艺，加强温控措施。

2.3 第三次浇筑试验

2.3.1 第三次混凝土浇筑所采取裂缝防治措施

在第二次裂缝原因分析基础上结合工程实际，增加下列工程及技术措施：①在溢流面混凝土底部即台阶的上方和和面层钢筋上方增设钢筋网，下部采用16 钢筋间排距15 cm；上部和侧面采用12钢筋间排距20 cm，保护层5 cm。②进一步优化配合比使用三级配，并使用低热水泥和I 级粉煤灰，减少水泥用量，减小水化热，施工时将塌落度控制在70 mm左右，具体的调整数据（见表1）。③因使用三级配混凝土但钢筋间距为100 mm导致大石无法或不易入仓，为保证混凝土性能不离析采取“开天窗”的方式进行入仓，“开天窗”形式为每隔2 m 水平距离将水平方向的钢筋3根暂时不绑扎，将其吊绑在相邻的钢筋上形成400 mm 的间距的水平方向通仓的大窗口。④为了避免表面裂缝产生，控制陡坡段混凝土浇筑速度和滑模提升的速度。⑤滑模提升后，先用平板振动磨光机对混凝土进行复振，增加混凝土的密实性，再用小型盘式砂光机进行抹面，待盘式砂光机抹面后进行人工收面，在混凝土终凝前进行人工二次收面、压光。⑥由于混凝土浇筑速度慢，历时较长，暖棚覆盖要及时且供暖提前。⑦将溢流面混凝土台阶的倒角钝化尺寸按40 cm处理，在台阶容易出现裂缝的辐射范围再增加一排防裂钢筋，由设计单位复核增加范围。⑧在混凝土分层浇筑的上层混凝土200～300 mm 范围内使添加玄武岩纤维原丝的混凝土预防表面裂缝的产生。

表1 配合比调整对比表

2.3.2 裂缝发生的情况及位置

浇筑完成后的混凝土采用暖棚蒸汽养护、塑料薄膜和棉被进行加强。待强度达到2.50 MPa 后拆边模发现，立面无一条裂缝产生。混凝土养护14 d后检查面板仅有3条长度为30～50 cm，肉眼几乎看不见细微的温缩裂缝，用手轻擦即不见，28 d龄期检查混凝土强度及外观质量均满足设计要求，外观质量优良（检测结果见表2）。

表2 混凝土试块抗压强度试验报告

3 防治结论

通过三次的堰体混凝土浇筑施工，在每次的基础上进行细致分析并采取相应的技术措施和工程措施。由第一次的16条到第二次的6条逐次减少，再到第三次混凝土浇筑完成后仅有3条长度为300～500 mm，肉眼几乎看不见细微的细微裂缝，说明在施工过程中所采取的措施是有效的、可行的。在后期的施工中根据大气温度的变化及时调整养护措施和温控措施，已完成的堰面混凝土面板至今没有发现新的裂缝产生，经检测混凝土强度满足设计及规范要求且外观质量优良。

4 结语

第一，裂缝预防各参建单位要建立健全管理网络，加强科学管理、施工，编制可行的施工方案且严格按批复的方案施工，明确分工，各负其责。

第二，温控措施是必不可少的一项工作，但要采取多种的测温方法进行观测并对比结果，将测温误差降至最低。并根据所测量的结果使用“内降外保”的方法加强混凝土表面保湿、保温，控制内外温差不超过规范的25 ℃是控制裂缝的有效措施。

第三，适时与设计、施工、监理沟通、配合，增加构造措施和小规格配筋或根据规范允许的范围内改变钢筋的布置方式，比如：改为双层钢筋、或相应的增大间距、减小保护层厚度，使用三级配混凝土，增加成熟的施工材料纤维类原丝，可避免应力集中和表面温缩裂缝的产生。在施工过程从混凝土生产时的配合比、用水量、骨料、水泥等方面入手并同时作好浇筑、振捣、养护等环节，混凝土裂缝在一定程度上能够得到避免。