浅析薄壁混凝土裂缝施工控制技术

2011-02-26王金杰薄士威

水利与建筑工程学报 2011年1期

王金杰,薄士威

(1.中铁二十局集团第五工程公司,云南昆明650200;2.甘肃省交通规划勘察设计院,甘肃兰州730030)

1 工程概况

南水北调中线一期工程安阳段四标渠道衬砌全长3 277 m,薄壁混凝土施工面积19×104m2。渠道采用梯形断面,设计渠底宽度为18.5 m,渠底内一级边坡1∶2,渠道纵比降为1/28000,混凝土设计标号为C20,渠坡混凝土板厚10 cm,渠底厚8 cm,混凝土板纵横向以4 m设一道分缝,通缝与半缝间隔布置。(渠道衬砌结构剖视图见图1)。渠道衬砌薄壁混凝土结构具有防止渗漏、降低渠道糙率、提高运水能力等特点,并且施工、维修方便。但若结构上裂缝过多,则会影响混凝土耐久性和使用寿命,甚至破坏结构的整体性,影响防渗效果。

图1 渠道衬砌结构剖视图(单位:mm)

2 薄壁混凝土裂缝产生的原因

薄壁混凝土产生裂缝的原因很多,文献[1]中对这方面内容给出了非常科学的阐述,针对南水北调实际工程,在这里将产生裂缝的原因分为三部分:①材料特性引起的裂缝;②施工环境引起的裂缝;③施工工艺引起的裂缝。

2.1 材料特性引起的裂缝

混凝土材料由于其自身特性,会因为干缩、水泥水化热、碱骨料反应、温度、氯离子侵蚀、淡水有害盐分入侵、混凝土自身质量欠缺等原因产生裂缝。

2.2 施工环境引起的裂缝

当施工温度超过30℃,低于5℃时,或在干旱、多风、日晒的天气施工时,薄壁混凝土由于内外温差超过20℃和表面失水过快均会不同程度的形成表面裂缝。再者夏季白天相对于晚上施工产生裂缝较多,冬季相对于夏季施工产生裂缝数量较多。

2.3 施工工艺引起的裂缝

薄壁混凝土衬砌在削坡后的基面、砂垫层、保温板和复合土工膜上面,当它下面任意一层没有达到设计要求时,均会产生不均匀沉降,薄壁混凝土承受荷载后产生变形引起荷载裂缝。

薄壁混凝土在施工过程中和易性的好坏,振捣是否密实直接关系到薄壁混凝土衬砌完成后产生不均匀的拉应力,造成薄壁混凝土表面不同程度的拉裂,甚至产生贯穿裂缝。

薄壁混凝土在施工后,若不及时采取合理的养护:如洒水、盖膜等工艺,则容易产生结构表面裂缝及内部裂缝。

3 薄壁混凝土裂缝施工控制技术

针对上述实际工程中裂缝产生的原因,我们采取了多种控制技术,有效的减少了裂缝的数量、提高了混凝土的耐久性。

3.1 原材料的控制[2,3]

3.1.1 基本组成材料的控制

通过控制水泥、骨料、水等基本材料的配合比,有效的控制了裂缝的产生。其中水泥采用普通硅酸盐P.O425水泥,并按1批(次)/200吨取样进行水泥全套指标检查,以确保水泥质量;粗集料采用反击式破碎机轧制的碎石,石料选材应坚硬、清洁、不含风化颗粒、并经试验检验合格的规格料;机制砂采用专用的制砂机制造,洁净、干燥、无风化、无杂质的适当颗粒级配;水的用量也必须严格控制,因为残余水会造成毛细孔中水分增多,影响混凝土耐久性,该工程单位用水量经过多方面验证,最终确定为为130 kg/m3。

3.1.2 使用外加剂

在水工混凝土中掺入适宜外加剂,能改善混凝土和易性,防渗性,可调节凝结时间、提高强度和耐久性,该工程选用了高效减水剂和引气剂两种外加剂。

该工程混凝土原材料最优配合比设计如表1。

表1 C20混凝土原材料配合比 (kg/m3)

按设计配合比砂率37%、水胶比0.48、坍落度60 mm～80mm、含气量4.0%,减水剂掺量1.9%,引气剂掺量0.013%、粉煤灰掺量25%。

混凝土中掺加粉煤灰能有效提高混凝土的强度和耐久性,但替代量不能过大,该工程采用25%。根据相关资料,混凝土中1 m3水泥用量每增减10 kg,水化热相应升降1℃～1.2℃,即本工程中掺用的粉煤灰使混凝土内部温度下降了约6.8℃～8.2℃,从一定程度上控制了裂缝的产生。

3.2 施工环境的控制

3.2.1 温度控制

水泥水化后释放出大量的热量,使混凝土内外形成较大的温差,从而在温度应力的作用下形成裂缝[4]。特别在夏季施工,气温一般在摄氏 37℃左右,露天存放的石子表面温度可达摄氏50℃左右,混凝土出机口温度在摄氏30℃左右,导致混凝土水化后内部温度更高,因此薄壁混凝土施工温度不宜大于28℃,日最高气温超过30℃时,宜选择在早晨、傍晚或夜间施工,当现场气温超过35℃时,应停止施工。

骨料的温度控制主要通过搭盖凉棚和洒水降温来进行。搭盖凉棚可避免太阳光直射,减少骨料吸热,浇筑前2 h～3 h再用洒水车运深井水(约16℃左右)对粗、细骨料进行充分的洒水降温。采取以上方法降温后,浇筑前粗骨料内部温度约为24℃,细骨料内部温度约为26℃,降温效果相对较明显。在混凝土浇筑前应对拌和水进行降温,即把条形冰块放入拌和水池中以降低水温。用此方法,通常能够将拌和用水温度降至摄氏3℃～7℃左右。

当日平均气温连续5天稳定在5℃以下或现场最低气温在0℃以下时,应调节拌和水温度、增加骨料搅拌时间,以保证拌和物的入仓温度不低于5℃,当日平均气温低于0℃时停止施工。冬季施工温度低于0℃对刚完成抹面收光的混凝土,采取两层彩条布加棉被进行保温养护,使内外温差不大于20℃,达到防裂要求。

通过温控措施,使混凝土出机口温度控制在18℃以内,入仓温度控制在28℃以下,有效地控制了温度裂缝的产生。

3.2.2 风力控制

混凝土施工时风力应小于4级,根据天气情况,适当调整混凝土外加剂的掺量和用水量,确保混凝土入仓时塌落度满足施工要求。并且边衬砌边覆盖彩条布,同时初凝前混凝土表面用洒水车喷头进行喷雾养护,当风速超过4级时停止施工。

3.3 混凝土浇筑方法的控制[5,6]

3.3.1 降低混凝土周围约束

若混凝土周围约束过大,内部拉应力无法释放,拉应力增大而使混凝土干裂,因此,应减少混凝土的分仓长度,以使混凝土内部拉应力能够充分释放。分段浇筑长度为8 m的整数在16 m～40 m范围内。

3.3.2 布料及摊铺

为保证施工安全及减少混凝土发生骨料分离,坡面上布料应从下向上连续进行,减少大石子向下滚动的数量,及时清除混凝土中过度集中的粗骨料。衬砌小车行走时,应及时将振动打开,振动碾压过程中,使混凝土不过振、漏振或欠振,达到表面出浆,不出现露石、蜂窝、麻面等为宜,若出现露石、蜂窝、麻面及时采取增加碾压遍数等方式进行处理。

3.3.3 边角处的人工填补及振捣

渠坡衬砌的顶部及底部易出现缺料、振动碾压机振捣不到位的地方,人工应及时补料,并用插入式振捣器进行辅助振捣。衬砌机开出仓时,用插入式振捣器自下而上沿模板边界处行走一道,充分保证边角处不出现蜂窝、麻面,保证混凝土的密实性。

3.3.4 机械抹面

混凝土摊铺机后面的摊铺宽度约有4 m以上时,便可用抹面机进行抹面、收平、进一步提浆,首次抹面时,混凝土表面还比较稀软,尽量从下而上进行,抹光机每次移动间距为2/3圆盘直径,在连续作业时能保证不发生漏抹、表面大面平整均匀一致。坡顶及坡底抹面机不能到的位置全部由人工进行抹面和收光,两侧有边模的位置机械抹面后,因有边模及施工分缝板的影响,为保证其抹面效果,用人工及时进行修理。当混凝土开始初凝时,由人工连续抹面压光3遍,以表面平整、提出的浆面均匀为宜。

3.4 混凝土养护

混凝土养护的好坏直接决定后期裂缝的产生数量,因此对混凝土进行合理科学的养护至关重要,按《水工混凝土施工规范》(DL/T5144-2001)渠道衬砌薄壁混凝土应保证湿润养护不少于28 d。该工程采用前期洒水加后期贴养护膜进行养护。由于采用普通硅酸盐水泥,混凝土早期水化热较大。经量测,一般在浇筑后24 h左右,内部温度即可达到最大值(约33℃),而此段时间为前期养护时间,衬砌混凝土板需要进行“人工裂缝”—切缝(切成4 m×4 m的板块),主要采取节水保湿养护膜加盖彩条塑料布进行覆盖,能有效的保湿,气温较高时,水分蒸发比较快,应经常揭开查看,必要时局部要进行补水。当通、半切缝完成后,立即贴上养护膜对混凝土表面进行全天候养护至28 d,此时渠道衬砌后的混凝土内部温度已降至18℃。通过洒水降温的对比观察可看出,混凝土板表面采取覆盖彩条布并采取洒水降温措施的,比未采取措施的产生裂缝明显少许多。因此,混凝土养护应从贴养护膜前,对混凝土板表面覆盖彩条布洒水降温开始。