大体积混凝土施工的裂缝控制
——以三洲拦河闸工程施工为例
2012-04-12广东省水利水电第三工程局汤树华
广东省水利水电第三工程局 汤树华
大体积混凝土施工的裂缝控制
——以三洲拦河闸工程施工为例
广东省水利水电第三工程局 汤树华
一、工程概况
三洲拦河闸位于广东省揭阳市榕江南河中游，是一个综合灌溉、供水、航运和发电等多种功能为一体的大型闸坝枢纽工程。该闸坝枢纽由发电厂房、16孔拦河水闸、船闸、连接土坝及引水涵等组成，工程等别为1级，主要建筑物级别为2级，次要建筑物级别为3级。拦河水闸底板长45 m、宽25 m、厚1.5 m，再加上底板齿槽混凝土，因而单仓混凝土浇筑量为1 816 m3，混凝土强度等级为C25；船闸底板长25.5 m、宽24 m、厚2.5 m，扣除过水廊道空间后，单仓混凝土浇筑量为1 510 m3，混凝土强度等级为C20；在过水廊道周边0.5 m范围内，混凝土强度等级应提高至C30。
二、大体积混凝土产生裂缝的原因分析
导致大体积混凝土产生裂缝的原因主要有以下几点。
1.混凝土发热导致内部温度过高。混凝土开始初凝时，其内部的水泥会因发生水化反应而放出大量的热，且浇筑完成后1 ～ 3 d内放出的热量是总热量的一半。混凝土内部的最高温度多出现在浇筑完成后的第3～5 d，当其内部温度与表面温度差值过大时，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，温度应力也越大。当温度应力超过混凝土的抗拉极限强度时，混凝土表面即产生裂缝。
2.外界气温变化过大。在大体积混凝土结构施工期间，外界气温的变化对裂缝的形成有很大影响。混凝土的内部温度是由浇筑温度、水泥水化热的绝对温升和结构的散热温度等各种温度叠加而成的。而混凝土的浇筑温度与外界气温有着直接关系，外界气温愈高，浇筑温度也会愈高，但外界温度突然降低又会扩大大体积混凝土的内外温差。如果外界温度下降过快，就会造成很大的温度应力，极易引发混凝土开裂。另外，外界湿度的降低会加速混凝土的干缩，也会导致混凝土裂缝的产生。
3.化学收缩。水泥因水化而产生的体积收缩（自身体积变形）是不可避免的，但对同一种水泥而言,其收缩比例是恒定的。因此，在大体积混凝土施工中，只有改变水泥的矿物组份或掺入恰当的膨胀剂等外掺物，才能避免因水泥化学收缩而产生裂缝。
三、施工方法及裂缝控制
在该工程施工中，所用混凝土由拌合楼统一供料，用混凝土运输车运输。拌合楼的混凝土正常供应力为112 m3/h，单仓混凝土浇筑的平均时间为20 h；混凝土运输距离为1 km，运力满足连续浇筑要求；用2台1.5 m3反铲挖掘机和1台1 m3长臂反铲挖掘机（中线距边线12.5 m，超出1.5 m3反铲挖掘机工作范围）入仓。由于采用挖掘机入仓，因而对混凝土的和易性要求不高（相对于泵送混凝土），为采取控温措施创造了有利条件。施工采用分区、分层连续浇筑法：2台挖掘机分别从底板上下游分层往中间合拢，中间5米由长臂挖掘机入仓，3台挖掘机错位施工；混凝土共分5个浇筑层（包括齿槽）施工，分层厚度为40 cm。浇筑混凝土时的间歇时间应满足连续浇筑要求，以免出现施工冷缝。在该工程施工中，同时采用了以下3个控温措施。
1.调整混凝土配方。大体积混凝土中水泥的种类及用量是决定水化热大小的主要因素，水泥矿物中发热最快和发热量最大的成分是铝酸三钙（C3A），其他依次为硅酸三钙（C3S）、硅酸二钙（C2S）和铁铝酸四钙 （C4AF）。另外，水泥越细发热速率越高，但是不影响最终发热量。
在三洲拦河闸底板等大体积混凝土施工中，由于水闸对混凝土有防冲要求，因而采用了大坝硅酸盐水泥。同时，按1.3的超量系数、水泥用量的15%超量取代掺入汕头电厂生产的Ⅱ级粉煤灰，并添加HSC缓凝保塑减水剂，以延长混凝土的初凝时间，降低初期发热量，增加密实度，提高抗渗能力，降低最终收缩值。调整后的C25混凝土配合比为：水泥213 kg，粉煤灰48 kg，砂754 kg，碎石1 204 kg，水150 kg，外加剂3.824 kg；调整后C20混凝土配合比为：水泥193 kg，粉煤灰44 kg，砂785 kg，碎石1180 kg，水155 kg，外加剂3.63 kg。配方的调整不但大大降低了混凝土的水泥水化热，而且减少了混凝土浇筑完成初期的水泥发热量，有效避免了因混凝土内部与外界温差过大而引发裂缝。
2.埋设冷却管。在该工程中，还采取了在大体积混凝土内部埋设冷却管的降温措施。冷却管为直径32 mm的钢管，分双层布置。冷却管与钢筋同步布设，竖向间距为50 cm，水平间距为1.2 m。每层冷却管安装完成后，都要进行通水试压，然后用冷却水在钢管内循环的办法来降低混凝土的内部温度。冷却水循环从混凝土初凝时开始，以确保其内外温差≤20 ℃。混凝土浇筑完成后，还应及时在其表面洒水养护，养护时间≥14 d。
3.降低混凝土出仓温度。对混凝土出仓温度影响最大的是碎石和水的温度。因此，要想降低混凝土出仓温度，最有效的办法就是用冷水搅拌和降低碎石温度。由于广东冬季昼夜温差较大，因而在中午温度较高时，就需要用喷淋冷水的方法对混凝土骨料进行预冷，然后加冰搅拌，以降低混凝土出仓温度。
四、施工效果
通过采取以上温控措施和科学施工，该工程底板的大体积混凝土没有产生贯穿性等有害裂缝，工程质量符合混凝土质量优良等级要求。
