浅析渠道衬砌混凝土裂缝的成因及控制要点

2012-07-24牛尚峰

中国新技术新产品 2012年2期

牛尚峰

（胜利油田胜利工程建设（集团）有限责任公司，山东东营 257000）

1 概述

新疆某水利工程工程干渠长度为110km，i=1/10000，设计输水流量为55m3/s。渠道断面为梯形，渠身采用10cm现浇砼板机械衬砌，0.6mm厚一布一膜防渗，膜下铺设3cm厚的 M10砂浆垫层，渠底宽6m，内边坡1：2.5，渠道深度4.8m。

渠道衬砌混凝土这种结构型式施工质量好，能有效防止渠道渗水，而且施工中可以大量节约劳动力，若裂缝较多则会影响混凝土的质量和使用寿命，甚至遭到破坏达不到防渗效果。

实际施工中渠道边坡衬砌混凝土由于面积大，厚度薄（仅10cm）容易产生裂缝，如果采取一定的施工措施，很多裂缝是可以控制和减少的。为了进一步加强对渠道衬砌边坡混凝土裂缝的认识，尽量避免工程中出现危害较大的裂缝，本文尽可能对裂缝的种类和产生的原因作较全面的分析、总结，以方便施工中找出控制裂缝的可行办法，达到防范于未然的作用。

2 裂缝产生的原因分析

实际上，渠道衬砌混凝土裂缝的成因复杂而繁多，甚至多种因素相互影响，但每一条裂缝均有其产生的一种或几种主要原因。渠道衬砌混凝土裂缝的种类，就其产生的原因，大致可划分如下几种：

2.1 收缩引起的裂缝

在实际工程中，混凝土因收缩所引起的裂缝是最常见的。在混凝土收缩种类中，塑性收缩和缩水收缩（干缩）是发生混凝土体积变形的主要原因。

塑性收缩一般在混凝土浇筑后4～5h左右发生，此时水泥水化反应激烈，分子链逐渐形成，出现泌水和水分急剧蒸发，混凝土失水收缩，同时骨料因自重下沉，此时混凝土尚未硬化，称为塑性收缩。塑性收缩所产生面积很大，可达1%左右。

缩水收缩（干缩）。混凝土终凝以后，随着表层水分逐步蒸发，湿度逐步降低，混凝土体积减小，称为缩水收缩（干缩）。因混凝土表层水分损失快，内部损失慢，因此产生表面收缩大、内部收缩小的不均匀收缩，表面收缩变形受到底部混凝土的约束，致使表面混凝土承受拉力，当表面混凝土承受拉力超过其抗拉强度时，便产生收缩裂缝。混凝土硬化后收缩主要就是缩水收缩。

混凝土收缩裂缝的特点是大部分属表面裂缝，裂缝宽度较细，且纵横交错，成龟裂状，形状没有任何规律。

研究表明，影响混凝土收缩裂缝产生程度的主要因素有：(1)水泥品种、标号及用量。矿渣水泥、快硬水泥、低热水泥混凝土收缩性较高，普通水泥、火山灰水泥、矾土水泥混凝土收缩性较低。另外水泥标号越低、单位体积用量越大、磨细度越大，则混凝土收缩越大，且发生收缩时间越长。例如，为了提高混凝土的强度，施工时经常采用强行增加水泥用量的做法，结果收缩应力明显加大。(2)骨料品种。骨料中石英、石灰岩、白云岩、花岗岩、长石等吸水率较小、收缩性较低；而砂岩、板岩、角闪岩等吸水率较大、收缩性较高。另外骨料粒径大收缩小，含水量大收缩越大。(3)水灰比。用水量越大，水灰比越高，混凝土收缩越大。(4)外掺剂。外掺剂保水性越好，则混凝土收缩越小。(5)养护方法。良好的养护可加速混凝土的水化反应，获得较高的混凝土强度。养护时保持湿度越高、气温越低、养护时间越长，则混凝土收缩越小。蒸汽养护方式比自然养护方式混凝土收缩要小。(6)外界环境。大气中湿度小、空气干燥、温度高、风速大，则混凝土水分蒸发快，混凝土收缩越快。(7)振捣方式及时间。机械振捣方式比手工捣固方式混凝土收缩性要小。振捣时间应根据机械性能决定，一般以5～15s/次为宜。时间太短，振捣不密实，形成混凝土强度不足或不均匀；时间太长，造成分层，粗骨料沉入底层，细骨料留在上层，强度不均匀，上层易发生收缩裂缝。

2.2 温度变化引起的裂缝

混凝土具有热胀冷缩性质，当外部环境或结构内部温度发生变化，混凝土将发生变形，若变形遭到约束，则在结构内将产生应力，当应力超过混凝土抗拉强度时即产生温度裂缝。温度裂缝区别其它裂缝最主要特征是将随温度变化而扩张或合拢。引起温度变化主要因素有：(1)水化热：混凝土浇筑之后由于水泥水化放热，致使内部温度很高，内外温差太大，致使表面出现裂缝。渠道衬砌混凝土厚度为10cm，这一因素很小。(2)日照：两布一膜表面受太阳曝晒后，温度明显高于其它部位，温度梯度呈非线形分布。由于受到自身约束作用，导致局部拉应力较大，出现裂缝。(3)北疆地区昼夜温差大，如果施工时间不当，混凝土骤冷骤热，内外温度不均，易出现裂缝。(4)骤然降温：突降大雨、冷空气侵袭、日落等可导致结构外表面温度突然下降，但因内部温度变化相对较慢而产生温度梯度。

2.3 施工质量引起的裂缝

2.3.1 施工材料质量引起的裂缝

混凝土主要由水泥、砂、骨料、拌和用水及外加剂组成。配置混凝土所采用材料质量不合格，可能导致结构出现裂缝。

水泥：(1)水泥安定性不合格，水泥中游离的氧化钙含量超标。氧化钙在凝结过程中水化很慢，在水泥混凝土凝结后仍然继续起水化作用，可破坏已硬化的水泥石，使混凝土抗拉强度下降。(2)水泥出厂时强度不足，水泥受潮或过期，可能使混凝土强度不足，从而导致混凝土开裂。(3)当水泥含碱量较高（例如超过0.6%），同时又使用含有碱活性的骨料，可能导致碱骨料反应。

砂、石骨料：砂石的粒径、级配、杂质含量。砂石粒径太小、级配不良、空隙率大，将导致水泥和拌和水用量加大，影响混凝土的强度，使混凝土收缩加大，如果使用超出规定的特细砂，后果更严重。砂石中云母的含量较高，将削弱水泥与骨料的粘结力，降低混凝土强度。砂石中含泥量高，不仅将造成水泥和拌和水用量加大，而且还降低混凝土强度和抗冻性、抗渗性。砂石中有机质和轻物质过多，将延缓水泥的硬化过程，降低混凝土强度，特别是早期强度。砂石中硫化物可与水泥中的铝酸三钙发生化学反应，体积膨胀2.5倍。

拌和用水及外加剂：

拌和用水或外加剂中氯化物等杂质含量较高时对钢筋锈蚀有较大影响。采用含碱水拌制混凝土，或采用含碱的外加剂，可能对碱骨料反应有影响。

2.3.2 施工工艺质量引起的裂缝

在渠道边坡混凝土浇筑过程中，若施工工艺不合理、施工质量低劣，容易产生纵向的、横向的、表面的、深进的和贯穿的各种裂缝。裂缝出现的部位和走向、裂缝宽度因产生的原因而异，比较典型常见的有：

(1)混凝土振捣不密实、不均匀。

(2)混凝土浇筑过快，混凝土流动性较低，在硬化前因混凝土沉实不足，硬化后沉实过大，容易在浇筑数小时后发生裂缝，即塑性收缩裂缝。

(3)混凝土搅拌、运输时间过长，使水分蒸发过多，引起混凝土塌落度过低，使得在混凝土体积上出现不规则的收缩裂缝。

(4)混凝土初期养护时急剧干燥，使得混凝土与大气接触的表面上出现不规则的收缩裂缝。

(5)用混凝土罐车运送混凝土施工时，为保证混凝土的流动性，增加水和水泥用量，或因其它原因加大了水灰比，导致混凝土凝结硬化时收缩量增加，使得混凝土体积上出现不规则裂缝。

(6)渠道边坡混凝土浇筑时，衬砌机待机时间长，接头部位处理不好，易在新旧混凝土和施工缝之间出现裂缝。

(7)施工质量控制差。任意套用混凝土配合比，水、砂石、水泥材料计量不准，结果造成混凝土强度不足和其他性能（和易性、密实度）下降，导致结构开裂。

3 渠道边坡衬砌混凝土裂缝的控制

3.1 原材料的控制

3.1.1 水泥、粉煤灰

本工程采用P.O42.5级水泥，粉煤灰采用某电厂的一级粉煤灰，工地试验室针对供应商提供的水泥、粉煤灰质量合格证明，并按批次取样进行检测，确保水泥、粉煤灰的质量。

3.1.2 骨料

粗骨料采用反击式破碎机轧制的碎石，细骨料采用水洗砂。技术要求见下表。

粗集料技术要求

水洗砂技术要求

骨料中有一项不符合技术要求的均不允许进场使用。

3.1.3 外加剂

本渠道衬砌混凝土外加剂采用NF-2减水剂和PMS-NE引气剂。

进场的外加剂必须有出厂检验报告和合格证，并对每批次进行检测。

3.2 收缩引起裂缝的控制

(1)采用普通硅酸盐水泥，并掺用粉煤灰以降低混凝土内部温度。

(2)控制每方混凝土的用水量，本渠道工程每方混凝土用水130kg。

(3)分段浇筑长度为伸缩缝（通缝）的整数倍即6m的整数倍。

渠道边坡衬砌混凝土(C20F300W8)的设计配合比如下：

新疆某水利工程渠道一级半配合比

试验室配合比砂率37%，水胶比0.43、坍落度7cm～9cm、减水剂掺量0.8%、引气剂掺量0.012%、粉煤灰掺量25%。

3.3 温度变化引起的裂缝的控制

(1)当日最高气温超过30℃时，宜选择在早晨、傍晚或夜间施工，并对骨料降温控制混凝土入仓温度≤28℃，当现场气温超过35℃时，应停止施工。

(2)骨料温度控制通过搭盖遮阳网来降温；混凝土拌合用水采用抽取深井水；因北疆地区昼夜温差大，夜间浇筑气温相对较低，采取温控措施后，容易控制混凝土的入仓温度。因此，在工作中多把混凝土浇筑工序安排在早晨、下午和夜间进行。通过这些温控措施后，将入仓温度控制在28℃，出机口温度控制在18℃以内，有效地控制了温度变化引起的混凝土裂缝。

(3)风天施工时，采取必要的防范措施，防止塑性收缩裂缝产生。适当调整混凝土用水量，增加混凝土出机口的坍落度1～2cm。正在衬砌的作业面及时收面并立即养护，对已经衬砌完成并出面的浇筑段及时采取覆盖塑料布等养护措施。雨天施工时，砂石料场做好了排水通道，运输工具增加了防雨及防滑措施，浇筑仓面准备了防雨覆盖材料。当浇筑期间降雨时，启动应急预案，浇筑仓面搭棚遮挡防雨水冲刷。降雨停止后清除仓面积水，不得带水抹面压光作业。降雨过后若衬砌混凝土尚未初凝，对混凝土表面进行适当的处理后继续施工；否则按施工缝处理。雨后继续施工，重新检测骨料含水率，并适时调整混凝土配合比中用水量。低温施工时，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，不宜施工。如因需要继续施工，采取措施保证混凝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。

3.4 施工工艺质量引起的裂缝的控制

3.4.1 混凝土拌制

渠道边坡衬砌混凝土采用拌和站严格按照实际配合比集中拌制，充分考虑运输时间、气温、风速对混凝土坍落度的影响和损失，并根据测定的坍落度在设计规定的范围内进行适当的调整。

3.4.2 混凝土运输

混凝土运输采用混凝土罐车运输，在装、运、卸过程中杜绝加水。从拌和站出料到运输、卸完的最长时间不超过1.5h。

3.4.3 混凝土浇筑

(1)布料及摊铺

渠道边坡上布料应从下向上连续进行，减少大石子向下滚动的数量。衬砌机行走时，及时打开振动，振动过程中，要保证混凝土不过振、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，若出现欠料或露石现象，人工及时补料、整平。在渠道边坡混凝土衬砌过程中，坡肩、坡脚及周边易出现缺料和振捣不到位的地方，应人工及时补料，并用插入式振动棒进行振捣。衬砌机离开浇筑仓面时，用插入式振捣器自下而上沿模板边界振捣一遍，以保证混凝土的密实性。

(2)抹光机抹面及收光

混凝土抹光机同衬砌机共用轨道，通过支腿的调节满足衬砌坡比的需要，保证了压光衬砌坡面平整度。

混凝土抹光机采用抹盘和抹片分别抹面。抹盘抹面起到挤压及提浆整平功能，抹片起到压光收面功能。

抹面压光在渠道衬砌混凝土浇筑宽度约有3～4m时开始。第一次抹面时安装抹盘，抹盘对衬砌混凝土面进行平整和提浆，将裸露于表面的小石子压入混凝土中。首次抹面时，因混凝土表面较软，自坡脚至坡肩进行，抹盘以刚好接触到混凝土表面为宜。抹光机每次移动间距为2/3抹盘直径。初凝前，卸掉抹盘、用收光刀片进行收光。

根据浇筑时间、天气状况、湿度情况，第二次抹面时间一般控制在第一次抹面15～25min后。第二次抹面仍需使用抹盘，主要是找平。抹面中随时用2m靠尺检查混凝土表面的平整度，调整抹面机高度及斜度，保证抹盘底面与衬砌设计顶面重合，浆液厚度不得超过1.5mm。

第三次采用抹片抹面，提高衬砌混凝土表面的光洁度。

施工中人工采用钢抹子配合抹面，一般为2～3遍。初凝前及时进行压光处理，清除表面气泡，使混凝土表面平整、光滑、无抹痕。衬砌抹面施工严禁洒水、撒水泥面、涂抹砂浆。

3.4.4 混凝土养护

混凝土养护是混凝土施工的重要环节，待人工抹面后立即使用一布一膜覆盖，混凝土浇筑24h后用φ100mmpvc管线等间距打孔洒水养护，施工队设专职养护人员。

该工程渠道边坡衬砌混凝土要求成型为切割而成的3m×3m的单块混凝土板。由于一般切缝都在混凝土终凝后24h内进行，这个阶段的养护尤其重要。在切缝期间采用喷雾法进行养护。切缝完成后，立即覆盖一布一膜对混凝土表面进行全天候养护至28天。