南水北调中线工程倒虹吸施工期裂缝成因及防裂措施

2012-08-19石爱军广东水电二局股份有限公司

河南水利与南水北调 2012年9期

□石爱军（广东水电二局股份有限公司）

□郭磊（华北水利水电学院）

□樊培培（汝州市水利局）

1.概述

南水北调中线工程由汉江丹江口水库引水，干渠总长达1277km，总干渠与大量江、河、沟、渠、公路、铁路相交，形成各类交叉建筑物、控制建筑物。倒虹吸是南水北调工程中一种重要的交叉建筑物，中线共有渠道倒虹吸100座，河道倒虹吸17座。倒虹吸和渡槽一样，属于薄壁混凝土结构，在施工期极易产生温度变形和干缩，从而导致裂缝的产生，影响工程耐久性，故对其实施严格的温控、防裂措施，对防止结构产生裂缝，保证南水北调工程整体施工质量具有重要的意义。

2.倒虹吸裂缝成因分析

倒虹吸混凝土裂缝的产生是多种因素共同作用的结果，这要从混凝土水化机理出发进行成因分析。混凝土搅拌之后，水泥与水接触，颗粒表面即开始水化，生成少量的水化物并立即溶于水中。此时，又暴露出未水化的新表面，使水化作用继续进行，直到生成水化物的饱和溶液为止。从中析出六方片状Ca(OH)2晶体，生成细小的钙矾石晶体。从水泥初凝起到24h为止，水化开始加速，生成较多的Ca(OH)2和钙矾石晶体，同时水化硅酸钙也以长纤维晶体从熟料颗粒上开始长出来，并能逐渐再结晶，生成宏观晶体，直至混凝土硬化。由此可见，随着水泥和水不断水化反应，自由水和毛细孔水量逐渐降低，在硬化水泥石中形成大量微细孔，水的饱和蒸气压随着内部相对湿度降低而降低，导致硬化水泥石受负压作用而产生收缩，特别是表面，收缩而导致裂缝。另外，水泥水化过程要散发大量的水化热，使混凝土体积膨胀，加之混凝土是一个热的不良导体，随着热量向外部介质散发，产生一个温差，内部膨胀量大，外部较小，内部热的混凝土约束外部冷混凝土的收缩，极有可能出现表面裂缝。可见混凝土裂缝主要由于体积的变化及由体积变化受到约束而产生的应力所造成的。

3.防裂措施优劣对比

倒虹吸混凝土防裂不但从控制自身特性出发，还应从温控和湿控的角度出发，总的来说，常采用的防裂措施主要有以下几方面：

3.1 温控防裂

严格控制混凝土温度是防止裂缝的重要措施，控制温度主要方法有:

3.1.1 通水冷却

在浇筑的混凝土中埋设水管，水管中水是流动的，新的水体不断替换老的水体，通过水管和混凝土的热交换，带走水化热，加快混凝土的散热速度，减小混凝土内外温差和基础温差，可到达良好的防裂效果。

3.1.2 降低混凝土浇注温度

冷却混凝土中一种或数种材料来降低浇筑温度，减小最高温度与稳定温度的温差，是常采用的方法。在许多情况下，人们把降低浇注温度作为根本性的控制措施，而只在关键部位辅以强制冷却（如水管冷却）。

3.1.3 表面保温

表面保温的目的有两个：其一是减缓早期表面温度的降低速度和昼夜温差引起的温度变幅，从而减小内外温差，最终的目的是减小早期表面拉应力；其二是减缓表面水分蒸发，保温材料覆盖之后，使得混凝土不直接暴露在空气中，相当于阻止了水分散失的通道。用于水工建筑物表面保温的材料有很多，常用的有草袋、土工膜、聚苯乙烯板等。草袋价格低廉，但是遇水保温效果就大减，一般不能循环利用；复合土工膜一般采用高聚合物制成，防水效果很好，但是单薄，保温效果不是很好；目前最经常用的是聚苯乙烯板，它具有封闭孔结构、不吸水、较好的抗压缩性等优点，价格也不是很高，且可以循环利用。

3.2 湿控防裂

3.2.1 表面养护

养护作为一种控制混凝土早期收缩的措施，已经引起了工程界的重视。国内外对混凝土养护方法认识有所不同，但在现浇混凝土施工现场，一般采用的方法不外乎水养护、密封养护和其它一些专门的养护方法。从混凝土强度发展的角度考虑，水养护法显然优于密封养护法，因为前者能为混凝土(特别是低水灰比的混凝土)中的水化反应提供充足的水源，使水泥充分水化。密封养护操作更为简单，也节省劳力，但是密封养护的效果，很大程度上取决于养护膜的包覆厚度和完整性。

3.2.2 内养护

内养护是Philleo于1991年首次提出的。直到上世纪90年代中期Weber和Reinhardt的试验研究才使得人们正式重视该研究。内养护是通过添加内养护剂，补充水化过程的水分损失，保持相对湿度，减少自干燥的一种措施。D.Cusson通过模型试验证明了内养护技术可以增加高强混凝土结构的使用寿命和制造成本。内养护按照采用材料和作用机理共分为3类:一是用预吸水轻集料作为养护介质由Philleo通过试验提出的，该方法缓解自干燥的效果已被Philleo、Vaysburd、Weber和Reinhardt等多位学者所证实，它是采用饱水轻集料（light-weightaggregate,LWA）代替混凝土骨料，当混凝土水化过程中出现水分不足时，饱水轻集料中的水分便补给水化所需水分，支持混凝土水化反应继续进行。二是用高吸水性聚合物作为养护介质，该方法由丹麦学者Jensen和Hansen在2001年提出，其关键是在混凝土中掺入可吸收相当于自身重量数百倍的高吸水性聚合物，在混凝土硬化过程中，高吸水性聚合物将水分释放，缓解混凝土的自干燥，进而减小自收缩。

3.3 其他措施

3.3.1 控制混凝土自身体积变形

混凝土的自生体积变形主要是由于水泥中胶凝材料和水反应后，反应物与生成物的体积不同所致。若生成物体积小于反应物体积，表现为自生体积膨胀，反之则表现为自生体积收缩。混凝土自生体积变形表现为收缩时，在混凝土结构中产生裂缝的可能性极大，反之，混凝土自生体积变形膨胀则可以抵消部分收缩变形，有利于提高混凝土的抗裂。故添加MgO成为一项有效防裂措施。采用内含一定量MgO的水泥拌制的混凝土自身体积变形具有微膨胀性，含MgO水泥混凝土的膨胀变形与低热微膨胀水泥混凝土的膨胀变形不同，后者的膨胀变形基本发生在龄期7d以前，膨胀量受湿度的影响较大。含MgO水泥混凝土的膨胀变形属于延迟性膨胀，对湿度不敏感，受温度影响较大，更有利于混凝土防裂。

3.3.2 配筋

混凝土裂缝的产生是由于混凝土抗拉强度不足以抵抗约束产生拉应力所致，根据复合材料力学理论，混凝土内配筋可增大抗拉强度。在混凝土结构常温和允许应力范围内，当混凝土达到极限变形时，混凝土内钢筋的应力仅约为20MPa，因此要配置大量的钢筋方可防止温度裂缝，这在经济上显然是不能接受的，但配筋确实是可以限裂的，从以往经验看来，裂缝往往开始从混凝土面积突变处开始发展，因为拐角处应力常会集中，故在这些地方要加些配筋。

3.3.3 合理安排混凝土施工进度和施工顺序

合理安排混凝土施工程序和施工进度是防止基础贯穿裂缝，减少表面裂缝的主要措施之一。基础约束区混凝土在设计规定的间歇期内连续均匀上升不应出现薄层长间歇。基础强约束区混凝土应在低温季节浇筑施工，其余部分基本做到短间歇连续均匀上升，必要的时候采取跳仓浇筑。