浅析溪洛渡拱坝混凝土龟裂的成因及防止措施

2012-09-05敬和平何鹏飞

水电站设计 2012年1期

敬和平，陈艾，何鹏飞

(四川二滩国际工程咨询有限责任公司，四川成都 610072)

1 前言

溪洛渡水电站大坝混凝土量约700万m3，大坝为双曲拱坝，受力条件较为复杂，混凝土抗裂性能要求高于其它坝型。在满足设计和施工要求的前提下，混凝土施工配合比应尽可能降低单位用水量和胶凝材用量，以降低混凝土水化温升，提高混凝土抗裂性能，减少裂缝的产生。但在11号坝段－10仓、18号坝段－17仓浇筑过程中出现了混凝土龟裂现象。本文通过对混凝土生产浇筑环境及混凝土自身因素的分析，以期达到有效控制混凝土龟裂的目的。

2 龟裂情况描述

在溪洛渡大坝浇筑的11号坝段－10仓、18号坝段－17仓混凝土凝结初期相继出现了表面龟裂，通过对龟裂的现场查看，发现出现的龟裂纹有相同特点:(1)出现龟裂的混凝土仓面均是在高温时段来临前浇筑完成的，在凝结过程中经历了中午的高温时段;(2)龟裂现象均处于相对较低的仓面;(3)龟裂纹的形状、长度、分布基本相似;(4)出现龟裂的混凝土均为全级配混凝土。

仓面出现的龟裂纹形状大致可以分为两种:一种是成长条状分布，最长的可达2m左右，深度可达2～5cm，这类裂纹主要出现在同一仓面相对较高位置和高处向低洼区域延伸的位置;另一种是龟裂纹成圆环状，圆环直径可达10～50cm，主要分布在振捣棒拔出的位置。

3 环境因素

在混凝土浇筑过程中，环境因素与混凝土龟裂有着密切的联系。环境因素的影响主要包括温度因素、湿度因素和风力因素。

3.1 温度因素

大坝混凝土在拌制过程中，采用加冰、风冷骨料，拌制的混凝土出机口温度严格按照不大于7℃控制，混凝土通过缆机入仓并进行分层浇筑，进入仓面的混凝土温度不超过12℃。混凝土进入仓面浇筑时是低温混凝土，阳光的直接照晒，使得混凝土表面与空气接触面温度迅速升高;同时胶凝材料进入溶解和初期水化阶段，溶解和水化过程产生热能，热能在混凝土中不断传递，使得混凝土整体温度升高。根据布朗运动现象，粒子处于不停息、无规则的运动状态，分散介质的分子皆处于无规则的热运动状态，它们从四面八方不断地撞击分散粒子，当介质分子与分散粒子的大小接近时，在某一瞬间粒子将从某一方向得到动量而发生位移，此时粒子即产生布朗运动。分散粒子受介质冲击示意图见图1。由此可以推断水分子也同样存在布朗运动。

水分子不断吸收太阳能以及胶凝材料溶解和初期水化热能，分子能量不断增加，促使水分子运动速率加快。我们假设水分子脱离液面的临界分子动能为E0，根据能量与运动速率的关系，E=(1/2)·m·v2，分子质量不变，对应的水分子临界运动速率为v0;当水分子为液态时能量为E1，对应的分子运动速率v1是确定值，此时的v1＜v0;在混凝土凝结过程中，水分子不断地吸收太阳能以及胶凝材料溶解和初期水化释放的能量，能量增加△E，此时的分子能量变为E1+△E，水分子运动速率增大，水分子运动速率为v1+△v1，当分子运动速率v1+△v1＞v0时，水分子能够脱离液面，汽化进入空气中。

图1 胶粒受介质分子冲击示意

3.2 湿度因素

日常所指的湿度为相对湿度，即气体中(通常为空气中)所含水蒸气量(水蒸气压)与其空气相同情况下饱和水蒸气量(饱和水蒸气压)的百分比。根据定义，当相对湿度达到100%时，也就是达到饱和水蒸气压状态，在宏观状态下与水蒸气接触的液面将不再蒸发，微观上进行的仅仅是汽态水分子与液态水分子的交换，而发生交换的分子量相等。当空气相对湿度较小时，液面向空气中蒸发的水分子远远大于汽态水分子进入液态的分子量，以达到压力平衡。因此，当空气相对湿度越小，水份蒸发速率就越快;当相对湿度越接近饱和状态时，水份蒸发速率就会得到抑制。当混凝土表面暴露于空气中时，由于空气的流动，空气中的饱和蒸气压是一个不断变化的值，混凝土与空气接触的界面水蒸气压也是一个不断变化的值，为达到压力平衡，混凝土表面的水份将不断蒸发。发生龟裂的11号、18号坝段时间范围段的气象监测资料见表1。

从表1二个坝段浇筑前后几天的湿度监测数据可以发现，每天早晨和中午的湿度是变化的，每一天相同时间的湿度也是不同的。坝面上的湿度是不断变化的，并且在越接近中午时段，相对湿度会逐渐减小，混凝土表面的水分将加速向空气中蒸发，当水分子大量进入空气中后，混凝土表面由于失水严重而极易出现龟裂。

表1 溪洛渡气象中心400平台实测资料

3.3 风力因素

在新浇筑混凝土的表面存在一层水膜，由于风力作用，使得水分子运动速率加快，部分水分子速率达到能够脱离分子间的引力，变成汽态进入空气中。风速的大小直接影响表面失水的速度。通过对出现龟裂的11号坝段－10仓浇筑块进行分析发现，11号坝段－10仓左侧靠近坝肩槽，上、下游面分别为上、下坝肩槽贴角，上、下坝肩槽贴角高度分别高于仓面35m、18m，当风通过11号坝段后向上游前进，受到坝肩槽上游贴角的的阻挡，一部分沿着贴角坡度攀升，一部分风向回转后受到坝肩槽阻挡，继续沿坝肩槽向下游移动，在遇到坝肩槽下游贴角的阻挡后，折回11号坝段下游侧，并与不断由下游吹向11号坝段的风汇合，使风速得到加强，并在11号坝段形成旋风(见图2)，旋风沿着仓面上升，在上升过程中迅速带走蒸发出来的水蒸气，使坝面与空气接触面的相对湿度产生较大梯度，加速了混凝土表面水份的蒸发。

图2 11号坝段－10仓浇筑块旋风形成示意

在对18号坝段－17仓进行龟裂分析时发现，与18号坝段相邻的17号、19号坝段已经进入高坝段(见图3)，19号坝段和17号坝段分别比18号坝段的浇筑面高12m和16m，整个大坝外形为双曲拱坝，当风由下游面吹向大坝时，受到已经浇筑的坝面的阻挡，风速会在大坝中间位置加强并沿坝面向上攀升，同时当风速在17号、19号坝段受到阻挡后，部分风会进入中间的18号坝面，与沿坝面攀升的风汇合，在18号坝段形成一个风道，风速得到加强，在通过混凝土表面的时候，更快地带走混凝土表面的水份，使混凝土表面迅速失水。

4 混凝土自身因素

图3 大坝下游示意

混凝土自身因素与龟裂的产生同样有着密切的联系。混凝土自身因素主要包括混凝土早期塑性收缩、液面张力、混凝土配合比设计参数的选择、混凝土自身沉降和混凝土振捣工艺。

4.1 混凝土早期的塑性收缩是混凝土出现龟裂的一个原因

混凝土拌制完成后，混凝土早期收缩是由于胶凝材料的溶解和水化产生。早期的胶凝材料在水中溶解形成电离子，C3S溶解体积减小0.32 ml/g，Na2O、K2O溶解使体积减小0.42ml/g;C3S、C3A在水中进行水化分别形成CSH2、C6AS3H32，使体积分别减少0.10 ml/g、0.24 ml/g。水泥溶解、水化所产生的体积变化可以由下式求得:

式中 △V——水泥溶解和水化产生的绝对体积减少;

Vc——水泥原始体积;

Cc——饱和时的水泥浓度;

ρc—— 水泥密度;

W/C——水灰比;

目前溪洛渡大坝混凝土采用华新中热水泥，水泥品质较稳定，水泥的原始体积Vc、饱和时水泥浓度Cc、水泥密度ρc、水灰比W/C都固定，Cc·ρc·W/C相对为一个固定值，当水泥发生早期水化和水泥溶解时，水泥体积值减小，相应的水泥溶解和水化产生的绝对体积△V减少，即混凝土体积减小，产生早期收缩，使混凝土产生内部拉力，混凝土表面容易产生龟裂。

4.2 液面的表面张力是混凝土出现龟裂的另外一个原因

当混凝土浇筑后表面水膜未蒸发时，胶凝材料分子是全部由水分子覆盖，此时胶凝材料分子各向受力平衡。当混凝土表面持续失水，使得胶凝材料逐渐露出水面，胶凝材料之间的液面出现凹形，使得相邻的胶凝材料颗粒之间形成表面张力。随着凹面逐渐加深，胶凝材料颗粒间的表面张力增大，宏观上使得混凝土表面产生收缩拉力，使得混凝土体积变小(见图4)。

图4 毛细管压引起两离子间的引力

表面作用产生的收缩力为:

式中 Pc——收缩力;

σ——液体表面张力;

R1——液面曲率半径;

R2——胶凝材料分子半径。

由式(2)可以看出，水的表面张力恒定，收缩力的大小与胶凝材料分子的半径大小和液面曲率半径有关。当胶凝材料分子半径恒定，表面失水量越大，液面曲率半径就越小，对应的收缩力就逐渐增大，因此增大了混凝土表面龟裂的可能性。

4.3 混凝土配合比设计参数

为了保证混凝土质量和坝体绝热温升能够满足要求，选择大坝混凝土配合比设计参数时主要采用低用水量、低坍落度、全级配混凝土。

(1)混凝土采用低用水量、低坍落度，单位体积内自由水量相对较少，当表面水分子蒸发后，单位体积内的自由水量相对损失较多，表面自由水量不足，易出现混凝土表面变干。

(2)大坝混凝土主要为全级配混凝土，最大骨料粒径150mm。混凝土中粗骨料的比表面积减小，完全包裹粗骨料的砂浆量较少，粗骨料间形成大空隙，使得水分蒸发通道更加通透，蒸发速率加快。

(3)砂率的合理选择对混凝土水分蒸发也有一定的影响。当砂率偏小时，粗骨料的用量必然增大，混凝土中骨料的总的表面积减小，骨料表面吸附的水分减小;当砂率较大时，虽然对混凝土水份蒸发有抑制作用，但是砂率的增大，混凝土干缩增加，极易导致混凝土早期开裂，影响混凝土强度。

4.4 混凝土自身沉降的影响

溪洛渡大坝混凝土浇筑模块采用3m仓、按50cm分层浇筑，在浇筑过程中易产生以下两种表面龟裂:

(1)混凝土浇筑过程中存在操作失误，在局部区域形成漏振或者过振，在这些区域中混凝土不能达到完全密实，由于自重作用，造成未完全密实区域的混凝土沉降，形成表面龟裂。

(2)在振捣过程中，对冷却水管损坏等偶然因素的处理，使得该区域的混凝土不能及时振捣，坍落度随着时间逐渐损失，混凝土流动性减小，造成振捣后在振捣棒拔出位置仅仅由浆液填充，没有粗骨料的支撑，浆液在凝结过程中产生较大收缩，使得振捣棒留下的振捣坑对周边混凝土产生拉力，周围骨料产生向坑内填充的趋势和微小变形，导致表层混凝土沉降，形成圆环状的龟裂。

4.5 浇筑工艺的影响

目前溪洛渡大坝混凝土在浇筑中采用缆机下料、经过平仓机平仓后、由振捣台车进行振捣完成浇筑。在浇筑过程中存在的问题:缆机从吊罐下料到仓面时，因下料高度的不同，导致下料时骨料分离程度不一，吊罐下料口离仓面的高度越高，骨料分离越严重;平仓机在平仓过程中，大粒径骨料会在混凝土边缘区域集中。在大骨料集中区域，混凝土振捣后浆量偏少，在混凝土凝结初期，混凝土收缩不均匀，造成内部应力不均衡，从而易产生早期龟裂。在仓面浇筑完成后，仓面顶部由平仓机振捣收面，未进行光面处理，保水性较差;同时，经过平仓、振捣，混凝土面出现局部区域高低不平，由于混凝土及表层水膜的自身重力作用，相对较高处的泌水会逐渐向低洼区流动，使得水量流失区域表面迅速地裸露在空气中加速水蒸发，导致较高处迅速变干，产生内部拉力，造成表面龟裂。

5 防止方法

据对混凝土产生龟裂的原因分析可以知道，混凝土出现早期龟裂主要是由于环境因素的影响，混凝土表层水的迅速蒸发，使表层混凝土变干，在混凝土内部产生应力，导致表面龟裂;其次是混凝土自身的因素对混凝土产生龟裂有一定的作用。由于混凝土浇筑后，表层水的蒸发是不能够阻止的，因此防止早期龟裂的首要办法就是尽量减少水份蒸发。在工程中常常采用以下的几种防止措施。

(1)采用覆盖法。当新浇筑完成的混凝土在初期2h内，混凝土表面的水份较充足，振捣完成后迅速对混凝土面进行覆盖，以有效地降低混凝土表面直接受到温度、湿度、风力的影响，可大大降低水份的蒸发。混凝土表面被覆盖后，表面水分子仍然处于蒸发状态，但是覆盖层能够有效地减缓水蒸气迅速进入外界空气中，使混凝土与覆盖层接触面处相对湿度较大，有利于抑制混凝土表面水分子的迅速蒸发。

(2)喷雾法。目前在大坝浇筑过程中，采用喷雾机喷雾，持续喷雾可有效地降低仓面空气温度，使得混凝土表面与空气接触面的温度降低，减缓因温度较高而产生的蒸发加速;同时，调整喷雾水滴的大小，使一部分水滴能够降落到混凝土表面，对表面的水份进行补充，减少表层以下的水份对表层水的补充，防止混凝土表面形成硬壳。将喷雾过程延长至混凝土终凝是消除混凝土龟裂的有效办法。

(3)浇筑过程控制法。在浇筑振捣混凝土时，做适当的标准板厚控制点，以保证板的厚度和均匀性。在混凝土浇筑过程中，减少骨料分离，使骨料在混凝土中均匀分布，有效地消除混凝土内部因应力不均匀而产生裂纹;收仓过程中，适当增加混凝土坍落度，使混凝土表层的自由水量充足，在部分水份蒸发后，混凝土表面仍然处于水膜覆盖状态;平仓机平仓尽量做到仓面平整，通过设定单层摊铺高度点控制混凝土摊铺厚度，减少表面的凹凸不平是有效降低表面水流动而造成的高处失水较多。在振捣过程中，尽量放缓振捣棒拔出的速度，使得振捣棒插入位置能够得到周边骨料的填充，有效地减少振捣棒插入处混凝土沉降裂纹;尽可能地在相邻区域逐步振捣，以免出现漏振现象;把握好振捣时间，防止出现混凝土过振而出现混凝土不密实。

(4)混凝土温控因素控制法。①在混凝土生产过程中，采用二次筛分冲洗，以有效降低混凝土表面裹粉，降低单位用水量，同时也减少了胶凝材料用量，减少了混凝土早期水化热;②采用风冷骨料、加冰拌制混凝土，有效降低混凝土的出机口温度，保证混凝土的入仓温度，对混凝土温升的控制起到至关重要的作用;③在混凝土浇筑过程中，不断采用温度8～10℃的冷水对已经入仓的混凝土进行通水冷却，以有效地降低初期水化热，控制混凝土温度的迅速升高。控制混凝土温度可以减缓混凝土表面水蒸发速度，对预防混凝土龟裂起到一定的作用。