浅析渠道衬砌混凝土板裂缝成因及处理方法

2014-11-10白登刚

科技资讯 2014年6期

关键词：防水材料骨料面板

白登刚

摘要：本文结合南水北调中线一期工程安阳段第四施工标段渠道混凝土衬砌施工过程的总结，对薄壁渠道衬砌混凝土板裂缝产生的原因、裂缝的预防措施和裂缝的处理方法做出阐述。

关键字：渠道裂缝防治干缩裂缝

中图分类号：U215 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2014）02（c）-0204-02

裂缝在混凝土结构物施工中始终一个无法回避的问题，因其产生原因复杂，涉及到结构设计、材料选取、配合比设计、施工工艺等诸多因素。与一般混凝土结构裂缝相比，大面积薄壁衬砌混凝土裂缝有共性，也有其独特性。

1 工程概况

南水北调中线一期工程安阳段第四施工标段渠道衬砌全长3277 m。渠道采用倒梯形断面，设计渠底宽度为18.5 m，渠道开口宽50 m，渠道边坡坡度为1∶2，渠底纵向比降为1/28000，混凝土设计标号为C20（W6F150），渠坡衬砌混凝土板厚10 cm，渠底衬砌混凝土板厚8 cm。混凝土板以下结构层依次为：复合土工膜、2 cm（2.5 cm）厚聚苯乙烯保温板、5 cm粗砂垫层、原土基面。混凝土板纵、横向以4 m设一道分缝，通缝与半缝间隔布置，缝宽2 cm、半缝深6 cm，通缝贯穿板厚，缝底填充闭孔泡沫板，表面2 cm填充双组份聚硫密封胶封缝。

2 渠道衬砌混凝土裂缝产生原因分析

在渠道混凝土衬砌施工过程的不同阶段，有不同表现性状的裂缝出现。通过对裂缝出现的部位、时间、长度、宽度、深度以及走向分析，主要从以下几种裂缝类型方面做出深入研究。

2.1 塑性收缩裂缝

塑性收缩裂缝就是常说的龟裂，是指衬砌面板混凝土在凝结前，受气温、光照、风速、环境湿度等因素的影响，表面迅速失水而产生收缩，导致混凝土表面形成形状规则不一、长短不等、互不连贯的细微裂缝。此种裂缝一般在衬砌混凝土浇筑后的2～3h出现，尤其是当环境气温较高，风速较大，空气较干燥时最容易出现。归结到施工的主观方面的原因，主要是因为在衬砌混凝土浇筑施工时，在人工收面完成后未能及时采取措施对混凝土表面进行覆盖处理，在经过风吹、阳光直晒的过程中，混凝土面板表面游离水分蒸发过快而产生收缩应力，表面混凝土强度不能抵御这种收缩应力而产生裂缝。

2.2 干缩裂缝

干缩裂缝是由于混凝土在强度发展过程中，内外水分蒸发程度不同而导致内外变形不均匀而产生应力，当这种应力积聚到混凝土表面抗拉强度不能抵抗时，混凝土表面就会出现裂缝。干缩裂缝一般出现在混凝土衬砌施工完成后的15天左右或混凝土养护期结束之后。渠道衬砌面板干缩裂缝的分布无规律，长短不等，大多与衬砌面板切缝带呈平行走向，缝宽一般不超过0.2 mm，缝深通常不超过板厚的1/3。干缩裂缝的产生通常跟施工环境的温度、湿度、混凝土的成份、水泥的用量、混凝土的水灰比、外加剂的种类和用量、混凝土的入仓温度以及混凝土的养护条件有关。

2.3 沉陷裂缝

沉陷裂缝通常是由于结构物基础的不均匀沉降引起的，对于渠道衬砌混凝土施工来说，由于局部渠床基面超挖后回填土的压实度未达到设计和规范标准、砂垫层压实度和平整度不符合要求、保温板和土工膜铺设时存在悬空和鼓包等情况，导致相应区域衬砌混凝土面板沉降与周边不同步而产生拉应力，该拉应力超出了混凝土的抗拉强度而产生裂缝。在渠道衬砌面板上，沉陷裂缝往往成片出现，纵横交错，呈网状形态，有些缝有渗水情况，表明裂缝深度已贯穿混凝土板。此种裂缝对渠道防渗功能影响较大。

2.4 碱骨料反应裂缝

碱骨料反应裂缝是由于衬砌混凝土在拌和时产生的碱性离子，在混凝土浇筑后与其他骨料中的活性成分产生化学反应而引起混凝土内部体积膨胀，造成衬砌混凝土面板表面开裂。这种裂缝，往往在其两侧存在掉块现象。引起混凝土碱骨料反应的因素，首先是作为混凝土原材料的水泥、砂石骨料、外加剂和拌合水中的含碱量较高；其次是混凝土骨料中含有一定数量的活性成分。

2.5 温度裂缝

在施工环境因素一定的情况下，混凝土的出机口温度和入仓温度对裂缝的产生也起到很大作用。在混凝土浇筑过程中和浇筑完成后，随着水泥水化过程会产生大量水化热，使混凝土内外产生较大温差，从而形成温度应力，混凝土表面在温度应力作用下产生裂缝。尤其是在夏季施工，在气温达到37 ℃的情况下，如果砂石骨料在露天堆放，其表面温度会达到50 ℃左右，导致混凝土出机口温度能接近30 ℃，更将导致混凝土内部温度的升高。

3 渠道衬砌混凝土裂缝的预防措施

3.1 原材料方面

影响混凝土抗裂性能的一个重要因素是混凝土粗细骨料的颗粒级配，所以选择具有良好粒径级配组成的料场和骨料来源很重要。保证良好的骨料级配能极大的提高混凝土料的和易性和浇筑密实度，有效的降低混凝土的内部孔隙率，在保证混凝土强度的同时，减少水泥用量，降低水化热，从而有效的降低干缩裂缝出现的几率。

原材料的选择还要充分考虑到控制混凝土的总碱含量，也就是控制混凝土中水泥、粉煤灰、外加剂等集料的含碱量总和，这样才能有效防止混凝土碱骨料反应。按有关文献的理论分析和实际施工实践，渠道衬砌混凝土用水泥的碱含量一般不宜大于0.6%，宜采用低碱普通硅酸盐水泥；粉煤灰碱含量不宜大于1.5%，外加剂碱含量要控制在10%以下。

3.2 混凝土配合比方面

在混凝土配合比设计中水灰比的选用要尽量控制好，水灰比越大则混凝土浇筑后干缩量越大，因此，合理的水灰比对控制混凝土的干缩有很重要的作用。同时，为了降低混凝土水化热，推迟混凝土热峰的出现时间，建议在拌合物中可掺加合适的减水剂、增塑剂、缓凝剂等外加剂，以改善混凝土拌合物的流动性和保水性。需要注意的是有些外加剂会增大混凝土干缩性，要避免使用。

3.3 温度控制endprint

为了控制混凝土因水化热而产生裂缝，需要将混凝土入仓温度控制在合理范围之内。控制混凝土出机口温度可以从控制骨料温度、控制拌合水温度和选择低气温时间施工三个方面着手。粗细骨料降温可以采用搭设遮阳凉棚和撒水降温的方法；拌合水降温可以采取抽取深地下水或者在拌合水中加冰块的方法；选择低温时间施工顾名思义就是避开白天气温较高的时段，选择在夜间施工。通过以上方法能够有效的将混凝土出机口温度和入仓温度控制在合理范围，能够有效的控制温度裂缝的产生。

3.4 保证混凝土的养护

渠道衬砌面板混凝土养护是整个衬砌施工过程中必须要重视的环节。渠道面板的壁薄、面积大的特点决定了其混凝土表面在高温、强光照、有风条件下更容易、更快速的失水。所以在渠道面板混凝土收面之后面干之前要及时喷水并覆盖养护膜或棉布，也可以喷涂混凝土养护剂以封闭混凝土表面水分散失通道，起到防止塑形收缩裂缝的产生。

3.5 沉陷裂缝预防措施

为保证边坡的压实度，防止漏压，在渠堤填筑时沿渠坡边线超填宽度不小于50 cm，并保证填筑渠堤在混凝土衬砌时的沉降期不小于3个月，减少渠堤沉降对后期混凝土面板的沉降影响。为保证基础面平整度，自渠道开挖时，预留保护层防止超挖。保护层开挖采用削坡机进行，以控制坡面高程。

3.6 面板切缝

渠道混凝土面板切缝能及时有效的释放板内积累的各种应力，避免面板表面产生应力裂缝。混凝土面板切缝应在混衬砌凝土抗压强度达到1～5 MPa（春、秋季节浇筑后约36 h后，夏季浇筑后约24 h后）时进行，不宜过早或过晚。若切缝过早，混凝土强度不足，切割机切片会扰动混凝土内集料的结合，同时周边也可能受震动而产生裂缝；若切缝过迟，则混凝土面板容易因应力集聚而导致混凝土板裂缝。混凝土切缝要根据外界环境的变化及时调整，预防因切缝时间过晚而产生裂缝。

4 渠道衬砌混凝土裂缝处理方法

渠道衬砌面板裂缝的处理要在保证面板整体性和防渗漏要求的基础上，兼顾处理的可靠性、美观性和经济性。根据裂缝的宽度以及修补材料的不同特性，大体可以采取表面涂抹修补法和凿槽嵌缝封堵法两种方法处理。

4.1 表面涂抹修补法

表面涂抹修补法是一种常见的修补方法，常用于稳定的、对结构承载力和外观没有影响的表面裂缝。渠道衬砌混凝土面板有整体性和防渗性的要求，采用水泥基渗透结晶型防水材料能够很好的做到这两点。

以裂缝宽度为处理标准：如缝宽>0.2 mm，需提高防水材料的性能，例如：可采用水泥涂抹的方式，即：水泥基渗透结晶型防水，做好渗透结晶材料的防水处理工作，如此，通过水泥隔断外界水源，一方面保证原混凝土本身的稳定性；另一方面借助防水材料的渗透特性，修补或填塞缝隙，实现有效的防水；缝宽区间在0.2～0.4 mm之间的，还需重点考虑修补失效问题，为防止裂缝自身原因造成的影响，可在水泥基处涂抹柔质特性的防水原料，即：水泥基柔性防水材料，提升表面的防水性能。

（1）材料原理与性能。

①水泥基柔性防水材料：属于高聚物改性、双组份的防水材料，改善水泥基刚性防水材料的抗拉强度、提升抗冲击的能力。对比传统的水泥砂浆，在强度、韧性上具备绝对的优势，而且还可表现出粘结、耐酸碱的特点，最主要的是其抗渗透性和低温固化有明显的提高。利用物理与化学相结合的方式，达到涂抹修补的效果，如：利用防水涂膜的特性，应用在水泥表面修复方面，即可体现防水、高粘结的特性。

②水泥基渗透结晶型防水材料：最明显的特点是刚性度高，第一，能够实现自我修复，表现修复的独特性；第二，能够保持一定的活性，促使防水特性持续保持，不会释放有毒气体。其防水原理为：充分与涂抹中的水分结合，发生化学放映，激活材料中的化学物质，其可自由运动到混凝土的裂缝空间，进而冷却凝结，最终形成结晶体，聚集在裂缝处，达到修补的效果，由于已经受水分作用，固最终物体不会在受首份影响，还可体现较强的防水性。

（2）施工方法。

第一，水泥基渗透结晶型防水材料。

①防水基面预处理：确保基面的洁净度，避免外界灰尘、漂浮物的影响，采取水冲洗的方式，排除污染物；磨平水泥基，排除水泥基表面的不平滑，防止异物影响；将处理好的水泥基，浸入水中，保障全面浸透。

②制备料浆：以水泥基渗透结晶型防水材料：水=5∶2的体积比进行混合，均匀搅拌，以25 min为时间单位，保障混合完毕，在使用中，严格杜绝水分干扰，防止浆料水解或比例错误，将干粉作为料浆记录的标准，大约每平方米中取1 kg即可。

③在缝宽<0.2 mm的混凝土缝隙处，涂刷。涂刷的准确范围是：裂缝两侧距离10 cm处。

④养护：喷水无反应后开始养护，可以水雾测试，还可保持湿润度，周期约3天，提高渗透，防止开裂。

⑤施工温度：5 ℃≤t≤40 ℃。

第二，水泥基柔性防水材料。

①水泥基柔性防水材料涂抹前，基层混凝土强度控制在设计值80%以上。

②基层保持平整状态，避免油污影响。

③基层面干燥，即可施工。

④按水泥基柔性防水材料A∶B=1∶1混合，搅拌均匀。利用砂浆搅拌机搅拌，时间控制为：延长原始时间的2～3 min。