船闸大体积混凝土裂缝成因及预防措施分析

张波

摘 要：随着河流航运事业的发展，船闸日渐增多，其结构尺寸也在逐步增大，大体积混凝土成为船闸结构的常见形式。本文从船闸裂缝的分布及危害、船闸大体积混凝土裂缝的产生原因等方面展开论述，主要从合理选择原材料、优化船闸结构的设计、严格控制施工工艺等方面提出船闸大体积混凝土裂缝的预防控制措施。

关键词：船闸 混凝土 裂缝 结构

1.引言

在船闸工程中，大体积混凝土是一种重要的结构形式，大体积混凝土在闸首、闸室等部位得到广泛应用，如三峡船闸总长达6456m，葛洲坝1号船闸闸室有效长度为280m。船闸工程除满足强度、刚度、稳定性等要求外，还要满足防水、抗冻、防渗等诸多要求。由于大体积混凝土中配筋率较低，温度应力对其影响较大，易产生裂缝。基于此，笔者结合多年工程经验，对船闸大体积混凝土裂缝成因及预防措施进行了如下分析与讨论。

2.船闸裂缝的分布及危害

按照裂缝的深度贯穿深度不同，其裂缝可分为表面裂缝、深层裂缝、贯穿裂缝等三大类。表面裂缝主要分布在船闸的表面，对结构的危害较小。贯穿裂缝贯穿了船闸结构，对其危害较大，可影响结构的稳定性和整体性。深层裂缝介于两者之间。船闸裂缝形成后，在外界各种因素的共同作用下，结构的破坏将加速进行。危害主要包括加快渗漏破坏、加速钢筋的锈蚀、降低船闸结构的强度和使用寿命等。由此可知，船闸结构裂缝的危害较大，因此对船闸大体积混凝土裂缝成因及预防措施进行分析显得尤为重要。

3.船闸大体积混凝土裂缝产生的原因

船闸大体积混凝土中裂缝产生原因较多，包括环境温度及湿度变化、混凝土自身的脆性、水泥水化过程中释放大量水化热导致内外温差等，船闸大体积混凝土裂缝产生原因主要如下：

（1）船闸混凝土内外温度应力。水泥在水化硬化过程中产生大量水化热，船闸内部温度不断升高，在夏季施工时可达70℃以上，造成船闸内外温差，产生温度应力。船闸在施工结束后降温过程中受到基础等构件的约束，又会在混凝土内部产生拉应力。此外，气温的变化也会产生拉应力，当这些拉应力高于混凝土的抗拉强度时，船闸内部将出现裂缝。

（2）混凝土自身收缩应力。在船闸大体积混凝土固结硬化过程中，由于混凝土材料中存在水分和缝隙，导致混凝土在硬化过程中会出现收缩现象。船闸大体积混凝土的收缩比例随时间的延长而增加，一般在三个月可以完成收缩量的50%-60%，一年后趋于稳定。

（3）船闸混凝土的配合比不合理或施工浇筑工艺不当。水泥及水对船闸大体积混凝土的收缩具有较大影响。在一些船闸中，施工中材料泵送混凝土、水泥用量较大、水灰比较高、混凝土的坍落度过大、骨料级配不合理等多种因素导致船闸结构中易产生裂缝。在船闸结构中，一些部位需要分层浇筑，若混凝土浇筑速度较快，下部混凝土在硬化初期可能会由于沉降产生裂缝，也可能因为在底层混凝土浇筑完后很久才浇筑上一层混凝土，由于底部混凝土的约束导致上层混凝土形成竖向裂缝。

4.船闸大体积混凝土裂缝预防控制措施

4.1选择合理的原材料

①水泥：在船闸大体积混凝土中，宜采用凝结时间较长、水化热较低的水泥，可优选采用粉煤灰水泥、矿渣水泥、火山灰水泥等。若采用普通水泥或硅酸盐水泥，应采取一些措施延以延缓水化热的释放。在水泥用量相同情况下，若水灰比越大则船闸结构收缩越大。

②骨料：在船闸大体积混凝土内部，骨料可约束水泥石的收缩，而骨料的弹性模量对其提供的约束大小起到至关重要的作用。一般天然的砂石骨料不易发生收缩，但一些吸水率较大或轻质骨料则可能加大混凝土的收缩。一般情况下，骨料的吸水率、孔隙率及压缩性越大及其弹性模量越小则混凝土的收缩量越大。

粗骨料的最大料径应符合船闸结构钢筋间净距的要求，增大粗骨料的粒径可减小水泥用量和用水量。粗骨料应具有较好的级配，有机杂质、含泥量等控制指标合格。细骨料级配合理，采用中粗砂可降低用水量，國内部分船闸结构混凝土的配合比如表1所示。

4.2优化船闸结构的设计

在船闸大体积混凝土工程的设计中，应对易开裂的部分进行充分考虑，优化结构设计方案，减少并防止裂缝的出现。基于此，在船闸结构的设计中应做到以下几个方面：①合理分段浇筑。船闸结构尺寸及体积较大，若采取一次全部浇筑的方式则易产生温度应力。根据工程经验，船闸结构可在上下闸首设置“后浇带”，既有利于避免裂缝的出现，又有利于分段浇筑闭合。②钢筋的合理配置。船闸闸首边墩、船闸闸室侧墙等部位均为大体积构件，钢筋类型、直径、位置、数量等合理布置在设计中要给予充分考虑，以提高船闸结构抵抗贯穿性开裂的性能。③避免应力集中现象。船闸大体积混凝土结构中一些部位如圆弧段、空洞周边等易出现应力集中，在设计过程中要有相应的预防措施，如可在空洞周边配置斜向钢筋。此外，在船闸结构的表面，为防止裂缝的出现还可设置应力缓和沟。

4.3严格控制施工工艺

在船闸结构施工过程中，可采取如下措施：①混凝土的拌合。混凝土拌合前，应精确计算原材料的用量。拌合过程中，采取一定的措施对混凝土拌合物进行降温处理。混凝土运输及施工前应采取相应的措施控制混凝土拌合物的温度。②混凝土原材料的降温和保护。由于砂石等原材料的温度对混凝土拌合物的温度具有较大的影响，因此采取相应措施控制混凝土原材料的温度具有十分重要的作用。③施工浇筑进度的控制。在船闸大体积混凝土结构的施工中，要结合船闸结构混凝土的钢筋疏密程度、船闸结构尺寸、混凝土供应条件等因素采取合理分层、分段浇筑方式，混凝土浇筑过程中采取“同一坡度、薄层浇注、循序渐进、一次到顶”的浇筑方法，减少温差变化产生的表面裂缝。④拆模。船闸工程拆模时，应根据船闸建设的实际情况并结合实验确定的合理拆模时间，部分温度控制有较高要求的部位，在拆除模板后应贴上保温材料，以避免船闸大体积混凝土由于内外温差应力而产生的裂缝。⑤温度控制。在船闸大体积混凝土结构施工中，应在船闸结构内部安装温度检测设备以监控船闸结构的内部温度，从而可以适时监控船闸结构的内部温度并为拆模提供依据。⑥养护。为避免船闸大体积混凝土裂缝的产生，应结合船闸结构施工中天气变化、温度变化等因素选择混凝土的养护方式，从而提高船闸结构的工程质量。

5.结语

大体积混凝土是船闸结构的常见形式，控制混凝土的裂缝是船闸结构的重点问题，对于保证船闸结构投入使用后正常运行、提升船闸结构的整体性具有重要的意义。应对船闸结构裂缝的危害及其产生原因具有足够的认识，从而采取切实可靠的裂缝控制措施，是值得每个工程技术人员及科研工作者共同研究的课题。本文结合工程实践，对以上问题继续了分析与探讨，希望能为船闸结构的施工及运营维护提供有益的借鉴。

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