鄂北地区水资源配置工程暗涵钢筋混凝土裂缝控制技术研究与应用

张川 薛永芳 杨耀斌

摘要：为更好地控制鄂北地区水资源配置工程暗涵混凝土浇筑后墙壁裂缝的产生，通过采取抑制混凝土中碱骨料的反应、优化混凝土配合比参数、调整暗涵结构形式以及加强混凝土温控等措施，大大提高了混凝土的抗裂性和耐久性，有效控制了钢筋混凝土裂缝的产生。总结了薄壁结构钢筋混凝土裂缝控制的全套技术成果，可为类似工程提供施工质量控制的技术思路。

关键词：暗涵混凝土;混凝土裂缝;混凝土配合比;鄂北地区水资源配置工程

中图法分类号：TV543文献标志码：ADOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2020.11.013

Abstract： In order to better control the cracks of buried concrete culvert in North Hubei Water Transfer Project after placement， four measures were taken such as suppressing reaction of alkali aggregate in concrete， optimizing concrete mix proportion parameters， adjusting the structure of the culvert， and strengthening concrete temperature control， and these measures greatly improved the crack resistance and durability of the concrete， effectively controlled the crack occurrence of reinforced concrete. This paper summarizes the complete set of crack control technical achievements of thin-wall reinforced concrete structure， which can provide technical ideas to improve construction quality control for similar projects.

Key words：culvert concrete; crack of concrete; mix proportion of concrete; North Hubei Water Transfer Project

1 研究背景

鄂北地區水资源配置工程（以下简称“鄂北工程”）是以城乡生活、工业供水和唐东地区农业供水为主，通过退还被城市挤占的农业灌溉和生态用水量，改善受水地区农业灌溉和生态环境用水条件为任务的一项大型水资源配置工程。工程全线输水长度约270 km，其中，暗涵是主要结构物之一，占比超过40%，工程投资大。由于工程所处地理环境和地质条件不同，涵身混凝土的质量会影响整个工程的可靠性和使用寿命，故暗涵混凝土施工质量至关重要。

本文以鄂北工程2016年第5标优良暗涵施工为研究对象，在解决暗涵混凝土裂缝施工技术难题的同时，总结出薄壁结构钢筋混凝土裂缝控制的关键施工技术。

2 裂缝成因分析

鄂北工程2015年各标段暗涵均存在裂缝，主要出现在暗涵侧边墙和中隔墙，为竖向裂缝，裂缝位置基本在暗涵顺水流向1/3至1/2长度位置。缝宽以0.2～0.3 mm为主，最大0.6 mm，最小0.1 mm;缝长以3.5～4.2 m为主，最短1.8 m。垂直缝以混凝土浇筑分仓处为起点，沿着墙面向上发展，一般在顶部与墙体结合处结束，分为表面缝和贯穿缝，裂缝具体位置见图1～2。

根据现场勘查、调研及收集到的裂缝资料，经分析认为裂缝主要为约束裂缝和内外温差裂缝，主要成因如下：

（1）墙体与底板混凝土浇筑时间间隔过长，最少为15 d，一般超过30 d，甚至60 d以上。下部先浇筑混凝土对上部新浇筑混凝土约束过强，在养护不到位的情况下，容易在新老混凝土结合部位出现垂直方向裂缝。

（2）根据现场调查及统计资料，顶拱段拆模要等混凝土达到较高的强度要求，因此边墙和顶拱混凝土浇筑后拆摸时间较长，拆摸前养护难以到位，混凝土硬化期间水化热得不到及时散发，导致混凝土内外温差较大，在暗涵混凝土表面引起拉应力，当拉应力超过混凝土的极限抗拉强度时，混凝土表面产生裂缝。

3 裂缝预防与控制思路

3.1 优化混凝土配合比参数

工程所处的襄阳市枣阳地区碎石稀缺，卵石均为碱活性骨料，因此碱骨料反应是影响混凝土耐久性的重要原因之一。混凝土碱骨料反应持续时间久，反应的产物在混凝土内部产生膨胀应力，最终导致混凝土开裂破坏。当骨料选择有局限时，可掺入一些对碱骨料反应有抑制作用的掺合料，同时控制水泥、外加剂等混凝土原材料的碱含量来预防碱骨料反应破坏。

3.2 调整暗涵结构形式

改变混凝土裂缝的措施之一为“合理选择结构形式，降低结构约束程度”，原暗涵结构长15 m，将每节箱涵长度调整为10 m，可进一步减少涵身混凝土裂缝的出现。

3.3 加强混凝土温控措施

暗涵混凝土浇筑时，水化反应初期，水泥释放出的大量水化热积蓄在内部不易散发，导致内部温度在一定时间内不断上升，而结构表面的热量则散发较快，因而造成结构内外温差较大，此时在结构内部产生压应力，在表面产生拉应力，当温差产生的拉应力大于混凝土的极限抗拉应力时，便会在结构表面出现温度裂缝。为防止和控制混凝土温度裂缝产生、发展，研究降低混凝土水化热生成量的措施，可保证暗涵混凝土浇筑质量。

4 裂缝预防措施对比分析

4.1 改善混凝土耐久性

按照SL 352-2006《水工混凝土试验规程》和DL/T 5298-2013《水工混凝土抑制碱骨料反应技术规程》，对拌和站生产的混凝土进行抑制骨料碱活性效能试验，通过在试验中掺入粉煤灰来抑制碱骨料反应，试验成果验证了碱骨料反应抑制措施的有效性。

结合工程混凝土配合比，试验时标准试件采用工程现场实际用京兰P.O42.5水泥和卵石人工破碎制成的砂料，不掺粉煤灰;对比试件采用工程实际用京兰P.O42.5水泥和卵石人工破碎制成的砂料，分别掺入20%，25%粉煤灰，采用等质量法进行代换。测定其3，7，14 d和28 d膨胀率，依据DL/T 5151-2014《水工混凝土砂石骨料试验规程》评定标准，若28 d龄期对比试件膨胀率小于0.10%，则该掺量下抑制材料对该种骨料的碱骨料反应危害抑制效果评定为有效[1]。

对不同粉煤灰掺量和龄期的砂浆试件进行膨胀率测量，试验成果见表1。

从表1数据分析来看：不掺粉煤灰时，14 d龄期膨胀率均大于0.1%，可判定该骨料为具有潜在危害性反应的活性骨料;通过掺入20%，25%的粉煤灰，14 d及28 d龄期膨胀率均小于0.1%，且随粉煤灰掺量增大膨胀率降低，说明粉煤灰的抑制效果好。

据此可将试验小结如下：28 d龄期对比试件掺20%，25%粉煤灰，其膨胀率均小于0.10%，因此当粉煤灰掺量不小于20%时，可有效抑制该种骨料的碱活性反应危害，同时通过该试验也证明减少了水泥用量、降低了水化热，进一步减小混凝土的胀缩量。

4.2 调整暗涵结构形式

鄂北工程2015年各标段的暗涵结构形式均采用C25钢筋混凝土矩形暗涵，过水面尺寸为2 m×4.5 m × 5.5 m，每节长度15 m，原暗涵标准结构形式见图3。采用两仓浇筑方法，即第一仓底板浇筑，成型高度1.7 m（底板0.8 m+倒角0.4 m+墙身0.5 m）;第二仓侧墙顶板浇筑，成型高度5.4 m（墙身4.2 m+倒角0.4 m+顶板0.8 m）。

由于暗涵侧墙和顶板混凝土施工采用钢模臺车，一次浇筑，没有分仓，且无良好的散热条件，造成大量水泥水化热积蓄在混凝土内部难以散发，从而引起混凝土内部温度明显升高。在混凝土内外散热不均、底板老混凝土约束的情况下，会引起混凝土体积的不均匀变化即温度变形。当温度变形受约束不能自由伸缩时，就会引起温度应力。由于新浇筑的混凝土未达到设计强度，极限拉伸值较低，抗拉强度较小，当温度应力超过相应龄期混凝土抗拉强度时就会产生温度约束裂缝[2]。

为降低新老混凝土的约束力，增加混凝土流水向的抗拉强度，同时加快暗涵施工进度，提高暗涵整体性，避免暗涵侧墙和顶板再次出现分仓浇筑混凝土情况，经讨论，将鄂北工程2016年各施工标段中所辖暗涵结构形式均调整为每节10 m，新暗涵标准结构形式见图4，同时对暗涵墙身钢筋布置情况进行优化，减少上下仓位混凝土浇筑时间间隔，时间不超过5 d。

4.3 加强混凝土施工的温度控制

通过分析暗涵裂缝形成原因发现，其中存在由于内外温差较大而产生的温差裂缝。为控制该裂缝成型，选择了16仓边墙及顶板混凝土施工，对控制温差开展了相应的工艺性试验。

4.3.1 原材料选用

（1）水泥。采用葛洲坝宜城有限公司三峡P.O42.5中热硅酸盐水泥，既可满足混凝土各项性能要求，又可降低混凝土发热量，减少温度裂缝。

（2）细骨料。选用枣阳吉河天然砂，细度模数2.88。经专家论证，细度模数控制在3±0.2较为合理，能减小混凝土的干缩率。

（3）外加剂。采用湖北聚福德建材科技有限公司生产的高性能减水剂（缓凝剂），可明显改善混凝土拌和物及硬化混凝土性能，减少用水量、节约成本、延缓混凝土凝结时间、降低水化热、提高混凝土的抗冻性和抗渗性。

（4）粉煤灰。采用荆门电厂生产的II级粉煤灰，该粉煤灰中含有大量微珠颗粒，掺入混凝土中能减少水泥需水量，除可抑制粗骨料的碱活性外，还可减少混凝土干缩，既减少了水泥用量，又提高了混凝土的抗裂性能。

4.3.2 优化混凝土配合比数据

在混凝土凝固硬化过程中发生了一系列的物理化学反应，伴随着水泥等产生的水化热，使混凝土的温度升高而产生体积膨胀，其后由于水化放热完毕表层混凝土温度下降而产生收缩，但其内部混凝土仍处于高温状态，对表层收缩的混凝土产生约束，使混凝土由于温度变形而发生了开裂。从配合比角度分析，开裂均与水泥和掺合料的水化热有关。采用水化热高、水化放热速度快的水泥和单方混凝土水泥用量大的配合比，提高了混凝土的绝热温升和温升速度，使产生裂缝的可能性更大。采用水化热低、水化放热速度慢的水泥，单方混凝土水泥用量少的配合比，混凝土的绝热升温和温升速度降低，可使混凝土不易出现裂缝。施工前的不同混凝土配合比数据对比见表2（混凝土强度等级均为C25）。

从表2可以看出，为降低水化热，两种配合比都采用了掺粉煤灰以减少单方混凝土水泥用量。但配合比A中3 h和7 h水化热都大于配合比B水化热，且配合比A单方水泥用量也比配合比B大。另外从水灰比方面考虑，由于水灰比大的混凝土比水灰比小的混凝土容易出现裂缝，而配合比A的水灰比大于配合比B的水灰比，因此，最终选用配合比B作为施工配合比，有利于混凝土抗裂[2]。

4.3.3 加强混凝土施工温度控制

在日平均气温连续3 d高于28 ℃时，或当日气温高于35 ℃时，混凝土施工采取高温控制措施。将混凝土入仓温度控制在10℃～25 ℃之间，构件内部最高温度不超过50 ℃，混凝土表面和内部温差不宜超过22 ℃。在施工中建立混凝土出机口温度与现场浇筑温度之间的关系[2]。

（1）原材料温度控制。为保证高温季节砂、石骨料温度相对较低，在混凝土拌和站搭建砂石骨料大棚，以避免太阳直晒引起砂、石升温，从而确保原材料相对稳定。当大气温度高于28 ℃时，混凝土拌和站配备自动喷水设施，对粗骨料进行喷水降温处理。

（2）混凝土搅拌温控措施。搅拌机进料时，同时加入砂石骨料、外加剂、水泥和粉煤灰，水滞3 s后进入搅拌机，搅拌时间不少于60 s。混凝土拌和用水均采用地下水，高温季节水温控制在16 ℃～18 ℃。

（3）混凝土运输温控措施。在混凝土浇筑施工中，保证混凝土运输车辆不在中途随意停留，以最快速度到达施工现场，运输混凝土的车辆配有隔热遮阳措施，降低表面温度，缩短混凝土暴晒时间。

（4）混凝土浇筑。在日气温较高的季节，将混凝土浇筑安排在夜间施工，避开高温时段。加强温度测试，控制好混凝土的出机温度和入仓温度，确保入仓温度不超过25 ℃，混凝土内部最高温度不超过50 ℃，温度测试时采用在墙体预留测温孔，孔内灌满食用油，内插温度计。在高温季节浇筑完毕后的12 h内对混凝土加以覆盖，并及时洒水养护，保持混凝土表面湿润，养护时间不少于28 d。

5 裂缝预防与控制成果

优良暗涵试验段已于2018年11月全部施工完毕，评定为优良工程，优良率达100%，表面均无裂缝，混凝土（强度等级C25）取样试验成果统计见表3。

6 主要创新点

（1）针对枣阳地区碱活性骨料，采取了在混凝土中掺入一定剂量对碱骨料反应有抑制作用的掺合料和控制水泥、外加剂等原材料，顺利完成了混凝土抑制碱活性效能试验，有效提高了暗涵混凝土耐久性和抗裂性能。

（2）采取减小暗涵节长（由15 m优化至10 m）、优化混凝土配合比参数和加强温控等措施，解决了鄂北工程枣随段暗涵墙身易出现裂缝的问题。

7 项目成果经济效益及社会效益

7.1 經济效益

（1）节约施工成本。对比2015年2标、3标、9～13标暗涵施工情况，2015年标段平均每节暗涵Ⅰ类裂缝4条、Ⅱ～Ⅲ类裂缝3条，每条Ⅰ类裂缝2.86 m、每条Ⅱ～Ⅲ类裂缝3.31 m，但通过对配合比、暗涵结构形式及构造配筋进行优化，强化暗涵混凝土温控等措施，现已基本消除暗涵裂缝。同时，根据现场实地考察了解，Ⅰ类裂缝处理需要水泥基渗透结晶0.20 kg/m，Ⅱ类、Ⅲ类裂缝处理需要聚氨酯0.60 kg/m。因此，此次暗涵210节涵身施工节约成本44.6万元。

（2）节约材料成本。截至2018年底，暗涵施工共用卵石67 301 t，其价格为89.0元/t，对比碎石价格105.0元/t，节约成本134.6万元。

7.2 社会效益

在鄂北工程暗涵钢筋混凝土施工中，通过裂缝控制技术的实施和研究，减少了钢筋混凝土施工中的裂缝出现，避免对钢筋混凝土结构的修补，加强了结构的可靠性和耐久性，从而实现节约能耗、减小环境污染，与国家提倡的绿色节能建筑施工理念相吻合，更有利于生态环境的保护和建筑业的绿色节能协调全面发展。研究成果可在今后广泛应用于类似大型水资源配置工程施工中。

参考文献：

[1] 吴定燕，王海峰，饶美娟. 混凝土骨料碱活性及掺粉煤灰抑制效果研究[J]. 混凝土，2008（1）：69-72.

[2] 郭英杰，张健，吕波. 南水北调暗涵衬砌混凝土裂缝防治经验[J]. 山西建筑，2009（9）：137-138.

（编辑：唐湘茜）