柳树电航工程HF混凝土裂缝研究

张永振，高正绪

（中国水利水电第三工程局有限公司,陕西 西安 710024）

1 工程概况

涪江柳树电航工程位于四川省遂宁市射洪县柳树镇涪江干流上,是一座以发电、航运为主,兼有美化沱牌酒城的水生态环境作用的综合性航电枢纽工程。水库正常蓄水位314.00 m,相应库容0.95 亿m3,总库容1.92亿m3；电站额定水头12.5 m,额定引用流量418 m3/s,装机容量48 MW；船闸设计通过能力近期34万t,远期65万t。

柳树电航工程属河床式开发,从左至右依次布置左岸非溢流坝段、船闸坝段、发电厂房坝段、泄洪冲沙闸坝段、右岸非溢流坝段。

2 HF混凝土施工

泄洪冲沙闸坝段布置有泄洪闸18 孔,冲沙闸6 孔,每孔孔口宽12 m。泄洪冲沙闸溢流面及下游消力池表层50 cm采用C40 HF混凝土。实际施工中HF混凝土浇筑采用平铺法浇筑,无温控设施,塌落度50 mm~70 mm。门机及长臂反铲入仓,下料厚度为50 cm。使用φ100 mm型插入式振捣器振捣。混凝土浇筑完毕后,及时进行混凝土养护,保持混凝土表面湿润。其中溢流面混凝土采用麻袋片覆盖洒水养护,消力池采用蓄水养护,护措周期28 天。

在2016 年汛前施工中发现,已完成施工的3#~4#孔溢流面及其对应的消力池HF混凝土均出现不同程度的裂缝,项目部随即对裂缝进行了详尽排查统计,排查结果显示多为干缩裂缝及表面温度裂缝。但汛后再次对已施工的HF混凝土裂缝进行全面调查时发现新增较多的较深及贯穿性温度裂缝。调查结果见表1。

表1 C40 HF混凝土裂缝调查汇总表

混凝土结构裂缝的危害是巨大的,它将直接影响工程的安全和使用功能,造成内部钢筋的锈蚀,影响结构的耐久性及安全使用年限,给工程质量带来潜在的危害。因此,为保证施工质量,避免后续HF混凝土施工裂缝的产生,通过对已浇筑HF混凝土裂缝产生的原因进行分析,制定预防措施,规范施工行为,以预防控制为主,减少HF混凝土产生裂缝。

3 HF混凝土裂缝原因分析

3.1 混凝土养护不及时

溢流面混凝土采用麻袋片覆盖、洒水养护,消力池部位采用蓄水养护方式。通过对裂缝调查统计结果整理发现,采用蓄水养护的消力池部位较少发生,调查表中的几条裂缝均出现在养护不力的混凝土侧面。溢流面部位出现较多的干缩裂缝及表面温度裂缝,通过进一步的调查发现,溢流面混凝土养护不力,未能保证混凝土表面始终保持湿润状态,尤其是光照强度大、气温较高的12 时~16 时,混凝土表面覆盖的麻袋片经常因养护不及时出现干燥的情况。

干缩裂缝主要是由于混凝土成型后养护不当造成的。溢流面混凝土表面未能始终保持湿润状态,加之河道风速大,混凝土表面水分散失过快,体积收缩大,而混凝土内部湿度变化很小,收缩也小,因而表面收缩变形受到内部混凝土的约束,出现拉应力,从而引起混凝土表面开裂。

表面温度裂缝多是由于温差较大引起的。工程所在地4月下旬天气炎热（气温高达30℃以上）,而HF混凝土未采取温控措施,混凝土浇筑后,在硬化期间水泥放出大量水化热而无从释放,从而导致混凝土内部温度不断上升。而混凝土养护用水为温度较低的河水（现场量测仅13℃左右）,在白天气温高的时候由于养护不及时,混凝土面未能保持湿润,当低温养护用水直接接触干燥高温的混凝土面后,混凝土表面会产生急剧的降温。急剧的降温会导致混凝土表面产生较大的降温收缩,此时表面受到内部混凝土的约束,将产生很大的拉应力,而混凝土早期抗拉强度很低,拉应力大于混凝土抗拉强度时将出现裂缝。由于这种温差仅在表面处较大,离开表面就很减弱,因此裂缝只在接近表面较浅的范围出现,表面层以下结构仍保持完整。

由此可见,养护不到位是产生干缩裂缝和表层温度裂缝的主要原因。

3.2 施工间隔过长

消力池混凝土设计厚度为250 cm,面层50 cm为C40 HF混凝土,下部为200 cm的C20 常态混凝土。由于面层钢筋网直径较小,且为两种型号的混凝土,因此,面层HF混凝土和下部C20 常态混凝土采用分层单独施工,致使部分消力池基层混凝土和面层HF混凝土浇筑间隔时间过长,其中部分仓号浇筑间隔时间长达一个多月。

消力池50 cm的面层HF混凝土浇筑在厚大的基层混凝土上时,环境温度较高,加上水泥水化热的温升很大,使HF混凝土的温度很高,其体积随之膨胀,而随着混凝土凝结硬化,温度不断降温,体积收缩过程会受到基层混凝土的强约束,在混凝土内部产生很大的拉应力,当拉应力超过HF混凝土抗拉强度时就会产生较深或贯穿性的裂缝。而溢流面混凝土由于浇筑间隔较短,且HF混凝土与最后一层50 cm厚基层混凝土同时浇筑,基本未出现较深或贯穿性裂缝。因此,缩短浇筑间隔,尽量安排HF混凝土与最后一层基层混凝土同时浇筑可以有效防止较深及贯穿性温度裂缝的产生。

3.3 施工工艺的影响

消力池HF混凝土浇筑要求采用平铺法浇筑,无温控设施。门机及长臂反铲入仓,下料厚度为50 cm。使用φ100 mm型插入式振捣器振捣。混凝土振捣完毕后,再用长刮板刮平,然后采用木抹粗抹,铁抹二次抹光的工艺。溢流面斜坡面采用翻转模板控制施工,圆弧段采用钢筋样架控制施工。实施过程中发现该施工方案存在如下问题：

（1）消力池采用人工找平,二次收面。混凝土表面平整度及压光质量严重依赖工人职业技能。

（2）圆弧段采用钢筋样架控制施工,混凝土振捣易造成混凝土流淌现象。不仅很难保证表面平整度及压光质量,甚至混凝土振捣质量也存在问题。

（3）斜坡面采用翻转模板控制施工,拆模立模时间较长,导致混凝土施工时间较长,导致收面时间跨度较长,监督不到位的情况下,工人偷懒,从而大大影响收面质量。

众所周知,不规范的浇捣过程对裂缝产生有着直接的影响,振捣时间过短,或振捣不到位,混凝土都无法达到密实状态,直接导致混凝土出现蜂窝、麻面、空洞等缺陷,是产生荷载裂缝的起源点。而如果振捣时间过长,石子下沉,面层浮浆过重,收缩不均匀也容易产生裂缝。抹平压光不足,会造成表面粗糙,而过度的抹平压光会使混凝土的细骨料过多地浮到表面,形成含水量很大的水泥浆层,水泥浆中的氢氧化钙与空气中的二氧化碳作用生成碳酸钙,引起表面体积碳水化收缩,也会导致混凝土板表面龟裂。压光过早,水泥的水化作用正在进行,凝胶尚未全部形成,对表层混凝土强度及抗磨能力有不利的影响,易产生裂缝,压光过迟,水泥已终凝硬化,不但操作困难,且会扰动已硬结的混凝土表面,也将大大降低面层混凝土的强度及抗磨性能,当与温度变化共同作用时,更易产生裂缝。

因此,改进施工工艺可以有效的减少裂缝的产生。

3.4 细骨料的影响

该项目天然砂细度模数偏小（1.67）,不满足混凝土生产的要求,故采用按50∶50比例掺和人工砂的混合砂作为混凝土细骨料。其混合后细度模数为2.24。但在实施过程中发现混合砂存在以下三个问题。

（1）混合砂的级配并不合理,根据试验报告显示,颗粒级配呈两头大中间小杠铃状分布。总所周知,级配不合理的细骨料会影响到混凝土拌和物的稠度。而合理的砂子级配,不仅可以减少拌和物的用水量,得到流动性、均匀性及密实性均较佳的混凝土,同时达到减少水泥用量的效果。

（2）由于不同料场的天然砂细度模数不同,导致混合砂细度模数随之变化,遇到天然砂细度模数无法满足中粗砂的标准。因而实验室根据混合砂细度模数对配合比进行了微调,增加了用水量及水泥使用量。

因此解决细骨料存在的问题有助于减少水泥用量,从而有效地降低水化热,减少裂缝发生几率。

4 对策及实施结果

4.1 改进混凝土养护手段

混凝土面采取麻袋片全面覆盖（包括侧面）,溢流面最高点设置花管,花管每隔30 cm钻一个孔24 小时不间断喷淋养护。必要时上面再铺设一层塑料薄膜防止因日晒及河道风速过大造成混凝土失水过快。消力池混凝土仍采取蓄水养护方式。

4.2 调整混凝土分仓及缩短施工间隔

（1）根据《水工建筑物抗冲磨防空蚀混凝土技术规范》（DLT 5207-2005）7.2.2条,抗磨蚀混凝上宜与基底混凝土同时浇筑。鉴于消力池部位混凝土总厚度为2.5 m,将消力池混凝土分两层浇筑,第一层厚度150 cm,第二层厚度为100 cm。溢流面混凝土最后一层也将分仓厚度调整到100 cm。使基层混凝土与HF面层混凝土安排在同一层内浇筑,通过振动棒的振捣,可以在两种不同的混凝土之间形成一个结合良好的过渡层。使两种混凝土在强度形成过程中,变形同步,消除因温差、应力效应产生的拉伸裂缝。

（2）精心组织,尽量缩短上下层混凝土浇筑时间间隔。

4.3 施工工艺的调整

（1）为了在混凝土浇筑过程中,使振捣适宜,做到不过振、不漏振,安排盯仓员旁站,对于不满足规范要求及施工方案的作业行为进行及时制止。采用两次振捣,防止因塑性沉降而引起的混凝土内部分层,消除因混凝土泌水而出现的毛细孔道及石子下部隐含的气泡,提高混凝土强度和减少混凝土裂缝。

（2）消力池混凝土采用抹面机收面,消力池部位采用长刮板刮平,用木抹子对混凝土表面进行2 次~3 次搓平,用铁抹抹光至要求的平整度,当混凝土表面脱水后,混凝土初凝前,再用抹面机收光,可有效消除混凝土干缩、沉缩和塑性收缩产生的表面裂缝,增加混凝土内部的密实度。

（3）溢流面采用拉模施工工艺,脱模后的混凝土表面,及时进行人工修整、压平和抹面。当混凝土表面脱水后,人工对混凝土表面进行二次压面抹光,防止混凝土表面脱水形成细微通道,确保混凝土表面密实、平整,避免面板表面形成微通道或早期裂缝。

4.4 细骨料的调整

为了得到满足规范要求的砂子,在对比采用人工砂与外购河沙后,决定HF混凝土浇筑采用人工砂,同时加大了抽检频次及对设备的检查次数,要求砂石生产系统在筛分时加大冲洗水量。以减少人工砂里面的石粉含量,确保人工砂的质量合格,性能稳定。

4.5 实施对策后的效果

在后续C40HF混凝土浇筑施工中,项目部严格执行既定的方案,实施效果良好。表面温度裂缝、干缩裂缝出现频率明显降低,未出现较深或贯穿性的裂缝,混凝土表面平整度也得到了改观。

5 结语

虽然目前学术界对于混凝土裂缝的成因和计算方法有不同的理论,但对于具体的预防措施的意见还是比较统一,在实践中的应用效果也是比较好的。本项目针对HF混凝土裂缝问题经多次的分析研究,找出原因,对症下药,采取了针对性的预防措施,收到了良好的效果。这说明在具体施工中要靠我们多观察、多比较,出现问题后多分析、多总结,结合多种预防处理措施,HF混凝土的裂缝是完全可以避免的。