水闸闸墩裂缝如何产生？又该如何防治？

1工程现状

水闸闸室主要由底板和闸墩组成,是呈倒T字形“墙板”式水工混凝土结构。闸墩底部受闸底板砼约束,上部可以自由伸缩。闸墩裂缝一般呈竖直向,两端小,中间大,似枣核形。水闸闸墩裂缝向上开展,位于墩墙中部区域,一般略超过墩高的一半,是“上不着顶”;下部距底板10~30cm,是“下不着底”,常常为贯穿性裂缝,在已建和新建的众多水闸工程中,很多闸墩出现了裂缝,187团近几年建设的各种水闸工程中,闸墩上都出现了不同程度的裂缝。如某场闸,为两孔闸,施工时混凝土泵送浇筑,底板混凝土浇筑3个多月后浇筑闸墩。闸墩分22层浇筑,层厚40~60cm,层间间歇约4h。新闸建成后,在中间全部1个闸墩和1个边墩都出现了贯穿性裂缝。水闸闸墩裂缝的广泛存在并不表明这样的问题是可以忽略的或任其发展的,正好说明了其突出性。裂缝的预防和控制是一个涉及多学科、多领域、不易解决、需深入研究的综合性问题。

2裂缝原因分析

为了更好地控制裂缝和采取有效措施对裂缝进行预防,必须对裂缝的成因机理进行全面的分析。大量的工程实践证明,闸墩裂缝的产生主要与墩体内外温差、混凝土的干缩、自生体积变形、外部约束等有关,通常是多因素综合作用的结果。

2.1墩体内外温差水泥水化产生大量的水化热,在1~3d内可放出热量的50%,甚至更多,当混凝土达到最高温度后随着热量的散发又开始降温,直到与环境温度相同。闸墩作为大体积混凝土,热量传递的同时更易在内部积存,导致了内部温度高于外部温度,内部出现峰值温度。升温阶段结束后,是散热阶段。内外混凝土散热条件不同,外部混凝土和外界环境接触,散热条件好,热量容易散发,内部混凝土散热条件差,于是在降温阶段又造成了外部混凝土温度低于内部混凝土温度。这样在升温和降温阶段都使闸墩内外混凝土形成了同一方向的温度梯度,导致了其变形的不一致。内部膨胀受到外部的限制,或相应地外部收缩受到内部约束,于是在外部混凝土中产生了拉应力。当外部混凝土拉应变达到其极限拉应变,裂缝就由此产生。裂缝初期很细,随着时间发展继续扩大、变深,甚至贯穿。除了混凝土水化引起的温度作用外,运行期环境温度变化也会产生作用。特别是遇到寒潮袭击、表面温降特别大时,裂缝发展更为严重。从以上分析可以看出,影响内外温差的主要因素有混凝土水泥用量、水泥品种、浇筑入模温度及环境温度等。

2.2混凝土的干缩随着水泥的凝结、硬化,混凝土中的水分在未饱和空气中慢慢散失,引起混凝土体积缩小、变形,这种变形称为干缩。由于混凝土的水分蒸发及含湿量的不均匀分布,形成湿度变化梯度。其水分蒸发总是从外向内,由表及里。表层混凝土的水分蒸发程度和速度总是大于内部,表层混凝土收缩的程度亦大,其变形会受到内部混凝土的限制,在表层混凝土中也产生拉应力,使得表层混凝土总的拉应力加大,产生干缩裂缝。但干缩一般只发生在表层,对大体积混凝土而言,干缩扩散深度达6cm需花1个月的时间,故干缩裂缝也只是表面裂缝或开展深度不大。大体积混凝土内部一般不存在干缩问题,但表面干缩不容忽视,它会诱导拉裂缝的产生。闸墩属水工薄壁结构,其影响深度及程度相对较大,尤其是在干热风大季节,如不及时处理和养护,将会发生局部贯穿性裂缝。混凝土的配合比和组成是影响干缩的主要因素,一般水泥用量多,水灰比大,则干缩也大;骨料密度大,级配好,弹性模量高,骨料粒径大,可以减小混凝土的干缩;其次,混凝土的养护和环境对干缩也有很大的影响。

2.3自生体积变形混凝土即使没有水分蒸发,其各组成部分的化学反应也会产生自生体积变形。在底板约束影响范围内,膨胀型自生体积变形会产生预压应力,有利于防裂;收缩型自生体积变形则不利于防裂。普通混凝土的自生体积变形通常为收缩型的。它也是由于水分的迁移而引起的。但不是向外蒸发损失,而是由于水泥水化时消耗水分造成凝胶孔的液面下降,形成弯月面,水泥石供水不足,产生所谓的自干燥作用,使混凝土体相对湿度降低,体积减小。混凝土的自生收缩一般在拆模之前完成,虽然其量值不大,但如果同其他收缩叠加在一起,就会使表面拉应力增大。像水闸闸墩这样的断面尺寸不是很大,但确属必须解决水化热问题的大体积混凝土结构,必须考虑自生收缩参与温度收缩等叠加的影响。影响混凝土自生体积收缩的因素主要是材料的化学成分和水灰比。水灰比的变化对自生收缩的影响和对干缩的影响正好相反。当水灰比>0.5时,其自生收缩和干缩相比忽略不计。而当水灰比<0.35时,自生收缩和干缩的作用相当,必须加以考虑。

3防止和控制措施浅析

目前,工程界在防止或控制裂缝方面的措施主要体现在材料、温度控制、施工方法与工艺等方面。

3.1材料混凝土材料的合理选择是预防并控制裂缝的重要方面。为了降低水化热,可采用中热硅酸盐水泥或低热矿渣硅酸盐水泥。减少水泥用量,可降低水化热,降低混凝土的拉应力。在混凝土中掺活性混合料,如在混凝土中掺粉煤灰。外加剂的使用也是防裂的有效措施。缓凝剂可减慢混凝土放热的速率,有利于热量消散。减水剂可在水灰比不变时减少水和水泥用量,降低水化热。膨胀剂可以补偿混凝土的自生收缩,产生一定的预压应力,抵消结构由于收缩产生的拉应力。值得注意的是,膨胀剂应使用在闸墩底部有外部约束的部位,注意各部位混凝土膨胀变形的协调性,避免内部膨胀大于表面膨胀的现象出现。此外,要特别注意混凝土合理配合比的设计。

3.2温度控制首先要降低混凝土的入仓温度,使现场新拌混凝土的温度被限制在6℃左右。在高温期拌和时,可以加入冰片代替一部分水进行混凝土冷却。浇筑时尽量在春季或秋季,避免在夏季午间高温时和冬季浇筑。对运送混凝土的工具或浇筑仓面采取遮阳或降温措施;其次要减小内外温差,内部温度升高和表面温度降低共同作用会增加温度梯度。必要时,在混凝土内部埋设冷却水管,用地下水或人工冷却水进行人工导热,降低混凝土的内部温度;相反,对于外部混凝土要进行隔热保护,以调节表面温度下降的速度,使内外温差减小。

3.3施工方法与工艺为了提高混凝土的运输速度,现常采用泵送混凝土。由于泵送混凝土要求流动性大,其水泥用量大,水灰比大,粗骨料粒径小,水化热温升高,易产生温度收缩裂缝。因此在浇筑闸墩混凝土时,为了防裂,不宜采用泵送混凝土。考虑到泵送混凝土施工效率高,可以用于受约束较小的闸墩上部,而底部采用常态混凝土。为了使混凝土更好地散热,可分层浇筑混凝土,分层的深度为1.0~1.5m。上一层混凝土的浇筑在前一层混凝土初凝前浇完。最底一层混凝土可与底板同时浇筑,这样就可削弱或消除底板对闸墩混凝土的约束。另外,考虑到约束和长度有关,可以缩短分缝长度,减小底板约束作用,或者分段浇筑,预留1~2m的后浇带,待各段收缩完成之后,再在后浇带中浇筑膨胀型混凝土。

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