張川 薛永芳 楊耀斌

摘要：為更好地控制鄂北地區(qū)水資源配置工程暗涵混凝土澆筑后墻壁裂縫的產(chǎn)生，通過采取抑制混凝土中堿骨料的反應(yīng)、優(yōu)化混凝土配合比參數(shù)、調(diào)整暗涵結(jié)構(gòu)形式以及加強(qiáng)混凝土溫控等措施，大大提高了混凝土的抗裂性和耐久性，有效控制了鋼筋混凝土裂縫的產(chǎn)生?？偨Y(jié)了薄壁結(jié)構(gòu)鋼筋混凝土裂縫控制的全套技術(shù)成果，可為類似工程提供施工質(zhì)量控制的技術(shù)思路。

關(guān)鍵詞：暗涵混凝土;混凝土裂縫;混凝土配合比;鄂北地區(qū)水資源配置工程

中圖法分類號(hào)：TV543文獻(xiàn)標(biāo)志碼：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(qū)水資源配置工程（以下簡稱“鄂北工程”）是以城鄉(xiāng)生活、工業(yè)供水和唐東地區(qū)農(nóng)業(yè)供水為主，通過退還被城市擠占的農(nóng)業(yè)灌溉和生態(tài)用水量，改善受水地區(qū)農(nóng)業(yè)灌溉和生態(tài)環(huán)境用水條件為任務(wù)的一項(xiàng)大型水資源配置工程。工程全線輸水長度約270 km，其中，暗涵是主要結(jié)構(gòu)物之一，占比超過40%，工程投資大。由于工程所處地理環(huán)境和地質(zhì)條件不同，涵身混凝土的質(zhì)量會(huì)影響整個(gè)工程的可靠性和使用壽命，故暗涵混凝土施工質(zhì)量至關(guān)重要。

本文以鄂北工程2016年第5標(biāo)優(yōu)良暗涵施工為研究對(duì)象，在解決暗涵混凝土裂縫施工技術(shù)難題的同時(shí)，總結(jié)出薄壁結(jié)構(gòu)鋼筋混凝土裂縫控制的關(guān)鍵施工技術(shù)。

2 裂縫成因分析

鄂北工程2015年各標(biāo)段暗涵均存在裂縫，主要出現(xiàn)在暗涵側(cè)邊墻和中隔墻，為豎向裂縫，裂縫位置基本在暗涵順?biāo)飨?/3至1/2長度位置?？p寬以0.2～0.3 mm為主，最大0.6 mm，最小0.1 mm;縫長以3.5～4.2 m為主，最短1.8 m。垂直縫以混凝土澆筑分倉處為起點(diǎn)，沿著墻面向上發(fā)展，一般在頂部與墻體結(jié)合處結(jié)束，分為表面縫和貫穿縫，裂縫具體位置見圖1～2。

根據(jù)現(xiàn)場勘查、調(diào)研及收集到的裂縫資料，經(jīng)分析認(rèn)為裂縫主要為約束裂縫和內(nèi)外溫差裂縫，主要成因如下：

（1）墻體與底板混凝土澆筑時(shí)間間隔過長，最少為15 d，一般超過30 d，甚至60 d以上。下部先澆筑混凝土對(duì)上部新澆筑混凝土約束過強(qiáng)，在養(yǎng)護(hù)不到位的情況下，容易在新老混凝土結(jié)合部位出現(xiàn)垂直方向裂縫。

（2）根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查及統(tǒng)計(jì)資料，頂拱段拆模要等混凝土達(dá)到較高的強(qiáng)度要求，因此邊墻和頂拱混凝土澆筑后拆摸時(shí)間較長，拆摸前養(yǎng)護(hù)難以到位，混凝土硬化期間水化熱得不到及時(shí)散發(fā)，導(dǎo)致混凝土內(nèi)外溫差較大，在暗涵混凝土表面引起拉應(yīng)力，當(dāng)拉應(yīng)力超過混凝土的極限抗拉強(qiáng)度時(shí)，混凝土表面產(chǎn)生裂縫。

3 裂縫預(yù)防與控制思路

3.1 優(yōu)化混凝土配合比參數(shù)

工程所處的襄陽市棗陽地區(qū)碎石稀缺，卵石均為堿活性骨料，因此堿骨料反應(yīng)是影響混凝土耐久性的重要原因之一?；炷翂A骨料反應(yīng)持續(xù)時(shí)間久，反應(yīng)的產(chǎn)物在混凝土內(nèi)部產(chǎn)生膨脹應(yīng)力，最終導(dǎo)致混凝土開裂破壞。當(dāng)骨料選擇有局限時(shí)，可摻入一些對(duì)堿骨料反應(yīng)有抑制作用的摻合料，同時(shí)控制水泥、外加劑等混凝土原材料的堿含量來預(yù)防堿骨料反應(yīng)破壞。

3.2 調(diào)整暗涵結(jié)構(gòu)形式

改變混凝土裂縫的措施之一為“合理選擇結(jié)構(gòu)形式，降低結(jié)構(gòu)約束程度”，原暗涵結(jié)構(gòu)長15 m，將每節(jié)箱涵長度調(diào)整為10 m，可進(jìn)一步減少涵身混凝土裂縫的出現(xiàn)。

3.3 加強(qiáng)混凝土溫控措施

暗涵混凝土澆筑時(shí)，水化反應(yīng)初期，水泥釋放出的大量水化熱積蓄在內(nèi)部不易散發(fā)，導(dǎo)致內(nèi)部溫度在一定時(shí)間內(nèi)不斷上升，而結(jié)構(gòu)表面的熱量則散發(fā)較快，因而造成結(jié)構(gòu)內(nèi)外溫差較大，此時(shí)在結(jié)構(gòu)內(nèi)部產(chǎn)生壓應(yīng)力，在表面產(chǎn)生拉應(yīng)力，當(dāng)溫差產(chǎn)生的拉應(yīng)力大于混凝土的極限抗拉應(yīng)力時(shí)，便會(huì)在結(jié)構(gòu)表面出現(xiàn)溫度裂縫。為防止和控制混凝土溫度裂縫產(chǎn)生、發(fā)展，研究降低混凝土水化熱生成量的措施，可保證暗涵混凝土澆筑質(zhì)量。

4 裂縫預(yù)防措施對(duì)比分析

4.1 改善混凝土耐久性

按照SL 352-2006《水工混凝土試驗(yàn)規(guī)程》和DL/T 5298-2013《水工混凝土抑制堿骨料反應(yīng)技術(shù)規(guī)程》，對(duì)拌和站生產(chǎn)的混凝土進(jìn)行抑制骨料堿活性效能試驗(yàn)，通過在試驗(yàn)中摻入粉煤灰來抑制堿骨料反應(yīng)，試驗(yàn)成果驗(yàn)證了堿骨料反應(yīng)抑制措施的有效性。

結(jié)合工程混凝土配合比，試驗(yàn)時(shí)標(biāo)準(zhǔn)試件采用工程現(xiàn)場實(shí)際用京蘭P.O42.5水泥和卵石人工破碎制成的砂料，不摻粉煤灰;對(duì)比試件采用工程實(shí)際用京蘭P.O42.5水泥和卵石人工破碎制成的砂料，分別摻入20%，25%粉煤灰，采用等質(zhì)量法進(jìn)行代換。測定其3，7，14 d和28 d膨脹率，依據(jù)DL/T 5151-2014《水工混凝土砂石骨料試驗(yàn)規(guī)程》評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)，若28 d齡期對(duì)比試件膨脹率小于0.10%，則該摻量下抑制材料對(duì)該種骨料的堿骨料反應(yīng)危害抑制效果評(píng)定為有效[1]。

對(duì)不同粉煤灰摻量和齡期的砂漿試件進(jìn)行膨脹率測量，試驗(yàn)成果見表1。

從表1數(shù)據(jù)分析來看：不摻粉煤灰時(shí)，14 d齡期膨脹率均大于0.1%，可判定該骨料為具有潛在危害性反應(yīng)的活性骨料;通過摻入20%，25%的粉煤灰，14 d及28 d齡期膨脹率均小于0.1%，且隨粉煤灰摻量增大膨脹率降低，說明粉煤灰的抑制效果好。

據(jù)此可將試驗(yàn)小結(jié)如下：28 d齡期對(duì)比試件摻20%，25%粉煤灰，其膨脹率均小于0.10%，因此當(dāng)粉煤灰摻量不小于20%時(shí)，可有效抑制該種骨料的堿活性反應(yīng)危害，同時(shí)通過該試驗(yàn)也證明減少了水泥用量、降低了水化熱，進(jìn)一步減小混凝土的脹縮量。

4.2 調(diào)整暗涵結(jié)構(gòu)形式

鄂北工程2015年各標(biāo)段的暗涵結(jié)構(gòu)形式均采用C25鋼筋混凝土矩形暗涵，過水面尺寸為2 m×4.5 m × 5.5 m，每節(jié)長度15 m，原暗涵標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)形式見圖3。采用兩倉澆筑方法，即第一倉底板澆筑，成型高度1.7 m（底板0.8 m+倒角0.4 m+墻身0.5 m）;第二倉側(cè)墻頂板澆筑，成型高度5.4 m（墻身4.2 m+倒角0.4 m+頂板0.8 m）。

由于暗涵側(cè)墻和頂板混凝土施工采用鋼模臺(tái)車，一次澆筑，沒有分倉，且無良好的散熱條件，造成大量水泥水化熱積蓄在混凝土內(nèi)部難以散發(fā)，從而引起混凝土內(nèi)部溫度明顯升高。在混凝土內(nèi)外散熱不均、底板老混凝土約束的情況下，會(huì)引起混凝土體積的不均勻變化即溫度變形。當(dāng)溫度變形受約束不能自由伸縮時(shí)，就會(huì)引起溫度應(yīng)力。由于新澆筑的混凝土未達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度，極限拉伸值較低，抗拉強(qiáng)度較小，當(dāng)溫度應(yīng)力超過相應(yīng)齡期混凝土抗拉強(qiáng)度時(shí)就會(huì)產(chǎn)生溫度約束裂縫[2]。

為降低新老混凝土的約束力，增加混凝土流水向的抗拉強(qiáng)度，同時(shí)加快暗涵施工進(jìn)度，提高暗涵整體性，避免暗涵側(cè)墻和頂板再次出現(xiàn)分倉澆筑混凝土情況，經(jīng)討論，將鄂北工程2016年各施工標(biāo)段中所轄暗涵結(jié)構(gòu)形式均調(diào)整為每節(jié)10 m，新暗涵標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)形式見圖4，同時(shí)對(duì)暗涵墻身鋼筋布置情況進(jìn)行優(yōu)化，減少上下倉位混凝土澆筑時(shí)間間隔，時(shí)間不超過5 d。

4.3 加強(qiáng)混凝土施工的溫度控制

通過分析暗涵裂縫形成原因發(fā)現(xiàn)，其中存在由于內(nèi)外溫差較大而產(chǎn)生的溫差裂縫。為控制該裂縫成型，選擇了16倉邊墻及頂板混凝土施工，對(duì)控制溫差開展了相應(yīng)的工藝性試驗(yàn)。

4.3.1 原材料選用

（1）水泥。采用葛洲壩宜城有限公司三峽P.O42.5中熱硅酸鹽水泥，既可滿足混凝土各項(xiàng)性能要求，又可降低混凝土發(fā)熱量，減少溫度裂縫。

（2）細(xì)骨料。選用棗陽吉河天然砂，細(xì)度模數(shù)2.88。經(jīng)專家論證，細(xì)度模數(shù)控制在3±0.2較為合理，能減小混凝土的干縮率。

（3）外加劑。采用湖北聚福德建材科技有限公司生產(chǎn)的高性能減水劑（緩凝劑），可明顯改善混凝土拌和物及硬化混凝土性能，減少用水量、節(jié)約成本、延緩混凝土凝結(jié)時(shí)間、降低水化熱、提高混凝土的抗凍性和抗?jié)B性。

（4）粉煤灰。采用荊門電廠生產(chǎn)的II級(jí)粉煤灰，該粉煤灰中含有大量微珠顆粒，摻入混凝土中能減少水泥需水量，除可抑制粗骨料的堿活性外，還可減少混凝土干縮，既減少了水泥用量，又提高了混凝土的抗裂性能。

4.3.2 優(yōu)化混凝土配合比數(shù)據(jù)

在混凝土凝固硬化過程中發(fā)生了一系列的物理化學(xué)反應(yīng)，伴隨著水泥等產(chǎn)生的水化熱，使混凝土的溫度升高而產(chǎn)生體積膨脹，其后由于水化放熱完畢表層混凝土溫度下降而產(chǎn)生收縮，但其內(nèi)部混凝土仍處于高溫狀態(tài)，對(duì)表層收縮的混凝土產(chǎn)生約束，使混凝土由于溫度變形而發(fā)生了開裂。從配合比角度分析，開裂均與水泥和摻合料的水化熱有關(guān)。采用水化熱高、水化放熱速度快的水泥和單方混凝土水泥用量大的配合比，提高了混凝土的絕熱溫升和溫升速度，使產(chǎn)生裂縫的可能性更大。采用水化熱低、水化放熱速度慢的水泥，單方混凝土水泥用量少的配合比，混凝土的絕熱升溫和溫升速度降低，可使混凝土不易出現(xiàn)裂縫。施工前的不同混凝土配合比數(shù)據(jù)對(duì)比見表2（混凝土強(qiáng)度等級(jí)均為C25）。

從表2可以看出，為降低水化熱，兩種配合比都采用了摻粉煤灰以減少單方混凝土水泥用量。但配合比A中3 h和7 h水化熱都大于配合比B水化熱，且配合比A單方水泥用量也比配合比B大。另外從水灰比方面考慮，由于水灰比大的混凝土比水灰比小的混凝土容易出現(xiàn)裂縫，而配合比A的水灰比大于配合比B的水灰比，因此，最終選用配合比B作為施工配合比，有利于混凝土抗裂[2]。

4.3.3 加強(qiáng)混凝土施工溫度控制

在日平均氣溫連續(xù)3 d高于28 ℃時(shí)，或當(dāng)日氣溫高于35 ℃時(shí)，混凝土施工采取高溫控制措施。將混凝土入倉溫度控制在10℃～25 ℃之間，構(gòu)件內(nèi)部最高溫度不超過50 ℃，混凝土表面和內(nèi)部溫差不宜超過22 ℃。在施工中建立混凝土出機(jī)口溫度與現(xiàn)場澆筑溫度之間的關(guān)系[2]。

（1）原材料溫度控制。為保證高溫季節(jié)砂、石骨料溫度相對(duì)較低，在混凝土拌和站搭建砂石骨料大棚，以避免太陽直曬引起砂、石升溫，從而確保原材料相對(duì)穩(wěn)定。當(dāng)大氣溫度高于28 ℃時(shí)，混凝土拌和站配備自動(dòng)噴水設(shè)施，對(duì)粗骨料進(jìn)行噴水降溫處理。

（2）混凝土攪拌溫控措施。攪拌機(jī)進(jìn)料時(shí)，同時(shí)加入砂石骨料、外加劑、水泥和粉煤灰，水滯3 s后進(jìn)入攪拌機(jī)，攪拌時(shí)間不少于60 s?；炷涟韬陀盟捎玫叵滤?，高溫季節(jié)水溫控制在16 ℃～18 ℃。

（3）混凝土運(yùn)輸溫控措施。在混凝土澆筑施工中，保證混凝土運(yùn)輸車輛不在中途隨意停留，以最快速度到達(dá)施工現(xiàn)場，運(yùn)輸混凝土的車輛配有隔熱遮陽措施，降低表面溫度，縮短混凝土暴曬時(shí)間。

（4）混凝土澆筑。在日氣溫較高的季節(jié)，將混凝土澆筑安排在夜間施工，避開高溫時(shí)段。加強(qiáng)溫度測試，控制好混凝土的出機(jī)溫度和入倉溫度，確保入倉溫度不超過25 ℃，混凝土內(nèi)部最高溫度不超過50 ℃，溫度測試時(shí)采用在墻體預(yù)留測溫孔，孔內(nèi)灌滿食用油，內(nèi)插溫度計(jì)。在高溫季節(jié)澆筑完畢后的12 h內(nèi)對(duì)混凝土加以覆蓋，并及時(shí)灑水養(yǎng)護(hù)，保持混凝土表面濕潤，養(yǎng)護(hù)時(shí)間不少于28 d。

5 裂縫預(yù)防與控制成果

優(yōu)良暗涵試驗(yàn)段已于2018年11月全部施工完畢，評(píng)定為優(yōu)良工程，優(yōu)良率達(dá)100%，表面均無裂縫，混凝土（強(qiáng)度等級(jí)C25）取樣試驗(yàn)成果統(tǒng)計(jì)見表3。

6 主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)

（1）針對(duì)棗陽地區(qū)堿活性骨料，采取了在混凝土中摻入一定劑量對(duì)堿骨料反應(yīng)有抑制作用的摻合料和控制水泥、外加劑等原材料，順利完成了混凝土抑制堿活性效能試驗(yàn)，有效提高了暗涵混凝土耐久性和抗裂性能。

（2）采取減小暗涵節(jié)長（由15 m優(yōu)化至10 m）、優(yōu)化混凝土配合比參數(shù)和加強(qiáng)溫控等措施，解決了鄂北工程棗隨段暗涵墻身易出現(xiàn)裂縫的問題。

7 項(xiàng)目成果經(jīng)濟(jì)效益及社會(huì)效益

7.1 經(jīng)濟(jì)效益

（1）節(jié)約施工成本。對(duì)比2015年2標(biāo)、3標(biāo)、9～13標(biāo)暗涵施工情況，2015年標(biāo)段平均每節(jié)暗涵Ⅰ類裂縫4條、Ⅱ～Ⅲ類裂縫3條，每條Ⅰ類裂縫2.86 m、每條Ⅱ～Ⅲ類裂縫3.31 m，但通過對(duì)配合比、暗涵結(jié)構(gòu)形式及構(gòu)造配筋進(jìn)行優(yōu)化，強(qiáng)化暗涵混凝土溫控等措施，現(xiàn)已基本消除暗涵裂縫。同時(shí)，根據(jù)現(xiàn)場實(shí)地考察了解，Ⅰ類裂縫處理需要水泥基滲透結(jié)晶0.20 kg/m，Ⅱ類、Ⅲ類裂縫處理需要聚氨酯0.60 kg/m。因此，此次暗涵210節(jié)涵身施工節(jié)約成本44.6萬元。

（2）節(jié)約材料成本。截至2018年底，暗涵施工共用卵石67 301 t，其價(jià)格為89.0元/t，對(duì)比碎石價(jià)格105.0元/t，節(jié)約成本134.6萬元。

7.2 社會(huì)效益

在鄂北工程暗涵鋼筋混凝土施工中，通過裂縫控制技術(shù)的實(shí)施和研究，減少了鋼筋混凝土施工中的裂縫出現(xiàn)，避免對(duì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的修補(bǔ)，加強(qiáng)了結(jié)構(gòu)的可靠性和耐久性，從而實(shí)現(xiàn)節(jié)約能耗、減小環(huán)境污染，與國家提倡的綠色節(jié)能建筑施工理念相吻合，更有利于生態(tài)環(huán)境的保護(hù)和建筑業(yè)的綠色節(jié)能協(xié)調(diào)全面發(fā)展。研究成果可在今后廣泛應(yīng)用于類似大型水資源配置工程施工中。

參考文獻(xiàn)：

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（編輯：唐湘茜）