小浪底泄洪工程高標(biāo)號(hào)混凝土裂縫產(chǎn)生的原因及防治
小浪底泄洪工程高標(biāo)號(hào)混凝土裂縫產(chǎn)生的原因及防治 摘要:小浪底泄洪工程中采用了抗空蝕、耐磨性能好的C70高標(biāo)號(hào)硅粉混凝土。孔板(導(dǎo)流)洞、排沙洞明流段、明流洞和溢洪道大體積、C70高標(biāo)號(hào)硅粉混凝土中均出現(xiàn)早期和后期施工裂縫。早期裂縫主要與混凝土因水泥水化熱引起的內(nèi)外溫差和干燥引起的內(nèi)外濕差有關(guān)。后期裂縫主要由基礎(chǔ)溫差引起。采取摻加25-40%粉煤灰優(yōu)化混凝土配合比、加強(qiáng)混凝土溫度控制、縮短混凝土分塊長(zhǎng)度等措施能有效預(yù)防裂縫產(chǎn)生。工程修補(bǔ)時(shí)采用環(huán)氧樹(shù)脂和特細(xì)水泥注漿法處理已出現(xiàn)的裂縫、效果良好。 關(guān)鍵詞:高標(biāo)號(hào)硅粉混凝土 裂縫 環(huán)氧樹(shù)脂 特細(xì)水泥 黃河小浪底水利樞紐工程位于河南省洛陽(yáng)市以北40km,黃河中游最后一段峽谷的出口處,上距三門(mén)峽水利樞紐130km,下距花園口128km.水庫(kù)總庫(kù)容126.5億m3,其中有效庫(kù)容51億m3.樞紐主要任務(wù)是以防洪、防凌、減淤為主,兼顧供水、灌溉和發(fā)電,蓄清排渾、除害興利、綜合利用。小浪底的泄洪項(xiàng)目主要包括:進(jìn)水口引渠、10個(gè)功能不同的塔體組成的進(jìn)水塔、3條孔板(導(dǎo)流)洞、3條明流泄洪洞、3條排沙洞、1條正常溢洪道、出口消力塘和泄水渠、尾水明渠。在3條孔板(導(dǎo)流)洞閘室以下洞身段、3條排沙洞明流段、3條明流洞和溢洪道采用了抗空蝕耐磨性能好的C70高標(biāo)號(hào)硅粉混凝土。標(biāo)號(hào)40MPa以下的混凝土在我國(guó)普遍使用,并具有豐富的施工經(jīng)驗(yàn)和研究成果。但大體積、大范圍使用70MPa混凝土,在我國(guó)水利工程中還是較少的。在小浪底孔板(導(dǎo)流)洞閘室以下洞身段、排沙洞明流段、明流洞和溢洪道C70高標(biāo)號(hào)硅粉混凝土施工過(guò)程中,混凝土都有不同程度的裂縫出現(xiàn),裂縫寬度一般在0.4~0.8mm,最大寬度2mm,裂縫平均長(zhǎng)度4m.C70高標(biāo)號(hào)硅粉混凝土裂縫分布部位和裂縫主要類(lèi)型見(jiàn)表1. 表1 C70高標(biāo)號(hào)硅粉混凝土裂縫分布部位和裂縫類(lèi)型 1 高強(qiáng)度等級(jí)混凝土裂縫產(chǎn)生的原因 1.1 早期裂縫分析 混凝土早期裂縫主要與混凝土因水泥水化熱引起的內(nèi)外溫差和干燥引起的內(nèi)外濕差(特別在拆模后)有關(guān);炷翝仓,因水泥水化熱作用,引起溫度升高較快,見(jiàn)圖1,加上混凝土的導(dǎo)熱性能很差,導(dǎo)致混凝土內(nèi)外出現(xiàn)溫差。由于材料的熱脹冷縮性,引起內(nèi)部受壓、外部受拉。當(dāng)混凝土此時(shí)的抗拉強(qiáng)度小于外部溫度拉應(yīng)力時(shí)就要出現(xiàn)裂縫。有些部位在拆模(齡期2~3d左右)時(shí)已出現(xiàn)裂縫,有些部位在拆模后1~2d內(nèi)出現(xiàn)裂縫。表2是計(jì)算的C25、C70混凝土升溫過(guò)程中不同內(nèi)表溫差和不同表面溫度降溫梯度的拉應(yīng)力。 相關(guān)圖片如下 圖1 C70高標(biāo)號(hào)硅粉混凝土現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)溫度上升曲線 表2 C25、C70混凝土表面早期溫度拉應(yīng)力 注:①3d齡期抗拉強(qiáng)度:C25混凝土[σ]=1.34MPa,C70高標(biāo)號(hào)硅粉混凝土[σ]=1.92MPa;②5d齡期抗拉強(qiáng)度:C25混凝土[σ]= — 1.72MPa,C70高標(biāo)號(hào)硅粉混凝土[σ]=2.47MPa. 從表2可以看出,低標(biāo)號(hào)C25混凝土因其水泥用量少,水化熱引起升溫較C70低,在溫差相同時(shí),C70混凝土比C25混凝土溫度拉應(yīng)力要大得多。在升溫過(guò)程中,當(dāng)內(nèi)表溫差超過(guò)12℃時(shí),C70混凝土的實(shí)際拉應(yīng)力大于C70混凝土的極限拉應(yīng)力[σ];表面溫度降溫梯度超過(guò)10℃時(shí),C70混凝土的實(shí)際拉應(yīng)力大于C70混凝土的極限拉應(yīng)力[σ],都將產(chǎn)生裂縫。根據(jù)統(tǒng)計(jì)的現(xiàn)場(chǎng)溫度資料,混凝土在木模板保護(hù)、外界氣溫10℃左右情況下,1~2m厚的C70混凝土在升溫過(guò)程中內(nèi)表溫差在6~9℃左右,根據(jù)表2的計(jì)算分析結(jié)果,拆模前一般是不會(huì)出現(xiàn)裂縫。從現(xiàn)場(chǎng)施工情況發(fā)現(xiàn),凡是拆模時(shí)即出現(xiàn)裂縫的,多是采用混凝土泵入倉(cāng)水泥用量加大或澆筑后遇到特別冷的天氣未很好的進(jìn)行冬季保溫,或同時(shí)具備上述兩種因素,此時(shí)混凝土在升溫過(guò)程中內(nèi)表溫差大于12℃,所以在拆模時(shí)混凝土就已經(jīng)產(chǎn)生了裂縫。3號(hào)明流洞左邊墻第54塊混凝土在拆模時(shí)就發(fā)現(xiàn)有裂縫出現(xiàn)。 混凝土在拆模后無(wú)任何保護(hù)的情況下,經(jīng)計(jì)算C70混凝土表面拆模后第一天降溫梯度最陡,一般達(dá)到12~20℃左右,根據(jù)表2計(jì)算分析結(jié)果,一天表面降溫10℃時(shí)所產(chǎn)生的溫度應(yīng)力足以將混凝土表面拉開(kāi)。實(shí)際統(tǒng)計(jì)資料表明拆模后混凝土未進(jìn)行有效的保護(hù)措施,遇低溫時(shí)混凝土表面溫度驟然下降,引起更大的溫度變化,使得混凝土表面的拉應(yīng)力更大,這樣混凝土在拆模后1~2d內(nèi)將出現(xiàn)表面裂縫。溢洪道左邊墻WL-510K塊的F層(層高3m)在拆模時(shí)未發(fā)現(xiàn)裂縫,拆模后未進(jìn)行任何保護(hù),拆模后第2天發(fā)現(xiàn)3條豎向貫穿裂縫。 早期混凝土裂縫一般為表面裂縫,方向不定,數(shù)量較多。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)統(tǒng)計(jì)資料顯示此類(lèi)裂縫占總量的69%.1.2 后期裂縫分析 混凝土后期裂縫主要由基礎(chǔ)溫差引起,與施工分塊尺寸、混凝土彈模/基巖彈模等因素有關(guān)。對(duì)于厚度1~2m的混凝土底板或邊墻,當(dāng)混凝土塊溫度由最高降至最低(或穩(wěn)定溫度)時(shí),由于受基巖的強(qiáng)約束,產(chǎn)生較大的拉應(yīng)力,如果基礎(chǔ)溫差較大或分塊尺寸較大,產(chǎn)生的拉應(yīng)力大于混凝土抗拉力,混凝土就會(huì)產(chǎn)生裂縫,對(duì)厚度1m的C25、C70混凝土基礎(chǔ)溫差溫度應(yīng)力進(jìn)行計(jì)算的結(jié)果見(jiàn)表3. 表3 因混凝土與基礎(chǔ)溫差引起的溫度拉應(yīng)力 注:①28d齡期抗拉強(qiáng)度:C25混凝土[σ]=1.85MPa,C70高標(biāo)號(hào)硅粉混凝土[σ]=3.5MPa,應(yīng)力安全系數(shù)均為1.3;②L為澆筑塊最長(zhǎng)邊尺寸。 由表3可見(jiàn),基巖上的C25混凝土板,若控制基礎(chǔ)溫差22℃(對(duì)應(yīng)最高溫度為30℃左右),澆筑分塊長(zhǎng)度應(yīng)在15m以?xún)?nèi),可防止混凝土出現(xiàn)裂縫;鶐r上的C70高標(biāo)號(hào)硅粉混凝土板,若控制基礎(chǔ)溫差37℃(對(duì)應(yīng)最高溫度為45℃左右),澆筑分塊長(zhǎng)度大于15m時(shí)其拉應(yīng)力大于C70高標(biāo)號(hào)硅粉混凝土[σ]值3.5MPa,將會(huì)產(chǎn)生裂縫。若控制基礎(chǔ)溫差46℃(對(duì)應(yīng)最高溫度為54℃左右),澆筑分塊長(zhǎng)度大于6m,將會(huì)產(chǎn)生裂縫。在溢洪道C70高標(biāo)號(hào)硅粉混凝土分塊長(zhǎng)度達(dá)15m,因其最高溫度超過(guò)45℃,出現(xiàn)了后期混凝土裂縫。 在無(wú)早期裂縫的澆筑塊上,后期裂縫一般出現(xiàn)在澆筑塊中間位置,而在已出現(xiàn)早期裂縫的澆筑塊,后期裂縫只在已出現(xiàn)的裂縫上繼續(xù)拉長(zhǎng)加深。由于底板和圍巖形成的基礎(chǔ)約束力較強(qiáng),由此產(chǎn)生的裂縫是深層裂縫和貫穿性裂縫。此類(lèi)裂縫數(shù)量較少,但危害最大。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)統(tǒng)計(jì)資料顯示此類(lèi)裂縫占總量的31%. 2 C70高標(biāo)號(hào)硅粉混凝土裂縫的預(yù)防 (1)優(yōu)化混凝土配合比。在滿(mǎn)足強(qiáng)度等設(shè)計(jì)指標(biāo)要求的情況下,摻加粉煤灰25%~40%盡量減少水泥用量,降低混凝土水化熱溫升,提高混凝土的后期強(qiáng)度及抗裂能力。(2)提高施工質(zhì)量。加強(qiáng)混凝土澆筑過(guò)程中的振搗控制,保證混凝土內(nèi)部組織密實(shí),達(dá)到提高混凝土極限拉伸值的目的。(3)縮短混凝土分塊長(zhǎng)度。根據(jù)水工規(guī)范,隧洞及泄洪槽襯砌分塊長(zhǎng)度一般6~12m.據(jù)表3計(jì)算分析結(jié)果,C70高標(biāo)號(hào)硅粉混凝土分塊長(zhǎng)度取規(guī)范的下限,以4~6m較合適。(4)加強(qiáng)混凝土溫度控制。C70高標(biāo)號(hào)硅粉混凝土溫控比其他低強(qiáng)度混凝土更難以控制。高強(qiáng)度等級(jí)混凝土溫控有其特殊性,與低強(qiáng)度混凝土相比,其齡期3~7d左右溫度提高的幅度遠(yuǎn)大于其強(qiáng)度提高的幅度。因此需采取比一般低強(qiáng)度混凝土更強(qiáng)的溫控措施。在混凝土施工時(shí)降低澆筑溫度,也就是降低最高溫升和初始溫差,達(dá)到降低表面拉應(yīng)力的目的。這對(duì)防止早期溫度裂縫非常有效。降低澆筑溫度要控制3個(gè)環(huán)節(jié),控制骨料溫度、控制水泥溫度,充分利用制冷設(shè)施來(lái)降低出機(jī)溫度;混凝土運(yùn)輸中采用攪拌車(chē),減少運(yùn)輸途中的溫度回升;減少入倉(cāng)振搗時(shí)的溫度回升。(5)混凝土養(yǎng)護(hù);炷炼静鹉:,為防止混凝土表面灑水結(jié)冰造成內(nèi)外溫差過(guò)大出現(xiàn)裂縫,小浪底工程使用Sika保水養(yǎng)護(hù)劑,拆模后刷在混凝土表面進(jìn)行養(yǎng)護(hù)。該養(yǎng)護(hù)劑在90d后老化,自行剝落,不存在將來(lái)過(guò)水后有害物質(zhì)污染黃河問(wèn)題。同時(shí)覆蓋泡沫塑料保溫。 施工中采取以上措施后,有效地控制了裂縫的發(fā)生和發(fā)展。3號(hào)明流洞在施工后期裂縫明顯減少。 3 C70高標(biāo)號(hào)硅粉混凝土裂縫處理措施 根據(jù)技術(shù)規(guī)范要求凡是裂縫寬度大于0.5mm或是長(zhǎng)度大于1.5m的裂縫均應(yīng)進(jìn)行處理。小浪底泄洪工程對(duì)C70高標(biāo)號(hào)硅粉混凝土裂縫主要采用環(huán)氧樹(shù)脂和特細(xì)水泥注漿進(jìn)行處理。3.1 環(huán)氧注漿處理 3.1.1 注漿材料 Sika 752環(huán)氧樹(shù)脂漿材為雙組分化灌材料按比例混合后,可在自然狀態(tài)下或潮濕的混凝土表面無(wú)收縮固化。Sika 752環(huán)氧樹(shù)脂力學(xué)強(qiáng)度指標(biāo)及適用條件見(jiàn)表4。 表4 齡期14d的強(qiáng)度指標(biāo)及適用條件 3.1.2 裂縫處理步驟 (1)用沖擊鉆沿裂縫鉆孔,孔徑6mm、孔深10cm、孔距30cm左右。(2)用高壓風(fēng)水槍沖洗裂縫及周?chē)炷帘砻?并用高壓空氣吹凈縫內(nèi)積水。(3)在鉆孔處安放灌漿咀。同時(shí)用Sika 731環(huán)氧砂漿封閉裂縫及灌漿咀底座。固化24h.(4)把分別包裝的Sika 752A、B兩種材料按2∶1的比例在干凈的容器內(nèi)混合并攪拌3min.(5)用環(huán)氧注漿泵將拌合好的漿液注入裂縫內(nèi),豎向縫自下而上,水平縫自一端向另一端,逐孔灌注,灌注壓力為0.4~0.6MPa.(6)自然狀態(tài)下養(yǎng)護(hù),達(dá)到一定強(qiáng)度后用砂輪機(jī)把表面打平磨光。 3.1.3 裂縫處理效果 孔板(導(dǎo)流)洞、排沙洞泄槽段均采用此方法進(jìn)行處理,在處理過(guò)的裂縫中進(jìn)行隨機(jī)取芯檢查,從芯樣外觀看,灌注材料充滿(mǎn)裂縫空隙與混凝土結(jié)合很好。進(jìn)行抗壓實(shí)驗(yàn)時(shí),滿(mǎn)足混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度要求。3.2 特細(xì)水泥注漿處理 表5 強(qiáng)度指標(biāo)及適用條件 3.2.1 注漿材料 特細(xì)水泥(Sika Mikrodur R-U)因其細(xì)度(最大顆粒通過(guò)d95<9.5um,比表面積>16000cm2/g)有別于普通水泥。使用時(shí)特細(xì)水泥添加3%的外加劑(Sika Intraplast HE50)和水混合。特細(xì)水泥的力學(xué)強(qiáng)度指標(biāo)及適用條件見(jiàn)表5. 3.2.2 裂縫處理步驟 其施工方法及操作步驟與環(huán)氧樹(shù)脂灌漿類(lèi)似,不同的是環(huán)氧樹(shù)脂灌漿沿逢面鉆孔插入灌漿管,而特細(xì)水泥灌漿不需鉆孔,只需沿逢面每隔30~50cm安裝一只管座,管座上連接支管,豎直縫自下而上,水平縫從一端到另一端,逐孔灌注,灌漿壓力約0.6~1.2MPa. 3.2.3 裂縫處理效果 3條明流洞泄槽段裂縫采用此方法處理,根據(jù)取芯檢查結(jié)果,水泥變形與混凝土接近,進(jìn)行抗壓實(shí)驗(yàn)時(shí),滿(mǎn)足混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度要求。如果有滲水的裂縫采用特細(xì)水泥方法效果要比Sika環(huán)氧樹(shù)脂好,但特細(xì)水泥方法價(jià)格?萐ika752方法高30%左右。因此,處理C70高標(biāo)號(hào)硅粉混凝土裂縫時(shí)應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況選擇不同的修補(bǔ)方法。 4 結(jié)束語(yǔ)   小浪底泄洪工程高標(biāo)號(hào)混凝土裂縫產(chǎn)生的原因及防治; 小浪底泄洪工程采用C70高標(biāo)號(hào)硅粉混凝土的部位出現(xiàn)各種類(lèi)型的裂縫的機(jī)率較C40以下混凝土的部位為高。從裂縫產(chǎn)生的時(shí)間上看,早期裂縫居多。從表面裂縫、深層裂縫、貫穿裂縫類(lèi)型上看,C70高標(biāo)號(hào)硅粉混凝土中深層裂縫、貫穿裂縫較C40以下混凝土多。通過(guò)對(duì)早期裂縫和后期裂縫的原因分析,采取了有效的預(yù)防措施,這些措施的實(shí)施對(duì)防止裂縫形成取得了良好的效果。按照技術(shù)規(guī)范要求,凡是縫寬大于0.5mm或長(zhǎng)度大于1.5m的裂縫均應(yīng)進(jìn)行處理。小浪底采用環(huán)氧樹(shù)脂注漿法和特細(xì)水泥注漿法處理裂縫,這兩種方法工藝成熟,處理后的抗壓強(qiáng)度滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。為了避免和減少高強(qiáng)度混凝土的裂縫,優(yōu)化配合比設(shè)計(jì)、研制“補(bǔ)償收縮混凝土”是土木工程材料學(xué)科的新課題。 參 考 文 獻(xiàn): [1] 黃河小浪底水利樞紐泄洪工程(Ⅱ標(biāo))技術(shù)規(guī)范[S]。1994。 [2] 黃河小浪底水利樞紐溫控觀測(cè)及實(shí)施分析報(bào)告[R]。黃河水利委員會(huì)設(shè)計(jì)院,1999.
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