渡槽混凝土施工温度引发裂缝的处理

黄　涛（中铁建大桥工程局集团第六工程有限公司,长春130000）

渡槽混凝土施工温度引发裂缝的处理

黄涛
（中铁建大桥工程局集团第六工程有限公司,长春130000）

目前，利用计算机技术进行混凝土温度应力变化的分析能够较精确的模拟实际施工过程，为工程设计提供依据。本文根据南水北调中线一期总干渠某标段工程渡槽工程实际，将渡槽工程混凝土参数、初始条件和边界条件进行限制和预设，利用FEPG有限元分析计算软件进行了渡槽温度应力三维有限元分析,结合有限元分析数据分析了避免施工温度引发裂缝的措施。因为混凝土温度变化过程的复杂性和影响参数的多元性，目前对裂缝的完全避免还难以实现，因此本文对一旦出现裂缝后的处理工作进行了研究分析。

渡槽；混凝土；有限元分析；温度；裂缝；防治

渡槽混凝土施工属于大体积混凝土工程，温度引发裂缝一直是一项技术难题。传统的大体积混凝土温度计算是依靠公式和经验进行表面温度和中心高温温度计算，因为混凝土内部温度变化的复杂性，传统大体积混凝土温度计算方法并不能真实的反应混凝土内部温度及应力变化。国内外工程实践表明,借助先进的计算机三维有限元分析软件，通过对混凝土温度裂缝的影响因素分析，能够对南水北调中线一期总干渠某标段渡槽工程这种大体积混凝土工程进行有效的温度裂缝预防。

1　研究背景

渡槽又称高架渠、输水桥，是一组由桥梁，隧道或沟渠构成的输水系统。在混凝土施工中，混凝土内外温差造成的温度应力是导致产生裂缝的影响因素之一。本文结合南水北调中线一期总干渠工程某标段渡槽混凝土施工为实例，分析了对于渡槽混凝土施工这种大体积混凝土施工中温度应力产生裂缝的影响因素，从防治的角度提出了解决措施。

2　工程简介

南水北调中线一期总干渠某标段工程，总长7.3km。包括长7.300km的渠道及沿线布置的各类建筑物13座，包括：1座河渠交叉建筑物，2座左岸排水建筑物，1座节制闸，1座退水闸，6座公路桥，2座生产桥。工程内容包括建筑工程、机电设备安装、金属结构设备安装、通信管道采购及敷设、水土保持工程及施工期环境保护工程等。工程混凝土用量约16万m3。槽身为先浇后张法预应力钢筋混凝土结构，每跨长40m，宽33m，高8.38m。每跨槽身混凝土分两期浇筑，第一次浇筑分仓处为距槽身底板顶面以上165cm处，第二次浇筑为槽身八字角以上80cm以上。该渡槽特点是跨度大，为大体积预应力混凝土浇筑。

3　混凝土温度裂缝的原因分析与预防

3.1原因分析

混凝土在浇筑后，随着混凝土中含有的水分逐蒸发，逐渐硬化，形成混凝土结构，这是一个物理变化过程。混凝土硬化过程中，混凝土中的水泥通过水热化现象释放出大量的热量，使得混凝土结构内部出现相对高温，在热胀冷缩的作用下混凝土内部高温处将会体积膨胀。而混凝土的热传递性能较差，内部虽然是高温，但是混凝土的外部温度基本与环境温度近似，呈现相对低温。导致在混凝土内部结构中由内到外出现了温度由高到低的阶梯温差。这种温差导致混凝土内部出现拉应力，一旦超过混凝土的抗拉极限，将会产生裂缝。当混凝土降温后，因为混凝土组成材料的膨胀系数不同，在降温收缩的作用的下，因为膨胀系数的不同又会产生收缩应力，这种收缩应力与之前所述的热膨胀拉应力作用在一起，将会加剧混凝土结构的裂缝产生与发展。

3.2南水北调中线一期总干渠某标段工程渡槽温度应力三维有限元分析

目前，利用计算机技术进行混凝土温度应力变化的分析能够较精确的模拟实际施工过程，为工程设计提供依据。对于混凝土温度进行分析，可借助ANSYS有限元分析计算软件、FEPG有限元分析计算软件等。本文根据南水北调中线一期总干渠某标段工程渡槽工程实际，将渡槽工程混凝土参数、初始条件和边界条件进行限制和预设，利用FEPG有限元分析计算软件进行了渡槽温度应力三维有限元分析。结合分析结果，提出防治裂缝措施如下：

（1）水泥水化热作用产生温度最高点在混凝土浇注第二天，因此第二天凝土内部温度最高、热膨胀量最大。随着时间的推移，混凝土温度逐渐降低，经过10天左右基本稳定。浇注后的前三天，混凝土内外温差超过25℃，容易产生裂缝，因此需要在这个时间段内对混凝土进行蓄热保温。

（2）受到水泥水化热作用的影响，渡槽的纵梁出现最高温度，墙体次之，且高温出现在浇注的第二天，温差在25～40℃之间。因此在混凝土蓄热保温时无论混凝土的哪个部位都需要进行蓄热保温。

（3）渡槽混凝土浇注温度每降低1℃，则渡槽混凝土的内外温差降低0.7℃。最终导致混凝土内外温差仍然超过25℃。因此，要加强渡槽混凝土表面的保护措施。在低温季节或气温骤降季节，对混凝土进行早期表面保护；模板拆除时间根据混凝土强度及混凝土的内外温差确定，避免在夜间或气温骤降时拆模。拆模时混凝土内部和表面温差满足规范要求。

（4）根据南水北调中线一期总干渠某标段工程渡槽温度应力三维有限元分析结果，本工程水泥品种采用52.5级普通硅酸盐水泥，混凝土和钢筋混凝土中掺加Ⅰ～Ⅱ级粉煤灰，混凝土中需掺加引气剂、减水剂、缓凝剂、膨胀剂等外加剂。

（5）该渡槽混凝土浇筑为大体积混凝土浇筑，混凝土内部水泥热化温度高，且渡槽跨度大、长度较长，热面积大，在实际浇注施工中可以采用降水管降温。在渡槽混凝土内部预埋降温管道，利用水泵抽取地下水进行水循环冷却，并且随着浇注的进行逐渐提升降温管道的位置，随着浇注完成移除降温管。当浇注完成后，继续向模板喷地下水进行降温，持续4小时左右。

4　混凝土裂缝处理

渡槽工程，是用于水利运输、排沙排洪作用的一种大体积混凝土薄壁工程。渡槽混凝土一旦产生裂缝，容易发生渗水、漏水，影响水利工程的正常使用，还有重大的安全隐患。混凝土裂缝分好几种情况，有通缝的、不通缝的，规则的、不规则，缝隙大的、缝隙小的等，需要及时处理，否则容易造成小裂缝继续加剧变成大裂缝。因为混凝土温度变化过程的复杂性和影响参数的多元性，目前对裂缝的完全避免还难以实现，一旦裂缝产生了，要有处理裂缝的具体措施及方法。

4.1混凝土裂缝的检查

混凝土裂缝按照表面缝宽、缝长、缝深的数值分为Ⅰ类、Ⅱ类、Ⅲ类、Ⅳ类，根据《南水北调中线干线工程混凝土结构质量缺陷及裂缝处理技术规定》，分类见表1。在测量时，可以使用米尺、塞尺、游标卡尺等进行直接测量缝宽、缝长、缝深值，用以确定裂缝的基本情况。在测量工具难以触及的情况下，可以在局部凿槽至不见裂缝的程度后使用工具进行深度粗略测量。精确测量时，可以采用超声波定位仪器进行深度探测，或者使用孔内摄像技术进行摄像存档。

表1　渡槽工程混凝土工程裂缝分类

4.2混凝土工程裂缝处理方法选择。

根据工程技术规定相关内容要求，为了使处理效果更好，且本着尽量少对混凝土产生破坏的原则，本工程采用以下三种方法对不同的裂缝进行处理：（1）I类裂缝主要采用表面封闭法。（2）Ⅱ类裂缝主要采用低压灌浆法。（3）III类裂缝主要采用开槽灌浆法。

4.3混凝土工程裂缝处理方案。

4.3.1I类裂缝处理方案

表面封闭法采用工程材料为XYPEX“浓缩剂”防水材料。施工流程为：基层处理→清扫湿润基面→涂刷两道XYPEX“浓缩剂”灰浆层→养护七天→蓄水试验48h不渗漏正式验收。

施工要点：对混凝土表面防水砂浆、浮浆、反碱、尘土、油污以及表面涂层等杂物必须清除干净，其方法可以用打磨机、钢丝刷或5%盐酸溶液清洗基层表面，然后用清水冲至中性。具体采用哪一种方法，应根据现场结构混凝土基层实际情况而定。在使用XYPEX浓缩剂灰浆之前，混凝土表面必须再次用干净水冲洗。使混凝土表面具有完全湿润的粗麻面，以利XYPEX水泥基渗透结晶型星中的活性化学物质自内层反应延伸，深入到混凝土毛细系统水化结晶和混凝土合成一个整体。

4.3.2Ⅱ类裂缝处理方案

低压灌浆法采用工程材料为HK-G-2低粘度环氧灌浆材料，辅助材料丙酮、工业酒精等，封缝材料XYPEX“浓缩剂”防水材料或者HK－966弹性涂料。施工流程为：裂缝周边封闭面清洁→沿缝钻孔埋针头→用堵漏王、HK-EQ或HK-96环氧胶泥封闭缝面→灌浆。

施工要点：根据裂缝走向用磨光机清除裂缝表面乳皮及其他污物，清理范围为裂缝两侧5cm，两头各10cm范围内处的混凝土表面，清理后用高压风吹浄。沿缝钻孔埋针头，孔距一般为20～30cm，用压缩气体将孔内杂物吹洗干净。按A:B=5:1的比例配制浆液（如需延长凝固时间，可减少B组份掺量），将A、B两组份充分混合均匀，混合温度控制在35℃以下。在压力下进行灌浆，灌浆压力依据设计要求确定，一般在0.2～0.4MPa，最高压力不要超过结构允许值，竖直缝从最低处开灌，自下而上；水平缝自一端向另一端进行。浆液固化后，去除灌浆针头，用XYPEX“浓缩剂”防水材料或者HK－966弹性涂料进行封闭。

4.3.3III类裂缝处理方案

开槽灌浆法采用工程材料HK-G-2低粘度环氧灌浆材料，辅助材料丙酮、工业酒精等，封缝材料XYPEX“浓缩剂”防水材料或者HK－966弹性涂料。施工流程为：检查裂缝状态，清除表面污物→沿缝凿成20×20mm“U”型槽→沿缝钻孔埋针头，孔距一般为20～30cm，用压缩气体将孔内杂物吹洗干净→用XYPEX“浓缩剂”、HK－966弹性涂料或者还原胶泥封闭缝面→灌浆。

施工要点：按A:B=5:1的比例配制浆液（如需延长凝固时间，可减少B组份掺量），将A、B两组份充分混合均匀，混合温度控制在35℃以下。在压力下进行灌浆，灌浆压力依据设计要求确定，一般在0.2～0.4MPa，最高压力不要超过结构允许值，竖直缝从最低处开灌，自下而上；水平缝自一端向另一端进行。浆液固化后，去除灌浆针头，用XYPEX“浓缩剂”防水材料或者HK－966弹性涂料对针头位置进行封闭。

4.4混凝土裂缝修补后的质量检查。

渡槽混凝土裂缝修补后，对重要部位的Ⅱ类、Ⅲ类裂缝修补处应该用地质雷达、超声波或钻芯取样来检测。地质雷达法、超声波法测定灌浆的密实度。芯样可检查裂缝填充的饱满度，完整的芯样可作粘结剪拉强度试验，检测粘接效果。

5　结束语

因为在实际施工中对温度应力变化的很少分析，混凝土裂缝容易产生。本文运用计算机三维有限元分析软件对南水北调中线一期总干渠某标段工程渡槽工程进行了混凝土温度应力分析，并根据分析结果提出了预防措施。因为混凝土温度变化过程的复杂性和影响参数的多元性，目前对裂缝的完全避免还难以实现，本文只能是通过运用计算机技术进行较精确的分析，进而设计好混凝土原料、设计好施工步骤和养护方法来最大程度的控制裂缝的产生。此外，渡槽工程设计单位、渡槽施工单位、渡槽工程检测单位等参建单位要加强渡槽混凝土施工管理，这也是预防与处理渡槽裂缝问题的重要途径和环节。一旦裂缝产生，要及时有效处理，否则容易造成小裂缝继续加剧变成大裂缝，影响水利工程的正常使用，还有重大的安全隐患。

[1]李勇.高层建筑基础底板大体积混凝土温度裂缝控制措施[J].民营科技,2011(05).

[2]林一，王凯，高荣雄.大体积混凝土裂缝控制研究[J].土木工程与管理学报,2011(03).

[3]李彬彬.大体积混凝土温度应力有限元分析[D].西安建筑科技大学,2007.

[4]王辉，何红伟.大体积混凝土裂缝原因分析及防控措施[C].河南省土木建筑学会2010年学术大会论文集,2010.

[5]李军干，王东星，高海军.大体积混凝土裂缝产生的原因及应对措施[C].河南省建筑业行业优秀论文集(2007),2007.

黄涛，男，工程师，研究方向：土建施工。