[转贴]：浅议混凝土面板裂缝与控制

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国内外已建面板坝工程其混凝土面板裂缝是普遍存在的，但多数只是小于0.2 mm的微细裂缝，它们不贯穿或少数贯穿某个浇筑块。当面板垫层设计考虑不周，混凝土原材料选择及配合比设计不合理以及施工控制不当等因素均会降低面板的抗裂性能。根据混凝土原材料选择及配合比设计，模拟面板施工时段以及水库运行期的温度、湿度变化对面板的影响等试验数据，论述了面板的裂缝变化与合理控制。
    关键词：混凝土面板；原材料；施工；裂缝与控制?

1混凝土面板裂缝概述
1.1混凝土面板产生裂缝的原因
    混凝土面板与其它混凝土结构一样，在硬化过程和硬化后都会因混凝土干缩、温度变化及地基沉降等产生不同程度的裂缝。而混凝土面板的结构型式、边界条件等比其它混凝土结构存在有较大的差异，这种差异使面板裂缝受混凝土干缩、温度变化及地基沉降的影响更大。若支撑混凝土面板的垫层坡面（垫层坡面常以碾压砂浆或喷射混凝土护面）平整度不够，甚至凸凹不平，则面板在同一高程就不会是等厚的，面板柔性就会降低，抵抗拉应力的能力也随之减弱；若堆石体各区填筑密度达不到设计要求的指标，则坝体可能产生过大的沉降或产生局部的不均匀沉降。面板混凝土在硬化过程中温度梯度过大以及面板混凝土干缩等产生的拉应力超过了面板的极限承受力则导致面板出现裂缝。
    在混凝土面板中配筋和将面板垂直分成若干块体以及在高坝施工中的面板分期浇筑，其目的主要是限制裂缝的发生或扩展。?
1.2国内外已建工程混凝土面板裂缝值统计概况
    从有关专家统计的数据可以肯定，国内外已建工程混凝土面板裂缝是普遍存在的，但多数只是小于0.2 mm的微细裂缝，它们不贯穿或少数贯穿某个浇筑块。由于经验的积累和施工工艺的不断改进，一般而言，近期修建的混凝土面板堆石坝中的面板较早期修建的裂缝要少。
    混凝土面板堆石坝施工规范（SL49-94）规定：面板受压区允许有少量0.3 mm以下的发状裂缝，受拉区允许有少量0.2 mm以下的发状裂缝，而不允许有深层贯穿裂缝发生。国内外几座已建成的面板堆石坝的面板最大裂缝值见表1。?



    表1表明，一些坝的混凝土面板裂缝超过规范限值。虽然只是这些面板的少数板块的个别裂缝，但若不及时修补，将会导致大坝沿裂缝渗水，影响其耐久性和坝的正常运行。?
2混凝土面板裂缝控制?
2.1支撑混凝土面板的堆石体质量控制
    混凝土面板是浇筑在坡度为1∶1.4左右的垫层坡面上的薄板，面板裂缝受堆石体的位移、沉降影响较大，特别是坝体某部位因地基不均匀沉降或局部填筑密度不够而导致的不均匀沉降影响则更大。为避免裂缝的产生或控制裂缝的发展，面板混凝土浇筑应在堆石体（垫层区、过渡区、堆石区）基本完成施工期的沉降量以后进行，堆石体施工中各高程的各种填筑料的填筑密度应不低于设计指标（合理的填筑标准），垫层坡面的平整度应达到规范要求。?
2.2面板混凝土强度等级设计
    面板混凝土的抗拉强度及极限拉伸值的大小对面板抗裂性能影响较大，而混凝土强度等级的高低与抗拉强度及极限拉伸值呈正比例关系。因此，在进行面板混凝土强度等级设计时，宜高不宜低，低坝混凝土标号也应设计成C20为宜。?
2.3面板混凝土原材料控制
    混凝土面板除在设计上要合理配筋、分块外，混凝土原材料的选择则是面板裂缝控制的主要措施之一。混凝土原材料的优劣及其配合比的优选，对面板的抗裂性能影响较大。因此，必须从面板混凝土原材料选择方面作大量的对比试验研究。?
2.3.1外加剂的选择
    通常要在面板混凝土配合比中掺减水剂和引气剂，用以提高混凝土的和易性、不透水性和抗裂性。表2列出了两组面板混凝土W0与W1与抗裂有关的物理、力学性能试验数据。?



备注：两组混凝土强度等级相同，W1比W0水泥及用水量少。
    表2中，由于极限拉伸值的增高，而弹模及干缩率的降低，抗裂性能W1优于W0。这说明面板混凝土中掺适量优质外加剂对抗裂有利，但不同品牌的外加剂在面板混凝土中的抗裂性能也有较大差别。所以，在混凝土面板施工以前，应结合设计、施工对面板混凝土的其它要求，选用多个品牌的外加剂进行配合比试验研究，从中选出满足设计和施工以及对面板抗裂最为有利的外加剂。
    据有关文献报导，为了减小混凝土整个硬化过程中的收缩量，通过减水、保塑、缓凝和减缩组分的有效融合，北京一科研单位已成功研制了一种新型减缩高效减水剂（SRS），在粉煤灰混凝土中掺入减缩剂后，3 d、120 d的收缩量分别降低33％、32％。
    在以往的低坝建设中，往往采用素混凝土浇筑面板，从而使得面板混凝土水泥及用水量相应增大而导致因干缩引起的较大的裂缝。笔者认为，不管坝的高低，面板混凝土均应采用高效减水剂配制。?
2.3.2水泥的选择
    面板混凝土应选用干缩小、水化热低的硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥，这是不争的事实。但有些普通硅酸盐水泥用于面板混凝土浇筑，对面板的抗裂不太有利。表3列出了配合比相同，分别采用两种P.0 42.5强度等级的普通硅酸盐水泥配制的混凝土干缩试验数据。
    表3表明，普硅1水泥中硅酸三钙和铝酸三钙含量均高于普硅2水泥，说明普硅1水泥的水化热高于普硅2水泥。以上试验用的两种水泥虽均属于达到国家标准的普通硅酸盐水泥，但普硅1水泥掺有12％的矿渣，此值已接近掺活性混合材料时不得超过15％的国家标准，普通硅酸盐水泥中掺矿渣较其它活性材料的干缩要大，这就是用普硅1 P.0 42.5强度等级的普通硅酸盐水泥较用普硅2 P.0 42.5强度等级的普通硅酸盐水泥配制的面板混凝土干缩大的原因所在。?



    综上所述，面板混凝土所用水泥除选用硅酸盐水泥外，应优先选用水化热低且不掺或少掺矿渣活性材料的普通硅酸盐水泥为好。
    水泥标号的选用宜高不宜低。因在配制相同强度等级的混凝土时，用高标号比用低标号要少用水泥，对混凝土减少干缩有利。混凝土面板堆石坝施工规范（SL49-94）规定：面板混凝土用水泥强度等级应不低于32.5。故对有条件的工程，特别是高坝应尽量选用P.0 42.5强度等级的水泥或更高强度等级水泥来配制面板混凝土。?
2.3.3掺加优质粉煤灰
    优质粉煤灰中含有大量微珠颗粒，掺入混凝土中能减少水泥的需水量，除使混凝土面板抗渗性能大幅度提高外，还可减少干缩，从而提高抗裂性能。国内已建或正在修建的面板堆石坝工程中，就有在面板中掺加15％~30％的优质粉煤灰以替代部分水泥的例子，既节约了水泥，又提高了面板的抗渗性，从而提高了抗裂性能。四川大桥水库等工程的面板裂缝宽度都很小，掺加优质粉煤灰是其原因之一。
    早期修建的工程在面板混凝土中掺粉煤灰的实例较少，随着认识的不断深入，加之粉煤灰收集工艺的提高，现在在面板混凝土中掺入适量的优质粉煤灰已较为普遍。?
2.3.4粗细骨料的选择
    由于混凝土面板所具有的特殊性，粗细骨料除应满足水工混凝土施工规范（SDJ-207-82）要求外，还有一些特殊要求。为减少面板混凝土因温度和干缩产生的拉应力，提高其抗裂性，应尽量采用热膨胀系数小的母岩生产的人工骨料或天然骨料，使因温度变化而引起的拉应力和拉应变尽量的小。关于砂的粗细程度，一些专家提出了细度模数控制在3±0.2较为合理的建议。表4列出了三种不同粗细的砂配制的面板混凝土干缩试验数据。?



    表4表明，较粗的砂比较细的砂配制的混凝土干缩小，S1比S3所测龄期的干缩率的平均值大53.3%，而S2比S3所测龄期的干缩率的平均值仅大14.9%。由此可以说明，就面板抗裂性能而言，细度模数在2.5~2.8的砂在其含泥量不大的条件下仍可作为面板混凝土用砂。
    面板混凝土中采用坚硬致密、热膨胀系数小的灰岩轧制成粗细骨料有着广泛的应用，砂岩轧制成的粗细骨料能否用于面板混凝土的资料较少。表5列出了三组不同粗细骨料配制的面板混凝土干缩试验数据。?



    表5表明，C2和C3干缩基本一致，C1较C2各龄期干缩大许多。究其原因，除水泥用量对其有一定的影响外，主要还是本次试验用砂岩碎石吸水率（2.8%）远大于卵石吸水率（0.4）所致。由此可见，吸水率大的砂岩用于面板混凝土粗细骨料对面板抗裂不利，应谨慎使用。
2.3.5关于面板混凝土中掺加膨胀剂及化学纤维
    面板与基岩或趾板接触的板块处于约束区，因面板本身的变形而较易引起开裂。为解决混凝土面板裂缝问题，在国内的已建工程中已有采用在混凝土产生收缩的同时，用人为产生等量膨胀的方法（产生的膨胀能转变为压应力，用这一压应力来抵消混凝土干缩时产生的拉应力），防止混凝土面板裂缝或降低裂缝程度的尝试。目前这类外加剂品种主要是以钙钒石为膨胀源及以氧化镁为膨胀源的产品。在已建成的福建龙门滩一级电站（坝高57.5 m）中，掺复合膨胀剂配制的微膨胀混凝土已用于面板混凝土的浇筑。在天生桥电站（坝高178 m）的面板混凝土试验研究中，掺以钙钒石为膨胀源的UEA膨胀剂配成微膨胀混凝土作了一些工作，但由于该面板堆石坝是高坝，为求稳而未用微膨胀混凝土浇筑面板。在面板与基岩或基岩与趾板接触的板块混凝土中掺入适量氧化镁或UEA膨胀剂，对面板抗裂有利。
    聚丙烯、聚乙烯纤维由于抗拉强度均较高（聚丙烯纤维抗拉强度可达380 MPa以上，聚乙烯纤维则更高），适量掺入混凝土中能提高混凝土的抗拉强度并降低混凝土干缩而改善其抗裂性能，现已普遍用于道路工程。水利工程中的防洪堤、灌溉渠以及抗冲磨混凝土也有应用实例。浙江白溪水库就在每 m3面板混凝土中掺入0.9 kg聚丙烯纤维的应用实例，其28 d、60 d、90 d的干缩率分别降低了2.7%、5.5%和7.4%。?
2.4面板施工的质量控制?
2.4.1面板施工时段的选择
    面板施工时段的选择实际上是面板浇筑时环境温度和湿度的选择。由于模板漏水，骨料的吸水或者蒸发等使未凝固的面板混凝土脱水，引起与脱水容积大体相等的收缩，同时，这种收缩又受到基础、模板、钢筋等的约束而产生拉应力，此时，混凝土的抗拉强度几乎为零而易于产生裂缝。由于蒸发速度对塑性收缩裂缝的产生起重要作用，国外有专家提出产生裂缝的极限蒸发量为1~1.5 kg/m\+2。表6列出了不同温度条件下，面板混凝土拌合物的水分蒸发试验数据。?



    表6表明，面板浇筑时环境温度高导致混凝土温度高，使表面水分急剧蒸发。环境温度为34℃时，拌和后1 h的水分蒸发量已达到发生裂缝的极限蒸发量，等于相同时间环境温度为22℃时混凝土水分蒸发的3倍多。后者在拌和2 h的水分蒸发甚微，而前者在接近初凝的5至6 h仍有少量的水分蒸发。
    为减少未凝固混凝土水分过多地蒸发，防止面板开裂，面板的最佳施工温度应控制在22℃左右，湿度应控制在70％以上。?
2.4.2面板混凝土生产、运输、浇筑的质量控制
    除了原材料质量控制和最优的配合比外，原材料配料准确与否是面板裂缝控制的又一重要环节。一些施工单位在混凝土生产时，凭经验将砂卵石、外加剂由施工人员组织民工用斗车未经称量（外加剂用勺舀）直接倒入搅拌机，拌合水也是凭经验加入。笔者在某工程施工现场作过统计，原材料不过磅入搅拌机的其骨料入斗误差都在±5％左右（允许误差±2％），个别还超过±10％；加水量误差也在±3％左右（允许误差±1％）。在这种配料状况下，生产出的混凝土质量是极不稳定的。因此，对面板混凝土生产中原材料称量这一环节的质量控制必须加强。
    任何用途的混凝土都要求拌合均匀，而面板混凝土则更应强调拌合的均匀性，以保证其面板有较高的延伸性，以提高抗裂性能。
    为保证混凝土在运送过程中不致发生分离、漏浆、严重泌水或过多降低坍落度，就应尽量减少转运次数和时间，以便生产的混凝土在最短的时间内入仓浇筑。入仓混凝土及时振捣，以使混凝土密实并紧贴垫层。铺料间隙时间要符合要求，应无初凝现象，以免造成施工冷缝而留下产生裂缝隐患。
2.5新浇面板混凝土裂缝的控制
    面板的养护，特别是面板的早期养护，对防止面板裂缝尤为重要。养护好的混凝土面板，除强度增长较快外，还可降低因干缩产生裂缝的程度。表7列出了不同湿度面板混凝土干缩试验数据。?



    表7表明，养护湿度为70％的混凝土较养护湿度为90％的混凝土所测各龄期干缩大，其平均值前者是后者的近两倍。从而说明混凝土早期的精心养护对减少混凝土干缩，防止面板开裂有利。?在一些面板坝所在地，气温骤变时有发生，有时连续35℃以上高温，或突降暴雨使气温骤降至20℃左右或更低；白天40℃左右、晚上降至10℃左右（如新疆乌鲁瓦提面板堆石坝坝址区，5~7月份最高气温41℃，日最低气温12℃），白天20℃以上，晚上降至0℃左右就更常见了。在气温骤变的情况下，面板承受较大的温度梯度，使面板产生拉应力。表8列出了极端温条件下，面板混凝土在两种情况下胀缩变化试验数据。?



    表8表明，处于水中的面板混凝土较暴露于空气中的面板混凝土胀缩变形小得多。其23℃骤变至0℃时，前者仅是后者的三分之一。0℃骤变至23℃时，前者小于后者32％。这是试件龄期达300 d后的试验数据。可以推断，混凝土龄期越短，上述变化将更为明显。说明硬化中或硬化后的混凝土面板如果能避免直接暴露于空气中，对防止裂缝极为有利。
    为防止面板裂缝，面板自拉模起就应加强养护和保护（刚脱模的面板应防止大雨冲刷和人为损伤）。拉模抹面处理后覆盖草袋并洒水养护，面板浇筑期可在草袋上洒水养护，面板浇筑结束可采用洒水花管进行自流养护，并尽可能养护至水库蓄水。?
3大桥水库混凝土面板裂缝控制
3.1大桥水库面板堆石坝简述
    面板堆石坝由堆石体、过渡区、垫层区、混凝土面板组成，坝高91 m，上游坝坡1∶1.5。堆石料（中酸性混染岩）设计干密度为2.16 g/cm3，垫层料（洪积扇碎石土）设计干密度为2.24 g/cm3。
    混凝土面板厚度按坝高分别设计为：下部0.48 m，上部0.3 m，配单层双向筋，配筋率为0.4%。面板设纵缝分块，河床段每块宽16 m，两岸边块宽8 m。分两期施工，一期面板浇筑至1985 m高程。?
3.2大坝填筑质量
    大坝各区上坝料经过严格控制，层厚、碾压遍数均是在施工前经反复试验确定。经每层取样试验，密度均达到或超过了相应的设计指标；垫层上游面的碾压砂浆护面的不平整度均在规范（+5 cm、-8 cm）范围内，为减小因坝体过多沉降和位移而引起的面板裂缝创造了条件。
3.3大桥水库面板混凝土原材料的优选
    (1)水泥。优选了离工地约500 km的金沙牌P.042.5强度等级普通硅酸盐水泥；
    (2)粗细骨料。选用以花岗岩和辉绿岩颗粒为主，质地坚硬、表面粗糙的砂卵石，经机械筛分，成品优质而稳定，其砂细度模数为3.05、含泥量为0.75%；
    (3)外加剂。经多组比较试验，确定了几个品种外加剂的最优掺量；
    (4)粉煤灰。优选了攀枝花Ⅱ级灰。?
3.4面板混凝土配合比试验研究
3.4.1初设阶段
    在1993～1994年进行，经大量的比较试验，综合多组物理、力学试验指标并结合该工程实际，选定了掺抗冻Ⅰ型减水剂及引气剂的混凝土配合比。?
3.4.2施工阶段
    在1997年下半年进行，主要是在初设阶段试验研究成果的基础上，将设计标号由原来的C20提高到C25，并在混凝土中掺20％攀枝花Ⅱ级粉煤灰，以提高面板抗裂性和抗渗性。两次试验研究优选出的面板混凝土配合比见表9。?



3.5面板混凝土施工?
3.5.1面板混凝土施工时段的选择
    大桥水库库区属亚热带半干旱季风气候，多年平均气温14℃。为避开冬、夏季风大且早晚温差大和夏季多暴雨对面板施工不利的时段，选定3至4月进行面板浇筑。尽量控制在早上9点至下午6点的最佳区间进行，此区间的环境温度在20℃左右。?
3.5.2采用机械筛分系统生产出优质的砂、石骨料
    任何情况下均不采用当地乡民出售的、质量不稳定的砂石骨料。?
3.5.3混凝土拌和
    采用了较为先进的国产自动拌和系统，使混凝土配料准确，拌和均匀。?
3.5.4养护
    面板脱模抹平后，马上用草袋覆盖并洒水养护至两个月左右。?
3.6面板裂缝检验情况
    大桥水库于1998年3至4月进行一期面板混凝土浇筑。1998年11月，省水电质量监测中心对所浇面板验收时测得少量微细裂缝，而最大裂缝仅为0.2 mm，低于SL49?94标准。
    在大桥水库蓄水3年时（2002年5月）进行的水库竣工验收观测表明，27个板块中仅在5个板块中出现个别约0.3 mm的水平裂缝。竣工验收的专家根据几年观测资料分析得出结论：面板无危害性裂缝。说明各个施工环节的质量控制是有效的。?
4结语
    从目前情况来讲，堆石坝的混凝土面板裂缝是普遍存在的，虽然裂缝宽度超过规范限值仅是少数工程的个别板块，但仍需引起足够的重视。防止面板裂缝是混凝土面板施工的一个关键技术问题，应认真对待。只要从设计、施工及养护等各个环节严格控制，做到精心设计、精心施工、精心养护，面板裂缝是完全可以避免的，或者可将其程度降低。?
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