混凝土施工裂缝产生原因浅析

内容摘要：1999年下半年，在三峡左岸电站厂房工程中出现大面积混凝土施工裂缝，本文根据裂缝产生的部位、类型进行统计分析，得出寒潮和保温失效是产生裂缝的主要原因，对以后的混凝土施工管理将起到借鉴作用。
关 键 词：混凝土 裂缝 温度 应力 保温 寒潮

1 概述
三峡左岸电站厂房位于左岸厂房坝段下游，为坝后式厂房，共布置14台混流式机组和三个安装间，总长644.7m。沿坝轴线方向从左至右依次为安Ⅰ、安Ⅱ、1号~6号机组、安Ⅲ、7号~14号机组，右端与溢流坝段左导墙交界。顺水流方向布置上游副厂房、主厂房、下游副厂房和尾水渠。主厂房顺流向长度68m。厂房建基面高程EL22m。
主厂房为混凝土框架结构，下部为尾水管大体积混凝土。厂房混凝土除尾水管过流面为50cm厚350#抗冲耐磨混凝土外，其余均为R28250#混凝土。混凝土施工采取错缝为主，结合直缝的方式。机组为一机一缝的分缝形式，单机沿轴线方向长38.3m（14号机组为41.2m），分成左右两块施工，分块长度为18.2m和20.1m，错缝搭接、搭接长度80cm。顺水流向分成四个区施工。其中Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ区长度为18~20m。Ⅳ区为 11.65m。Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ区之间为两条竖向施工缝错缝搭接，搭接长度为80cm。Ⅲ、Ⅳ区之间为直缝相接。混凝土垂直分层高度一般在1.8m~2.5m之间。
自1997年10月份左岸电站厂房工程开工以来，从1997年到1999年上半年，共浇筑35万多方混凝土，混凝土数控、量控优良率达到85%以上。但在1999年下半年，在安Ⅲ~14号机组范围内均不同程度地出现了混凝土施工裂缝，本文针对这一不寻常现象进行分析，以求找出产生裂缝的原因，制定有效的解决办法。


2 混凝土施工裂缝归类分析
根据工程施工总进度安排，土建及金结埋件工程按机组发电次序分批开工。1号~5号机作为第一批发电机组最先开始混凝土浇筑。6号~14号机组随二期基坑开挖交面而陆续开工，一般较1号~5号机滞后半年到一年左右时间。由于机组大型埋件安装和尾水管顶板封闭块回填混凝土等强的影响，在混凝土上升到高程EL44m左右时，会有30天左右长时间停歇。1号~5号机于1998年11月至1999年2月份完成此部分混凝土的施工，只有个别机组少量裂缝产生。但第二批机组在99年下半年度完成时却发生了大面积的施工裂缝。从1999年10月3日~1999年12月27日，在安Ⅲ、7号~14号机组共发现18次裂缝。详见表1。现按照以下几个方面进行统计分析。
2.1 按分区统计
从产生裂缝仓号所在分区来看：Ⅰ区出现9次，占总数50%，Ⅱ区出现3次，占总数17%，Ⅲ区出现6次，占总数33%。
由于地势的原因，从Ⅰ区至Ⅳ区，其基础约束区顶部高程依次降低，另外由于上游大坝标段混凝土上升速度较快，且由于其施工管理原因，造成大量施工排水流入本标段。在Ⅰ、Ⅱ区仓面形成积水，造成保温被被水浸泡。Ⅰ、Ⅱ区均为大体积混凝土，其仓面较大，一般在20×20m左右，钢筋量少，含钢量约为20~40Kg/m3，而Ⅲ区由于其上部为下游副厂房，孔洞较多，且竖向上升钢筋较多，造成仓面保温被难以铺设盖严，保温效果较差。由于以上几种原因，造成裂缝数量在分区上有所不同。但从产生裂缝的高程和位置来看，裂缝的产生主要与保温效果有关。具体分析如下：
2.1.1 Ⅰ区
由于其直接与上游标段相邻，仓面受其排水影响最大，故保温效果最差。
2.1.2 Ⅱ区
由于Ⅰ区的阻挡，流入其仓面排水较少，对保温被影响较小。
2.1.3 Ⅲ区
虽然Ⅲ区受排水影响最小，但其仓面钢筋较多，保温被铺设时，在边角及钢筋根部难以盖好，特别是在其下游有3个 3×9m的尾水闸门孔洞，其从尾水管顶部一直上升到现施工仓面，形成较大的穿堂风，对混凝土的保温造成较大影响。从Ⅲ区发生裂缝的仓面内裂缝位置来看，6个仓面有5个仓面（除10号机Ⅲ14-1外）的裂缝中均有裂缝发生在门槽处，而且有4个裂缝发生在通气管处。故可说明混凝土保温效果是产生裂缝的主要原因。通气孔距门槽较近，形成薄弱部位，更加剧了裂缝的形成。
2.2 按分类统计
依据《三峡工程混凝土裂缝评判和处理规定》（TGPSO11-1998）对裂缝类别的分类标准，Ⅰ类裂缝2次，Ⅱ类裂缝2次，各占总数11%，Ⅲ类裂缝14次，占总数78%，从产生裂缝的成因来看，其主要原因是每次寒潮来临，会在仓面产生浅层裂缝，且由于保温效果较差，造成裂缝展开较快。且如不及时采取措施，裂缝可能会继续扩大。
2.3 按机组统计
从发生裂缝仓号所在机组段来看，安Ⅲ出现3次，占总数17%，而11号~14号机发生11次，占总数61%，现分别作如下分析：
2.3.1 安Ⅲ
安Ⅲ建基面高程为EL42m，混凝土受基础约束力较强，易产生裂缝，且6号机、7号机混凝土比安Ⅲ上升快，两侧机组排水流入安Ⅲ形成积水，降低保温被的保温效果。
2.3.2 11号~14号机
上游大坝在10号~11号机之间位置处分成两个标段，由于上游为两家单位施工，造成排入下游的水量不同，11号机~14号机比7号~10号机上升速度慢，共高度较低，且其上游排水量比其它机组较大，仓面积水最严重，并且由于施工布置的原因，在11号~14号机仅一台mD900塔机供料，造成仓面间歇较长，以上因素都是造成11号~14号机产生裂缝较多的原因。

3 现有施工条件
3.1 混凝土生产、运输
本标段混凝土采用左岸EL82m混凝土拌和系统生产的成品混凝土，该拌和系统拌和全部采用微机控制，混凝土拌和质量稳定。
从拌和楼至仓面附近取料点使用18T红岩自卸车运输，为保证混凝土的预冷效果，对红岩车作了改装，车厢体四周有保温层，顶部采用遮阳布，从拌和系统到取料点仅1公里，混凝土温升在2℃左右。
混凝土垂直运输采用布置在尾水Ⅳ区EL30m平台一线的门机。在EL30m 平台布置4台MQ2000门机，一台MQ1260门机，一台MD900塔机和几台小门机，由于1号~5号机机组埋件吊装的原因，在11号~14号机仅靠一台MD900塔机和一台MQ540门机供料，造成吊运设备能力严重不足，导致混凝土仓面间隙较大，特别是Ⅰ区只能使用MD900塔机供料，对其影响程度更深。
3.2 混凝土施工工艺
受仓面条件制约，采用人工方式平仓振捣，门机吊3m3和6m3卧罐入仓。分点卸料，平仓、振捣，为防止外部热量倒灌，夏季施工时，及时覆盖保温被。
3.3 仓面保温
根据设计院对混凝土表面保温的要求，大体积混凝土表面放热系数β≤2.0~3.0 W/（M2.℃）,结构混凝土为β≤1.5~2.0 W/（M2.℃），我们采用人工缝制的保温被。被芯为2层1cm厚聚乙烯泡沫塑料片，被面为彩条布。单块尺寸2m×1.5m。根据计算，当覆盖一层保温被时混凝土表面放热系数为β=2.0 W/（M2.℃），满足设计要求。当气温降低时在重要部位加盖一层保温被。对于有长间歇的仓面则在仓面先覆盖50cm厚风化砂，然后在盖两层保温被。在尾水管上下口及孔洞部位挂彩条布，防止形成穿堂风。

4 混凝土裂缝理论分析
混凝土施工期产生裂缝大致有以下几种原因。
4.1内部水化热温升
混凝土浇筑初期水化热升使其内部温度升高，产生较大压应力，表面散热较快，温升较小，产生应力较小，且混凝土弹性模量早期较低，随着水化热的结束，温度降低，会产生抗应力，且由于后期弹性模量较前期大，徐变度较前期小，造成混凝土内表现为抗应力状态，而混凝土为一种脆性材料，其抗拉强度仅为抗压强度的1/8~1/10，虽然混凝土配筋会增加其抗拉能力，但不能阻止裂缝的发生，仅能限制裂缝的发展。
在施工期，为控制混凝土内产生较大温升，一般采取控制浇筑温度和最高温升来保证混凝土内部温度，施工时，从控制混凝土入仓温度入手来保证其浇筑温度，并严格控制水灰比等参数，保证水化热温升控制在设计范围内。根据对所发生裂缝仓号浇筑温度的统计，发生裂缝的仓号在各自的浇筑时段内的浇筑温度是基本满足设计的温控要求的。
4.2 寒潮造成混凝土表面裂缝
当气温骤降时，混凝土表面温度变化较快，温度梯度较大，而其对内部的影响较小，一般为20~30Cm左右，因此温度变形完全受到约束，引起较大应力。如果此时保温效果不好，则其发生裂缝的可能性较大。从1999年12月8日至12月18日的短期观测结果来看，当仓面无积水时，保温被内外温差当气温最高时为6~7℃，气温最低时为18~20℃。当仓面有积水或泥浆时，保温被内外温差相应为0~3℃和6~10℃。由此可见，当保温被被水浸泡后，在遇到低温时其保温效果降低10℃左右。
据统计，在99年9月~12月共发生寒潮6次，各次寒潮历时及降温幅度见表2
综上所述，寒潮是产生裂缝的客观原因，而混凝土保温失效则是产生裂缝的主观因素。


5 结束语
根据以上分析，我们按照设计要求对裂缝及时进行了处理，防止其进一步扩大。同时制定了相应的补救措施，更换损坏的保温被，，在重要部位加强了保温，有效的遏止了裂缝的产生。
5.1 混凝土施工裂缝的产生因素较多，要从多方面进行控制。
5.2 寒潮会造成混凝土表面裂缝，应加强表面保温，以降低裂缝的产生。
5.3 合理安排施工，可以降低裂缝的产生。应科学组织施工，做到连续快速连续上升。
5.4 避免产生较大的间歇期，从所列数据看，在发生裂缝的仓面中，50 %以上仓面间歇期都在28天以上。94%以上仓面间歇期超过11天的设计要求。