水闸闸墩裂缝形成原因分析及防裂措施

　　摘要：水闸闸墩是水利工程的重要组成部分,属于混凝土结构,但在浇筑后时常会出现裂缝的现象，给水闸的运行带来安全隐患。本文结合笔者多年实践经验，分析了水闸闸墩裂缝形成的原因，并从材料、施工过程、约束以及后期养护等环节提出有效的温控防裂措施，防止混凝土裂缝的产生和扩展。供类似工程参考。

　　关键词：水闸闸墩；混凝土裂缝；内外温差；防裂措施
　　中图分类号：TU37 文献标识码：A 文章编号：
　　1 引言
　　随着我国经济建设的快速发展，政府加大了对城市水利基础设施的建设投入，水闸工程数量日益增加。水闸是常见的水工建筑物，具有排洪、排涝、减灾等作用，主要应用于水库的水位控制及水量调节当中。水闸闸墩为混凝土结构，和很多混凝土工程一样，水闸闸墩在浇筑完成后时常有裂缝产生的现象，这不仅影响到水闸闸墩建筑物的整体性能和使用寿命，严重情况下会影响到建筑物的结构强度和整体稳定性，导致混凝土结构无法正常使用。裂缝问题长期以来困扰着水利工程界，一直未能得到很好地解决。因此，本文对水闸闸墩裂缝产生的原因进行分析，提出一些针对性的温控防裂措施，这对做好水闸闸墩混凝土裂缝的防治工作具有重要意义。
　　2 水闸闸墩裂缝形成原因分析
　　水闸主要是由底板和闸墩组成,是呈倒T字形“墙板”式水工混凝土结构,闸墩底部受闸底板约束，上部可以自由伸缩。混凝土具有热胀冷缩的性质，其线膨胀系数一般为1.0×10-5／℃左右，水化反应时产生大量的水化热，在1～3d内可放出热量的50％，甚至更多。当混凝土达到最高温度后，随着热量的散发又开始降温，直到与环境温度相同。当温度发生变化时，混凝土内外产生较大温差，而建筑物往往受到各种约束，在温度变形和约束的共同作用下，产生较大温度应力而形成裂缝。闸墩混凝土裂缝形成的主要原因有：内外温差、底板约束和混凝土收缩。
　　2.1 内外温差
　　闸墩作为大体积混凝土，再加上混凝土是热的不良导体，因此在闸墩内部和表面易形成温差。对于闸墩混凝土，在早期容易产生“内部受压、表面受拉”的情况。混凝土的温度变化大体上可以分为升温和降温两个阶段。
　　在混凝土浇筑后的温升时期，水化反应产生大量热，混凝土温度上升，热量传递的时候容易在内部积存，表面混凝土的温升幅度远小于内部混凝土。大约在2d后，内部混凝土的温度达到峰值，此时内外温差也达到最大。虽然闸墩内外混凝土都处于膨胀变形状态，相对于内部混凝土来讲，外部混凝土处于收缩状态，从而形成变形约束，导致闸墩表面产生拉应力，内部出现压应力。由于早期混凝土弹性模量小，而应力很大，因此容易产生裂缝。
　　升温阶段结束后，是散热阶段。闸墩内外混凝土温度都逐渐降低，但内外散热条件不同，外部混凝土和外界环境接触，热量容易散发，内部混凝土散热条件差，于是在降温阶段又造成了外部温度低于内部温度，与升温阶段产生同一方向的温度梯度，导致了变形的不一致。内部膨胀受到外部的限制，外部收缩受到内部约束，于是在表面混凝土中产生了拉应力。拉应力超过极限抗拉强度时，裂缝就会产生。
　　另外，在遭遇寒潮或者昼夜温差较大的天气时，混凝土表面的温度急剧降低，内外温差会突然变大，导致裂缝的产生。
　　2.2 底板约束
　　闸墩是底板固结在底板上。上部自由的结构。由于底板和闸墩混凝土施工间隙时间较长，在建筑闸墩时，底板混凝土已经固结。闸墩沿其高度方向可以自由伸缩，不受约束；厚度方向由于闸墩厚度不大，约束很小；而沿水流方向，则受板约束相对很大。后期闸墩混凝土除自身相互约束外，底板对闸墩的约束作用强。早期混凝土弹性模量较少、徐变度大，还处在塑性状态，而当混凝土温度下降时，由于底板对降温引起的混凝土收缩有约束作用，混凝土内部会产生较大的拉应力，闸墩中间靠近底板的部位通常成为闸墩拉应力最大的区域。当拉应力超过混凝土极限抗拉强度时，便会开裂。
　　2.3 混凝土收缩
　　混凝土的收缩分为干缩、自身收缩和塑性收缩。水化反应中，随着水泥的凝结、硬化，混凝土中的水分会慢慢挥发，引起混凝土体积缩小、变形，这种变形称为干缩。由于表面混凝土跟空气接触，水分蒸发的速度总比内部混凝土快。表面混凝土的收缩程度比内部混凝土大，收缩变形会受到内部混凝土的制约，因此在表面混凝土中会产生拉应力，从而导致裂缝的产生。虽然干缩裂缝只发生在混凝土的表面，且比较细小，但时间较长会诱导裂缝的发展，危及结构的安全。
　　自身收缩与干缩一样，都是由于水的迁移而引起的。但自身收缩不是由于水向外蒸发散失，而是因为水泥水化时消耗水分造成凝胶孔的液面下降，形成弯月面，产生自干燥作用，使混凝土体的体积减小。通常，水灰比的变化对干燥收缩和自身收缩的影响是不一样的。当混凝土的水灰比降低时，干燥收缩减小，而自身收缩增大。但是，当水灰比小于0.135时，体内相对湿度会很快降低到80％以下，自身收缩与干缩几乎各占一半。此外，两种收缩完成的时间也不一样。在模板拆除之前，混凝土的自身收缩几乎已经产生；而干燥收缩，除了未盖且暴露面很大的地面以外，许多构件的干缩都发生在拆模以后。在大体积混凝土里，即使水灰比并不低，自身收缩量值也不大，但是它与温度收缩叠加到一起，就会使裂缝迅速扩展。
　　3水闸闸墩温控防裂措施
　　3.1 混凝土材料选择
　　(1)选择低热水泥
　　影响混凝土绝热温升的因素包括水泥品种、水泥用量、混合材料品种和浇筑温度。水泥品种对绝对温升的影响主要是水泥中的矿物成分产生水化热。水泥矿物成分中发热速率最快和发热量最大的是铝酸三钙，其他成分依次为硅酸三钙和硅酸二钙。水泥越细，发热量速率越快，但细度不影响最终发热量。因此，进行水闸混凝土浇筑时，应选择水化热低的水泥，适当提高C2S和C4AF的含量，并限制C3A和C3S的含量。
　　(2)选用热学性能好的骨料
　　水工混凝土各种成分的质量百分比大致为：石子63％～65％，砂子22％～23％，水泥7％～1O％，水约5％。石子对混凝土热性能的影响最大，其次为砂子。因此，混凝土的热学性能在一定程度上取决于粗骨料的矿物性质，优先选用热学性能好的骨料是混凝土温度控制的根本措施之一。目前，我国各地工程所需的骨料基本是就地取材；对于天然骨料，应该按规范要求进行物理力学性能试验。在缺乏天然骨料的地区使用人工骨料时，应尽量选用线膨胀系数小的骨料。
　　(3)减少胶凝材料的用量
　　掺人一定量的混合料有利于降低水化热。在混凝土的掺混合料研究中，掺加粉煤灰技术已经较为成熟，并已在我国广泛应用。掺加粉煤灰后，虽然降低了混凝土的早期强度和极限拉伸值，但混凝土发热量大大降低。以7d龄期为例，仅从降低混凝土温升与混凝土极限拉伸值相比较(忽略混凝土早期徐变增加、弹性模量降低等因素)，掺加混合料极限拉伸值会降低19×10-6mm，而温度变形值会降低34.1×10-6m，可以看出，对混凝土抗裂是有利的。
　　另外，根据工程要求和建筑物所处的环境条件，选择适当的外加剂，也是减少水泥用量和降低混凝土水化热的重要措施之一。
　　3.2 混凝土浇筑时间
　　混凝土的水化反应是放热反应，而混凝土却是不良导热体，混凝土内部的热量很难散发出去。如在高温季节施工，外部的环境温度很高，不利于混凝土的散热。所以，混凝土的施工应避开夏季高温时段，尤其是夏季中午时段，可以选择温度低的夜间进行施工，同时注意混凝土的养护。