泵送混凝土在水闸工程中运用技术问题浅析（陈圣刚）

泵送混凝土不仅能提高混凝土性能, 而且机械化程度高、浇筑速度快。特别能满足水闸工程度汛前混凝土浇筑量大、工期紧的要求, 经济、社会效益显著。但淮河流域水闸工程实践表明, 由于温度、湿度变化引起泵送混凝土的裂缝问题普遍存在, 影响结构的抗渗性、耐久性及外观。本文主要分析泵送混凝土在水闸工程中运用存在的一些问题并提出防范措施。

1 泵送混凝土特点

泵送混凝土要满足混凝土性能和可泵性要求。水泥用量多, 一般不少于300kg/m3; 石子最大粒径与泵管直径之比要控制在1:3-1:5, 级配要求高;砂率偏高, 为38%-45%;水灰比大, 为0.40-0.60;坍落度一般为80-180mm;拌和物虽为集中拌和, 自动计量, 但因设备、掺和料、外加剂计量问题, 其质量时有异常拌和物运输时因泵管堵塞易离析, 坍落度相差过大, 使混凝土均匀性变差。

2 裂缝原因分析

实践证明, 水闸裂缝通常为表面裂缝和贯穿裂缝。裂缝产生主要与浇筑块温度变化、混凝土的收缩、外部约束等因素有关, 是其中某个或多个因素共同作用的结果。

2.1 温度变化

温度变化主要体现在浇筑块升温峰值、内外温差、降温速度等方面, 与浇筑温度、水化热温升、环境温度、表面保护等有关。

在混凝土浇筑早期, 产生大量的水化热, 达到最高温度后随着热量的散发又开始降温, 直至与周围环境温度相同, 产生最大温降, 形成拉应力。当拉应力大于同龄期混凝土抗拉强度时, 在表面产生裂缝。

混凝土在升温和降温阶段, 在浇筑块内外形成非均匀性的温度场, 产生内外温差, 由此在混凝土表面产生的拉应力超过其抗拉强度时, 产生裂缝。

在混凝土浇筑初期, 当遇到外界气温骤降袭击, 降温速度大。但内部仍有相当高的温度, 内部热胀的混凝土约束了表层剧冷混凝土的自由变形。由于时间短, 加荷的速度快, 当拉应力超过其抗拉强度时, 即出现表面裂缝。

2.2 混凝土的收缩

混凝土的收缩主要表现为混凝土的干缩和自生收缩。

混凝土的干缩主要是混凝土内部水分的蒸发, 混凝土湿度变化。由于混凝土湿度扩散系数非常低, 表层混凝土收缩的程度大, 其变形会受到内部混凝土的限制, 在表层混凝土中也产生拉应力, 产生干缩裂缝。对于泵送混凝土及闸墩这样薄壁结构, 其影响相对较大。尤其是在干热凤大季节, 如不及时养护, 将会发生局部贯穿性裂缝。影响干缩的主要因素有混凝土的配合比、组成、养护及环境。

混凝土的自生收缩来源于水泥石的收缩, 其水灰比大,水泥掺量高, 则混凝土收缩大, 对普通硅酸盐水泥混凝土,硬化收缩为缩小变形。影响混凝土自生收缩的因素主要是材料的化学成分和水灰比。

2.3 外部约束

岩基上水闸、底板受基岩的约束。闸墩通常是在底板浇筑完一定时间后才开始浇筑, 此时底板相对闸墩, 已是老混凝土, 在顺水流方向受到底板的强约束作用, 导致混凝土开裂。软基上水闸基础对底板约束作用很小, 一般只存在闸墩受底板的约束。影响外部约束的因素有闸墩顺水流方向的长度和底板与闸墩的浇筑间隔时间。底板与闸墩间隔时间越长, 产生的最大拉应力越大。

3 水闸工程泵送混凝土防裂措施

3.1 设计方面

多数工程设计中没有进行温度计算和提出温度控制标准, 难以指导施工和事先预防控制。根据水闸裂缝发生的原因及规律, 温度计算主要归结为基础温差、内外温差及收缩当量温差计算。下面对水闸工程结构的温度计算、温控标准作一简述。

3.1.1 水闸混凝土结构温度

(1)基础温差。基础温差为结构最高温度与相应区域的稳定温度之差。结构最高温度为浇筑温度和水化热温升之和。浇筑温度为混凝土振捣后的温度, 不同于出机口温度和人仓温度其对结构的最高温升有显著影响, 浇筑温度越高, 结构的温差越大, 反之温差越小。工程实际中取上层混凝土覆盖前, 下层混凝土深10-15cm处的温度。也可近似取浇筑混凝土时的月平均气温加2-4℃ 。水化热温升也是影响温度应力的重要因素, 它与浇筑块的平面尺寸大小、层厚、外界温度有关, 具体计算参见有关文献。稳定温度与周边介质温度有关, 对水闸工程取结构的谁稳定温度场的最低值。在工程实际中, 取计算龄期的月或旬平均气温。

(2)内外温差。结构在升温和降温期间, 沿厚度方向形成不均匀的温度分布, 其中心点与边界点温度之差为内外温差。内外温差与结构尺寸、浇筑过程、边界条件、气温及混凝土热学性能等有关。工程实践中把内外温差控制转换为控制最高温度是合理、可行的。

(3)收缩当量温差。混凝土硬化过程中, 水化作用引起的自生体积变形为缩小变形时, 其收缩变形为2×10-5～10×10-5。混凝土在硬化、干燥过程中多余的水分蒸发引起混凝土体积的收缩, 其数量较大。混凝土结构在外部或自身约束条件下, 由收缩体积变形与变温温差产生的应力在性质上是相同的, 在弹性徐变体中, 这两种变形效应可以迭加计算。

(4)确定允许温差。允许温差是指当结构产生的拉应力小于或等于混凝土抗拉强度条件下的温差。计算时混凝土强度、线膨胀系数、弹性模量取同一龄期。温度计算温差必须小于或等于允许温差, 否则采取温控措施。允许温差也可根据结构的具体条件, 由三维有限元仿真计算得出结构的温度场、温度应力, 分析在不同浇筑温度情况下, 温差与温度应力的关系曲线, 当以允许抗拉强度为界线, 即得允许温差。

3.1.2 结构尺寸设计

可采取尽量减小闸室长度, 对于较长闸墩设置后浇带,以及在闸墩上、中、下部位增设部分钢筋暗梁等措施。

3.2 施工拉制

施工控制主要通过原材料的选择和配合比设计、工艺改进等措施, 满足混凝土强度与可泵性要求, 降低温度、减少收缩、改善约束条件, 防止裂缝产生。

3.2.1 原材料的选择和配合比设计

(1)在泵送混凝土中, 水泥品种选择和用量与水化热温升、可泵性、收缩有关。尽量减少水泥用量, 选择中低热硅酸盐水泥。水灰比宜小于0.55, 坍落度宜小于14cm。

(2)根据结构最小断面尺寸和泵送管道内径, 尽可能选用较大粒径、级配连续及线膨胀系数较低的粗集料。砂以采用细度模数2.8的中砂和合理砂率为宜。这样可减少用水量、水泥用量, 降低了水化热温升和收缩, 同时也满足可泵性。

(3)掺加具有减水、增塑、缓凝的泵送剂, 可以改善混凝土拌和物的和易性。由于其减水作用和分散作用, 在降低用水量和提高强度的同时, 还可以降低水化热, 推迟放热峰出现的时间, 因而减少温度裂缝。在泵送混凝土中,常用的有木质素磺酸钙等。

(4)掺加粉煤灰, 代替部分水泥, 可改善混凝土拌和物的和易性, 降低水化热温升, 改善可泵性。对水闸工程,粉煤灰掺量不宜太多, 宜在10%-15%以内。质量良好、含有大量球形颗粒的一级粉煤灰也能降低混凝土干燥收缩值。在泵送混凝土中掺入适量的聚丙烯纤维可减少早期裂缝,并能提高混凝土性能。

3.2.2 施工工艺

(1)拌制和运输应降低混凝土出机温度, 减少运输途中温度回升, 保证混凝土均匀性。采用主要措施为预冷骨料至℃左右, 加冰拌和, 控制运输时间并对运输设备进行保温。严格按混凝土配合比进行水灰比和坍落度控制, 以免影响混凝土质量。

(2)混凝土浇筑主要从提高混凝土的质量和防止温度回升两方面着手。混凝土泵送应连续进行, 拌和物无离析现象, 堵塞时及时处理, 严禁不合格的拌和物进入仓面, 以保证混凝土的均匀性。混凝土振捣时操作规范, 减少内部裂缝与气孔, 提高抗裂性。防止温度回升主要靠采取仓面隔热、合理层厚、初期通水冷却及高温季节选择夜间或阴天浇筑等措施。

(3)表面保护主要是保持适当的温度和湿度条件。保温能减少混凝土表面的热扩散, 降低混凝土表层的温差,延长散热时间, 混凝土强度和松弛作用得到充分发挥。还可调节表面温度下降的速度, 使内外温差减小, 以减缓气温骤降在结构表层产生的降温幅度与梯度。同时在潮湿条件下, 可使水泥的水化充分, 提高混凝土的抗拉强度, 防止混凝土产生收缩裂缝。

4 结语

(1)泵送混凝土水泥用量过高、水灰比大, 对结构进行温度控制设计, 便于指导工程施工, 起到事先控制的作用。

(2)温度控制措施的落实关键在于施工组织和工艺控制上, 工程施工过程中往往因抢工及组织落实不到位, 混凝土质量难以达到设计要求的混凝土抗裂能力, 从而使裂缝长度、宽度、条数增加。

(3)通过优化设计, 加强施工控制, 以及开展相应的科学研究工作, 泵送混凝土施工存在的技术问题是可以解决的, 在水闸工程中能广泛使用。

作者简介：陈圣刚（1963-）, 男, 工程师。

来源：《北京水利》2005.5