浅谈渠道衬砌混凝土裂缝的预防及处理

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  摘要
  现浇混凝土衬砌渠道裂缝具有混凝土工程裂缝的共性,又有不同于大体积混凝土裂缝的突出表现。裂缝一经形成,就很难自身愈合。本文分析了现浇混凝土衬砌渠道裂缝形成的几点原因,如温度、湿度变化和周边、基础约束的作用下产生的裂缝;混凝土抗拉强度低、基土滑移、沉陷产生的裂缝等。并结合南水北调中线汤阴段第Ⅲ标工程阐述了渠道裂缝几种形式,如塑性收缩裂缝、干缩裂缝、沉陷裂缝等。针对裂缝的几种形式和成因阐述了预防的一些方法,如选用干缩性小的水泥品种、控制水灰比及水泥用量、及时割缝和养护、夯实基土等。提出了混凝土衬砌渠道出现裂缝后的几种处理的几种方法,如对于裂缝涂抹水泥基渗透结晶型防水材料和水泥基柔性防水材料进行表面处理、凿槽嵌缝处理等。且本文在阐述各种裂缝防控措施的同时,以经验、教训为佐证,说明实际施工中需要注意的事项。基于水利工程的重要性,施工时要积极主动,抓住形成裂缝的主要原因,预先采取措施,尽可能降低有害裂缝产生的几率。
  关键词: 渠道 衬砌 裂缝 预防 处理
  中图分类号:TV543文献标识码: A
  一、前言
  现浇混凝土衬砌在河道治理及调水工程中广泛应用,南水北调工程主要建设内容为大断面渠道现浇混凝土衬砌。在国外,大型调水渠道一般都采用现浇混凝土衬砌,机械化施工水平较高。我国大型调水工程刚刚起步,在衬砌技术、机械设备、施工工艺等诸多方面尚存在差距。大断面渠道衬砌,衬砌混凝土厚度一般都比较小,多在8~15cm 之间,混凝土面积较大,在混凝土密实、成型、施工工艺等方面有其独特特点。为了取得高质量的衬砌混凝土,必须采用合适的施工机械,并熟悉施工工艺,同时采取一系列必要的施工措施和手段,指导混凝土衬砌工程施工,预防裂缝产生,保证混凝土工程质量。现浇混凝土衬砌渠道裂缝具有混凝土工程裂缝的共性,又有不同于大体积混凝土裂缝的突出表现。裂缝一经形成,就很难自身愈合。这里结合南水北调中线汤阴段第Ⅲ标工程,说明渠道衬砌混凝土裂缝的预防及处理。
  二、工程概况
  汤阴段是南水北调中线一期工程总干渠Ⅳ渠段(黄河北~羑河北)的组成部分,地域上属于河南省安阳市的汤阴县。
  汤阴段总干渠设计流量245m3/s,加大流量280m3/s。渠道渠底纵比降采用1/23000、1/28000两种。设计水深均为7.0m,加大水深7.421~7.398m,内边坡1:2.0 ~1:3.25,外坡1:1.5~1:2.5,底宽17.0~18.5m。
  本标段为汤阴段第Ⅲ施工标段,设计桩号为Ⅳ191+000~Ⅳ196+749,标段长度5.749km,标段内共有各种建筑物14座,其中:河渠交叉建筑物2座,左岸排水建筑物2座,渠渠交叉建筑物2座,节制闸、退水闸各1座,分水口门1座,公路桥4座,生产桥1座。
  渠道过水断面为梯形断面,内坡一级坡为1:2.0~1:2.25,挖方渠道一级坡以上边坡略陡于一级坡,填方及半挖半填渠道外坡为1:1.5~1:2.5。起点渠底高程为87.553m,终点渠底高程为87.045m,渠道纵坡为1/28000, 设计底宽为17~18.5m。全渠段采用混凝土衬砌,渠坡厚度10cm,渠底厚度8cm。混凝土衬砌强度等级为C20,抗冻标号F150,抗渗标号W6。全渠段采用复合土工膜防渗。在渠底及渠坡防渗复合土工膜下均铺设保温板防冻层。在保温板与渠坡基础之间,采用铺设10cm厚砂砾石垫层。
  三、渠道衬砌混凝土裂缝产生的原因
  根据工作中观察,南北走向的渠道,阴阳两坡受日照、风情等影响因素基本相同,因此两坡的裂缝规律基本一致,造成裂缝产生的根本原因在于:混凝土由于受自身及外部介质环境的影响,在温度、湿度变化和周边、基础约束的作用下,会产生很大的约束应力,容易产生裂缝;在现浇混凝土渠道衬砌中,水泥混凝土属于薄壁轻型钢性结构,具有较高的抗压强度,但抗拉强度较低,适应拉伸变形和不均匀变形的能力较差。在工程地质不稳定地区,基土滑移、沉陷,在高填方地区和渠基换填地区,由于回填土预沉降时间不够等也是导致渠道混凝土板裂缝的重要原因。当地质滑动拉力超过混凝土抗拉强度时就会产生拉裂。本渠道的现浇混凝土结构,渠坡衬砌混凝土板厚10 cm,渠底混凝土板厚8 cm,下部主要有复合土工膜、聚苯乙烯保温板。根据气象资料,当地春季风大,夏季高温,降雨量不大,深秋季节风大。渠道施工季节跨越了春、夏、秋季,结合渠道工程施工,容易产生以下几种形式的裂缝。
  1、温度裂缝
  温度裂缝多发生在混凝土表面。混凝土浇筑后,在硬化过程中,水泥水化产生水化热,从而使混凝土内部温度升高,而混凝土表面因昼夜温差较大,散热较快,这样就形成内外的较大温差,较大的温差造成混凝土内部与外部热胀冷缩的程度不同,使混凝土表面产生一定
  的拉应力,当拉应力超过混凝土的抗拉强度极限时,表面收缩的混凝土受内部混凝土的约束就会产生裂缝。这种裂缝的走向通常无一定规律,混凝土衬砌面板上温度裂缝通常纵横交错,裂缝宽度大小不一。
  2、塑性收缩裂缝
  塑性收缩是指混凝土在凝结前,表面因失水较快而产生的收缩。此类裂缝常出现在混凝土表面,形状规则长短不一,互不连贯,裂缝较浅,一般在混凝土浇筑后(2-3)h 左右出现。特别是当外界气温高,风速大,气候干燥时易出现,主要原因是混凝土浇筑后未能及时用塑料薄膜覆盖保湿,受风吹日晒,表面游离水分蒸发过快,混凝土的强度不能抵抗这种应力而产生裂缝。渠道边坡浇筑衬砌混凝土,由于重力作用,混凝土下滑产生拉裂。
  3、干缩裂缝
  干缩裂缝多出现在混凝土养护结束后的一段时间或是混凝土浇筑完毕后的半月左右。此类裂缝表现为表面性,纵横交错、无规律、分布不均,表面为多沿短边方向分布。主要原因是混凝土内外水分蒸发程度不同而导致变形不同的结果:混凝土受天气条件的影响,表面水分损失过快,变形较大,内部湿度变化较小,变形较小,较大的表面干缩变形受到混凝土内部约束,产生较大拉应力而产生裂缝,相对湿度越低,水泥浆体干缩越大,干缩裂缝越易产生。混凝土干缩主要和混凝土的水灰比、水泥的成份、水泥的用量、集料的性质和用量、外加剂的用量等有关。混凝土的“三大一小”,即水泥用量大、水用量大、砂率大、石子用量小,和“三高一低”,即高水化热、高气温、高风速、相对湿度低等特点,混凝土容易产生干缩裂缝,已成为一项质量通病,尤其是板类或较薄的平面混凝土结构。干缩裂缝多为表面性的平行线状或网状浅细裂缝,宽度多在0.05~0.2mm 之间,大面积混凝土中间部位多见。
  4、沉降裂缝
  沉降裂缝多是由于基础面处理不当造成的,主要体现在坡面质量的优劣上,而坡面质量主要体现在坡面平整度及基面密实,若支撑混凝土面板的削坡基面平整度不好,甚至凹凸不平,则面板在同一高程就不是等厚的,这就造成面板柔性的降低,抗拉应力的能力也随之减
  小,从而造成应力裂缝;若基面地基土质不均匀或回填土不密实,密度达不到设计要求的指标,则衬砌面板可能产生过大的沉降或产生局部的不均匀沉降,从而产生沉降裂缝。裂缝宽度受温度的影响较小,与沉降量的大小成正比,当地基变形稳定之后,沉降裂缝也基本趋于
  穩定。
  四、 渠道衬砌混凝土裂缝的预防
  1、混凝土浇筑前的预防措施
  (1)基面处理
  削坡之前应对较松软土或填土地基在上部结构施工之前应进行必要的夯实和加固,且应使基面受力均匀;削坡时,由测量员统一指挥在渠坡上冲筋,每10~15m 沿垂直于渠道方向冲一道筋,拉网格线并设专人指挥。削坡需自上而下进行并保证压实,保证基面削坡的平
  整度。
  (2)铺保温板和土工膜
  保温板铺装前,应挂线精削坡,必要时在基面上撒一层细砂进行精找平,铺板要铺实,用木楔固定,确保板与板之间没有产生错动;土工膜铺设之前应清除铺设面上的一切杂物,确保土工膜与保温板的良好接触,保证土工膜的平整度和摩擦力,避免在混凝土浇筑时,土工膜出现鼓泡、下滑等现象,复合土工膜铺设和拼接完成以后,应及时进行混凝土衬砌施工。
  2、混凝土浇筑过程中的预防措施
  (1)混凝土配合比参数
  混凝土衬砌之前应优化配合比,减少水泥用量;选用干缩值较小的硅酸盐或普通硅酸盐水泥;严格控制水灰比,一般混凝土的水会比控制在0.5 以下;改善骨料级配,掺加适量的粉煤灰或高效减水剂等辅助材料减少水泥用量,增加混凝土的塌落度和和易性,降低水化热;高温季节浇筑时采取搭设遮阳板等辅助措施或更改浇筑时间,以降低浇筑混凝土的温度。
  (2) 混凝土浇筑
  混凝土浇筑之前,将基层浇水均匀湿透;混凝土运至施工现场后现由质检员对混凝土拌合物进行塌落度等检测,混凝土塌落度控制在6~7cm,确定合格后由专人指挥布料,布料使用混凝土摊铺机一次将混凝土从渠道顶部均匀的输送到渠底坡脚、渠坡和坡肩处,利用摊铺
  系统自带的振动器振捣密实并完成坡面混凝土的挤压成型、找平和抹面工作。此外,由于混凝土浇注过程中的突发事件很难提前预知,只能尽量合理安排已有施工资源,做到不因安排上的不周到而影响正常施工;如发生引起混凝土断续浇筑的因素,应及时采取必要措施,在
  最短时间内恢复混凝土的正常施工;如已发生断续浇筑且时间过长,可能已经造成施工冷缝,则应把连接缝调整到设计伸缩缝的位置,使与其重合,作为永久施工缝处理。
  3、混凝土浇筑完成后的预防措施
  (1) 混凝土养护
  由于渠道衬砌混凝土浇筑面积大,加强混凝土的早期养护,为避免混凝土出现干缩裂缝,需在收浆后尽快洒水并敷设聚乙烯薄膜,预防塑性开裂,并适当延长混凝土的养护时间;养期间,派专人负责洒水,确保混凝土表面湿润,并降低水分蒸发损失;高温和大风天气时
  采取相应的遮阳和挡风设施并注意及时养护。
  (2)混凝土切缝
  混凝土切缝必须符合设计图纸和设计通知的要求,混凝土面板切缝不能太早或太晚,应在混凝土抗压强度达到1~5MPa 时进行切割,一般遵循“能切就切,宁早勿晚”的原则,当遇到气温高或温差变化的天气时,切割时间需要提前,混凝土切缝要根据外界环境的变化而及时做出调整,预防因切缝时间过晚而产生裂缝;施工人员必须控制好切缝的深度,避免破坏底部土工膜防渗层,施工缝切割完成后,必须使用压力水将缝面上所有松散料及污染体冲洗干净,缝面清理干净后按照要求镶入嵌缝材料,且铺设工艺能够保证嵌缝材料与混凝土结合良好。
  五、 渠道衬砌混凝土裂缝的处理
  1、表面涂抹处理
  对于缝宽δ≤0.2 mm裂缝涂抹水泥基渗透结晶型防水材料进行表面处理;对于缝宽0.2 mm<δ<0.4 mm的裂缝涂抹水泥基柔性防水材料进行表面处理。
  水泥基渗透结晶防水材料是一种刚性防水材料,与水作用后,材料中含有的活性化学物质通过载体向混凝土内部渗透,在混凝土中形成不溶于水的结晶体,填塞毛细孔道,从而使混凝土致密防水。水泥基渗透结晶防水材料具有呼吸性、防水作用的永久性和自修复能力,是无毒、无公害的可安全用于接触饮用水的混凝土结构等工程,采用干撒、涂刷或喷涂等工艺操作,用于混凝土结构迎水面和背水面的防水处理。施工方法简单,先对防水基面即裂缝处进行预处理,配置料浆在裂缝表面直接涂刷,涂刷范围为裂缝两侧各10 cm,涂刷1 遍,厚度约1 mm,并进行养护。
  水泥基柔性防水材料含聚合物液,具有良好的延伸性能,抵抗建筑物的沉降、热胀、冷缩等造成的位移变化;通过自然蒸发和水化反应干燥成为粘结性良好、柔韧、致密的防水涂膜,达到防水的目的。水泥基柔性防水材料由高分子聚合物、矿物粉体、水泥、石英砂为主要成份,并加入多种改性助剂配置而成。它具有较好的抗渗性能,还具有优良的弹性和较好的粘结和防裂性能。施工方法同上。
  2、凿槽嵌缝处理
  对于缝宽δ≥0.4 mm的裂缝进行凿槽嵌缝处理,嵌缝材料为水泥基柔性防水材料或聚硫密封胶。施工方法使用开凿工具,沿裂缝方向凿成1 个宽25 mm、深38 mm的“U”槽沟,应满足槽深为槽宽的1.5 倍,不能将槽沟凿成“V”型;将拌制好的防水砂浆填入槽内压实,在初凝具有一定强度后应立即进行找平处理,或填充聚硫密封胶处理。
  3、拆除重新浇筑混凝土
  对于单块混凝土板抬动达1 cm,且有多处裂缝的应考虑拆除,拆除后对基础的冻胀层清除,更换与原介质相同的材料,压实达到设计标准后重新浇筑混凝土。
  结论
  裂缝是混凝土结构中普遍存在的一种现象,它的出现不仅会降低建筑物的抗渗能力,影响建筑物的使用功能,而且会降低混凝土的耐久性,影响建筑物的承载能力,因此要对混凝土裂缝进行认真研究、区别对待,结合实际,采用合理的方法进行处理,并在施工中采取各种有效的预防措施来预防裂缝的出现和发展,保证建筑物和构件安全、稳定地工作。
  工程中通过对混凝土裂缝采取了针对性的预防措施,使后续渠道混凝土裂缝得到有效的控制。裂缝产生的因素是多方面的,只有把各种因素综合考虑加以控制,才能真正避免或减少混凝土裂缝的发生。
  
  
  参考文献:
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