浅议混凝土面板裂缝与控制

浅议混凝土面板裂缝与控制摘要：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。