毛尔盖水电站抗冲耐磨混凝土表面裂缝原因分析及应对措施

时间：2024-07-28

(中国水利水电第七工程局有限公司三分局，四川郫县，611730)

1 工程概况

毛尔盖水电站位于四川省阿坝藏族羌族自治州黑水县境内黑水河中游红岩乡至俄石坝河段，是黑水河流域水电规划二库五级方案开发的第3梯级电站，总装机420MW。电站采用混合式开发方式，首部枢纽由挡水建筑物、开敞式溢洪道和泄洪放空洞组成。挡水建筑物采用砾石土直心墙堆石坝，最大坝高为147.00m。

左岸开敞式溢洪道全长607.34m，由引渠段、控制闸室段、泄槽段和出口挑流消能段组成。其中，引渠段长69.34m，控制闸室段长36m，泄槽段长460m，出口挑流消能段长42m。泄槽段以阶梯形为主，阶梯高度为2m，过流断面宽10m，最大泄流高差127m。过流断面设计为40cm厚C40抗冲耐磨混凝土，边墙要求与外侧的C25结构混凝土同仓浇筑。

本工程使用业主提供的洋房425R水泥，抗冲耐磨剂通过试验比较，选用四川巨星JX-HF抗冲耐磨剂。

2 表面裂缝原因分析

本工程使用的抗冲耐磨混凝土强度均为C40，浇筑数小时后或养护期间，在混凝土表面出现裂缝，经检测裂缝宽度均小于0.2m，裂缝深度小于0.4m。施工初期，通过对溢洪道抗冲耐磨混凝土裂缝的监测与分析，发现导致抗冲耐磨混凝土表面裂缝的原因较多，主要有砂石骨料含泥量超标、人工砂中石粉含量超标、温差变化较大、空气湿度低、高温水份蒸发快、保护层过大或过小、混凝土拌制水泥与水的用量过大、施工不当等原因。施工过程中，针对这些问题及时采取应对措施，有效地控制了抗冲耐磨混凝土表面裂缝，并阻断了表面裂缝向深层裂缝的发展。

2.1 温度影响

气温较高时，在新浇混凝土表面极易出现收缩裂缝。由于新浇混凝土在振动捧的作用下混凝土骨料下沉，浆液向上移动，引起泌水，浆液中的表面水份在高温条件下积聚蒸发，表面硬化收缩加快，在大面混凝土初凝前，表面薄层混凝土已经硬化，导致表面收缩远大于内部混凝土，造成混凝土表面破坏，产生收缩裂缝。收缩裂缝一般发生在新浇混凝土2h～6h内。

冬季在高海拔地区，紫外线较强，白天气温高，夜间气温低，昼夜温差极大。混凝土在硬化过程中，水泥水化必然会导致水化升温，特别是在大体积混凝土中昼夜温差引起的温度应力作用，使混凝土产生裂缝。水化升温一般在1周之内达到峰值，聚集在内部的水泥水化热不易散发，混凝土内部温度积聚升高，使其表面散热较快，形成较大温差。通过现场观测，当温差超过20℃以上时，就会产生温度应力变形，使混凝土内部产生压应力，表面产生拉应力，当混凝土内部应力超过表面混凝土抗拉强度极限时，就会在混凝土表面产生裂缝。

2.2 低湿度对混凝土裂缝的影响

高标号混凝土早期硬化水化热较大，混凝土内部温度较高，加之本工程区域空气湿度较低，混凝土水份蒸发加快，内部水分蒸发相对较慢，引起混凝土体积变化，产生裂缝。若不采取相应措施，这种裂缝将会继续扩展，一直发展到混凝土内部，造成更大的收缩破坏。当然，导致混凝土产生干裂收缩破坏的不仅仅是空气湿度低的问题，特别是深层收缩破坏，更与水泥用量、水灰比、骨料等有着直接关系。

2.3 砂石骨料含泥量对混凝土裂缝的影响

诸多试验表明，如果砂石骨料中含泥量或泥块含量超标，在混凝土拌制过程中，个别部位会在骨料之间形成一种泥浆膜，它会降低水泥石与骨料的粘结强度，使抗压强度、抗剪强度降低，导致混凝土产生早期裂缝，并会发展为贯通性裂缝。在同等情况下，混凝土的各项性能也将会变差。若要确保混凝土的相关性能指标，就必须增加水泥与水的用量。主要原因在于，随着含泥量的增加，混凝土的保坍性能也越来越差，泥对外加剂及水的吸附越来越大，只有增大混凝土的用水量才能保证要求的流动性。试验表明，当含泥量达到13%时，在相同材料的情况下，混凝土拌合物初始坍落度为0；当含泥量超过3%以上时，要保证初始坍落度，需增加用水量。对高标号混凝土而言，水泥用量已较大，若因含泥量超标，为确保混凝土的流动性与强度，就得再增加水泥与水的用量，导致混凝土硬化过程中水化热增大，破坏混凝土结构，产生裂缝。另外，在混凝土浇筑过程中，在振动捧的作用下混凝土向上反浆，大量的泥浆与水泥浆堆积在表面，在高温与低湿度的作用下，产生早期表面收缩裂缝。

2.4 人工砂中石粉含量超标对混凝土裂缝的影响

在大、中型工程中，砂石骨料用量较大，天然储量远远不能满足工程施工的需要，大量的砂石骨料需采用天然石材进行加工，因天然石材质地差异，在加工过程中同时会生产出不同含量的石粉混入砂中。通过试验证实，人工砂中的石粉含量在一定范围内时，混凝土的收缩发展规律与普通混凝土相当，既不会影响混凝土强度，也不会引起混凝土收缩破坏；但人工砂中石粉含量过高，会引起混凝土早期膨胀增大，使混凝土产生裂缝。

2.5 骨料级配对混凝土裂缝的影响

混凝土粗细骨料级配不合理，造成粗细骨料之间孔隙率大，混凝土中游离水隐藏量多，水分蒸发后形成一定的孔隙与贯通的毛细孔道，会导致混凝土强度下降而出现裂缝。当砂子细度模数偏低，石子粒径偏小，就会增加水泥用量和用水量。水泥用量越多，用水量越大，混凝土干缩也就越大，出现裂缝的概率也就越大。

2.6 混凝土配合比对裂缝的影响

高强度混凝土配合比不合理，也将直接导致混凝土产生收缩裂缝。混凝土中水泥掺量过多，不仅会产生大量的水化热和较大的温度应力，而且还会使混凝土产生较大的收缩质量问题。混凝土水灰比也是影响强度和裂缝的主要因素之一，水灰比大的混凝土收缩也大，也就越容易产生裂缝。塑性沉落裂缝、干燥收缩裂缝都是由于混凝土用水量过大、混凝土稠度过低、塌落度过大、水分蒸发过快造成的。工程实践经验证明，在配制高强混凝土时，如果混凝土强度等级在C35～C50之间时，水泥用量宜控制在350kg/m3～450kg/m3之间。

2.7 施工不当产生的裂缝

施工方法不当也是造成混凝土裂缝的重要原因之一。当结构混凝土浇筑未选择合理的施工方法，一次性投料过高会导致粗骨料下沉、浆体上浮产生混凝土离析，造成塑性沉降裂缝。振捣过程中做不到快插慢拔，气泡不能充分排出，振捣棒有拖带现象，均会造成裂缝。当混凝土不是从同一方向浇筑，而是相向浇筑时，混凝土终凝后中间钢筋受到两个方向的拉应力，会对中部的混凝土产生约束，导致混凝土受拉产生裂缝。高寒地区冬季气温较低、气候干燥，混凝土浇筑后在不便于洒水养护的条件下，又不及时采用塑料薄膜覆盖，将导致混凝土失水过快，直接影响混凝土的抗裂能力，出现不同程度的塑性收缩裂缝，并对混凝土强度增长相应造成影响。

3 应对措施

混凝土出现裂缝是不可避免的，特别对于高强度的抗冲耐磨混凝土，更容易出现表面裂缝。但通过采取有效措施，可大量减少表面裂缝出现的频率，提高混凝土质量。在此，结合本工程的施工情况，对抗冲耐磨混凝土表面裂缝采取了如下应对措施：

3.1 在拌制抗冲耐磨混凝土时，可以在混凝土中加入一定比例的碳纤维、聚丙烯纤维来阻止裂缝的发生。纤维的掺入可以在混凝土中起到一种乱向支撑作用，改善混凝土早期泌水性，阻止混凝土发生塑性沉降，有利于提高混凝土的抗拉、抗折强度，从而有效地防止混凝土发生塑性收缩和早期干缩裂缝。

3.2 通过设计计算复核，优化配筋。在确保相同的配筋率下，尽量选择直径偏小的钢筋，采取细筋密布配筋方式。同时，应控制好混凝土保护层厚度，保护层不宜过小，也不宜过大，经设计核算，保护层控制在5cm～10cm之间为宜。通过实施证明，采用这种措施能较好地控制高强混凝土的非结构性裂缝。

3.3 进行混凝土配合比设计时，应优先选用最佳砂率。将砂率控制在38%～43%之间，砂的细度模数控制在2.6～2.8之间为最佳。优先选用连续级配的粗骨料，可降低水泥用量，减少泌水、收缩和水化热。粗骨料应提前采用压力水冲洗，并配反铲翻动，以减少粗骨料中的含泥量。通过控制骨料的砂率、细度模数及级配，能大大降低高强混凝土表面收缩裂缝的出现。

3.4 在混凝土施工过程中，振捣要适宜，做到不过振、不漏振，振捣棒移动距离控制在40cm左右，时间以每次10s为宜，振捣棒插入时应快插慢拔。采用两次振捣，可以防止因塑性沉降而引起的混凝土内部分层，消除因混凝土泌水而出现的毛细孔道及石子下部隐含的气泡，提高混凝土强度和减少混凝土裂缝。二次振捣在混凝土浇筑1h左右进行。底板混凝土浇筑完毕后，在混凝土初凝前，应用木抹子对混凝土表面进行2～3次搓平，再用铁抹子收光，也可阻止裂缝出现。

3.5 掺加粉煤灰或高效减水剂等来减少水泥用量，降低水化热。粉煤灰掺量应控制在30%左右，水泥用量宜控制在450kg/m3以内。

3.6 高温季节浇筑室外混凝土，可采用搭设遮阳棚等辅助措施控制混凝土温升，或安排在夜间气温下降后再浇筑，降低浇筑混凝土的温度。拆模时，要按混凝土强度要求，合理安排拆模时间，不允许提前拆模。

3.7 加强混凝土养护。混凝土浇筑后，及时用湿润的草帘、麻片等覆盖，并注意洒水养护，并适当延长养护时间。在寒冷季节，混凝土表面应采取保温措施，以防止寒潮袭击。

3.8 表面裂缝处理。对于抗冲耐磨混凝土局部不可避免的裂缝，必须彻底处理。裂缝深度在5cm以内的，将混凝土表面打磨平整，并清除基面上的薄弱水泥浆层、污垢附着物等，用高压风清除表面沙粒、粉尘，使表面外露混凝土坚实，并保持清洁，再压抹一层环氧胶泥。裂缝深度在5cm～10cm之间的，沿裂缝方向切割成内宽外窄的梯形槽，深度5cm左右，用高压风清除表面沙粒、粉尘，并保持清洁，再用环氧砂浆填实抹平。裂缝深度大10cm以上的，采用聚胺脂防水材料压力灌浆，以起到隔绝空气防止钢筋锈蚀，满足堵塞裂缝的作用。