汪文萍 張昌銀

（湖南水利水電職業(yè)技術學院 長沙市 410131）（澧陽大垸水利管理委員會 常德市 415500）

SL 234-1999《泵站施工規(guī)范》給出了施工中對混凝土通用的要求，適用于新建、擴建或改建的大、中型灌溉、排水及工業(yè)、城鎮(zhèn)供水泵站的施工，但對大體積混凝土裂縫控制的應對措施較少?！端せ炷潦┕ひ?guī)范》[DL/T 5144-2001]是水利水電大中型工程中1、2、3級水工建筑物的混凝土和鋼筋混凝土施工的通用規(guī)范，并不專門針對泵站大體積混凝土施工?！洞篌w積混凝土施工規(guī)范》[GB 50496-2009]適用于工業(yè)與民用建筑混凝土結構工程，也不是針對水利工程建設的施工規(guī)范。下面以深圳寶安區(qū)沙井河片區(qū)排澇工程沙井泵站大體積混凝土施工為例進行研究。

1 泵站大體積混凝土裂縫類型和防治要求

（1）地基不均勻沉降造成混凝土結構裂縫。這就要求泵站地基基礎設計計算準確，采取的基礎樁等處理措施對混凝土結構安全有充分的保證，根據(jù)各部位的承載力要求綜合考慮選擇合適的樁型和不同的入巖深度；施工前應現(xiàn)場試驗，根據(jù)現(xiàn)場試驗結果調整設計參數(shù)；施工中認真作業(yè)，從嚴控制，保證基礎滿足上部結構承載力要求，運行過程沉降均勻。

（2）混凝土本身物理力學性質決定的微觀裂縫。混凝土骨料與膠凝材料之間、骨料自身和膠凝材料自身的裂縫在混凝土結構中雜亂無章，分布無規(guī)則、不貫通。混凝土微觀裂縫是可控裂縫，要求在原材料選擇上有相應的控制要求，按照設計和規(guī)范要求選擇合適的碎石、砂、水泥和外加劑。

（3）可能出現(xiàn)的肉眼可見的宏觀裂縫。宏觀裂縫寬度不小于0.05mm，嚴格的允許裂縫寬度為0.1 mm，無侵蝕介質可允許在0.4mm以內(nèi)，經(jīng)常處在水下土壤覆蓋無侵蝕介質裂縫寬度允許在0.3mm以內(nèi)，在海水及干濕交替環(huán)境，混凝土裂縫寬度允許在0.15mm以內(nèi)。由于本地區(qū)屬于感潮河段，河水受海水潮汐影響大，同時本地區(qū)工業(yè)污染嚴重，兩岸工業(yè)廢水、生活污水都流入河中，由于沿裂縫處有侵蝕介質，必須對混凝土裂縫寬度嚴格控制。

2 裂縫產(chǎn)生機理

認真分析裂縫產(chǎn)生機理，找出和施工有關的影響因素是現(xiàn)場施工中控制裂縫產(chǎn)生的關鍵所在。以下就幾個主要方面進行剖析：

（1）結構設計不合理。非均質復雜多相混相材料混凝土微觀結構相組成之間主要的結合力是范德華力，當內(nèi)部產(chǎn)生拉應力超過其抗拉強度時產(chǎn)生裂縫，結構設計不合理更加劇混凝土裂縫發(fā)展。各種外部荷載與自重形成的內(nèi)部應力容易引起裂縫，實際工況與模型工況不同的結構次應力也會引起裂縫。

（2）大體積混凝土施工中水化熱控制不好。結構截面大，水泥用量多，水泥水化釋放的水化熱能產(chǎn)生很大的溫度變化和收縮作用，是導致大體積混凝土溫度裂縫的主要原因。結構的截面尺寸較大，水泥水化過程中釋放出大量水化熱，熱量不易散發(fā)，造成較大溫升導致結構體積增大，這種變形受到與外部環(huán)境溫度差異引起的約束和內(nèi)部的條件不同產(chǎn)生的約束，自身體積變形不能自由伸縮，產(chǎn)生溫度應力和自身體積變形應力。其次，在混凝土表面由于濕度傳導率遠小于熱度傳導率（約為1/1 600），混凝土表面濕度變化引起混凝土內(nèi)部各單元體之間相互約束，產(chǎn)生干縮應力。

大體積混凝土結構施工受到底、頂板頂面邊界無約束時的自生應力和側面等全部或部分受到外界約束不能自由變形而引起的約束應力，這兩種應力往往和混凝土的干縮所引起的應力共同作用。早期水化熱溫度迅速升高階段，由于混凝土內(nèi)外散熱條件不同形成溫度梯度，表面受拉、內(nèi)部受壓。當拉應力超過混凝土抗拉強度時混凝土表面就產(chǎn)生裂縫。后期在混凝土的降溫階段，混凝土的溫差引起的變形與混凝土的體積收縮變形受到地基和結構邊界條件的約束，在中部斷面產(chǎn)生內(nèi)部拉應力，當該拉應力超過混凝土抗拉強度時就有可能產(chǎn)生全斷面的貫穿裂縫。

溫度應力變化經(jīng)歷三個過程：一是自澆筑混凝土開始至水泥放熱基本結束時放出大量的水化熱，混凝土彈性模量的急劇變化在混凝土內(nèi)形成殘余應力。二是自水泥放熱作用基本結束時起至混凝土冷卻到穩(wěn)定溫度時，由于混凝土的冷卻及外界氣溫變化所引起的應力與早期形成的殘余應力相疊加。三是混凝土完全冷卻以后的運轉時期由外界氣溫變化所引起的溫度應力與前兩種的殘余應力相疊加。

3 本工程施工難點

按照泵站結構分縫，寶安區(qū)沙井河片區(qū)排澇工程沙井泵站底板中最大一塊長達28.0m寬38.3m，前后齒槽部分最厚達3.5m，底板中間部分厚2.5m，按照建設部GB 50496-2009《大體積混凝土施工規(guī)范》規(guī)定混凝土厚度超過1.0m即為大體積混凝土。為了盡量避免或減小揚塵與噪音污染給環(huán)境造成影響，按照廣東省和深圳市建設要求，市區(qū)工程不允許自拌混凝土施工，只能采用商品混凝土。

（1）采用商品混凝土施工不確定因素多。為便于運輸和泵送混凝土，商品混凝土骨料要求較為特殊，粒徑小，坍落度較大，配合比中摻加大量外加劑，施工中泌水現(xiàn)象嚴重，給混凝土澆筑增加了不少困難。

（2）施工期環(huán)境溫度較高不利于溫控。本工程地處廣東南端，氣溫較高，晝夜溫差較大，不利于混凝土澆筑施工。

（3）施工場面受到限制。本工程按照深基坑設計施工，基坑深度達到11m，基坑內(nèi)為淤泥土質，運輸?shù)缆冯m經(jīng)特殊處理，但狀況頻出，給混凝土輸送造成困難。

（4）本工程底板單塊結構大，又不能無限期施工，對混凝土入倉速度、層間鋪筑間隔時間要求較高。

4 混凝土底板施工中的主要裂縫控制措施

4.1 施工方案的擬定

4.1.1 設計方面

同時考慮變形的大小、約束的程度、實時抗拉強度三個條件。由于泵站整體結構要求受到限制，不能縮小結構尺寸，經(jīng)過對混凝土強度等級、鋼筋的品種和規(guī)格、建筑物的結構形式等統(tǒng)籌設計，在大體積結構內(nèi)部設置一層溫度鋼筋，加密層間鋼筋拉筋和支撐筋。

4.1.2 商品混凝土方面

對混凝土用碎石、砂采用噴灑冷卻水降溫，盡量縮短運輸時間，盡量減小混凝土坍落度，混凝土坍落度控制在120mm左右，混凝土入倉溫度控制在25°C。

4.1.3 混凝土澆筑方面

利用大倉面施工的有利條件采用分層澆筑，在設計混凝土配合比的初凝期內(nèi)，盡量延長混凝土澆筑時間，在初凝結束前覆蓋上層混凝土。

采用兩次振搗技術，除了混凝土入倉振搗外，在覆蓋上層混凝土前進行第二次振搗，二次振搗是對第一次振搗的補充。實踐證明二次振搗能增加混凝土強度，提高抗裂性。

4.1.4 澆筑時間

澆筑時間選擇在氣溫變化較小的時段內(nèi)進行，避開夏天正午時間，選擇下午或者晚上澆筑，冬季不在晚上澆筑混凝土，澆筑時氣溫高于10℃。

4.1.5 拆 模

混凝土底模和木模盡可能晚些拆模，采取帶模養(yǎng)護；鋼制側模在一個星期之內(nèi)拆模，既保護混凝土又不至于鋼模銹蝕在混凝土表面留下痕跡。

4.1.6 混凝土的測溫和及時養(yǎng)護

按溫控技術進行保溫養(yǎng)護，降低大體積混凝土澆筑塊體的內(nèi)外溫差值以降低混凝土塊體的自約束應力，降低大體積混凝土澆筑塊體的降溫速度，充分利用混凝土自身的抗拉強度以提高混凝土塊體的抗裂能力，保持良好的濕度和抗風條件，使混凝土在有利環(huán)境下得到良好的養(yǎng)護。

4.2 現(xiàn)場試驗

泵站底板混凝土施工中的有利因素是底面、頂面為自由面，底面直接與地基接觸，對混凝土散熱保溫有一定的好處。但在極端氣溫下施工的保溫降溫要求較高，本工程所在地為深圳，又是夏季施工，施工外界環(huán)境污染嚴重、氣溫高、體積大、基坑面積大，又是商品混凝土泵送入倉，為確?；炷敛划a(chǎn)生溫度裂縫或控制在允許寬度范圍內(nèi)，我們就原材料選擇與配合比實驗、模板材料及其支撐體系、機械設備選用與匹配、混凝土澆筑強度、勞動力組織、操作技術與安全交底等施工組織與施工工藝方面有針對性地制定了詳細的施工方案，嚴格按方案施工。為了從根本上控制裂縫產(chǎn)生，我們從源頭上抓起，主要做了兩類實驗。兩類實驗同時進行：

（1）第一類：混凝土配合比設計實驗。

本類試驗包括三個實驗，一是普通混凝土配合比設計，確定普通混凝土配合比為水∶水泥∶砂∶石∶摻合料（粉煤灰）∶外加劑（減水劑）=0.54∶1.0∶2.6∶3.42∶0.2 376∶0.0 264，水灰比0.43。二是防腐混凝土配合比設計，防腐混凝土配合比為水泥∶砂∶石∶摻合料（粉煤灰）∶摻合料（防腐劑）∶外加劑（減水劑）=0.57∶1.0∶2.54：3.52∶0.184∶0.131∶0.028，水灰比為 0.44。 三是大體積防腐混凝土配合比設計，經(jīng)過現(xiàn)場澆注試驗和專家會議討論，確定本工程大體積防腐混凝土配合比為水∶水泥∶砂∶石∶摻合料（粉煤灰）：摻合料（礦粉）∶摻合料（防腐劑）：外加劑（減水劑）=0.64∶1.0∶3.07∶4.21：0.24∶0.14∶0.152∶0.0 291，水灰比為 0.43。

（2）第二類：溫控及模板體系與澆注工藝試驗。

為了得到大面積施工工藝，我們特意選擇場地進行現(xiàn)場實體模擬實驗，按照實體結構尺寸做長3.5m，寬3.5m，厚3.5m混凝土塊，模板采用平衡混凝土內(nèi)外溫差，滿足實體施工溫控要求，內(nèi)部沿高程方向等厚三分布兩層冷卻水管進行通水冷卻降溫，冷卻水管采用Ф25鍍鋅鋼管，布設測溫元件跟蹤測量不同部位溫度，根據(jù)不同的表現(xiàn)觀察、分析原因，調整、完善施工方案。

4.3 原材料選擇與控制

4.3.1 選擇細度模數(shù)較大的粗砂、減小砂率

混凝土的干燥收縮隨砂率的增大而增大。經(jīng)過試驗得知使用較高強度的粗砂，混凝土的彈性模量較高，收縮量較小，可減少開裂。本工程選擇東莞珠三角出?？诤拥纼?nèi)采取的表觀密度2 630 kg/m3，堆積密度1 480 kg/m3，細度模數(shù)2.9，含泥量0.6%的粗砂，使用之前進行二次清洗去除雜質。

4.3.2 適當增加粗骨料含量，盡量選用粒徑較大，級配良好的粗骨料

本工程混凝土用碎石粒徑受混凝土泵送限制不能太大，為方便施工又不影響施工質量。本工程采用中山市產(chǎn)最大粒徑25mm、級配良好的花崗巖質碎石。

4.3.3 采用中低水化熱的非早強型普通硅酸鹽水泥，并盡量減少水泥用量

中低水化熱水泥在拌和過程中水化熱釋放較小，混凝土升溫較為緩慢，加上盡量少的水泥用量，可有效控制水化熱的產(chǎn)生，對控制混凝土凝結初期內(nèi)部溫度的驟升和減小混凝土內(nèi)外溫差有至關重要的作用。通過試驗，本工程用普通硅酸鹽水泥每立方用量265 kg。

4.3.4 采用混凝土摻加技術

由于本工程所處水環(huán)境已被嚴重污染，腐蝕性極強，設計采用防腐混凝土，故在做配合比試驗時采用多次不同配比試驗，最終選擇摻加15.67%的F類Ⅱ級粉煤灰，9.14%的S95礦渣粉，9.92%的 SYKS型抗腐蝕增強劑，1.90%的FST-2型高效緩凝減水劑。通過采用混凝土摻加技術，減少水泥用量，降低水化熱并使混凝土在常溫下延長初凝時間。

4.3.5 拆 模

加入水泥用量14%的UEA膨脹劑，使混凝土在凝固過程中產(chǎn)生微膨脹，抵消混凝土在凝固過程中的收縮量，同時提高混凝土自防水能力

4.4 溫控措施

為確保本工程大體積混凝土滿足強度和外觀等質量要求，對混凝土澆筑施工主要采取以下幾點溫控措施：①原材料冷卻；②控制混凝土入模溫度；③注意混凝土澆筑方法；④溫度監(jiān)控和循環(huán)通水冷卻；⑤保溫保濕養(yǎng)護。

4.4.1 原材料冷卻

由于本工程的混凝土為商品混凝土，為保證混凝土的質量，要求商品混凝土攪拌站采取用冷卻水拌和、加冰拌合等措施保證運至施工現(xiàn)場入模的商品混凝土不超過30℃，并安排專職試驗工到混凝土公司不定期的抽查混凝土原材料，包括水泥、骨料、粉煤灰和外加劑的品牌和用量是否滿足已審批的配合比要求。在混凝土拌合前及拌合中，控制水泥的入機溫度小于60℃。

混凝土運輸采用混凝土攪拌運輸車，運輸車具有防風、防曬和防雨設施?；炷吝\輸車在裝料前，將罐內(nèi)的積水排盡。

4.4.2 控制混凝土入模溫度

澆筑前需測量混凝土溫度，每臺班不得少于2次。本試驗段混凝土入模溫度為30℃，混凝土澆筑體在入模溫度基礎上的溫升不宜大于50℃?；炷翝仓K體的里表溫差（不含混凝土收縮的當量溫度）不大于25℃。混凝土澆筑體的降溫速率不大于2℃/d，混凝土澆筑體表面與大氣溫差不大于20℃。

4.4.3 注意混凝土澆筑方法

（1）分層澆筑。試驗段混凝土澆筑層厚度為（300～500）mm。澆筑時縮短間歇時間，并在前層混凝土初凝之前將次層混凝土澆筑完畢。層間最長間歇時間不應大于混凝土6 h的初凝時間（從混凝土出廠開始計算）。當層間間歇時間超過混凝土的初凝時間時，層面應做施工縫處理。

（2）分塊澆筑。根據(jù)試驗段結構形式，擬先澆筑-9.0m齒槽位置，再澆筑上游-8.625m的齒槽位置，兩個齒槽澆筑完成后，最后從-7.625m高程處澆筑至-5.625m高程（廊道位置澆筑至-7.5m和-6.5m）。

（3）澆筑順序。無論是齒槽位置還是齒槽以上底板澆筑，入倉順序都由5#機組和4#機組分兩個入料點，分別用混凝土泵車入料，向中間推進。

4.4.4 溫度監(jiān)控和水循環(huán)冷卻控制工藝

（1）溫度監(jiān)控。在本工程混凝土澆筑前，需布設溫度監(jiān)測點，用以監(jiān)控混凝土內(nèi)部溫度。當監(jiān)控溫度接近警戒值時，即需要在預埋的冷卻水管內(nèi)通水以降低混凝土內(nèi)外溫差。

溫度監(jiān)控的警戒值為：混凝土澆筑體在入模溫度基礎上的溫升不大于50℃?；炷翝仓K體的里表溫差（不含混凝土收縮的當量溫度）不大于25℃?；炷翝仓w表面與大氣溫差不大于20℃。

當因通水造成混凝土澆筑體的降溫速率大于2℃/d時，即需要停止通水冷卻。

溫度監(jiān)控頻率為：混凝土澆筑體里表溫差、降溫速率及環(huán)境溫度的測試，在混凝土澆筑后，每晝夜不應少于4次。

混凝土澆筑體內(nèi)溫度監(jiān)測點的布置按如下原則：

① 監(jiān)測點的布置范圍以所選混凝土澆筑體平面對稱軸線的半條軸線為測試區(qū)，在測試區(qū)內(nèi)監(jiān)測點按平面分層布置。

② 在測試區(qū)內(nèi)，監(jiān)測點的位置與數(shù)量根據(jù)混凝土澆筑體內(nèi)溫度場的分布情況及溫控的要求確定。

③ 在每條測試軸線上，設置4處監(jiān)測點。

④ 沿混凝土澆筑體厚度方向，必須布置外表、底面和中心溫度測試點，其余測點按間距不大于600mm布置。

⑤ 保溫養(yǎng)護效果及環(huán)境溫度監(jiān)測點數(shù)量應根據(jù)具體需要確定。

⑥ 混凝土澆筑體的外表溫度，為混凝土外表以內(nèi)50mm處的溫度。

⑦ 混凝土澆筑體底面的溫度，為混凝土澆筑體底面上50mm處的溫度。

根據(jù)上述布置原則，在主廠房試驗段（4#、5#機組底板）澆筑前，設置溫度監(jiān)測點，分別在該處底板順水流和垂直于水流方向的半軸線上分別布置4個溫度監(jiān)測點。

測溫元件順水流方向布置 H1、H2、H3、H4，垂直于水流方向布置S1、S2、S3、S4，各測溫元件水平面上，間距為2m，H1布置高程為-7.3m（底板豎向中心位置），H2布置高程為-5.675m（底板澆筑面以下50mm），H3布置高程為-7.575m（墊層以上50 mm），H4布置高程為-6.975m（H3以上 600mm）。 S1布置高程為-5.675m（底板澆筑面以下50mm），S2布置高程為-7.3m（底板豎向中心位置），S3布置高程為-8.95 m（墊層以上50 mm），S4布置高程為-8.35m（S3以上 600mm）。

本試驗段的測溫元件已符合下列規(guī)定：測溫元件的溫度誤差不大于0.3℃（25℃環(huán)境以下），測試范圍為（-30～150）℃，絕緣電阻應大于 500MΩ。

測試過程中及時描繪各點的溫度變化曲線和斷面的溫度分布線。發(fā)現(xiàn)溫控數(shù)值異常應及時報警，并應采取混凝土的降溫或保溫保濕措施。

（2）水循環(huán)冷卻控制工藝。由于本工程屬于大體積混凝土澆筑，為防止因溫度應力而產(chǎn)生的裂縫，除了控制混凝土原材料的溫度和質量、混凝土澆筑的入模溫度和混凝土澆筑的順序和層厚之外，需要在本試驗段內(nèi)布置冷卻水管作為預防措施。

當混凝土澆筑后，通過測溫元件按照在混凝土澆筑后每晝夜4次的頻率測量混凝土的表里溫差和溫升，當測得混凝土在入?；A上的溫升達到40℃，或者混凝土里表溫差達到15℃時，則需通過預埋在混凝土內(nèi)的冷卻水管對混凝土進行降溫。具體的降溫措施為：

① 冷卻水管的布置與安裝。本工程底板厚度為2 m，在檢修廊道齒槽位置，底板厚度為3.5m，在主廠房上有齒槽位置，底板厚度為3m。根據(jù)本試驗段結構形式，在底板中層位置（-6.625m高程處）設置冷卻水管；廊道齒槽位置冷卻水管高程為-7.75m。2m厚底板位置的冷卻水管直接輻射在底板中層鋼筋上，垂直于機組軸線方向的間距為1m，并用Φ12mm鋼筋做成“□”型固定鋼管，并將Φ12mm鋼筋點焊到鋼筋上；在廊道位置，用Φ12mm鋼筋做成“□”型彎勾勾住冷卻水管，并將Φ12mm鋼筋點焊到鋼筋上。

② 通水降溫冷卻。冷卻水管采用DN32鋼管，管樁轉彎處采用90°的DN32彎頭轉彎，在冷卻水管進出水位置各設置一個控制閥門用于控制進水與放水。

由于本試驗段所布置的冷卻水管為預防措施，其主要目的為控制因混凝土內(nèi)部溫升過快或內(nèi)外溫差較大而產(chǎn)生的溫度裂縫。由于本試驗段已經(jīng)埋設測溫元件，故在混凝土澆筑完成后安裝測量頻率測量混凝土內(nèi)外溫差，當混凝土在入?；A上的溫升達到40℃，或者混凝土里表溫差達到15℃時，即通過安放在基坑內(nèi)1#降水井旁的水泵向冷卻水管內(nèi)通水降溫，水泵與冷卻水管之間通過塑料軟管連接，水泵放在1#降水井旁預先挖設的積水坑中；在冷卻水管出水處也連接塑料軟管，用于將冷卻水排回到積水坑內(nèi)。

通水降溫后，仍按測溫頻率監(jiān)測混凝土內(nèi)外溫度，當混凝土內(nèi)部的降溫速率接近2℃/d時，停止向冷卻水管內(nèi)供水。

5 保溫保濕養(yǎng)護

在每次混凝土澆筑完畢后，應按溫控技術措施的要求進行保溫養(yǎng)護，并符合下列規(guī)定：

（1）專人負責保溫養(yǎng)護工作，按規(guī)范操作，采用先灑水，再鋪設土工布和塑料薄膜并壓木枋。

（2）在混凝土澆筑完成，表面收好面后，立即進行噴霧保濕處理，覆蓋塑料薄膜和土工布進行養(yǎng)護，保濕養(yǎng)護的持續(xù)時間不得少于14 d，并應檢查塑料薄膜和土工布的完整情況，保持混凝土表面濕潤。

（3）保溫覆蓋層的拆除應分層逐步進行，當混凝土的表面溫度與環(huán)境最大溫差小于20℃時，可全部拆除。

當混凝土表面和外界溫差接近20℃時，搭設擋風保溫棚。大風天氣澆筑時，除應搭設擋風棚外，還應增加混凝土表面的模壓次數(shù)，并及時覆蓋保溫材料和塑料薄膜?；炷敛鹉：?，地下結構及時回填土，不應長期暴露在自然環(huán)境中。

澆筑施工前應提前掌握當天天氣情況，若將出現(xiàn)降雨情況，應避免澆筑施工。若施工澆筑過程中突遇降雨情況，除做好必要的防雨措施之外，必要時在結構的合理位置留置施工縫，并應盡快終止混凝土澆筑；對已澆筑還未硬化的混凝土應立即進行覆蓋，嚴禁雨水直接沖刷新澆筑的混凝土。

6 裂縫控制效果和結論

通過對大型泵站大體積混凝土裂縫產(chǎn)生機理和原因的分析，本工程在施工中有針對性地采取了一系列的控制措施，經(jīng)過半年的觀測，所有部位均未產(chǎn)生任何肉眼可見裂縫。

大型泵站大體積混凝土結構裂縫并不是洪水猛獸，裂縫的產(chǎn)生很正常甚至有時是不可避免，只是發(fā)生的原因錯綜復雜，重點是在事前控制。中國地域寬廣，應針對不同的地點和建筑物所處環(huán)境，合理地進行結構設計，有針對性實驗，擬定適合于具體工程的施工方案，正確選擇原材料，多方案配合比試驗比較，嚴格按照施工技術方案和設計、規(guī)范施工控制，采取有效的技術措施，加強施工監(jiān)控與控制調整。只要正確地采取綜合措施，就能把裂縫有效地控制在允許范圍內(nèi)。