围场满族蒙古族自治县水务局,河北省承德市068450
摘要:作为一种典型的水工建筑物,泵站分布广,数量多,其核心功能是调水、灌溉以及排涝,对经济建设作出巨大的贡献。然而,不少泵站在建设、运维阶段可能会产生裂缝,影响泵站整体的安全性。如何防范裂缝,成为各施工方关注的要点。本文分析了泵站施工期裂缝的成因,提出针对性的防裂措施。
关键词:泵站;裂缝;防裂
引言
泵站大多为薄壁结构,其断面形状不同,受气温、水温还有湿度的干扰大。加之浇筑次序或是质量低劣,混凝土可能会形成极高的拉应力,从而引起裂缝。关于裂缝,业界认为是多因素综合的结果,源自体积改变而释放一种应力。学者们从温度的层面入手,陆续对防裂方法展开了全方位的探索,以温控防裂为主。如表面保温、掺入外加剂或是通水冷却等措施,均能看到一定的防裂效果。
1泵站施工期裂缝成因
1.1混凝土施工方面
1)搅拌不匀。泵送时,水泥、水的具体用量偏大,搅拌不匀、集料下沉以及坍落度过高,加上钢筋锚固不当、预埋件松动或是模板变形,包括滑模工艺落后、模板过早拆除,表面未做好抹压等,这些均会引起工程裂缝。
2)温度控制。浇筑前,原材料未做好冷却或是遮光处理:出机口温度控制不当,浇筑完毕后没有做好相应地养护,也未能借助水冷技术来减小混凝土温差。在养护初期,有大风天或是日光暴晒,冬天也没有及时保温,引起低温破损。
3)施工安排:从搅拌到开始浇筑,期间间隔太久;先后顺序出错,浇筑不匀(如钢筋过密);浇筑间隔过久,未处理好其中的接缝;浇筑安排不合理;分缝分块不匀;施工组织不科学。
1.2荷载与结构原因
1)超荷载范围,如地震、台风天气,包括及温度、干缩以及差异沉降变形。2)结构截面改变太大,平面、单向尺寸太大,没有提前做好防裂工作。3)截面尺寸过小,钢筋具体的用量太少,加上配筋不合理。4)温度、收缩应力未做好科学地估算,抗裂钢筋配置缺乏,钢筋间距过大。5)受次应力的影响,受力或是变形也逐步地扩增。
1.3原料、技术原因
1)水泥:温、湿度太高,致使水泥出现了凝结异常,某些游离物,如CaO含量太高,引起非正常膨胀。另外,水泥中掺杂的泥土太多,混凝土脆性超标,也会引起裂缝。
2)集料:粗细膨胀系数超标,表面未得到完全清理,砂率控制不当,用到了碱性集料或是风化岩石。混凝土中,骨料的比例是个定数,介于80~82%。集料选择,很多时候也会影响甚至改变混凝土本身的抗裂性及其强度。
3)混凝土配比:水量太大、水泥用量过多、水灰比高等不科学的配合比,或是掺合料、硅灰以及矿粉等使用超出行业标准。
1.4环境因素
环境(尤其施工期)同样也会影响影响甚至加剧混凝土裂缝。因此,施工中有必要严格监测温、湿度变化,对高温、低温还有干燥,都要采取针对性的控制措施。浇筑结束后,经养护某个周期的混凝土不能放松,而是要继续维护,禁止长期裸露。同时,监测最新的气象信息(如降温、降雨),雨中不适合浇筑。若不然,水灰比可能会引起变化。施工完毕后,才能对结构进行验收,并投入正式使用。受环境(如装修条件)、温湿度或是振动,以及荷载变化等多因素的限制,施工后期同样也可能会有开裂的情况。
2泵站施工期温控防裂方案
2.1材料优化
2.1.1降低混凝土的绝热温升
內部温升过大,无疑是混凝土开裂的根本缘由。减小绝热温升,有助于控制温升幅度,也是最科学的防裂方法。建议选择中热或是低热水泥,也可以往其中掺加适当比例的粉煤灰,以防止其绝热温升。和其它矿物成份相比,硅酸三钙(C3S)以及铝酸三钙(C3A)更容易放热,且它的水化热总量相对偏高。当掺入适当矿物成分后,中热、低热水泥中的C3S、C3A含量也会随之减少,由此控制水化放热总量。考虑到粉煤灰本身的活性要比水泥更低,有助于控制发热量,优化混凝土本身的和易性。不过,降低绝热温升的前提是确保混凝土的各项性能符合工程建设之需,最好是利用试验加以明确。
2.1.2提高混凝土的抗拉强度
降低水灰比,掺加适量的纤维材料,都是增加抗拉强度,预防混凝土开裂的科学举措。当水灰比下去后,混凝土本身的弹性模量反而会扩大,其徐变逐步减小,但是拉应力不一定会减小。可见,降低水灰比某些情况下并不能真正防止混凝土开裂。将适当的纤维材料掺加至混凝土中后,其抗拉强度也会大幅度提升,如抗渗性、抗冲击性以及它的耐磨性,都会比原来有好转。不过,掺入这类材料后,混凝土总体的成本也会上涨,且需要更长的时间进行拌合。所以,这种方法最好是用于抗裂或是对抗冲耐磨有严格要求的部位。
2.1.3掺入减水剂
在不改变水灰比及其流动性的情况下,将适量的减水剂掺加至混凝土中,能够很好地控制水泥、水的具体用量,减少绝热温升。在流动性及其水泥用量维持恒定的情况下,掺加少量的减水剂后有助于控制用水量,增加混凝土总体的强度。可见,掺加减水剂实质上对施工期防裂有一定的益处。
2.1.4掺入膨胀剂
膨胀剂,很多时候能够弥补自生体积收缩以及温缩变形,改善混凝土后期的应力状态,防止开裂。
2.1.5配筋设计的优化
泵站流道和底板均属于易裂部位。除按照结构承载和具体要求来对受力钢筋进行配置外,混凝土表面上也要增配少量的温度钢筋,以优化混凝土本身的抗裂性。对温度钢筋而言,其直径最好是10-14mm,间距介于100-150mm,分布于钢筋外侧。同时,和混凝土边缘之间需要相隔25-30mm。对温度钢筋进行增配后,混凝土表面也不会再频繁地开裂。不过,该种钢筋对于贯穿性裂缝几乎没什么限裂作用。
2.2施工优化
除优化设计外,我们也要从施工控制的角度,做好温控防裂工作。
2.2.1分块浇筑
分块浇筑,指的是结合泵站的内部结构,利用临时施工缝来对整个结构进行划分,使其成为若干不同的块体,做到间隔浇筑。受施工方自身生产能力的影响,利用分块浇筑,能够很好地防止混凝土在早期就存在过大的内外温差,降低前、后期开裂的可能。典型的分块方式:如“后浇带”或是“吊空模板”。
2.2.2降低浇筑温度
施工期间,要想办法控制浇筑温度。温度越低,早期温差、后期温降相对也就会越小。此时,混凝土在前后期就越不容易有开裂的情况。施工时,建议结合现场情形来采取针对性的降温措施,如地龛取料,控制骨料温度、冰水拌合或是做好隔热保温、避开每年的高温天气等。
2.2.3表面保温和养护
表面开裂,归根结底是由于内外温差太大。将一些保温材料覆盖于混凝土表面后,其内外温差也会随之减小,并逐步地改善结构的应力状态,防止过早地开裂。经保温处理后,其后期降温也会更加严重。所以,单纯做好表面保温也很难有满意的收效。
2.2.4通水冷却
过去,通水冷却通常适合那些混凝土重力坝,或是拱坝施工。对于泵站还有水闸这些常见的水工建筑物,几乎没什么应用。据文献报道,南水北调大型工程中的东线,就有多个泵站中也在使用该技术。在流道、底板施工中,我们也会在混凝土中安装冷却水管,同时直达井水冷却,其成效十分良好。通水冷却,能够很好地控制水化热量,减小内外温差以及降温幅度,优化混凝土本身的抗裂性。如何明确合理的水管形式,如何选择水管材质、直径、如何设计层距与间距、如何控制通水流量等,这些仍有待深入研究。
3 结束语
上文阐述了泵站施工期裂缝的成因,尽管学术界有不同的看法,但对具体的防裂措施还是较为统一,在工程应用中已有初步的应用效果。今后,我们也要多观察、多对比,结合工程特点来分析问题,采取技术可行、经济性高的防裂措施,从根本上预防和控制混凝土裂缝。
参考文献
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