面板砼裂缝形成的原因及预防措施

王 哲
 

摘要：
面板堆石坝工程中，砼面板的裂缝问题是长期以来困扰着业内人士的技术难题。砼面板产生裂缝的原因是多种多样的，而控制面板砼出现裂缝的措施除了从结构的设计着手外，还要包括施工质量的控制、砼材料自身的特性特征以及砼面板的养护等各方面因素。本文就在分析面板砼形成裂缝原因的基础防上，提出相应的预防措施。
关键词：面板砼；裂缝成因；预防措施
一、砼面板裂缝形成的原因
在施工过程中，堆石坝砼面板极易出现非结构性的裂缝问题，特别是收缩裂缝，其对于坝体的防渗性能有着直接的影响。所以针对砼面板产生裂缝的原因要深入研究。面板砼会受到来自于外部及内部约束的限制，当其进行收缩变形时就无法得到满足，从而出现砼材料介质不连续的现象，最终形成面板砼的收缩裂缝。此外，产生这种裂缝的主要原因不仅和收缩变形的大小有关，而且面板砼的约束强弱对其也有着直接的影响。我们可以计算面板砼的收缩裂缝计算模型如下式：
△=δc自由-δc限制
其实由上式可以看出，如果处于自由收缩的条件下，面板砼不会出现收缩裂缝。而将面板处于自由条件下及约束限制条件下的收缩变形做出比较，可以发现面板砼产生了伸长变形，面板就是由于该原因而发生裂缝的。在讨论时为便于计算，可以将面板长度的影响排除，则面板砼的伸长应变则由下式所述：
ε=△/L=δc自由/L=δc限制/L=δc自由-δc限制=Kδc自由
上式中：ε：面板砼的伸长应变，为时间t的函数
         δc自由：面板砼自由收缩应变，为时间t的函数
         δc限制：面板砼限制收缩应变，为时间t的函数
         K：面板约束系数，其大小所反应的是面板约束的强弱，值的变化范围在0-1
由可以由上式得出面板介质连续性，即不会发生收缩裂缝的充要条件如下式所述：
Kε（t）c自由≤ε(t)p
上式中：：ε(t)p：砼极限拉伸值，为时间函数
由此可见，在砼凝结硬化的整个过程，如果要防止裂缝问题的发生，则要随时可以满足上述充要条件。
接下来我们对面板的收缩裂缝宽度进行计算，通过上述分析可得知，如果面板砼的伸长应变ε=Kεc自由>εp时，面板就会出现收缩裂缝。则沿着长度方向裂缝的累计总宽度△L则可以用下式表述：
△L =（ε-εp）L=（Kεc自由-εp）L
由上述研究可以看出，影响面板裂缝宽度的相关因素包括面板的长度、面板砼的极限拉伸、约束系数以及面板砼受到外界条件作用时的自由收缩值。
二、预防面板砼出现裂缝的措施
（一）聚丙烯纤维
1、聚丙烯纤维材料
近些年都有大量的试验结果证明，在砼中掺入低掺量的聚丙烯纤维，通常为每立方米0.9kg，其并不会对砼的抗压强度、劈拉强度、抗折强度以及极限拉伸值、弹性模量和长龄期的干缩等性能产生太大的影响，即使有影响其幅度也不会超过10%。而砼力学试验结果的离散性，已经超出聚丙烯纤维本身所带来的影响。聚丙烯纤维和砼基体弹性比只有1/6-1/9，由于其比值相对较低，理论上与普通的砼相比，其强度会有所下降，但是由于其掺量过小，因此其降低的幅度可以忽略不计。与抗压强度不同，砼抗拉强度对于微裂缝相对敏感，所以普通砼后期的抗拉强度增长的幅度不大。
而对于聚丙烯纤维砼而言，因为阻裂效应的影响，砼微裂缝的尺度及数量均有所降低，从而微裂缝发生、发展的机率就相对减少，砼的完整性就得到了较好的保持，进一步的促进砼长龄期抗议拉强度的持续性增长。聚丙烯纤维的加入对砼性能的影响是综合而全面的，其中提高早龄期砼体积的稳定性、降低砼早期收缩裂缝的应用价值最明显。所以在大面积砼薄壁结构中比较适用聚丙烯，并且其对于砼的其它性能也无不利影响。
2、施工注意事项
    采用聚丙烯纤维材料预防面板砼出现裂缝时，要注意施工过程中的以下几个问题：第一，配合比，因为聚丙烯纤维的抗碱性较高，分散性较好，因此对于水泥基体没有其它额外的要求，其水胶比、胶凝材料以及骨料和其它的外加剂根据常规的砼配合比来确定即可。砼的含气量、容重等特性受到纤维的影响并不大，只是稍微提前了凝结时间。尽管纤维可以提高砼的粘聚性，降低其离析及泌水性，提高其和易性，但是也会影响其坍落度，因此在实际施工时要先经过试验对其坍落度做出调节，适当的添加减水剂；或者在保证水灰比不变的前提下，适当的添加用水量及胶材的用量。第二，搅拌时间及投料顺度的控制，纤维可以和干料一起添加到搅拌机中，直接加水即可拌和，并且适当延长搅拌的时间，直至纤维在砼中均匀的分布。无需先干拌，否则不仅易粘盘，而且对环境也会造成严重的污染。第三，振捣和压面，在纤维砼成型的过程中并没有其它特殊的要求，如果砼的坍落度比较小，增加了振捣的难度，则要适当延长振捣的时间，以保证其振实充分。压面时纤维砼的难度要大于普通砼，并且砼面的光滑度也难以保证，因此在抹面时为了避免钩出纤维最好不要用木抹。
（二）添加膨胀剂
1、膨胀剂
   添加膨胀剂是可以防止及减少砼裂缝的有效途径之一。对于砼来说，自由收缩未受到约束自然不会出现裂缝，如果受到内外部的约束作用，其收结合实际在内部所产生的拉应力达到一定临界点时就会出现裂缝，但是如果自由膨胀不受任何约束，又会导致砼的内部疏松。如果在膨胀的过程中受到一定的约束对其结构是非常有利的，因为可以提高砼结构的密实度，从而砼就会产生预压应力。在砼中添加膨胀剂的主要作用也是利用这种受到约束的膨胀对砼收缩变形进行一定的补偿。对于面板砼而言，由于其基底和周边的约束都相对较小，主要是钢筋对其产生约束。而面板的配筋和结构配筋是不同的，面板基本上都是单配筋，其纵向配筋率多数为0.4%，钢筋的间距通常在260-300mm之间，和膨胀砼所要求的配筋细密的原则有一定差距。在掺入膨胀剂考虑约束条件时，通常只考虑配筋率，而对于面板配筋特点的关注相对较少。对于面板砼来说，靠近表层的部位要考虑是否具备可以产生预压应力的足够约束。如果约束小但是膨胀率过大，则砼的强度就会降低，甚至出现裂缝；如果膨胀率较小，相应的预应力也比较小，其对干缩的补偿能力也相对较小。至于在面板砼中添加微膨胀材料以抵消砼的收缩，要从砼的膨胀及收缩机理等方面做深入的研究。按照实际工程中配筋的特点、收缩模型以及变形条件做相关的应力计算。考虑约束条件的特点，面板砼中的膨胀率最好不要太大，尤其是配单层筋的高坝。
2、施工注意事项
如果施工过程中控制面板砼出现裂缝采用掺入膨胀剂的方法，那么要注意以下几点：第一，材料搅拌要保证其均匀性，以免由于膨胀不均匀导致局部开裂；第二，在早期要进行持续的湿养护，因为掺膨胀剂的砼在潮湿的环境中其膨胀效果相对较好，如果环境过于干燥则效果可能不明显；第三，选择膨胀剂性要尽量选择落差小的，即在应力松驰的条件下，如果膨胀结束后其收缩量，即落差，和不掺膨胀剂时一样，则其收缩应力也是一样的，或者更大。即使残余应变为正，仍有可以出现裂缝，只不过产生的时间稍有延后而已。所以与保证干缩后的剩余膨胀率相比，选择落差小的膨胀剂更重要。
参考文献:
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[3] 袁建新. 喀浪古尔水库大坝面板砼裂缝施工质量控制[J]. 西部探矿工程,2005(11)
[4] 张强. 喀浪古尔水库大坝面板砼裂缝施工预防措施[J]. 科技信息,2010(9)