混凝土抗裂技術(shù)在水利工程施工中的應(yīng)用

張建剛，何光紅

(浙江天澤水電建設(shè)有限公司，浙江 衢州324000)

0 引 言

2009年8月29日，水利部“948”項目管理辦公室在武漢市組織召開了由長江科學(xué)院材料所承擔(dān)的水利部“948”引進(jìn)項目“水工大體積混凝土裂縫機(jī)理及抗裂性評估關(guān)鍵技術(shù)”驗收會。此項目針對水利水電工程建設(shè)中影響工程質(zhì)量和耐久性關(guān)鍵因素——大體積混凝土開裂問題，引進(jìn)了國際先進(jìn)的混凝土溫度應(yīng)力抗裂試驗機(jī)及抗裂性評估關(guān)鍵技術(shù)［1］。

引進(jìn)技術(shù)涵蓋了混凝土實際溫度發(fā)展歷程及力學(xué)、熱學(xué)、變形性能發(fā)展的全過程，并可模擬環(huán)境因素的影響，評價結(jié)果客觀、精確，大大縮短了試驗周期，顯著減小了測試工作量，在混凝土配合比優(yōu)化設(shè)計與抗裂性評價方面有著突出的優(yōu)勢，是一種可靠的混凝土抗裂性評價試驗方法，總體達(dá)到國際先進(jìn)水平，具有廣闊的應(yīng)用前景。

水利工程的好壞直接影響人類賴以生存的水資源，因此我們對水利工程的施工過程要足夠重視。水利工程施工中大量使用混凝土這種脆性材料，它的制造過程是將若干種材料混合而成，這就導(dǎo)致其抗變形能力較弱，極易產(chǎn)生裂縫，使得水利工程建設(shè)遭到破壞［2－3］。下文將分析混凝土裂縫產(chǎn)生的機(jī)理，給出相應(yīng)的預(yù)防措施。

1 水利工程施工中產(chǎn)生混凝土裂縫的原因

1.1 收縮應(yīng)力產(chǎn)生裂縫

混凝土上有時會出現(xiàn)一種界面裂縫，其分布隨機(jī)，無明確規(guī)律可循，這種裂縫的產(chǎn)生是由于受到混凝土里各部位不同的收縮應(yīng)力所致，這種裂縫一般在粗骨料和砂漿的分界面上產(chǎn)生?？偠灾?，界面裂縫就是破壞了分界面而產(chǎn)生的裂縫。這里有必要講述什么是收縮應(yīng)力［4］。

一般為了完成水利工程施工，需要大量的混凝土構(gòu)件，在這些構(gòu)件的制作過程中，不在構(gòu)件上施加外力。水泥材料在此制作過程中發(fā)生水化，同時混凝土又發(fā)生了硬化作用，二者的共同作用使得砂漿所占體積發(fā)生改變，這樣就產(chǎn)生了收縮應(yīng)力。構(gòu)件受到收縮應(yīng)力時，界面裂縫將在楔形界面上端聚集。當(dāng)壓力增加時，這種聚集將越集中于一個點(diǎn)，這樣會產(chǎn)生若干條相對較大的裂縫。

1.2 溫度應(yīng)力產(chǎn)生裂縫

一般混凝土處于環(huán)境較為復(fù)雜的場地，酸堿性、濕度和溫度都隨著時間的變化而變化，因此也深刻影響著混凝土的質(zhì)量。其中溫度帶來的影響也能夠用熱脹冷縮原理來解釋［5］。

一般而言，混凝土擁有較小的膨脹系數(shù)，這個值與鋼材等材料有不小差距。正因如此，混凝土只有在溫差很大的情況下才會有明顯膨脹，然而相同的溫差鋼筋膨脹程度強(qiáng)，這樣鋼筋就會對混凝土產(chǎn)生拉力，導(dǎo)致混凝土的結(jié)構(gòu)受損，產(chǎn)生溫度應(yīng)力裂縫。這種由于溫差帶來的裂縫不僅與環(huán)境有關(guān)，有時還與施工過程中水泥與水的混合有關(guān)。

眾所周知，水泥和水接觸將會發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，并釋放大量的熱量，在較次的水泥中該熱量無法散失，會導(dǎo)致混凝土溫度急劇增加，混凝土內(nèi)部溫度明顯高于外部，由于熱脹冷縮原理，混凝土上出現(xiàn)顯著的裂縫［6］。

為控制這種現(xiàn)象的發(fā)生，運(yùn)用較為廣泛的方法是添加減水外加劑，除此之外還可以使用質(zhì)量上乘的水泥，在與水發(fā)生反應(yīng)時產(chǎn)熱量小，避免溫度驟變帶來的危害。這種溫度應(yīng)力產(chǎn)生裂縫的現(xiàn)象在冬天發(fā)生更加頻繁。

1.3 水泥質(zhì)量不合格產(chǎn)生的裂縫

水泥的一個重要性能是穩(wěn)定性，這種性能低下會產(chǎn)生龜裂?；炷恋闹谱鬟^程是將膠凝材料、水和各種類型的骨料混合起來，混合比例可以參見表1。

混合完成后放置在機(jī)器里攪拌，直至形成水泥，過一段時間水泥逐漸冷卻，最終硬化為人造石材。在此冷卻硬化過程中，如果因為上述攪拌過程不均勻，就會產(chǎn)生氣孔裂紋，經(jīng)過冷卻硬化，這些裂紋會相互連接起來，形成更為明顯的大裂紋，這種大裂紋對工程質(zhì)量有嚴(yán)重隱患［7］。

一般裂縫的出現(xiàn)和水泥質(zhì)量有直接關(guān)系，幾乎所有混凝土上都有細(xì)小裂紋，但是只要裂紋符合在允許范圍內(nèi)，就不會影響水利工程質(zhì)量。一般質(zhì)量上乘的混凝土擁有更強(qiáng)的耐久性，其上出現(xiàn)細(xì)小裂紋不會影響它的整體質(zhì)量。因此為了工程的順利實施，必須從源頭抓起，確保水泥質(zhì)量，對偷工減料的行為要嚴(yán)厲打擊。

表1 混凝土制作時的混合比例以及性能指標(biāo)

2 預(yù)防混凝土裂縫產(chǎn)生的措施

2.1 解決收縮應(yīng)力所引起裂縫的方法

由收縮應(yīng)力產(chǎn)生的裂縫可以從混凝土自身材質(zhì)方面解決，根據(jù)相應(yīng)的比例進(jìn)行混合調(diào)配，精確確定各個材料加入量和成分的比例，這樣按照比例做出的混凝土質(zhì)量好，過程快。混凝土質(zhì)量好壞取決于調(diào)配時各個混合材料的優(yōu)劣。一般用有較強(qiáng)可塑性的水泥在熱量散失方面也做得更好。只要堅持按照科學(xué)的混合比進(jìn)行調(diào)配，就能有效地消除裂紋。完成了混凝土的調(diào)配工作，就要進(jìn)行混凝土的攪拌過程了，這一環(huán)節(jié)需要有足夠的實戰(zhàn)經(jīng)驗，要求有熟練的技巧，才能保證混凝土有優(yōu)質(zhì)的質(zhì)量和最佳的黏性［8］。

2.2 解決溫差所引起裂縫的方法

由溫差引起的混凝土裂紋是最為常見的，為消除這種裂紋可以優(yōu)化施工過程。在進(jìn)行澆筑混凝土?xí)r，可以按照科學(xué)的辦法，分塊分區(qū)域進(jìn)行澆筑，應(yīng)當(dāng)注意的是要確?；炷帘砻孀銐蚱秸?，這樣可以有效縮小溫度差，從而改善混凝土澆筑水平?；炷恋臄嚢柽^程中可以加入一定量的水，能夠控制澆筑溫度在一定范圍內(nèi)。

通常一些擁有多年實踐經(jīng)驗的施工人員在進(jìn)行混凝土的澆筑過程時，還會使用適量的添加劑，其中用的最廣泛的是減水防裂劑。使用這種添加劑可以降低混凝土澆筑時的需水量，保證水泥漿有充分的黏稠度，使混凝土收縮能力更上一個臺階，以此同時混凝土的抗拉抗裂強(qiáng)度都會明顯提高。

除了減水防裂劑以外，還有一些功能指向性更強(qiáng)的特殊添加劑，它能使混凝土達(dá)到良好密實程度，抗碳化能力增強(qiáng)，此類添加劑可以預(yù)防后果嚴(yán)重的貫穿性混凝土裂縫［9］。

水利工程施工人員在遇到較高的外界氣溫時，應(yīng)當(dāng)及時降低混凝土澆筑厚度，提高澆筑面的散熱效率，一方面縮小了水利施工人員的工作量，另一方面也能確保混凝土質(zhì)量不會受損。如果技術(shù)能夠達(dá)到要求，則可以試圖通過改變混凝土內(nèi)外結(jié)構(gòu)的溫度梯度實現(xiàn)混凝土裂紋的防護(hù)工作。

2.3 解決水泥不穩(wěn)定所引起裂縫的方法

為了有效預(yù)防裂紋的產(chǎn)生，應(yīng)當(dāng)確?；炷恋闹谱鬟^程操作無誤?；炷脸煞种袚碛嘘P(guān)鍵地位的一項就是水泥的質(zhì)量。水利工程利用的水泥應(yīng)當(dāng)是發(fā)熱量低、強(qiáng)度好的特制水泥，確保C2S + C3S ≥80%，C3A ＞5%，C3AF≤15%。水泥的使用要堅持少而精的原則，水利工程忌諱使用過于繁雜的水泥品種。

在一些混凝土中骨料占有較大的比例，甚至達(dá)到80%以上。優(yōu)質(zhì)的骨料應(yīng)當(dāng)有較強(qiáng)的抗膨脹性能，巖土的彈性模量低，表面清潔無雜質(zhì)。

制作混凝土?xí)r應(yīng)當(dāng)確保原材料質(zhì)量合格，可以適當(dāng)增添相應(yīng)部門專門監(jiān)管原材料的質(zhì)量。只有確保了混凝土的質(zhì)量符合要求，才能保證整個水利工程施工順利進(jìn)行。

3 裂縫的修補(bǔ)方法

盡管上一節(jié)給出若干預(yù)防混凝土裂縫產(chǎn)生的辦法，但是由于混凝土的自身特性，使裂縫的產(chǎn)生無法完全避免。一旦裂縫產(chǎn)生，應(yīng)當(dāng)采取積極地修補(bǔ)工作，才能防微杜漸，防止裂縫造成的損失進(jìn)一步擴(kuò)散。具體的裂縫修補(bǔ)方法主要有以下4 種:

3.1 表面處理法

這種方法是使用角磨機(jī)等工具將混凝土外部表面的各類雜質(zhì)去除。在混凝土表面經(jīng)常會附著油污、土層等污垢，通過角磨機(jī)的打磨，可以使混凝土的結(jié)構(gòu)層顯露，相關(guān)工作人員就能用相應(yīng)的技術(shù)手段將表面的裂縫修復(fù)完善，修復(fù)時需要添加補(bǔ)土劑。這里要注意的是，完成了混凝土表面打磨后，要用工程吹風(fēng)機(jī)將遺留在表面的粉塵除去，這樣才能方便膠合裂縫。

3.2 填充法

在面對尺寸較大的裂縫時，可以把具有修補(bǔ)能力的材料填充至這些裂縫中，這種方法叫填充法。填充之前需要在裂縫處開一個長度約為1 m的槽，形狀類似機(jī)械行業(yè)內(nèi)的鍵槽。填充法的特點(diǎn)是修補(bǔ)方便快捷，經(jīng)濟(jì)高效。

如果需要修復(fù)的裂縫較小，為使用填充法可以人為地將裂縫擴(kuò)大擴(kuò)深，這樣可以很大程度降低工作難度。

3.3 灌漿法

灌漿法在實際水利工程中得到廣泛的應(yīng)用，同時適用于微小的裂縫和較大的裂縫，適用性強(qiáng)。灌漿法的工作過程是采用高壓設(shè)備將修補(bǔ)材料壓入裂縫中，使裂縫處于充盈狀態(tài)，從而實現(xiàn)混凝土裂縫修復(fù)。

除上述灌漿操作外，還可以在需要灌漿的部位首先打孔，通過鉆孔實現(xiàn)水泥漿的填充。灌漿法操作過程簡單，修復(fù)效果良好，唯一缺點(diǎn)是對修復(fù)裝置的要求相對苛刻。灌漿技術(shù)多用于細(xì)小的混凝土裂縫。

3.4 碳纖維的使用

該修補(bǔ)方法的實施應(yīng)當(dāng)在出現(xiàn)裂縫的構(gòu)件表面涂刷樹脂，然后將事先準(zhǔn)備好的碳纖維片黏貼在涂滿樹脂的部位，在碳纖維上再刷一層樹脂，該過程要杜絕氣泡的出現(xiàn)。等待半個小時后，重新完成上述過程，在兩次涂刷樹脂的過程之間要防止粉塵污染。此時只需完成1 d時間的保養(yǎng)就能修復(fù)裂縫。但是此過程還應(yīng)當(dāng)控制環(huán)境溫度在5℃為最佳，周圍也不要擺放各種電器。黏貼碳纖維法操作過程簡單，修補(bǔ)效果最佳，但是修補(bǔ)過程注意事項多，而且耗時較長，該方法只在特殊條件下使用。

4 小 結(jié)

水利工程施工中最常見的問題之一就是混凝土裂縫，由于裂縫種類多，出現(xiàn)幾率大，因此對工程質(zhì)量帶來威脅。施工單位應(yīng)當(dāng)積極地展開預(yù)防工作，防患于未然，使混凝土具有較強(qiáng)的抗拉抗裂性能。如果依舊出現(xiàn)混凝土裂縫，就應(yīng)當(dāng)完成裂縫修復(fù)工作，對細(xì)小裂縫和較大裂縫采用不同的修補(bǔ)手段，高效解決裂縫給我國水利工程施工質(zhì)量帶來的威脅。

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［4］雷海，沈茂華. 針對水利工程中混凝土抗裂技術(shù)的研究［J］. 中華民居，2012(11):254－255.

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［7］劉立新. 簡析水利施工中大體積混凝土抗裂技術(shù)［J］. 科技展望，2015(04):89.

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