水利工程中混凝土裂縫的成因與防治

楊自剛

[摘要]在許多水利工程建筑物中，混凝土的裂縫問題是一個普遍存在而又難以解決的工程實(shí)際問題，對水利工程常見的混凝土裂縫的成因進(jìn)行了探討分析，并有針對性地提出了一些防治措施。

[關(guān)鍵詞]水利工程建筑物；混凝土裂縫；防治措施

1.混凝土裂縫產(chǎn)生的原因

混凝土中產(chǎn)生裂縫有多種原因，主要是由于溫度和濕度的變化，原材料不合格，模板變形，基礎(chǔ)不均勻沉降，養(yǎng)護(hù)不充分等?；炷劣不陂g水泥施放出大量水化熱，內(nèi)部溫度不斷上升，在表面引起拉應(yīng)力。后期在降溫過程中，由于受到基礎(chǔ)或老混凝土的約束，又會在混凝土內(nèi)部出現(xiàn)拉應(yīng)力。氣溫的降低也會在混凝土表面引起很大的拉應(yīng)力。當(dāng)這些拉應(yīng)力超出混凝土的抗裂能力時，即會出現(xiàn)裂縫。許多混凝土的內(nèi)部濕度變化很小或變化較慢，但表面濕度可能變化較大或發(fā)生劇烈變化。如養(yǎng)護(hù)不周，時干時濕，表面干縮形變受到內(nèi)部混凝土的約束，也往往會導(dǎo)致裂縫。

混凝土是一種脆性材料，抗拉強(qiáng)度是抗壓強(qiáng)度的1/10左右，短期加荷時的極限拉伸變形只有0.6×104-1.0×104，長期加荷時的極限拉伸變形也只有1.2×104-2.0×104。由于原材料不均勻，水灰比不穩(wěn)定，及運(yùn)輸和澆筑過程中的離析現(xiàn)象，在同一塊混凝土中其抗拉強(qiáng)度又是不均勻的，存在著許多抗拉能力很低，易于出現(xiàn)裂縫的薄弱部位。在鋼筋混凝土中，拉應(yīng)力主要是由鋼筋承擔(dān)，混凝土只是承受壓應(yīng)力。在素混凝土內(nèi)或鋼筋混凝土的邊緣部位如果結(jié)構(gòu)內(nèi)出現(xiàn)了拉應(yīng)力，則須依靠混凝土自身承擔(dān)。一般設(shè)計中均要求不出現(xiàn)拉應(yīng)力或者只出現(xiàn)很小的拉應(yīng)力。但是在施工中混凝土由最高溫度冷卻到運(yùn)轉(zhuǎn)時期的穩(wěn)定溫度，往往在混凝土內(nèi)部引起相當(dāng)大的拉應(yīng)力。有時溫度應(yīng)力可超過其它外荷載所引起的應(yīng)力，因此掌握溫度應(yīng)力的變化規(guī)律對于進(jìn)行合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計和施工極為重要。

2.水利工程中混凝土裂縫產(chǎn)生的原因

2.1水化熱大，體積變化大

由于混凝土體積大，水泥水化產(chǎn)生的熱量不易散發(fā)，引起體積變化大。由于體積變化，受到約束，因此產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，約束有兩種：

（1）外部約束?；炷翝仓趲r石上或老混凝土上，其體積變化受外部巖石或老混凝土約束初期因水泥急劇水化升溫，體積膨脹，處于受壓狀態(tài)，但混凝土彈性模量低，產(chǎn)生壓應(yīng)力很小后期水泥水化熱減小，散熱量大干水化熱量，溫度降低，體積收縮，受巖石或老混凝土約束，由受壓狀態(tài)變?yōu)槭芾瓲顟B(tài)，產(chǎn)生拉應(yīng)力，而導(dǎo)致裂縫。

（2）內(nèi)部約束。由于內(nèi)部水泥水化熱不易散發(fā)，而表面的容易散發(fā)，使表面溫度低于內(nèi)部。相對來講，內(nèi)部體積膨脹受表面約束處于受壓狀態(tài)，表面則體積收縮受內(nèi)部約束，產(chǎn)生拉應(yīng)力，從而導(dǎo)致裂縫產(chǎn)生。

2.2混凝土抗拉能力低

混凝土是脆性材料，抗壓能力高，抗拉能力低?？估瓘?qiáng)度約為抗壓強(qiáng)度的0.1倍；極限拉伸也很小，通常不足1×10-4。因此，水利工程中混凝土溫度變形受約束時產(chǎn)生的拉應(yīng)力很容易超過極限抗拉強(qiáng)度，而產(chǎn)生裂縫。

3.水利工程中混凝土裂縫的預(yù)防措施

3.1減小溫度變形

3.1.1控制水泥水化熱。

（1）水泥的選擇。由于礦物成分及摻加混合材料數(shù)量不同，水泥水化熱差異較大。鋁酸三鈣、硅酸三鈣含量高的，水化熱也高：因此，為了降低水化熱，減小體積變形，水利工程中混凝土一般不宣使用水化熱高的硅酸鹽水泥和普通硅酸鹽水泥，應(yīng)使用中熱硅酸鹽水泥和低熱礦渣水泥，如有條件，可適當(dāng)摻加活性混合材料以降低水化熱。

（2）盡量節(jié)約水泥用量。水泥水化產(chǎn)生的熱量是水利工程中混凝土溫度變化而導(dǎo)致體積變化的主要根源，比干濕、化學(xué)變化引起的體積變化要大得多，因此應(yīng)盡量降低水泥用量。在滿足工程需要的情況下，盡量降低設(shè)計強(qiáng)度，以減小水泥用量。

利用水利工程工期較長，充分利用混凝土后期增長的強(qiáng)度，采用較長的設(shè)計齡期。水利工程的施工時間較長，有的長達(dá)幾年，因此可采用較長齡期，所以常規(guī)齡期28d的設(shè)計強(qiáng)度就可降低，從而減少水泥用量。精心設(shè)計、調(diào)整混凝土的骨料粒徑和級配，最大粒徑越大，骨料的空隙率和比表面積越小，混凝土的水泥漿及水泥用量就越小。

（3）外加劑優(yōu)選?；炷镣饧觿┮寻l(fā)展為混凝土不可缺少的一部分，夏季施工時，使用具有一定緩凝和能大幅度降低混凝土單位用水量的緩凝高效減水劑，能大量減少混凝土的總發(fā)熱量，降低混凝土的水化溫升。

3.1.2控制出機(jī)口溫度。

拌和制冷的主要目的是控制混凝土出機(jī)口溫度，出機(jī)口溫度按施工季節(jié)、澆筑區(qū)域、結(jié)構(gòu)部位等確定。主體建筑物基礎(chǔ)約束區(qū)重要結(jié)構(gòu)部位混凝土除冬季12～2月可采用自然入倉外，其它季節(jié)一般出機(jī)口溫度不超過7℃，束區(qū)的混凝土除11～3月采用自然入倉外，其它季節(jié)拌和樓出機(jī)口溫度一般不超過14℃。拌和制冷工藝。制冷工藝的好壞極大影響混凝土的預(yù)冷和溫升的控制效果。

3.1.3用倉面噴霧調(diào)節(jié)環(huán)境溫度，控制溫升。

因拌和樓與施工場地有一定距離，在運(yùn)輸過程中應(yīng)控制溫升，可在車箱頂部設(shè)置遮陽篷，供料線上覆蓋遮陽板。為防止倉面混凝土溫升過快，在澆筑過程中對入混凝土拌和物及澆筑層面進(jìn)行覆蓋保溫，避免太陽直射。并噴霧降溫，包括拌和樓前噴霧和倉面噴霧。

3.1.4冷卻。

施工初期通水主要作用是削減混凝土初期溫度高峰，削減水利工程中混凝土內(nèi)部的最高溫度，使其最高溫度不超過允許的最高值；中期通風(fēng)是降溫過程，削減混凝土內(nèi)外溫差，在冬季特別重要：后期通風(fēng)主要是穩(wěn)定混凝土內(nèi)部溫度，為接縫灌漿創(chuàng)造條件。

3.1.5護(hù)與保溫。

在混凝土澆筑完畢后，對表面應(yīng)及時進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，在一定時間內(nèi)保持適當(dāng)?shù)臏囟群蜐穸?，造成混凝土良好的硬化條件，是保證混凝土強(qiáng)度增大、不發(fā)生干裂的必要措施。

3.1.6科學(xué)地組織施工。

要達(dá)到良好的溫控，還需科學(xué)地組織施工，要求做到以下幾點(diǎn)：①澆筑順序合理、澆筑時段應(yīng)盡量避免高溫：②加快入倉速度。

3.2降低約束

（1）內(nèi)部約束無法消除或降低。

（2）水利工程中，外部約束主要取決于基巖的彈性模量，彈性模量越高，約束程度越大。而要降低基巖的彈性模量是難以做到的。若要降低下層混凝土的彈性模量，可在其未充分硬化時澆筑。采用線脹系數(shù)小的骨料，避免體積變化過大。

（3）防止凍害裂縫的產(chǎn)生。因為環(huán)境的因素，水利工程中混凝土特別要防止凍害裂縫，一種是混凝土在凝結(jié)后未達(dá)到要求強(qiáng)度時發(fā)生凍結(jié)，結(jié)冰的膨脹將引起混凝土破裂并造成不可恢復(fù)的強(qiáng)度損失，另一種是交替凍融對硬化混凝土的破壞。例如松山堆石壩面板產(chǎn)生裂縫的主要原因是壩體內(nèi)存有積水，冬季導(dǎo)致凍脹，將面板鼓起造成破壞。所以要防止?jié)B水，其中包括水庫的滲水及兩邊山體的滲水。

3.3提高抗拉能力

目前提高抗拉強(qiáng)度的方法是配筋、摻加纖維、用聚合物浸漬等，但是這些措施不是很經(jīng)濟(jì)，且有局限性，只能有選擇地采用。

綜上所述，要防止水利工程中混凝土的裂縫，主要應(yīng)使用水化熱低的水泥，降低水泥用量，采用合理的施工方法，做好冷卻和表面隔熱，防止?jié)B水，具體施工時，結(jié)合工程的實(shí)際情況，采用相適應(yīng)的措施。

4.結(jié)語

裂縫是混凝土結(jié)構(gòu)中普遍存在的一種現(xiàn)象，它的出現(xiàn)不僅會降低建筑物的抗?jié)B能力，影響建筑物的使用功能，而且會引起鋼筋的銹蝕，混凝土的碳化，降低材料的耐久性，影響建筑物的承載能力，因此要對混凝土裂縫進(jìn)行認(rèn)真研究、區(qū)別對待，采用合理的方法進(jìn)行處理，并在施工中采取各種有效的預(yù)防措施來預(yù)防裂縫的出現(xiàn)和發(fā)展，保證建筑物和構(gòu)件安全、穩(wěn)定地工作。