淺析水利工程中混凝土裂縫產(chǎn)生的原因和處理方法

(1.四川大學(xué)水電學(xué)院，成都，610065；2.四川省水利科學(xué)研究院，成都，610072)

水為生命之源、生產(chǎn)之要、生態(tài)之基；建設(shè)水利工程能極大地促進(jìn)地方的社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，助力脫貧攻堅(jiān)和鄉(xiāng)村振興。新的時(shí)代對工程建設(shè)的質(zhì)量也有新的要求，混凝土裂縫防止和處理的相關(guān)技術(shù)是水利從業(yè)者長期關(guān)注的熱點(diǎn)問題之一。由于水利工程長期處于各種復(fù)雜的運(yùn)行環(huán)境下，混凝土不可避免的會(huì)出現(xiàn)開裂，而裂縫會(huì)直接影響混凝土的強(qiáng)度，加速內(nèi)部鋼筋的銹蝕，從而導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)承載能力、耐久性及抗?jié)B性降低，最終威脅到整個(gè)工程的質(zhì)量安全，給人們的生命財(cái)產(chǎn)帶來巨大的安全隱患。針對水利工程施工中混凝土裂縫問題的研究具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。

1 混凝土裂縫的類型、特征和成因

1.1 溫度裂縫

溫控措施長期以來都是混凝土施工的重點(diǎn)，隨著工程建筑體積越來越龐大，溫控的重要性也在一步步的提升?；炷猎跐仓不倪^程中會(huì)產(chǎn)生大量的水化熱，由于水利工程中大體積混凝土水泥用量較大，因此，導(dǎo)致內(nèi)外散熱不均勻，外部散熱快溫度降低快，內(nèi)部散熱慢溫度降低慢，內(nèi)部混凝土澆筑后溫度有時(shí)會(huì)達(dá)到70℃以上，內(nèi)外的溫差使混凝土表面會(huì)形成一定的拉應(yīng)力，而混凝土抗拉承載力又相對較低，極易形成表面裂縫或貫通性裂縫。同時(shí)，溫度裂縫還與氣溫有關(guān)，熱脹冷縮眀顯。

1.2 約束裂縫

在澆筑基礎(chǔ)混凝土?xí)r，由于溫度應(yīng)力和地基約束會(huì)使剛澆的基礎(chǔ)混凝土產(chǎn)生裂縫。因?yàn)榈鼗冃螛O小可視為不動(dòng)的，而新澆混凝土由于溫度產(chǎn)生膨脹或收縮，地基又限制了新澆混凝土的變形，因此產(chǎn)生裂縫。類似的現(xiàn)象還可能發(fā)生在老混凝土上澆筑新混凝土?xí)r，這同樣是因?yàn)槔匣炷料拗屏诵聺不炷恋淖冃味a(chǎn)生了裂縫。

1.3 沉陷裂縫

基礎(chǔ)處理不善，引起基礎(chǔ)不均勻沉陷或揚(yáng)壓力增大，或者模板強(qiáng)度不夠或振搗不慎，導(dǎo)致模板發(fā)生變形或位移。沉陷裂縫的特點(diǎn)是裂縫發(fā)展方向常與地面保持著垂直或者呈30°～40°方向發(fā)展，裂縫的寬度取決于荷載的大小和建筑物沉降值，通常為貫穿性裂縫，寬度0.3mm～0.4mm，有錯(cuò)臺(tái)、錯(cuò)位現(xiàn)象，其隨地基變形穩(wěn)定后而穩(wěn)定。

1.4 收縮裂縫

收縮裂縫主要有塑性收縮裂縫和干縮裂縫。在混凝土澆筑完后，需要等待一段時(shí)間使其硬化，塑性收縮就是發(fā)生于這段時(shí)間，其產(chǎn)生原因是因?yàn)樵谟不陂g受高溫影響，混凝土內(nèi)部水分流向表面并迅速揮發(fā)，隨著失水的增加，毛細(xì)負(fù)壓產(chǎn)生的收縮力使混凝土表面產(chǎn)生急劇的體積收縮從而導(dǎo)致裂縫的產(chǎn)生。塑性收縮裂縫主要發(fā)生在混凝土暴露的表面，裂縫深度一般不大也不連貫，裂縫多呈現(xiàn)為中間寬且兩端長短不一的細(xì)長形態(tài)。干縮裂縫與塑性收縮裂縫產(chǎn)生的原因相似，發(fā)生在硬化后期，屬于后期裂縫；一般發(fā)生在澆筑完畢后的養(yǎng)護(hù)期間，由于內(nèi)外濕度變化不均、水分蒸發(fā)不均產(chǎn)生體積收縮而形成裂縫。裂縫形態(tài)為表面性，走向縱橫交錯(cuò)，沒有規(guī)律，形似龜紋。

1.5 荷載裂縫

當(dāng)有荷載作用于混凝土構(gòu)件上，且荷載作用力超過構(gòu)件本身的承載能力時(shí)，會(huì)產(chǎn)生荷載裂縫，若荷載繼續(xù)增大，則會(huì)造成構(gòu)件的失穩(wěn)破壞。如施工荷載引起的裂縫、長期荷載引起的裂縫、剪切破壞引起的裂縫、疲勞荷載引起的裂縫及構(gòu)件撓度過大引起的裂縫。這些裂縫均是由于荷載原因引起的，而不是由于外界環(huán)境因素引起的。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)充分考慮到混凝土構(gòu)件的受力特征與荷載情況，確?；炷两Y(jié)構(gòu)本身的承載能力能滿足實(shí)際運(yùn)用需求，避免因結(jié)構(gòu)承載能力不足而產(chǎn)生裂縫。

1.6 化學(xué)反應(yīng)引起的裂縫

堿骨料反應(yīng)裂縫和鋼筋銹蝕引起的裂縫是鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中最常見的由于化學(xué)反應(yīng)而引起的裂縫。混凝土拌和后會(huì)產(chǎn)生一些堿性離子，這些離子與活性骨料產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)并吸收周圍環(huán)境中的水而體積增大，造成混凝土疏松、膨脹開裂。這種裂縫一般出現(xiàn)在混凝土結(jié)構(gòu)使用期間，一旦出現(xiàn)很難補(bǔ)救，因此，應(yīng)在施工中采取有效措施進(jìn)行預(yù)防。

2 混凝土裂縫常用的處理方法

裂縫的處理應(yīng)遵循以下原則：對于位于混凝土表面有防風(fēng)化、防滲、抗沖、耐磨要求部位的裂縫應(yīng)進(jìn)行表面處理;對于削弱結(jié)構(gòu)的整體性、強(qiáng)度、防滲性能和造成鋼筋銹蝕的裂縫要進(jìn)行灌漿處理；對于危及建筑物安全運(yùn)用的裂縫，除了采取灌漿處理外，必要時(shí)應(yīng)采取結(jié)構(gòu)加固處理措施；對溫度反應(yīng)敏感的裂縫，在低溫季節(jié)后期裂縫開度較大時(shí)進(jìn)行處理；對于荷載反應(yīng)敏感的裂縫，應(yīng)在減小或去除荷載后進(jìn)行處理；滲水裂縫先止水再處理，對于“活動(dòng)”裂縫應(yīng)采用柔性材料進(jìn)行處理。

2.1 表面處理法

表面處理法一般用于處理不影響結(jié)構(gòu)承載能力的細(xì)小裂縫或網(wǎng)狀裂縫。表面處理法包括表面涂抹法和表面貼補(bǔ)法兩種。表面涂抹法適用于漿材難以灌入的細(xì)而淺的裂縫，深度未達(dá)到鋼筋表面的發(fā)絲裂縫，不漏水的縫，不伸縮的裂縫以及不再活動(dòng)的裂縫，常用環(huán)氧膠泥、水泥漿涂抹到裂縫表面或者將熱瀝青或油漆等防腐材料涂刷于混凝土表面來對細(xì)小裂縫進(jìn)行處理。表面貼補(bǔ)法常用土工膜或其它防水材料進(jìn)行修補(bǔ)，適用于如蜂窩麻面、變形縫等部位大面積漏水的防滲堵漏，也可用碳纖維布和玻璃纖維布在裂縫表面粘貼，達(dá)到修補(bǔ)的效果。表面處理法的優(yōu)點(diǎn)是操作方便、施工速度快；缺點(diǎn)是只能處理裂縫表面而無法深入裂縫內(nèi)部，無法達(dá)到控制裂縫繼續(xù)發(fā)展的作用。主要的預(yù)防措施：一是選用堿活性小的砂石骨料；二是選用低堿水泥和低堿或無堿的外加劑；三是選用合適的摻和料抑制堿骨料反應(yīng)。

由于混凝土澆筑、振搗不良或者是鋼筋保護(hù)層較薄，有害物質(zhì)進(jìn)入混凝土使鋼筋產(chǎn)生銹蝕，銹蝕(Fe2O3，F(xiàn)eO)的鋼筋體積膨脹，導(dǎo)致混凝土脹裂，此種類型的裂縫多為縱向裂縫，沿鋼筋的位置出現(xiàn)。通常的預(yù)防措施有：一是保證鋼筋保護(hù)層的厚度；二是混凝土級(jí)配要良好；三是混凝土澆注要振搗密實(shí)；四是鋼筋表層涂刷防腐涂料。

2.2 填充法

填充法是用修補(bǔ)材料直接填充裂縫，一般可用來修補(bǔ)較寬的裂縫。該方法適用于寬度在0.3mm左右，深度較淺的裂縫或是裂縫中有充填物，用灌漿法很難達(dá)到效果的裂縫，常采取開V型槽，然后用強(qiáng)度高、防水性能好的樹脂或環(huán)氧砂漿材料作填充處理。其優(yōu)點(diǎn)是施工簡便、費(fèi)用低，是裂縫處理常用的方法之一。

2.3 灌漿法

灌漿法包括水泥灌漿和化學(xué)灌漿兩大類，是利用壓力設(shè)備將補(bǔ)縫漿液注入混凝土裂隙，達(dá)到閉塞的目的；也可利用彈性補(bǔ)縫器將注縫膠注入裂縫，不用電力，操作方便效果也很好。水利工程上所用的補(bǔ)縫漿液多是膠結(jié)材料，交聯(lián)固化后能與混凝土很好的粘接在一起，起到封堵裂縫、加固結(jié)構(gòu)的作用。常用的膠結(jié)材料有水泥漿、環(huán)氧樹脂、甲基丙烯酸酯、聚氨酯等化學(xué)材料。灌漿法應(yīng)用范圍很廣，從細(xì)微裂縫到大裂縫均可適用，且能達(dá)到較好的效果；優(yōu)點(diǎn)是用該方法處理的裂縫不僅可對整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固，還可滿足一定的防滲和耐久性的要求。

2.4 混凝土置換法

混凝土置換法是先將損壞的混凝土剔除，然后再置換入新的混凝土或其他材料，是一種處理嚴(yán)重?fù)p壞混凝土的有效方法。常用的置換材料包括普通混凝土、水泥砂漿、聚合物、改性聚合物混凝土或砂漿。

2.5 加固法

當(dāng)結(jié)構(gòu)因?yàn)槌d而產(chǎn)生裂縫，同時(shí)裂縫又影響到混凝土結(jié)構(gòu)的性能時(shí)，需采取加固法。常采取以下幾種措施：加大混凝土結(jié)構(gòu)的截面面積、在構(gòu)件的角部外包型鋼、采用預(yù)應(yīng)力法加固、粘貼鋼板加固、粘貼碳纖維加固、增設(shè)支點(diǎn)加固以及噴射混凝土補(bǔ)強(qiáng)加固。

另一種常用的加固法為圍套加固法，該方法在結(jié)構(gòu)的外部一方或者外側(cè)一端包鋼筋圍套，主要目的是為了增加鋼筋截面面積，提高承載能力。

2.6 鉆孔加PVC管再鋪加鋼筋網(wǎng)處理法

該方法主要是針對于大體積混凝土的內(nèi)部裂縫，在澆筑大體積混凝土?xí)r，當(dāng)發(fā)現(xiàn)已澆下層混凝土已開裂，在上層混凝土澆筑前，先在下層混凝土澆筑塊表面裂縫的兩個(gè)未端分別鉆一個(gè)直徑約10cm的圓孔，其原理是釋放裂縫處的集中應(yīng)力，以達(dá)到阻止裂縫繼續(xù)向水平方向發(fā)展的目的；再沿混凝土裂縫方向鋪設(shè)PVC半圓管(隔斷已有裂縫與新澆混凝土的聯(lián)系)，并用鋼筋予以固定，在此基礎(chǔ)上鋪設(shè)一層或兩層(間隔50cm)水平鋼筋網(wǎng)，這樣能有效地阻斷裂縫向上的發(fā)展和沿伸。

2.7 電化學(xué)防護(hù)法

電化學(xué)防腐是利用施加電場在介質(zhì)中的電化學(xué)作用，改變混凝土或鋼筋混凝土所處的環(huán)境狀態(tài)，鈍化鋼筋，以達(dá)到防腐的目的，氯鹽提取法、堿性復(fù)原法、陰極防護(hù)法是化學(xué)防護(hù)法中常用而有效的三種方法。

2.8 仿生自愈合法

仿生自愈合法是一種新的裂縫處理方法，它模仿生物組織對受創(chuàng)傷部位自動(dòng)分泌某種物質(zhì)，而使創(chuàng)傷部位得到愈合的機(jī)能，在混凝土中加入激活組分，在混凝土內(nèi)部反應(yīng)生成智能型仿生自愈合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)混凝土出現(xiàn)裂縫時(shí)分泌出部分液芯纖維可使裂縫重新愈合。

3 混凝土裂縫的防治措施

3.1 優(yōu)化配比、嚴(yán)控材質(zhì)

設(shè)計(jì)混凝土配合比時(shí)，在保證混凝土具有良好和易性的情況下，應(yīng)盡可能地降低混凝土的單位用水量，控制好混凝土的水灰比，減少混凝土的坍落度，合理摻加粉煤灰和減水劑等外加劑，以減少單方混凝土的水泥和水的用量，便于施工溫度控制。在選擇水泥的等級(jí)、品種時(shí)，盡量選擇低水化熱和抗裂能力強(qiáng)的水泥，避免使用高強(qiáng)水泥。此外，砂、石、骨料等材料的質(zhì)量也要進(jìn)行嚴(yán)格的控制，選取質(zhì)量過硬、規(guī)格達(dá)標(biāo)且級(jí)配優(yōu)良的骨料，骨料應(yīng)粒徑均勻、含泥量低，符合規(guī)范要求。

3.2 合理分塊

混凝土施工分塊應(yīng)盡量控制澆筑塊體長寬比，最好小于2，接近方形最好，切忌長條或帶尖角，以避免橫縱兩個(gè)方向變形不協(xié)調(diào)引起裂縫。特別是在基礎(chǔ)底板混凝土澆筑時(shí)，為減小基礎(chǔ)約束力帶來的影響，澆筑第一層混凝土?xí)r需要有一定的厚度，盡可能使用微膨脹混凝土，這樣能有效地控制基礎(chǔ)混凝土的裂縫產(chǎn)生。施工時(shí)同一倉位應(yīng)使用同一品牌的水泥，不同品牌的水泥混合使用會(huì)加大裂縫產(chǎn)生的幾率。

3.3 提高施工工藝和水平

混凝土施工過程中最重要的環(huán)節(jié)是澆筑，首先要拌和均勻，澆筑時(shí)控制混凝土的下料速度、使骨料分布均勻、振搗密實(shí)，這樣可以最大程度降低混凝土開裂的幾率。若振搗不密實(shí)，混凝土在凝結(jié)硬化后內(nèi)部就會(huì)有孔隙，直接影響混凝土的承載能力，受力后更易出現(xiàn)裂縫，同時(shí)影響混凝土的耐久性，縮減混凝土的使用壽命。另一方面，施工時(shí)的溫控也尤其重要，高溫季節(jié)澆筑前應(yīng)降低骨料的入倉溫度，可在拌和骨料時(shí)加入冰水或是拌和前預(yù)冷骨料；澆筑完成后，混凝土應(yīng)進(jìn)行保溫處理，還可在內(nèi)部埋設(shè)冷卻水管，通過冷水在管內(nèi)流動(dòng)將內(nèi)部的熱量帶出。合理安排大體積混凝土的澆筑時(shí)間，盡量選擇環(huán)境溫度適宜時(shí)進(jìn)行施工，夏季施工注意降溫，冬季施工注意保溫，以避免環(huán)境溫度帶來的影響。

3.4 提升養(yǎng)護(hù)水平

在混凝土澆筑后，若不及時(shí)進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，混凝土中的水分就會(huì)蒸發(fā)，出現(xiàn)脫水現(xiàn)象，會(huì)使已形成凝膠體的水泥顆粒不能充分水化，不能轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的結(jié)晶，硬化后缺乏足夠的粘結(jié)力，從而會(huì)在混凝土表面出現(xiàn)片狀或粉狀脫落。因?yàn)樵诨炷辽形淳邆渥銐虻膹?qiáng)度時(shí)，水分過早的蒸發(fā)還會(huì)產(chǎn)生較大的收縮變形，在表面的張力作用下會(huì)出現(xiàn)干縮裂紋。所以，混凝土澆筑后初期階段的養(yǎng)護(hù)非常重要，干硬性混凝土應(yīng)于澆筑完畢后立即進(jìn)行養(yǎng)護(hù)。可根據(jù)工程實(shí)際情況采取合適的養(yǎng)護(hù)方法。常用的養(yǎng)護(hù)方法有：覆蓋(麻袋、草席、鋸未、砂)灑水、圍水養(yǎng)護(hù)、噴霧灑水、自然養(yǎng)護(hù)法、養(yǎng)生液法、養(yǎng)護(hù)膜法等。

4 結(jié)語

綜上所述，混凝土裂縫問題是較復(fù)雜又具多向性的問題，需要我們從設(shè)計(jì)階段使結(jié)構(gòu)受力合理、施工階段工程質(zhì)量把控到位、運(yùn)管期按規(guī)定運(yùn)行，降低裂縫的產(chǎn)生，發(fā)生了裂縫使危害降到最低。對混凝土裂縫的研究我們還需要有更多的認(rèn)識(shí)，將更好的理論和處理技術(shù)運(yùn)用于其中，保證水利工程的施工質(zhì)量和安全。