水利工程混凝土裂縫問題分析與控制措施

張井軍

(北票市黑城子水利服務站，遼寧 朝陽 122105)

0 引 言

混凝土作為一種多相非均質復雜的復合材料，受養(yǎng)護措施、約束條件、入模溫度、原材料等多種因素綜合影響極易產(chǎn)生裂縫，特別是水工混凝土大多存在不同程度的開裂現(xiàn)象，而裂縫的存在會降低水工結構的耐久性、穩(wěn)定性和強度[1]。此外，開裂形成的微裂縫或裂縫導致混凝土的滲透性增大，有害物質侵入結構內造成水泥基質弱化和鋼筋銹蝕，并大大降低工程質量和結構的承載力[2-3]。因此，水利工程施工質量管理逐漸將混凝土裂縫控制作為重點。文章結合已有研究成果和工程實踐經(jīng)驗，全面分析了水工混凝土裂縫類型及其成因，并提出行之有效的裂縫防控對策，旨在實現(xiàn)水工混凝土裂縫的有效控制及保證水利工程施工質量。

1 水工混凝土裂縫類型

1.1 溫度裂縫

硬化期間，混凝土施工量較大、固結時間較長的工程若具有較快的施工速度，不能快速消散水化熱將導致結構內部溫度高于表面溫度。結構內、外部溫差變大勢必會引起變形，當抗拉強度不足以抵抗變形受到約束產(chǎn)生的拉應力時，就會導致溫度裂縫的出現(xiàn)。隨溫度的改變溫度裂縫會合攏或擴張，并且可以分為截面均勻溫差、內外溫差、上下溫差等裂縫類型[4]。

1.2 沉陷裂縫

由于工程結構分布不均勻，施工過程中會導致不均勻沉降和沉陷裂縫；此外，地質變化和不合理的模板工程設計也會改變混凝土結構的荷載，從而增大發(fā)生沉陷裂縫的概率。沉降差異會在一定程度上影響沉陷裂縫的形成寬度，其主要表現(xiàn)形式為穿透裂縫。

1.3 收縮裂縫

混凝土收縮有多余水分蒸發(fā)的干縮和體積減小的凝縮兩種，實際工程中85%都為干縮，此外還有自生收縮和碳化收縮。混凝土硬化時發(fā)生從外到內的干燥，該過程將形成內部小、外部大的不均收縮，當抗拉強度不足以抵抗表面收縮受到約束產(chǎn)生的拉應力時就會形成收縮裂縫。施工環(huán)境較干燥時表面水分蒸發(fā)快導致變形加快，一般會產(chǎn)生兩端細長、中間較寬的塑性裂縫[5]。

1.4 其他裂縫

將混凝土裂縫按照裂縫的形狀、深度、出現(xiàn)時間、有害程度和形成原因可進一步分類，如表1所示。

表1 混凝土裂縫類型

2 水工混凝土裂縫的成因

2.1 溫度與溫度應力

溫差是引起溫度應力問題的關鍵因素，溫差越大則產(chǎn)生的溫度應力也越大。實踐表明，散熱困難時混凝土內部的溫度可以達到80℃，并且能夠延續(xù)較長的時間。水泥水化熱聚集是熱量的主要來源，內部溫度升高產(chǎn)生內脹外縮的現(xiàn)象，進一步增大結構內部與表面的拉應力差距，當抗拉強度低于內外拉應力時就會產(chǎn)生裂縫[6]。施工過程中，由于約束條件和溫度控制不當發(fā)生溫度失衡的情況也會產(chǎn)生溫度裂縫。此外，外部氣溫變化也會給混凝土開裂問題帶來影響，外界溫度快速下降會逐漸提升混凝土內、外層的溫差，若溫度過度內部還會出現(xiàn)結冰，進而形成裂縫。

2.2 塑性收縮與坍塌

外界因素很容易對固化期間的混凝土造成干擾，若終凝前水分持續(xù)蒸發(fā)，不穩(wěn)定的環(huán)境致使結構體積發(fā)生變形、收縮，難以滿足預期要求，混凝土最終將發(fā)生塑性收縮，并進一步產(chǎn)生塑性收縮裂縫。在構件配筋率較高的情況下，鋼筋限制混凝土收縮產(chǎn)生拉應力也會形成收縮裂縫。此外，受到一定的因素作用混凝土的自身狀態(tài)發(fā)生改變時，也會產(chǎn)生混凝土裂縫甚至發(fā)生塑性坍塌問題。

2.3 混凝土攪拌與溫度控制

混凝土拌制過程中水泥釋放的熱量可能會導致混凝土內部水分蒸發(fā)或內外部溫差過大，從而形成裂縫?；炷翑嚢铚囟任催_到施工標準或攪拌不均勻時會影響澆筑，并增加混凝土出現(xiàn)裂縫及澆筑質量問題的概率[7]。此外，攪拌時間過長發(fā)生離析及攪拌速度過快產(chǎn)生較大的熱量也會導致裂縫的出現(xiàn)。

2.4 原材料質量與化學反應

混凝土質量在很大程度上取決于原材料的質量，所以要對外加劑、摻合料、砂石、水泥等質量實行嚴格控制，確保各項材料符合要求；此外，對水泥的儲存環(huán)境和時間要引起重視，水泥質量受長時間儲存影響可能會降低混凝土的強度?；炷亮芽p的形成還與化學反應密切相關，溫度升高時堿骨料反應生成的硅酸凝膠開始膨脹，隨后溫度下降產(chǎn)生熱脹冷縮，導致裂縫的形成。

3 水工混凝土裂縫控制措施

3.1 優(yōu)化混凝土配合比設計

通過優(yōu)化配合比設計減少水化熱，從而控制混凝土內外溫差和裂縫的形成。設計配合比時，通過多種試驗檢測施工材料的塌落度、強度等參數(shù)，從而確定混凝土性能最優(yōu)的配合比；其次，將適量的減水劑和粉煤灰加入骨料中，合理控制膠凝材料的用水比例，在設計過程中要盡量減少水膠比，一般≤0.6。粗骨料粒徑最大≤150mm，級配為二級，砂的泥漿含量≤1%，細度模數(shù)宜為2.4-3.0范圍。

3.2 把控混凝土拌制、運輸

混凝土拌制時要充分攪拌，使添加劑、水、凝膠材料和粗細骨料等充分融合。根據(jù)實際情況合理控制攪拌和靜置時間，混凝土澆筑時做好規(guī)劃，準備充足的原材料以保證連續(xù)澆筑，防止混凝土澆筑過程中因原材料供應不足而中斷的現(xiàn)象。此外，外界溫度過低或過高時均易形成裂縫，混凝土澆筑時要注意分析施工環(huán)境，合理控制攪拌時間和澆筑速度，選擇合適的現(xiàn)場澆筑和攪拌方式，若需要運輸至施工現(xiàn)場還要科學規(guī)劃運料地點和時間，做好運輸過程中混凝土質量的把控[8]。

3.3 集料質量控制措施

集料質量是混凝土澆筑質量控制的重要內容，選用的材料應符合相關規(guī)范和設計標準，采購時保證外加劑、骨料粒徑與級配、水泥型號的種類滿足施工要求。嚴格按照設計配合比投料攪拌，從而防止或減少混凝土裂縫的出現(xiàn)。一般地，要遵循以下原則挑選集料：①優(yōu)先選用水膠比和強度適中、低水化熱的膠凝材料，為減少水泥用量可以摻加適量的礦物摻合料；②摻加適量的高性能減水劑以改善混凝土和易性，盡量選用性能均衡的粉煤灰摻合料；③應選用粒徑較大、顆粒形狀優(yōu)的骨料，通過沖洗控制粗細骨料的含沙量；④選用的集料要有利于減少混凝土塌落度。

3.4 加強支模及施工設計控制

施工設計過程中，應先采取數(shù)值模擬的方式分析可能出現(xiàn)裂縫的位置，完善施工設計并做好裂縫預防工作，嚴格遵循規(guī)范化施工操作流程。此外，采取配筋加固措施和優(yōu)化混凝土配筋等也可防止或減少裂縫的形成。模具支撐是混凝土澆筑的首要環(huán)節(jié)，要對模板質量嚴格控制，選用散熱效果良好的模板增大混凝土散熱及其自身穩(wěn)定性[9]。

3.5 施工工藝控制及混凝土養(yǎng)護

施工過程中按照規(guī)定的澆筑順序、方向、厚度采用分級或分層的澆筑方法，下層初凝后及時澆筑上層，外界環(huán)境溫度較低時要合理減慢澆筑速度。加強混凝土振搗，遵循慢拔快插的振搗原則，入模后要及時振搗以防出現(xiàn)局部空隙或離析，每次振搗插入至下層的5-10cm，控制距離接觸面10-20cm作為振搗深度。完成振搗后，將最后一層混凝土刮平并做好清潔工作。

結合具體情況精準控制水量，通過合理設定養(yǎng)護時間、科學運用養(yǎng)護方法等強化混凝土養(yǎng)護。一般從溫度和濕度兩個方面做好養(yǎng)護工作，澆筑完成后要養(yǎng)護7-10d，保證水泥水化所需水分的充足。例如，為保持混凝土表面濕潤可覆蓋塑料薄膜或土工布，高溫時人工定期灑水降溫，低溫時利用棉被或草甸子覆蓋保溫，特殊情況下還可采取蒸汽養(yǎng)護或增設加熱設備養(yǎng)護，控制混凝土內外溫差不超過25℃。

3.6 溫度及溫度應力控制

溫度是引起混凝土裂縫的關鍵因素，所以要把控好溫度因素。實時關注氣溫變化情況，實行信息化控制，加強溫度監(jiān)測管理和測量[10-13]。外界環(huán)境溫度較高時為降低攪拌產(chǎn)生的熱量，拌合前可以對碎石用冷水沖刷、對材料采取密封和遮陽等措施，低溫時采取保溫措施。為了降低溫度應力可以采用水管水冷、二次風冷、通風等技術降低混凝土內外溫差，也可用瀝青形成滑動層改善混凝土約束條件，達到溫度應力釋放的目的。工程中，盡量選擇15-18時或7-10時澆筑混凝土。

3.7 做好裂縫修補處理

施工過程中要及時分析已出現(xiàn)的裂縫特點，并結合實際情況采取有效的修補措施。實際工程中常見的裂縫修補方法，如表2所示。

表2 水工混凝土裂縫修補技術

4 結 論

1)總體上，可將混凝土裂縫分為溫度、沉陷、收縮和其他裂縫類型，不同裂縫形成的原因復雜，有溫度與攪拌控制、原材料、溫度與溫度應力、塑性收縮和坍塌問題等諸多因素。

2)結合實際情況，綜合應用多種技術有效避免或減少混凝土裂縫的形成，包括混凝土養(yǎng)護處理、施工工藝控制、優(yōu)化配合比設計、支模與集料控制、完善施工設計、溫度應力控制等防裂技術，確保水利施工質量和工程結構安全。