水工結(jié)構(gòu)工程裂縫成因及防治探討

楊猛 郭林林 水利部珠江水利委員會(huì)珠江水利綜合技術(shù)中心

在水工結(jié)構(gòu)工程施工階段，施工人員應(yīng)加強(qiáng)裂縫成因分析，結(jié)合實(shí)際情況采取針對(duì)性的防治措施及治理措施。但目前，水工結(jié)構(gòu)工程裂縫防治及治理環(huán)節(jié)中仍存在著不足，這就需要采取針對(duì)性研究，提高裂縫防治及治理工作效果，強(qiáng)化水工結(jié)構(gòu)工程安全性與可靠性。

1.水工結(jié)構(gòu)工程裂縫特點(diǎn)

在水工結(jié)構(gòu)工程中，絕大部分裂縫問(wèn)題集中于大體積混凝土結(jié)構(gòu)，究其原因主要是大體積混凝土結(jié)構(gòu)施工環(huán)節(jié)復(fù)雜，材料質(zhì)量要求嚴(yán)格，一旦處理不當(dāng)就會(huì)誘發(fā)裂縫問(wèn)題，使結(jié)構(gòu)性能下降?；炷辆哂写嘈蕴卣?，大體積混凝土結(jié)構(gòu)抗壓性能優(yōu)越，但抗拉性能差，甚至不足抗壓性能的十分之一。在外界作用力及收縮應(yīng)力影響下，裂縫問(wèn)題時(shí)有出現(xiàn)。除此之外，水工結(jié)構(gòu)工程混凝土具有水熱化特征。初期階段，混凝土內(nèi)部溫度過(guò)高，彈性模量及變形量小，隨混凝土溫度不斷下降，彈性模量及變形量逐漸上升，此時(shí)混凝土內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生極大的應(yīng)力，但混凝土結(jié)構(gòu)抗拉能力極差，內(nèi)部結(jié)構(gòu)就會(huì)出現(xiàn)裂縫問(wèn)題。水工結(jié)構(gòu)工程涵蓋鋼筋構(gòu)造，如澆筑環(huán)節(jié)所用鋼筋數(shù)量及標(biāo)準(zhǔn)與實(shí)際需求不符，也會(huì)使混凝土結(jié)構(gòu)出現(xiàn)裂縫問(wèn)題[1]。大體積混凝土結(jié)構(gòu)與外界環(huán)境接觸面大，空氣中的水分易使鋼筋材料腐蝕，內(nèi)部易產(chǎn)生應(yīng)力，使混凝土結(jié)構(gòu)受到損壞。

2.水工結(jié)構(gòu)工程裂縫成因

2.1 鋼筋銹蝕

當(dāng)混凝土質(zhì)量不達(dá)標(biāo)或保護(hù)層厚度不適宜時(shí)，混凝土保護(hù)層易受二氧化碳腐蝕侵蝕，當(dāng)侵蝕到鋼筋部位時(shí)，鋼筋周圍混凝土結(jié)構(gòu)堿性下降，加之在氯化物影響下，鋼筋表面氯離子含量上升，鋼筋表面氧化膜受到破壞。鋼筋內(nèi)部鐵離子與空氣中氧氣及水產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，銹蝕后生成的氫氧化鐵體積更大，使鋼筋周圍混凝土受到膨脹應(yīng)力影響，導(dǎo)致混凝土表面沿鋼筋出現(xiàn)裂縫。銹蝕問(wèn)題還會(huì)使鋼筋有效截面積下降，鋼筋與混凝土之間的加持力降低，結(jié)構(gòu)承載能力下降，進(jìn)而誘發(fā)其他形式的開(kāi)裂，使鋼筋銹蝕問(wèn)題加劇，使結(jié)構(gòu)受到損壞。

2.2 建材碳化

二氧化碳濃度及濕度均會(huì)導(dǎo)致建材出現(xiàn)不同程度的收縮。當(dāng)水工結(jié)構(gòu)工程下方地下水含有碳酸時(shí)，就會(huì)導(dǎo)致碳化收縮問(wèn)題出現(xiàn)。如混凝土碳化收縮幅度大于混凝土抗拉強(qiáng)度，就會(huì)造成開(kāi)裂問(wèn)題出現(xiàn)。除此之外，碳化收縮無(wú)法逆轉(zhuǎn)，如混凝土長(zhǎng)期處于高濃度二氧化碳條件下，就會(huì)導(dǎo)致開(kāi)裂問(wèn)題加劇。

2.3 溫差

溫差裂縫出現(xiàn)的原因?yàn)榛炷两Y(jié)構(gòu)內(nèi)外溫度差過(guò)大，且在水熱化影響下，溫度不斷上升，內(nèi)外溫度差會(huì)隨之上升。一般情況下，混凝土溫度變化涵蓋三階段，分別是升溫階段、降溫階段及恒定階段。在溫度轉(zhuǎn)換階段，混凝土內(nèi)部水分凝固，在體積膨脹下，誘發(fā)凍脹壓力。當(dāng)作用力大于混凝土結(jié)構(gòu)抗拉性能，混凝土結(jié)構(gòu)就會(huì)損壞。此外，施工季節(jié)選擇不當(dāng)也會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)出現(xiàn)裂縫。究其原因是施工季節(jié)與施工溫度聯(lián)系密切，當(dāng)溫差過(guò)大時(shí)也會(huì)導(dǎo)致施工質(zhì)量受到影響。

2.4 沉降

如水工結(jié)構(gòu)工程所處區(qū)域地基穩(wěn)定性不足、表面不平整、結(jié)構(gòu)不均勻、回填土選擇不當(dāng)及碾壓處理不當(dāng)，地基結(jié)構(gòu)將出現(xiàn)不均勻沉降及不規(guī)則沉降。當(dāng)模板下滑時(shí)，大體積混凝土結(jié)構(gòu)上方也會(huì)出現(xiàn)裂縫問(wèn)題。尤其是夏季降雨過(guò)后，結(jié)構(gòu)薄弱部位也易出現(xiàn)開(kāi)裂現(xiàn)象。當(dāng)水工結(jié)構(gòu)建筑地基承載能力發(fā)生改變時(shí)，沉降裂縫也會(huì)向水工結(jié)構(gòu)蔓延，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)導(dǎo)致水工結(jié)構(gòu)坍塌。除此之外，裂縫出現(xiàn)原因也涵蓋施工質(zhì)量不達(dá)標(biāo)及設(shè)計(jì)方案不當(dāng)?shù)取?/p>

2.5 收縮

收縮裂縫成因主要為混凝土內(nèi)部水分流失過(guò)大。在混凝土攪拌過(guò)程中，僅五分之一攪拌水用于水泥凝固，其余五分之四攪拌水用于外界蒸發(fā)。在混凝土澆筑完成且徹底硬化前，在高溫天氣及大風(fēng)天氣影響下，混凝土表面水分流失過(guò)快，塑性收縮問(wèn)題發(fā)生，塑性裂縫呈中間寬兩側(cè)窄的特征。此外，混凝土表面水分流失過(guò)快，內(nèi)部水分流失速度慢，隨水泥不斷硬化，結(jié)構(gòu)表面拉應(yīng)力提高，結(jié)構(gòu)形變導(dǎo)致干縮裂紋出現(xiàn)[2]。

3.水工結(jié)構(gòu)工程裂縫防治措施

3.1 加強(qiáng)施工材料質(zhì)量控制

在水工結(jié)構(gòu)工程裂縫防治過(guò)程中，可通過(guò)施工材料管控的方式降低裂縫問(wèn)題發(fā)生幾率?？茖W(xué)選擇施工材料種類，盡可能的將混凝土裂縫保持在可接受范圍之內(nèi)。通過(guò)優(yōu)化混凝土配比的方式，提高混凝土質(zhì)量及性能。水泥、集料、水等材料是混凝土重要構(gòu)成部分，在選材過(guò)程中應(yīng)做好重點(diǎn)分析和研究。

第一，針對(duì)砂石材料，應(yīng)加強(qiáng)含泥量控制，提高砂石材料性能，確保強(qiáng)度達(dá)到施工要求。第二，應(yīng)優(yōu)先選擇大材質(zhì)砂礫，避免使用小材質(zhì)砂礫，導(dǎo)致混凝土內(nèi)部熱量過(guò)高。此外，還應(yīng)優(yōu)先選擇小收縮系數(shù)材料，以此減輕混凝土應(yīng)力[3]。第三，施工人員可結(jié)合水工結(jié)構(gòu)工程建設(shè)需求，添加適當(dāng)添加劑，提高混凝土結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。應(yīng)科學(xué)選擇添加劑種類，確保添加劑用量適宜?？偠灾瑧?yīng)科學(xué)選擇材料種類，加強(qiáng)質(zhì)量控制，避免裂縫問(wèn)題出現(xiàn)。除此之外，還可直接選擇水泥含量少的混凝土使用，通過(guò)這種方式降低水熱化影響。例如，在科學(xué)技術(shù)不斷發(fā)展下，摻煤灰混凝土及摻礦渣混泥土已實(shí)現(xiàn)了廣泛的應(yīng)用，該種混凝土材料水熱化影響更低。

3.2 做好溫差裂縫防治

施工環(huán)節(jié)管理對(duì)裂縫產(chǎn)生具有直接的影響。在水工結(jié)構(gòu)工程施工階段，溫度原因誘發(fā)的裂縫問(wèn)題最為普遍，這與施工現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境聯(lián)系密切。如外界環(huán)境溫度過(guò)高將導(dǎo)致溫變裂縫出現(xiàn)，應(yīng)優(yōu)先選擇溫度適宜條件展開(kāi)施工作業(yè)，例如初秋量級(jí)。如夏季施工無(wú)法避免，則應(yīng)優(yōu)先選擇早晚時(shí)間段展開(kāi)作業(yè)，并做好降溫及保溫工作，例如搭設(shè)涼棚或利用灑水的方式完成降溫，還可選擇以下幾種方式實(shí)現(xiàn)降溫目的。

（1）骨料降溫，可利用搭建涼棚的方式避免陽(yáng)光直射骨料表面，導(dǎo)致骨料吸收熱量過(guò)多。還可利用灑水的方法，將16℃左右的自來(lái)水噴灑在骨料表面，實(shí)現(xiàn)降溫。

（2）可通過(guò)添加冰塊的方式降低溫度。在混凝土澆筑工作展開(kāi)前，可將粒徑為3cm的小冰塊添加在混凝土生料內(nèi)，在經(jīng)過(guò)一系列的攪拌處理后，使冰塊與混凝土充分融合。還應(yīng)結(jié)合出機(jī)口溫度，科學(xué)調(diào)整冰塊用量。如出機(jī)口溫度為18℃，則每立方混凝土添加120g左右冰塊。當(dāng)冰塊添加完成后，還需適當(dāng)延長(zhǎng)攪拌時(shí)間，降低混凝土澆筑速度，避免溫差裂縫出現(xiàn)。此外，還可通過(guò)攪拌水降溫的方法，使攪拌水溫度下降3℃至7℃，實(shí)現(xiàn)混凝土降溫。

（3）科學(xué)設(shè)置散熱設(shè)施及溫度測(cè)量設(shè)施。首先，針對(duì)散熱管而言，應(yīng)優(yōu)先選擇規(guī)格為Φ48×1.4mm鋼管，將其與鋼筋相綁扎。針對(duì)厚度為4m的承臺(tái)，應(yīng)沿豎直方向分散設(shè)置兩層散熱管網(wǎng)，水平距離及垂直距離需保持在1m左右。針對(duì)厚度為3.5m的承臺(tái)，應(yīng)沿豎直方向分散設(shè)置兩層散熱管網(wǎng)，水平距離及垂直距離需保持在1m左右，頂層網(wǎng)需與承臺(tái)頂部距離及底層網(wǎng)需與承臺(tái)底部距離均需保持為1.25m，進(jìn)水口需高出混凝土承臺(tái)頂面30cm[4]。在布管過(guò)程中，散熱管需與承臺(tái)主筋保持指定距離。如管段難以正常錯(cuò)開(kāi)，需適當(dāng)移動(dòng)散熱管。散熱管需與鋼筋架或搭接鋼筋捆綁嚴(yán)密，避免散熱管出現(xiàn)形變或接頭出現(xiàn)脫落，導(dǎo)致堵水或滲水問(wèn)題出現(xiàn)。散熱管拐彎部位需設(shè)置緩沖部件。當(dāng)散熱管分布完成后，需利用通水測(cè)試判斷水管是否順暢，判斷是否存在滲水問(wèn)題。其次，針對(duì)溫度測(cè)量設(shè)施而言，其可實(shí)現(xiàn)混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部溫度測(cè)量及監(jiān)控，為后續(xù)養(yǎng)護(hù)工作的實(shí)施提供科學(xué)的利用依據(jù)。在表面溫度測(cè)量過(guò)程中，施工人員可將溫度應(yīng)變片設(shè)置在水工結(jié)構(gòu)工程對(duì)角線及縱橫軸線上，利用溫度顯示屏獲取數(shù)據(jù)及信息。在內(nèi)部溫度測(cè)量過(guò)程中，施工人員可每隔3m設(shè)置一個(gè)管式溫度計(jì)，將防護(hù)框設(shè)置在管式溫度計(jì)上方，并懸掛在內(nèi)部。

（4）通水降溫。施工人員可將塑料水桶設(shè)置在基坑上下部位，將水傾倒在塑料水桶中，利用塑料管將基坑上部的塑料水桶連接，利用連通器原理使各塑料水桶水流通暢，基坑下部各塑料水桶也與采用上述方法連接。將進(jìn)水管道設(shè)置在基坑上部塑料水桶中，管道在經(jīng)過(guò)分水閥后與分管相連，將2.2kW潛水泵設(shè)置在塑料水桶中，可利用調(diào)整水泵和閥門(mén)的方法修改流速，使水分實(shí)現(xiàn)循環(huán)流動(dòng)進(jìn)而降溫。針對(duì)通水降溫，單個(gè)散熱管冷卻水流速應(yīng)保持在每小時(shí)1.2m3至1.5m3，進(jìn)入水口溫度差不可高于6℃，結(jié)合溫度檢測(cè)結(jié)果，科學(xué)調(diào)整通水時(shí)間，一般情況下為12d。根據(jù)結(jié)構(gòu)內(nèi)部最高溫度和外表溫度數(shù)值，當(dāng)外表溫度和環(huán)境溫差低于20%時(shí)即可停止。其中，流量調(diào)整水閥及流量測(cè)量設(shè)施需設(shè)置在出水口部位。除需做好降溫工作外，混凝土澆筑環(huán)節(jié)易出現(xiàn)泌水及浮漿現(xiàn)象，所以應(yīng)在施工現(xiàn)場(chǎng)設(shè)置水桶，及時(shí)展開(kāi)泌水及浮漿清理，提高混凝土結(jié)構(gòu)密實(shí)程度。

3.3 加強(qiáng)荷載應(yīng)力防治

為強(qiáng)化混凝土結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，避免裂縫問(wèn)題發(fā)生，應(yīng)優(yōu)先選擇C60高強(qiáng)度水泥使用?？茖W(xué)選擇骨料規(guī)格，提高混凝土材料性能。此外，還可添加適當(dāng)數(shù)量的降水劑。針對(duì)薄弱部位而言，應(yīng)做好加筋處理。在加筋過(guò)程中，需確保鋼筋分布均勻，直徑及距離科學(xué)適宜。在模板拆除后，需做好遮蓋及保溫處理，降低外界高溫天氣及大風(fēng)天氣對(duì)其造成的不利影響。

3.4 加強(qiáng)作業(yè)用水管理

加強(qiáng)作業(yè)用水管理也可降低裂縫問(wèn)題發(fā)生率。在材料選擇過(guò)程中，應(yīng)將其含水量保持在20%以下。當(dāng)施工完成后，養(yǎng)護(hù)階段不可采取大水漫灌的方式處理，避免表面受到損壞。加強(qiáng)作業(yè)用水管理還可提高水資源利用效率，避免水資源浪費(fèi)問(wèn)題出現(xiàn)。

3.5 做好后期養(yǎng)護(hù)

在水工結(jié)構(gòu)工程裂縫防治中，后期養(yǎng)護(hù)也是重點(diǎn)工作。施工人員需從內(nèi)外兩個(gè)角度出發(fā)，提高內(nèi)部隔熱層性能，做好表面養(yǎng)護(hù)工作。針對(duì)外部表面養(yǎng)護(hù)工作而言，可利用覆蓋草墊或棉被的方式避免溫度消散過(guò)快，使內(nèi)外溫度盡可能保持一致。除此之外，還可將水分噴灑在水工結(jié)構(gòu)工程表面，延緩水分蒸發(fā)速度。

4.水工結(jié)構(gòu)工程裂縫治理措施

填充技術(shù)是指將混凝土修補(bǔ)材料填充在混凝土裂縫內(nèi)部，該種填充方式操作過(guò)程相對(duì)便捷，且不會(huì)消耗大量的費(fèi)用，修復(fù)效果更好，已受到了社會(huì)各界的廣泛認(rèn)可。但需要注意的是，針對(duì)大深度裂縫修補(bǔ)工作而言，修補(bǔ)效果難以達(dá)到預(yù)期要求。為提高填充技術(shù)應(yīng)用水平，應(yīng)科學(xué)選擇修復(fù)材料。常見(jiàn)修復(fù)材料涵蓋水泥漿液、纖維修補(bǔ)材料及聚苯乙烯橡膠等，這種材料粘合度好、強(qiáng)度高。在修復(fù)階段，需做好裂縫部位修補(bǔ)，使用工具處理好裂縫兩側(cè)，將裂縫修整為V型或U型凹槽，將其寬度保持在2cm至10cm間，深度需延伸至裂縫底部，裂縫變窄部位寬度應(yīng)保持在1.5cm至5cm間。在處理過(guò)程中，如遇到鋼筋，則應(yīng)做好鋼筋質(zhì)量檢查，判斷表面是否存在銹蝕或破損[5]。如存在缺陷，則應(yīng)做好修補(bǔ)及防腐處理，再應(yīng)用粘合材料完成裂縫修補(bǔ)。施工人員還需做好凹槽清潔，避免存在碎屑及灰塵，隨后將砂漿涂抹在凹槽表面。當(dāng)砂漿硬化后，再使用修復(fù)材料填充，再展開(kāi)后續(xù)養(yǎng)護(hù)處理。

化學(xué)灌漿技術(shù)可完成大深度裂縫修補(bǔ)，應(yīng)用范圍更廣?；瘜W(xué)灌漿技術(shù)填充材料為水泥或高分子聚合物，可利用專業(yè)設(shè)備將灌漿材料注入裂縫內(nèi)，實(shí)施后續(xù)壓實(shí)作業(yè)，修復(fù)效果更好，修復(fù)完成后的裂縫穩(wěn)定性更強(qiáng)。為提高該項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用水平，需結(jié)合裂縫實(shí)際選擇灌漿方法及灌漿材料。常見(jiàn)水泥漿液由水泥、粉煤灰及水配置而成，粘度更高，在寬裂縫處理環(huán)節(jié)中使用效果更好。高分子聚合物填充材料為環(huán)氧樹(shù)脂及甲基丙烯酸酯等，該種材料滲透性更好，可用于大深度裂縫處理環(huán)節(jié)。為提高化學(xué)灌漿技術(shù)應(yīng)用水平，也需做好裂縫處理，開(kāi)鑿?fù)瓿珊笄鍧嵄砻妫霉酀{設(shè)備展開(kāi)作業(yè)，灌漿時(shí)間需保持3min以上，漿液凝固后即可完成修復(fù)。

5.結(jié)語(yǔ)

綜上所述，在水工結(jié)構(gòu)工程施工階段，裂縫防治工作的重要作用不可忽視，不僅需要從施工材料質(zhì)量控制、溫差裂縫防治、荷載應(yīng)力防治、作業(yè)用水管理、后期養(yǎng)護(hù)角度出發(fā)做好針對(duì)性預(yù)防，還應(yīng)從后期出發(fā)，利用填充技術(shù)做好修復(fù)及處理。多項(xiàng)因素均會(huì)導(dǎo)致水工結(jié)構(gòu)工程出現(xiàn)裂縫問(wèn)題，施工人員需展開(kāi)具體分析及討論，從多角度出發(fā)提高水工結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量，延長(zhǎng)水工結(jié)構(gòu)工程使用年限。