水利工程施工中混凝土裂縫控制研究

中圖分類號(hào)：TU528 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2025）21-0145-04

Abstract：Inordertopreventconcretecrackingfromafectingtheconstructionqualityofwaterconservancyprojects，this papersummarizesthecharacteristicsof microandmacrocracksinwaterconservancyprojectsconcrete，andanalyzesthecracking mechanismofconcretefromaspectssuchashydrationheat，exteral temperature，shrinkageanddeformation.Subsequentlytaking aconcretedamofareservoirprojectasanexample，concretecracksduringdamconstructionarecontroled fromaspectssuch asconcreterawmaterials，constructiontechniques（layeredpouring，vibration），andreducingconcretetemperatureandintealand external temperaturedferences.Theresearchresultscanbeusedfortheconstructionofsimilarwaterconservancyprojects. Provide certain reference.

Keywords：water conservancy engineering;concrete；construction crack；control measures：shrinkageand deformat

根據(jù)DL/T5144—2015《水工混凝土施工規(guī)范》，結(jié)構(gòu)實(shí)體尺寸大于 1m 的混凝土為大體積混凝土。在水利工程中，大壩、地下連續(xù)墻、筏板基礎(chǔ)等都是大體積混凝土。大體積混凝土的受力和變形機(jī)理復(fù)雜，在施工期間容易出現(xiàn)裂縫。如不加以控制，結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的裂縫尺寸過大，會(huì)影響混凝土的強(qiáng)度、剛度、耐久性等，從而影響水利工程在運(yùn)營(yíng)期間的安全性。自前，很多學(xué)者和工程技術(shù)人員研究了大體積混凝土的裂縫成因和控制，比如李玉部總結(jié)了水利工程混凝土裂縫成因，并從原材料、配合比設(shè)計(jì)、施工工藝等方面分析了混凝土的裂縫控制措施；李瑤等以某水利工程基礎(chǔ)為例，分析了混凝土澆筑順序、養(yǎng)護(hù)方式等對(duì)混凝土裂縫的影響。但是，大部分研究成果都具有一定的區(qū)域性，無法適用于所有項(xiàng)目。因此，結(jié)合具體案例研究水利工程施工中的大體積混凝土裂縫控制具有重要意義。

1水利工程混凝土裂縫特點(diǎn)和機(jī)理

了解水利工程混凝土特點(diǎn)和裂縫產(chǎn)生機(jī)理，是制定裂縫控制措施的基礎(chǔ)。

1.1混凝土裂縫特點(diǎn)

水利工程的壩體、基礎(chǔ)等多采用大體積混凝土構(gòu)件，其在施工期間容易產(chǎn)生裂縫。按尺寸不同，可將水利工程混凝土裂縫分為2類：微觀裂縫和宏觀裂縫，不同裂縫的特點(diǎn)如下。

1.1.1 微觀裂縫

一般情況下，微觀裂縫的寬度小于 0.05mm ，肉眼不可見，是由材料受力引起的，包括骨料裂縫、水泥石裂縫、黏結(jié)裂縫（出現(xiàn)在骨料和水泥石黏結(jié)面）。微觀裂縫在混凝土構(gòu)件中的分布是不規(guī)則的，且不可避免的，對(duì)混凝土構(gòu)件力學(xué)性能的影響不大。但是，如果不對(duì)混凝土原材料及配合比加以控制，微觀裂縫可能會(huì)不斷擴(kuò)展，形成寬度較大的宏觀裂縫]。

1.1.2 宏觀裂縫

宏觀裂縫的寬度大于 0.05mm ，肉眼可見。宏觀裂縫的出現(xiàn)多是由大體積混凝土的澆筑、振搗、養(yǎng)護(hù)等施工環(huán)節(jié)控制不當(dāng)引起。相對(duì)于微觀裂縫，宏觀裂縫對(duì)水利工程混凝土構(gòu)件的力學(xué)性能影響較大，必須嚴(yán)格控制。

1.2混凝土裂縫成因

結(jié)合水利工程施工經(jīng)驗(yàn)，從水化熱、外界氣溫、自身收縮變形等方面分析水利工程混凝土施工裂縫的成因，具體闡述如下。

1.2.1 水化熱

在水利工程施工過程中，水泥水化時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量的熱量，從而導(dǎo)致混凝土溫度過高，這是導(dǎo)致水利工程混凝土裂縫的最主要原因。結(jié)合相關(guān)研究成果，每千克水泥的水化熱可達(dá) 200～400kJ ，且水化熱釋放集中在前 5d 。水泥水化熱會(huì)使混凝土的溫度提升 30～40^°C （絕熱條件下），再加上混凝土澆筑時(shí)自身的溫度，混凝土內(nèi)部最高溫度可達(dá) 50～80^°C （絕熱條件下）。

在混凝土升溫初期，混凝土沒有完全分硬化，拉應(yīng)力小，只引起表面裂縫。隨著混凝土的硬化，產(chǎn)生較大的拉應(yīng)力。當(dāng)拉應(yīng)力大于混凝土極限抗拉強(qiáng)度時(shí)，內(nèi)部會(huì)出現(xiàn)溫度裂縫[4]

1.2.2 外界氣溫

外界氣溫的變化也對(duì)水利工程混凝土裂縫有較大影響。一般情況下，外界氣溫愈高，混凝土的澆筑溫度越高。如果遇到氣溫驟降，會(huì)加大混凝土表面與內(nèi)部的溫度梯度，產(chǎn)生較大的溫度應(yīng)力，使混凝土結(jié)構(gòu)出現(xiàn)裂縫。

1.2.3 自身收縮變形

水利工程的混凝土從澆筑到終凝需耗費(fèi)約 4～15h 左右。在此期間內(nèi)，水泥水化反應(yīng)劇烈，會(huì)產(chǎn)生“泌水”和水分快速蒸發(fā)現(xiàn)象，導(dǎo)致混凝土失水收縮。這一收縮發(fā)生在混凝土終凝前的塑性階段，也成為“塑性收縮\"]。當(dāng)塑性收縮量達(dá)到 1% 時(shí)，混凝土表面會(huì)產(chǎn)生不規(guī)則裂縫，且基本都沿鋼筋分布，間距較小，寬度可達(dá)1～2mm 。

綜合考慮混凝土裂縫特點(diǎn)及機(jī)理，建議從混凝土原材料、施工工藝及降低混凝土溫度、降低混凝土內(nèi)外溫差等方面控制水利工程施工中的混凝土裂縫。

2 工程概況

以某水庫工程混凝土大壩為研究對(duì)象，對(duì)其大體積混凝土施工裂縫提出了控制措施。該水庫工程的施工工期為 2a ，功能以防洪、灌溉、城市供水等為主，主壩采用混凝土結(jié)構(gòu)，壩長(zhǎng) 203m ，最大壩高 25.5m 。

該工程所在地區(qū)的年降雨量較大，年平均降雨量基本在 1000～1200mm ，且大部分降雨集中在雨季7一10月份。同時(shí)，該地區(qū)四季分明，夏季高溫，冬季寒冷，對(duì)混凝土施工裂縫影響大。根據(jù)當(dāng)期氣象資料，統(tǒng)計(jì)了該地區(qū)在不同季節(jié)的溫度情況，如圖1所示。

3混凝土施工裂縫控制措施

3.1 原材料控制

通過原材料控制混凝土施工裂縫的關(guān)鍵就是要選擇合理的水泥型號(hào)、減少水泥用量，并加入摻合料或外加劑。該大壩混凝土采用42.5號(hào)普通硅酸鹽水泥，在滿足設(shè)計(jì)強(qiáng)度要求的前提下，盡量減少水泥用量

另外，還可在混凝土中通過內(nèi)摻法摻入粉煤灰（性能指標(biāo)見表1）和減水劑、防裂劑（玻璃纖維）等控制裂縫，主要原因在于： ① 粉煤灰的水化熱遠(yuǎn)小于水泥， 28d 的水化熱僅為水泥的一半左右，且摻加粉煤灰能抑制混凝土自身的收縮，并減輕堿-骨料反應(yīng)，這有利于防裂，但需注意，粉煤灰摻量不宜大于膠凝材料的 40% ② 減水劑的緩凝作用可減少混凝土在施工期間的冷接縫，并能延遲水化熱釋放速度，降低熱峰，從而降低混凝土溫度； ③ 玻璃纖維作為防裂劑可提高混凝土的抗拉性能和延展性，使在相同溫度下應(yīng)力不拉裂的可能性大大降低。

3.2 施工工藝控制

3.2.1 分層澆筑

大壩混凝土分層澆筑可以使混凝土澆筑水化熱均勻擴(kuò)散，減小混凝土變形約束，從而達(dá)到控制混凝王裂縫的目的。分層厚度要合理，如分層過厚，混凝土密實(shí)度不足，且散熱性差，控裂效果差。如分層厚度過小，大壩施工效率低，可能導(dǎo)致工期延誤。結(jié)合相關(guān)研究成果，大體積混凝土的分層澆筑厚度大多控制在300～500mm 。如分層澆筑厚度超過 500mm ，混凝土容易開裂。因此，建議該大壩混凝土分層澆筑厚度取400mm， 。在混凝土澆筑時(shí)，宜從低處開始，沿長(zhǎng)邊方向自一端向另一端澆筑，推移方式如圖2所示。如混凝土有足夠的供應(yīng)量，也可多個(gè)工點(diǎn)同時(shí)澆筑。

同時(shí)，分層澆筑中間不宜間隔時(shí)間過長(zhǎng)，最大間歇時(shí)間不超過混凝土的初凝時(shí)間，即在前一層混凝土初凝前澆筑后一層混凝土。如混凝土澆筑間歇時(shí)間超過其初凝時(shí)間，要按“施工縫”處理。

3.2.2 合理振搗

大壩混凝土合理振搗能提高其密實(shí)度、強(qiáng)度、抗變形能力，降低開裂可能性。該大壩混凝土振搗方式采用“快插慢拔”，振搗點(diǎn)要有序排列，間隔距離基本相同。在振搗期間，每一處振搗時(shí)間要控制在25～40s即可，不得漏振、不得少振、不得過振。待大項(xiàng)混凝土表面泛灰槳、無明顯下沉、無氣泡時(shí)，可停止振搗

3.3混凝土溫度和內(nèi)外溫差控制

為了盡量避免水利工程混凝土施工期間出現(xiàn)溫度裂縫，混凝土溫度和內(nèi)外溫差不宜過大。結(jié)合GB50496—2018《大體積混凝土施工標(biāo)準(zhǔn)》，混凝土溫度控制應(yīng)按“內(nèi)降外保”的原則，具體控制標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)滿足表2要求。

3.3.1 控制混凝土自身溫度

如果混凝土自身溫度過高，會(huì)導(dǎo)致混凝土內(nèi)外溫差偏大，容易導(dǎo)致混凝土開裂。當(dāng)大壩混凝土在夏季高溫天氣施工時(shí)，必須控制混凝土自身溫度，具體可采用以下措施：第一，在水泥、砂料、石料等材料堆放場(chǎng)地搭設(shè)遮陽棚，防止陽光直射材料表面，降低材料溫度;第二，混凝土使用冷水拌合（拌合水溫度控制在15^°C 內(nèi)），以確?；炷寥肽囟仍?30^cC 以下。如條件充許，也可用片冰代替冷水拌合。但是，加冰量要小于用水量的 50% ；第三，大壩混凝土運(yùn)輸和澆筑宜選在溫度較低的時(shí)段，比如早上或傍晚，以降低外界氣溫對(duì)混凝土溫度的影響。

3.3.2 預(yù)埋冷卻水管

為了有效降低大壩混凝土內(nèi)部溫度，可預(yù)埋冷卻水管，如圖3所示。

冷卻水管多采用直徑 20～30mm 的薄壁鋼管，在混凝土內(nèi)部錯(cuò)開排列，冷卻水管的水平間距可控制在1.0～2.0m ，垂直間距可控制在 2.0～2.5m ，且上下層冷卻水管利用豎管連接。如果現(xiàn)場(chǎng)布置冷卻水管時(shí)發(fā)現(xiàn)其與混凝土鋼筋有沖突，可適當(dāng)調(diào)整冷卻水管位置。在冷卻水管通水前，要進(jìn)行壓水試驗(yàn)，檢查水管是否有漏水問題。

冷卻水管內(nèi)的冷卻水溫度越低，對(duì)混凝土的冷卻效果越好。但冷卻水溫度過低，會(huì)導(dǎo)致水管周圍的混凝土收縮開裂。結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)，冷卻水管內(nèi)的冷卻水溫度宜控制在 15°C 左右。

3.3.3 混凝土保溫

大壩混凝土澆筑后，要對(duì)混凝土表面保溫，以降 低混凝土內(nèi)外溫差，防止表面出現(xiàn)裂縫。保溫材料可 選用塑料薄膜、阻燃保溫被等，并搭設(shè)擋風(fēng)保溫棚，保 溫時(shí)間可根據(jù)水膠比、日平均氣溫等參數(shù)確定，具體 見表3。如果大壩混凝土在冬季寒冷天氣施工，可適當(dāng) 延長(zhǎng)保溫時(shí)間。在保溫期間，要對(duì)混凝土的內(nèi)外溫差 和降溫速率實(shí)時(shí)觀測(cè)。如觀測(cè)結(jié)果不滿足表2要求， 要調(diào)整保溫措施。

在大壩澆筑后，隨機(jī)取10個(gè)測(cè)點(diǎn)，利用溫度傳感器觀測(cè)了混凝土的內(nèi)部溫度、表面溫度、內(nèi)外溫差和降溫速率，觀測(cè)結(jié)果見表4。

由表4可知：大壩混凝土的內(nèi)部最高溫度的最大值為 54.3‰ 、平均值為 53.35^°C 、最小值為 51.7^°C ，內(nèi)外溫差的最大值為 22.3‰ 、平均值為 21.17^°C 、最小值為 19.7^°C ，降溫速率的最大值為 1.31C/d 平均值為 最小值為 1.05^°C/d ，均滿足表2控制標(biāo)準(zhǔn)，說明大壩澆筑混凝土?xí)r溫度控制效果較好，有利于預(yù)防混凝土開裂。

3.4裂縫修復(fù)

雖然大壩工程施工時(shí)從原材料、施工工藝及降低混凝土溫度、降低混凝土內(nèi)外溫差等方面進(jìn)行控制裂縫，但在施工后仍發(fā)現(xiàn)局部有裂縫出現(xiàn)。裂縫以溫度裂縫為主，裂縫寬度在 0.1～0.15mm 之間，未發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)性裂縫。鑒于此，擬采用封閉膠來修復(fù)裂縫，防止裂縫進(jìn)一步擴(kuò)展，影響大壩力學(xué)性能，具體修復(fù)步驟如下：第一，將裂縫及周圍清理干凈，保持干燥，以提高封閉膠的黏附性；第二，將封閉膠壓進(jìn)裂縫中，且涂層高度要略高于裂縫表面；第三，膠體固化后，刮平多余部分。

4結(jié)論

本文分析了水利工程混凝土特點(diǎn)和裂縫機(jī)理，并以水庫工程混凝土大壩為例，提出了裂縫控制措施，得到以下幾個(gè)結(jié)論：

1）水利工程混凝土的裂縫有宏觀裂縫和微觀裂縫2類，其產(chǎn)生與水泥水化熱、外界氣溫、自身收縮變形等因素密切相關(guān)。

2）混凝土要在保證強(qiáng)度的前提下盡量減少水泥用量，并摻入粉煤灰、減水劑、防裂劑等材料。

3）通過分層澆筑、分層振搗可更好地保證混凝土強(qiáng)度和抗裂能力。同時(shí)，可通過原材料遮陽、冷水或片冰拌合混凝土、預(yù)埋冷卻水管等措施降低混凝土內(nèi)外溫差，從而達(dá)到控制裂縫的目的。

4）如果大壩出現(xiàn)了微小裂縫，可清理裂縫后，用封閉膠來修復(fù)。

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