混凝土重力坝裂缝成因分析

杨玉光，魏鸣冬

(辽宁省观音阁水库管理局，辽宁117100)

1 基本概念

1.1 混凝土

混凝土是由水泥、掺合料、外加剂与水按一定比例配制而成的胶结浆体将分散的砂、石子经搅拌而黏结在一起的气硬性胶凝材料。其最显著的特点是具有较高的抗压强度和极限压缩变形值，而抗拉强度和极限拉伸值却相当低，抗拉强度只有抗压强度的1/8～1/20，28 d龄期的C20混凝土极限拉伸值≤1.0×10-4(大坝混凝土干缩变形一般在3.0×10-4左右)。混凝土强度等级越高，其比值越小，抵抗变形的能力越差，越容易开裂产生裂缝。

1.2 混凝土重力坝

混凝土重力坝是以混凝土作为主要材料修筑的大体积挡水建筑物。其在水压力及其他荷载作用下，依靠坝体自重满足稳定和强度要求。

1.3 混凝土裂缝的定义及分类

1.3.1 定义

混凝土裂缝是指混凝土在温度和湿度变化的条件下，硬化并产生体积变形，由于各种材料变形不一致，互相约束而产生初始应力，造成在骨料与水泥石黏结面或水泥石本身之间出现肉眼看不见的微观裂缝。

在荷载作用下或进一步产生温差、干缩的情况下，微观裂缝开始发展，并逐渐互相串通，从而出现较大的、连贯的、肉眼可以看见的宏观裂缝。

裂缝是大体积混凝土建筑物普遍存在的现象，尤其是高混凝土用量的重力坝。所谓大体积混凝土［1］，美国混凝土协会给出的定义是:体积大、表面系数比较小、水泥水化热释放比较集中、内部温升比较快，混凝土内外温差比较大时，会产生温度裂缝，影响结构安全和正常使用［2］。

水工混凝土多半是大体积素混凝土和少筋混凝土，所以要想避免结构产生裂缝，需要在设计、施工等方面采取积极、可靠地技术措施，不是轻而易举能够做到的。

1.3.2 裂缝分类

大坝裂缝按产生原因分类，可分为荷载裂缝和变形裂缝。荷载裂缝是指因动、静荷载的直接作用引起的裂缝，如结构超载。变形裂缝是指因不均匀沉降、温度变化、湿度变异、膨胀、收缩、徐变等变形因素引起的裂缝，包括温度裂缝、干缩裂缝、超载裂缝、碱—骨料反应裂缝、地基不均匀沉陷裂缝等［3］。

水电工程一般将裂缝分为贯穿裂缝、深层裂缝及表面裂缝3种，示意如图1。

图1 混凝土坝温度裂缝分类示意图

1.3.2.1 表面裂缝

混凝土硬化过程中，水泥水化产生大量的水化热，当水泥用量在350～550 kg/m3，混凝土将释放出17 500～27 500 kJ/m3的热量，从而使混凝土内部温度升达70℃左右，甚至更高。

由于混凝土的体积较大，大量的水化热聚积在混凝土内部不易散发，导致内部温度急剧上升，而混凝土表面散热较快，这样就形成内外的较大温差。较大的温差造成内部与外部热胀冷缩的程度不同，使混凝土表面产生一定的拉应力。当拉应力超过混凝土的抗拉强度极限时，混凝土表面就会产生裂缝。

1.3.2.2 深层裂缝

深层裂缝的表面缝宽0.2～0.4 mm，深1～5 m，2 m＜长度＜1/3坝块宽度或贯穿2～3个浇筑层(层厚＜3 m)。此类缝多由表面缝逐渐扩展而成。

1.3.2.3 贯穿裂缝

贯穿缝指贯穿全仓的水平、铅直缝或坝块缝深大于两个浇注块，或侧面缝长＞8～10 m或1/3坝块宽度的裂缝。

其中以基础混凝土贯穿缝最为严重，它破坏大坝的整体性，如不处理将改变大坝运用期的应力状况。

2 混凝土重力坝产生裂缝原因

混凝土搅拌后是一种不定型的可塑性材料，其中水泥是混凝土增强的主要胶结材料。水泥的化学收缩与水泥的组分、标号、细度、用量及施工工艺有关。一般来说，水泥的强度越高、细度愈大、用量愈多，混凝土的收缩率也就随之增加。混凝土在经过收缩阶段后，总的收缩率应控制在0.05%左右。混凝土收缩是其固有的物理特性，也是混凝土出现裂缝的根本原因之一［4］。

2.1 荷载作用引起的裂缝［5］

在荷载作用下，因结构的强度、刚度或稳定性不够而出现的裂缝称为荷载裂缝。这类裂缝主要是由于混凝土早期抗拉强度和弹性模量低，在自重、水压、扬压力、泥沙压力、地震压力、动水压力、冰压力等外部荷载的综合作用下，由于截面的混凝土拉应变超过了混凝土极限拉伸值，导致结构变形，在抗拉能力最薄弱处产生裂缝。

2.2 变形引起的裂缝［6］

2.2.1 温度裂缝

水泥在水化过程中要释放出一定的热量，而大体积混凝土结构断面较厚、表面系数相对较小的特性决定了水化产生的热量聚集在结构内部不易散失。混凝土内部的水化热无法及时散发出去，越积越高，使内外温差增大，形成了温度应力。

关于“温度应力”，同济大学结构工程与防灾研究所李遇春教授这样认为:“当弹性体(即混凝土结构)的温度改变时，它的每一部分都将由于温度的升高或降低而趋于膨胀或收缩。但是，由于弹性体受到外在约束以及弹性体自身各个部分之间的相互约束，使弹性体的膨胀或收缩不能自由地发生，于是就产生了应力。这种由于温度改变所产生的应力称之为温度应力”。温度应力大小与温差有关，直接影响到混凝土的开裂及裂缝的宽度。随着温度的变化混凝土结构产生变形，当变形受到约束时，便产生了裂缝，约束的程度越大，裂缝就越宽。温度应力及裂缝见图2和图3。

图2 基础温差应力及裂缝示意图

图3 混凝土浇筑块自身约束的温度应力

2.2.2 塑性收缩裂缝

塑性裂缝多在新浇筑的混凝土构件暴露于空气中的上表面出现，譬如重力坝施工时的中间浇筑层面。受高温或较大风力的影响，新浇混凝土表面水分蒸发速度大于混凝土内部从上而下的泌水速度，表面失水过快，造成毛细管中产生较大的负压而使混凝土体积急剧收缩，而混凝土内部因湿度变化较小，变形也较小，较大的表面干缩变形受到混凝土内部约束，便产生了较大的拉应力，而此时混凝土的强度无法抵抗其本身收缩，因此形成表面裂缝。

2.2.3 干燥收缩裂缝

湿胀干缩是水泥混凝土的固有特性，混凝土中约20%的水分是水泥硬化所必须的，而约80%的水分要蒸发。混凝土中一部分水存在于孔隙中，一部分水存在于水泥水化产物 CSH凝胶体中。混凝土硬化后，内部游离水会由表及里逐渐蒸发，首先较大孔径的毛细孔隙中的水蒸发失去，较小孔径毛细孔隙和凝胶体内吸附水以及胶体层间孔隙水相继减少，固化的水泥浆体体积因失水而变化，引起明显的收缩，导致混凝土产生干燥收缩裂缝。

3 结语

混凝土重力坝产生裂缝的因素多种多样，仁者见仁智者见智。成因分析只是一种过程，目的是据此采取可靠的手段最大限度地避免和减少混凝土裂缝的产生。

数据显示:为了防止裂缝而增加的投资，约为造价的3%左右，为处理裂缝所花的费用约为5%～10%，而且修补裂缝的施工方法和工艺措施很复杂。除此之外，为修补裂缝可能推迟投入运行时间，往往造成更大的损失。因此控制裂缝应该坚持“防裂于未然”为主，处理为辅的原则，采取主动控制，避免事后修补加固。

［1］李跃.大体积混凝土的温控和防裂技术研究［D］.武汉:武汉理工大学，2004.

［2］曹可之.大体积混凝土结构裂缝控制的综合措施［J］.建筑结构，2002，32(08):30-32.

［3］王怀智，马震岳，王刚.混凝土重力坝坝体裂缝摩擦系数影响研究［J］.大坝与安全，2010(03):10-13.

［4］鞠丽艳.混凝土裂缝抑制措施的研究进展［J］.混凝土，2002(05):11-14.

［5］门忠.水利工程建设中混凝土裂缝的有效防治措施［J］.黑龙江水利科技，2011，39(2):81-82.

［6］陈显.大体积混凝土裂缝成因分析及其防治措施简介［G］//福建省第十一届水利水电青年学术交流会论文集.福州:福建省水利学会，2007:99-102.