薄壁建筑构件易产生裂缝的原因分析及预防修缮方法浅见

谢 闯 李 莉 陈 松

（1.宿迁市水务勘测设计研究院有限公司，江苏 宿迁 223800；2.泗洪县水利局，江苏 宿迁 223900；3.泗洪县水利工程处，江苏 宿迁 223800）

1 概述

水工建筑物的薄壁构件在完建期与运行期之间易产生裂缝，尤其在水闸墩墙和泵站室墙以及输水涵洞中会出现裂缝问题。例如：泰州九龙污水处理厂修建生化池，在2008年2月中旬开始对墙身进行混凝土浇筑，至3月底结束，6月2日即发现生化池墙身东侧出现3 条裂缝，缝长分别为3.0 m、4.5 m、6.0 m，缝宽在0.2～0.3 mm 左右；2013年宿迁东沙河治理项目中倒虹吸涵洞于2月份施工，7月20日放水时就发现洞身的水平和斜坡交接面出现裂缝并漏水；2014年泗阳淮泗河治理项目淮阴段2 座泵站于3月份完成泵室墙的浇筑，7月初发现泵室墙有细微裂缝。上述裂缝的出现具有以下共同特征：①构件截面薄。泰州九龙水池墙身平均厚约50 cm，站墙与洞身厚度为30 cm。②裂缝是逐步形成的。从混凝土浇筑到拆模，再到发现洞身裂缝，时间间隔均为4 个月左右。③一般裂缝的位置在构件物的中上部。④构件物与底板浇筑有一定的间隔时间。构件物与墙身浇筑是分开进行的，间隔时间较长，且前后气温相差大。底板的浇筑时间均在气温5℃以下，构件物浇筑时间也均在气温5℃左右，发现构件物裂缝时气温在20℃左右。

2 裂缝的成因分析

2.1 构件物在施工时内外部温度应力不一引起裂缝

构件物虽然为薄壁截面，但在整体浇筑时，一般混凝土的数量均在100 m3左右，应属于薄壁型大体混凝土构件，混凝土在水化作用下存在热量的传递过程，由于上下传递速度不一致，易在内部形成积存，导致内外出现温差。因截面较薄，外部较易散热，而内部受到高度的影响，其散热条件不同，造成内外变形不一致，故在外部混凝土中产生了拉应力，这样就很容易导致裂缝。泰州九龙污水处理厂生化池墙身施工裂缝较为典型，墙身由0.7 m 变至0.45 m，墙高7 m，在未拆模前上部混凝土较易散热，逐步完成了混凝土的膨胀过程，处于收缩阶段；而内部在未拆模前散热过程要待上部散热完成后才能进行，加之墙身高，内部产生的热量是由下至上传递的，使墙身中部比顶部膨胀系数加大，内外温差增大，导致拉应力增大，当拉应力达到表层的极限拉应力时，裂缝就由下至上、由外向内逐步产生。经检查，裂缝下端宽度在0.2 mm 左右，上端宽度在0.1 mm 以内。初期裂缝较细，几乎看不到，随着时间推移，裂缝逐渐扩大、变深，并贯穿墙身。

2.2 施工期与运行期形成的温差应力导致裂缝

分析所遇到的裂缝情况，施工期的温度与运行期温度相差达到20℃左右，根据使用需要，构件物不宜分缝过长，当温差值一定时，所产生的变形会更大，经过对温差变形值进行计算，可以得到论证。温差变化时，混凝土（砖砌墙）结构伸长或缩短的变形值与长度、温差成正比，与材料的性质有关，可按下式计算：

式中：

ΔL—随温度变化而伸长或缩短的变形值，mm；

L—结构长度，mm；

t2-t1—温度差，℃；

α—材料的线膨胀系数，混凝土为1.0×10-5，钢材为12×10-6，砖砌体为0.5×10-5。

以上实例的温差变形情况计算详见表1。

从表1 可以看出，倒虹吸涵洞的温差应力变形值较大，产生约2 cm宽的裂缝。倒虹吸在运行时，上下游水位差较大，产生的压力也较大，加之在平面和斜面的交界处，受力形式也发生了转换，使得应力相对集中，且倒虹吸过水涵洞长度较长，产生的温差应力变形值较大，导致交界处裂缝扩大，放水时水从裂缝处像泉水般喷出，影响了涵洞的使用效果（后已得到修复）。

表1 三种构件温差变形值计算表

2.3 施工原因而产生裂缝

裂缝的展开和扩大与施工工艺有着一定的关联。拆模时气温较高，拆模过早（一般不超过2 d），养护又不到位，会使混凝土失水较快，内外温差加大，导致表层拉应力增大。构件物均存在同样的养护问题，如：养护期内混凝土未能始终处于湿润状态等。事后处理裂缝时，在混凝土强度检测中发现混凝土表面的碳化深度为4～5 mm，这种因养护不到位而引起混凝土缺陷与裂缝扩大也存有一定的关联性。

2.4 混凝土体积变形而诱发墙身裂缝

混凝土浇筑过程是一个化学反应的过程，表现为由膨胀转为收缩。混凝土自身收缩一般在拆摸之前就开始形成，虽然其量值不大，但如与其他作用在混凝土上的力叠加在一起，就会增大表面拉应力。构件物截面小，但混凝土总量较大，属于大体积混凝土结构，在水化热的作用下产生的收缩将会诱发表层墙身裂缝，这些裂缝大部分未形成贯穿缝。

2.5 在外部因素作用下导致的裂缝

构件物固结在底板上，上部为自由段，一般底板浇筑与墙身浇筑之间间隔时间较长，达到45 d 左右，在浇筑墙身混凝土时底板收缩已经基本完成，混凝土强度已达到设计强度，而此时墙身混凝土为新浇混凝土，其沿高度方向可以自由收缩，厚度方向则因墙体为薄壁混凝土，断面小，压缩也小。构件物混凝土早期产生水化作用时，温度的升高及体积的膨胀均受到了底板的压缩，随着降温、收缩，混凝土在受自身体积变形影响的同时，会因受底板的压缩而产生拉应力，尤其垂直于底板方向受到的压缩力最大，该方向上的拉应力也最大。目前，混凝土的制作均采用商混泵送混凝土，因此存在水灰比过大的问题，其产生的收缩也较大。较为明显地表现在：这些构筑物所预留的伸缩缝按照设计要求为2 cm，但当即将进入运行期时，其间隙缝最大已达到5 cm，均需作为缺陷问题进行修补，这也证明墙体自身的收缩是客观存在的，且收缩量较大。因此，在受到主要因底板与墙身浇筑间隔时间较长，新老混凝土自身存在差异而产生的压缩力的作用下，且底板刚度相对于墩墙大得多，一旦这种压缩力超过其抗拉强度时，墙身即产生常见的垂直于底板方向的裂缝。

3 裂缝的预防

3.1 材料和外加剂的选用

目前，水工建筑物通常采用普通硅酸盐水泥，同时在商品混凝土中添加一定数量的外加剂。如：缓凝剂可以减慢混凝土放热的速率；减水剂可在水灰比不高时，减少水和水泥用量，从而降低水化热。为防止墙身底部受外部压缩力影响，也可考虑在混凝土浇筑前掺添水泥用量万分之一左右的铅粉作为膨胀剂，来降低新老混凝土温度应力产生的作用。

3.2 施工工艺的改进

视墙身高度情况，若混凝土浇筑高度达3 m 以上，应在模板中打些透气孔，帮助中部混凝土散热，以改善散热条件，促进上、中、下部同步散热，缓解局部段温度应力集中的问题。

3.3 构件物不宜太长

考虑到压缩力和构件物的长度有关，且倒虹吸连续长度为70 m，泵站连续长度为20 m，在温差应力的作用下，泵站的变形值为4.2 mm，而洞身的变形值为16.1 mm，故依据构件物出现的裂缝情况，建议分缝距离在15 m 左右，以减少因底板压缩力作用产生的变形。

3.4 养护措施

混凝土水化反应随温度升高而加快，混凝土的强度增加快，收缩的速度也加快；当空气湿度小时，水分蒸发快，其变形速度也会加快。因此，对混凝土进行充分养护可以减慢其变形速度。混凝土早期养护可以在模板未拆时就进行，拆模后更要定时浇水，并根据气温情况对混凝土表面进行覆盖，使混凝土表面保持湿润。如：可先在墩墙四周裹上草包或者麻袋，再浇水或淋水实施养护，这样效果更佳。拆模可放在养护72 h 以后进行，以起到隔热和保湿作用。拆模以后在混凝土表面涂一层防裂剂，可更好地达到保湿和预防裂缝的目的。

3.5 新技术的运用

为从根本上解决混凝土裂缝对墩墙的设计和施工所带来的影响，可采用一些新技术。例如：浇筑墩墙大体积混凝土时可采用在混凝土内预埋冷却水管的方法，或采用循环水冷却混凝土，以达到控制内外温差之目的，从而减小拉应力。

4 裂缝的修缮

4.1 泵室墙的修补

泵室墙修补主要是根据裂缝的深度情况，在表层顺缝凿成梯嵌槽，槽口底宽3 cm，深7 cm，槽口宽度视断裂情况而定（一般为10 cm），经过吹洗、烘干，再采用环氧树脂砂浆进行修补。实际修补后未再出现新的裂缝，达到了使泵室墙表面裂缝完全修复的效果。

4.2 倒虹吸涵洞的修补

倒虹吸因洞涵内有过水，且无法完全抽出，故首先在裂缝处顺缝凿开，用麻丝对漏（溢）水处进行封堵、减压，并将其捣实，待较少压力水溢出时，再在表层裂缝处凿开深7 cm、宽20 cm 的嵌槽，在水下环氧材料中掺入酮亚胺固化剂，拌制环氧砂浆用于填充（平）嵌槽。经测试，所配制环氧砂浆材料强度高，粘结力强，遇水后能促成固化的胺类化合物。将裂缝填充后在裂缝平面放置两层钢丝网，并使用混凝土进行外层封堵。实际修复后洞涵在使用中稳定、可靠，未出现任何问题，完全达到设计要求。

4.3 生化池的修补

针对生化池使用情况，因其为单向水头，压力过高，修补的要求和技术含量也较高。经比较，选用了“壁可注入法”方案。主要原理是通过橡胶管自动完成注入修补材料，在注入过程中始终保持约3 kg/cm2的压力，以保证将修补材料注入到宽仅0.02 mm 的裂缝末端。同时，缓慢均匀的压力可以将裂缝中存积的空气压入混凝土的毛细孔中，再通过混凝土的“自然呼吸”作用排除，有效避免产生气阻，从而确保修补质量。修补后14 d 的检测效果：裂缝内外部得到较好地修补，修补材料与老混凝土结合紧密，强度较高；用回弹仪回弹，C25 老混凝土碳化值为3 mm，被填充的缝隙处碳化值为0；老混凝土强度为36～40 MPa，填充材料强度为45 MPa 左右；由于受到均匀挤压，缝隙四周被填充材料充分地填满，无渗水现象。

5 综述

水工建筑物中薄壁构件产生的裂缝是由多方面因素造成的，通过分析，各种因素之间也都有着一定的联系。这些裂缝直接危害了工程的使用效果，并对工程发挥自身的永久性作用构成阻碍，缩短了工程的使用寿命。因此，在对薄壁构件物进行设计和施工时，应从多方面综合考虑，以防止产生裂缝，从而保证工程在使用效果和耐久性上达到设计要求。