水利工程混凝土裂缝问题分析与控制措施

张井军

(北票市黑城子水利服务站，辽宁 朝阳 122105)

0 引 言

混凝土作为一种多相非均质复杂的复合材料，受养护措施、约束条件、入模温度、原材料等多种因素综合影响极易产生裂缝，特别是水工混凝土大多存在不同程度的开裂现象，而裂缝的存在会降低水工结构的耐久性、稳定性和强度[1]。此外，开裂形成的微裂缝或裂缝导致混凝土的渗透性增大，有害物质侵入结构内造成水泥基质弱化和钢筋锈蚀，并大大降低工程质量和结构的承载力[2-3]。因此，水利工程施工质量管理逐渐将混凝土裂缝控制作为重点。文章结合已有研究成果和工程实践经验，全面分析了水工混凝土裂缝类型及其成因，并提出行之有效的裂缝防控对策，旨在实现水工混凝土裂缝的有效控制及保证水利工程施工质量。

1 水工混凝土裂缝类型

1.1 温度裂缝

硬化期间，混凝土施工量较大、固结时间较长的工程若具有较快的施工速度，不能快速消散水化热将导致结构内部温度高于表面温度。结构内、外部温差变大势必会引起变形，当抗拉强度不足以抵抗变形受到约束产生的拉应力时，就会导致温度裂缝的出现。随温度的改变温度裂缝会合拢或扩张，并且可以分为截面均匀温差、内外温差、上下温差等裂缝类型[4]。

1.2 沉陷裂缝

由于工程结构分布不均匀，施工过程中会导致不均匀沉降和沉陷裂缝；此外，地质变化和不合理的模板工程设计也会改变混凝土结构的荷载，从而增大发生沉陷裂缝的概率。沉降差异会在一定程度上影响沉陷裂缝的形成宽度，其主要表现形式为穿透裂缝。

1.3 收缩裂缝

混凝土收缩有多余水分蒸发的干缩和体积减小的凝缩两种，实际工程中85%都为干缩，此外还有自生收缩和碳化收缩。混凝土硬化时发生从外到内的干燥，该过程将形成内部小、外部大的不均收缩，当抗拉强度不足以抵抗表面收缩受到约束产生的拉应力时就会形成收缩裂缝。施工环境较干燥时表面水分蒸发快导致变形加快，一般会产生两端细长、中间较宽的塑性裂缝[5]。

1.4 其他裂缝

将混凝土裂缝按照裂缝的形状、深度、出现时间、有害程度和形成原因可进一步分类，如表1所示。

表1 混凝土裂缝类型

2 水工混凝土裂缝的成因

2.1 温度与温度应力

温差是引起温度应力问题的关键因素，温差越大则产生的温度应力也越大。实践表明，散热困难时混凝土内部的温度可以达到80℃，并且能够延续较长的时间。水泥水化热聚集是热量的主要来源，内部温度升高产生内胀外缩的现象，进一步增大结构内部与表面的拉应力差距，当抗拉强度低于内外拉应力时就会产生裂缝[6]。施工过程中，由于约束条件和温度控制不当发生温度失衡的情况也会产生温度裂缝。此外，外部气温变化也会给混凝土开裂问题带来影响，外界温度快速下降会逐渐提升混凝土内、外层的温差，若温度过度内部还会出现结冰，进而形成裂缝。

2.2 塑性收缩与坍塌

外界因素很容易对固化期间的混凝土造成干扰，若终凝前水分持续蒸发，不稳定的环境致使结构体积发生变形、收缩，难以满足预期要求，混凝土最终将发生塑性收缩，并进一步产生塑性收缩裂缝。在构件配筋率较高的情况下，钢筋限制混凝土收缩产生拉应力也会形成收缩裂缝。此外，受到一定的因素作用混凝土的自身状态发生改变时，也会产生混凝土裂缝甚至发生塑性坍塌问题。

2.3 混凝土搅拌与温度控制

混凝土拌制过程中水泥释放的热量可能会导致混凝土内部水分蒸发或内外部温差过大，从而形成裂缝。混凝土搅拌温度未达到施工标准或搅拌不均匀时会影响浇筑，并增加混凝土出现裂缝及浇筑质量问题的概率[7]。此外，搅拌时间过长发生离析及搅拌速度过快产生较大的热量也会导致裂缝的出现。

2.4 原材料质量与化学反应

混凝土质量在很大程度上取决于原材料的质量，所以要对外加剂、掺合料、砂石、水泥等质量实行严格控制，确保各项材料符合要求；此外，对水泥的储存环境和时间要引起重视，水泥质量受长时间储存影响可能会降低混凝土的强度。混凝土裂缝的形成还与化学反应密切相关，温度升高时碱骨料反应生成的硅酸凝胶开始膨胀，随后温度下降产生热胀冷缩，导致裂缝的形成。

3 水工混凝土裂缝控制措施

3.1 优化混凝土配合比设计

通过优化配合比设计减少水化热，从而控制混凝土内外温差和裂缝的形成。设计配合比时，通过多种试验检测施工材料的塌落度、强度等参数，从而确定混凝土性能最优的配合比；其次，将适量的减水剂和粉煤灰加入骨料中，合理控制胶凝材料的用水比例，在设计过程中要尽量减少水胶比，一般≤0.6。粗骨料粒径最大≤150mm，级配为二级，砂的泥浆含量≤1%，细度模数宜为2.4-3.0范围。

3.2 把控混凝土拌制、运输

混凝土拌制时要充分搅拌，使添加剂、水、凝胶材料和粗细骨料等充分融合。根据实际情况合理控制搅拌和静置时间，混凝土浇筑时做好规划，准备充足的原材料以保证连续浇筑，防止混凝土浇筑过程中因原材料供应不足而中断的现象。此外，外界温度过低或过高时均易形成裂缝，混凝土浇筑时要注意分析施工环境，合理控制搅拌时间和浇筑速度，选择合适的现场浇筑和搅拌方式，若需要运输至施工现场还要科学规划运料地点和时间，做好运输过程中混凝土质量的把控[8]。

3.3 集料质量控制措施

集料质量是混凝土浇筑质量控制的重要内容，选用的材料应符合相关规范和设计标准，采购时保证外加剂、骨料粒径与级配、水泥型号的种类满足施工要求。严格按照设计配合比投料搅拌，从而防止或减少混凝土裂缝的出现。一般地，要遵循以下原则挑选集料：①优先选用水胶比和强度适中、低水化热的胶凝材料，为减少水泥用量可以掺加适量的矿物掺合料；②掺加适量的高性能减水剂以改善混凝土和易性，尽量选用性能均衡的粉煤灰掺合料；③应选用粒径较大、颗粒形状优的骨料，通过冲洗控制粗细骨料的含沙量；④选用的集料要有利于减少混凝土塌落度。

3.4 加强支模及施工设计控制

施工设计过程中，应先采取数值模拟的方式分析可能出现裂缝的位置，完善施工设计并做好裂缝预防工作，严格遵循规范化施工操作流程。此外，采取配筋加固措施和优化混凝土配筋等也可防止或减少裂缝的形成。模具支撑是混凝土浇筑的首要环节，要对模板质量严格控制，选用散热效果良好的模板增大混凝土散热及其自身稳定性[9]。

3.5 施工工艺控制及混凝土养护

施工过程中按照规定的浇筑顺序、方向、厚度采用分级或分层的浇筑方法，下层初凝后及时浇筑上层，外界环境温度较低时要合理减慢浇筑速度。加强混凝土振捣，遵循慢拔快插的振捣原则，入模后要及时振捣以防出现局部空隙或离析，每次振捣插入至下层的5-10cm，控制距离接触面10-20cm作为振捣深度。完成振捣后，将最后一层混凝土刮平并做好清洁工作。

结合具体情况精准控制水量，通过合理设定养护时间、科学运用养护方法等强化混凝土养护。一般从温度和湿度两个方面做好养护工作，浇筑完成后要养护7-10d，保证水泥水化所需水分的充足。例如，为保持混凝土表面湿润可覆盖塑料薄膜或土工布，高温时人工定期洒水降温，低温时利用棉被或草甸子覆盖保温，特殊情况下还可采取蒸汽养护或增设加热设备养护，控制混凝土内外温差不超过25℃。

3.6 温度及温度应力控制

温度是引起混凝土裂缝的关键因素，所以要把控好温度因素。实时关注气温变化情况，实行信息化控制，加强温度监测管理和测量[10-13]。外界环境温度较高时为降低搅拌产生的热量，拌合前可以对碎石用冷水冲刷、对材料采取密封和遮阳等措施，低温时采取保温措施。为了降低温度应力可以采用水管水冷、二次风冷、通风等技术降低混凝土内外温差，也可用沥青形成滑动层改善混凝土约束条件，达到温度应力释放的目的。工程中，尽量选择15-18时或7-10时浇筑混凝土。

3.7 做好裂缝修补处理

施工过程中要及时分析已出现的裂缝特点，并结合实际情况采取有效的修补措施。实际工程中常见的裂缝修补方法，如表2所示。

表2 水工混凝土裂缝修补技术

4 结 论

1)总体上，可将混凝土裂缝分为温度、沉陷、收缩和其他裂缝类型，不同裂缝形成的原因复杂，有温度与搅拌控制、原材料、温度与温度应力、塑性收缩和坍塌问题等诸多因素。

2)结合实际情况，综合应用多种技术有效避免或减少混凝土裂缝的形成，包括混凝土养护处理、施工工艺控制、优化配合比设计、支模与集料控制、完善施工设计、温度应力控制等防裂技术，确保水利施工质量和工程结构安全。