水利工程中混凝土结构裂缝治理技术研究

水利工程中混凝土结构裂缝治理技术研究

苏慧敏

(山西省水利水电工程建设监理有限公司，山西 太原030002)

【摘要】在水利工程建设中，混凝土是一种最普通、应用最广泛的建筑材料，然而，随着混凝土在水利工程中的大量应用，在其服役年限内，所暴露出来的问题也越来越明显，其中最为引人注意的就是水利工程中混凝土结构出现的裂缝问题。在施工及使用过程中各种各样的因素都会引起混凝土结构产生裂缝，裂缝不断扩展就会危及整个结构的安全使用性。本文通过系统分析水利工程中混凝土结构裂缝的基本理论、产生机理和影响因素，提出了裂缝的处理方法及避免类似结构裂缝产生的预防措施。

【关键词】水利工程；混凝土结构；裂缝控制

DOI:10.16617/j.cnki.11-5543/TK.2015.09.007

中图分类号：TV431

Research on concrete structure crack control technology in water

conservancy project

SU Huimin

(ShanxiWaterConservancyandHydropowerEngineeringConstructionSupervisionCo.,Ltd.,

Taiyuan030002,China)

Abstract:Concrete is one of the most common and most widely used construction material in water conservancy project construction. However, more and more prominent problems are exposed during its service period with massive application of concrete in water conservancy project. Crack in concrete structure in water conservancy project is the most notable problem. Concrete structure can produce cracks due to various factors in the construction and using process. Safe usability of the whole structure can be endangered by the continuous expansion of cracks. In the paper, crack treatment methods and preventive measures of avoiding similar structure cracks are proposed through systematically analyzing basic theory, production mechanism and influencing factors of concrete structure cracks in water conservancy project.

Key words: water conservancy project; concrete structure; crack control

1概述

水利工程建设在国民经济良好发展态势的带动下取得了持续发展，然而在水利建设工程中广泛应用的混凝土产生开裂也成为较为普遍的问题，任由裂缝扩展将会对结构的使用性和耐久性产生极大的影响，有的甚至会造成人员伤亡。因此，对水利工程中混凝土结构裂缝的研究不仅有其学术价值，更是现实情况的迫切要求[1]。曲成总结分析了混凝土裂缝的成因及影响因素，详细分析了当前国内外对于研究混凝土早期开裂问题的研究试验方法；汪秋明探究了水利工程中大体积混凝土结构产生裂缝的原因，进而总结得出大体积混凝土结构自身的收缩、水泥的水化作用、结构设计不当等是引起裂缝的关键因素；夏慧明对混凝土施工过程中裂缝产生影响因素进行了定量分析。本文基于众多专家学者的研究，系统地总结分析了水利工程中适用的混凝土结构裂缝分析基本理论和基本方法、裂缝机理、成因，提出了避免类似结构裂缝产生的工程措施以及裂缝处理方法，意在为相关水利工程提供参考借鉴。

2水利工程中混凝土结构裂缝产生的基本理论

2.1水利工程中混凝土结构的特点

在水利工程中建筑结构众多并且大都具有体积大、结构厚的特征。混凝土结构是最为普遍的结构，具有如下特点：

a.水利工程中所应用的混凝土属于脆性材料，抗压能力强，而抗拉能力远远小于其抗压能力，可变形能力也很差。

b.水利工程中的建筑结构很大一部分属于大体积混凝土结构，断面尺寸大，在浇筑混凝土过程中水泥与水作用会产生水化热反应，使结构内部温度升高，当混凝土浇筑完毕后，由于内部高温，混凝土弹性模量小，徐变大。然而随着时间的推移，结构内部温度开始下降，弹性模量变大，徐变开始变小，在外界的约束条件下混凝土结构自身就会产生较大的拉应力。

c.水利工程中的大体积混凝土结构通常配筋率很低，当结构中出现拉应力时基本都由混凝土自身承受，然而其抗拉能力很低。

d.水利工程中的混凝土结构大都是露天存在的，长期与空气和雨水接触，表面会被不同程度地腐蚀，而且，外界气温变化会较大影响结构的应力状态。

2.2水利工程中混凝土结构裂缝的基本概念

混凝土是一种复合非均质材料，具有抗压强度大、耐久性好的优良特性，同时还具有抗拉强度低、变形能力差、易于产生裂缝的特征。当其所受应力或产生的变形超过其所能承受限度时，便会产生裂缝直至发生结构破坏。混凝土结构的裂缝发展过程是非常复杂的，目前关于混凝土裂缝的理论主要有统计理论、唯象理论、分子理论、断裂理论和构造理论，虽然理论众多，但仍然无法准确全面地解释混凝土开裂现象。

混凝土的开裂过程实际上是微观裂缝扩展为宏观裂缝的过程。混凝土裂缝分类众多，本文仅就一种分类方式加以阐述。按混凝土裂缝宽度的不同，可将混凝土裂缝分为“微观裂缝”和“宏观裂缝”两种。微观裂缝主要是指一些肉眼无法或较难识别的开度极小的裂缝。对于微观裂缝又可细分为黏着裂缝、水泥石裂缝和骨料裂缝三种。混凝土裂缝开度大于0.05mm的称为宏观裂缝。宏观裂缝是微观裂缝不断扩展的结果，可分为表面裂缝、深层裂缝和贯穿裂缝三种，混凝土裂缝分类如图1所示。

图1　混凝土裂缝分类

2.3水利工程中混凝土裂缝产生的机理

混凝土结构在一开始就分布有零星的微裂缝，微裂缝的存在属于正常现象，然而在外力、环境等众多因素影响下，微裂缝会不断增多并扩展，成为影响结构稳定性的宏观裂缝。裂缝的发展过程可以大致分为三个阶段，如图2所示。

图2　裂缝发展过程

a.裂缝稳定阶段Ⅰ。裂缝稳定阶段是初始阶段，在该阶段个别微裂缝会因为裂缝尖端的应力集中发生轻微扩展，但总的微裂缝不会有很大的发展，结构在宏观上无明显变化。

b.微裂缝发展阶段Ⅱ。随着时间的推移和众多影响因素的作用，微裂缝开始发展较多，变形增长较大，微裂缝开始进入逐渐发展阶段。

c.裂缝不稳定发展阶段Ⅲ。该阶段粗骨料的界面裂缝突然加宽和延伸，裂缝开始连通，宏观裂缝明显。此时即使在应力增长不大或不变的情况下，裂缝仍将持续发展，最终使结构因为裂缝及其发育导致失稳断裂破坏。

2.4水利工程中混凝土结构裂缝产生的影响因素

混凝土产生裂缝的原因十分复杂，根据当前研究，可归纳为外力荷载引起的裂缝和非荷载因素引起的裂缝两大类，详见下表。

水利工程中混凝土结构裂缝产生的影响因素表

3水利工程中混凝土结构裂缝处理方法及预防措施

混凝土结构的裂缝问题，简单看来其实是混凝土结构所具有的的抗裂能力与破坏力之间的关系问题。Rt、εc表示混凝土结构的抗裂能力，P表示引起混凝土结构裂缝扩展的破坏力，K表示结构抗裂安全系数，则有以下简单的判别式:

3.1水利工程中混凝土结构裂缝处理方法

根据相关技术规定，建筑防水在一、二、三类环境条件下，当裂缝宽度大于0.1mm时需要采取相关修补措施。目前国内外裂缝修补的常用方法主要有表面处理法、填充法、灌浆法和结构补强法。

a.表面处理法。表面处理方式主要包括涂抹和贴补，主要应用于处理裂缝宽度小于0.2mm和裂缝依然在扩展的情况。表面涂抹处理方式主要针对那些浆液很难注入的细长裂缝，目前常用1∶1~1∶1.2的水泥砂浆或环氧厚浆对裂缝表面进行涂抹。对于裂缝发育、大面积漏水的位置适合采用表面贴补技术，通过在裂缝部位贴上相应材料，达到封闭裂缝、防渗止漏的目的。

b.填充法。填充法主要适用于开度大于0.3mm的裂缝，把修补材料直接填充到裂缝中。对于灌浆很难实现的裂缝，以及规模较小的裂缝可选用U形或V形槽法进行处理，如图3所示。对于所处的不同条件，充填所需要的材料也有差异，对于槽内潮湿但无流水的裂缝可选用水泥砂浆进行充填，对于环境较为干燥的情况则可选用普通砂浆或沥青环氧砂浆进行充填修补。

图3　U形和V形槽法

c.灌浆法。灌浆法在处理裂缝的工程中被广泛应用，其不仅可起到修补裂缝、防渗止水的目的，还能起到一定的加固结构体的目的。该法处理效果好，适用性广，主要应用在深层裂缝和贯通裂缝的治理。对于开度较大的裂缝可选用水泥灌浆，然而水泥浆液对于一些微裂隙并不具有可注性，因此人们不断开发了各类颗粒更小的化学浆液，在工程实践中已经得到证实，化学灌浆对于微裂隙的注浆封缝有着良好效果。

d.结构补强法。对于因外界荷载引起的裂缝可采取结构补强法来阻止混凝土耐久性不断下降，结构补强法主要可分为断面补强法、锚固补强法、玻纤维布结构补强法、预应力法、喷射混凝土补强法。玻纤维布结构补强法因其施工方便、经济实用等优点被广泛应用在裂缝处理工程中。

3.2水利工程中混凝土结构裂缝预防措施

在水利工程建设过程中，为了防止日后混凝土结构产生裂缝，带来工程问题，在前期应充分做好相应的预防措施。混凝土裂缝控制措施是各项技术的综合应用，主要从以下几个方面进行综合考虑:

a.合理选择水泥品种。水泥与水会发生水化反应，在此过程中会产生水化热，由于早期在浇筑混凝土时产生大量的热量，随着时间推移，温度开始降低，温差变化使混凝土结构产生拉应力，进而促进裂缝的萌生。因此，要合理选择水泥品种，以控制水泥的水化热，达到尽可能地降低裂缝发生率的目的。

b.对结构进行合理的分缝分块。分缝分块是指在设计过程中，根据实际情况，坚持“抗放结合”的原则，对一些较长的混凝土结构通过设置纵缝和横缝进行合理的划分，使其成为由多个块体组成的结构。对混凝土结构进行合理的分缝分块，一方面有利于混凝土结构的制作和施工，摆脱施工机械受限的难题，另一方面，通过设置纵缝和横缝来对混凝土结构进行分割分块，使温度变化时所设置的纵缝或横缝成为结构的伸缩缝，避免因为结构变形而产生裂缝使结构破坏的问题。

c.合理选择原材料，优化混凝土配比。原材料的选择对于裂缝发育有很大的影响，而对于混凝土的配比方面，则应在满足设计强度要求的前提下，尽可能减少混凝土配比中的单位用水量。所配混凝土应力求满足高强度、高韧性，具有较高抗拉能力的特性，优化混凝土配比的目的就是尽可能地提高混凝土的抗裂性能。

d.加强施工质量管理。在混凝土施工过程中，由于施工环境和施工工艺的差别，使混凝土结构的性能也会出现很大的差异，施工工艺不达标，直接影响混凝土结构质量。因此，加强施工阶段的质量管理，做好施工阶段的合格性检验，有利于预防后期混凝土结构裂缝的发生。

e.冷却降温。混凝土在施工过程中，在结构内部会产生大量热量，然而混凝土属于热的不良导体，因此在自然状况下，体型庞大的混凝土结构只能靠自然冷却降温，这对于温度的降低速率来说是极低的。因此，对于大体积的混凝土结构应通过在其内部埋设冷却水管的方法进行人工冷却降温，这样极大地加快了温度降低速度，在适宜的温度情况下，可对结构实施接缝灌浆。

f.重视混凝土结构的养护。混凝土结构的养护阶段对于混凝土在服役期内的性能起着至关重要的作用，通过对施工完成的混凝土结构的养护，来控制混凝土结构早期的收缩变形。对于混凝土结构的养护主要是对结构湿润性的控制，在很多工程中，多采用流水养护和在结构表面覆盖薄膜或湿麻袋的方法，来控制结构的湿润性。

4结语

通过对水利工程中混凝土结构裂缝基本理论的研究，以及对混凝土结构裂缝的治理方法和预防措施的总结，可得以下结论：

a.由于水利工程中混凝土结构的特点，因此微裂缝的存在是必然的，当裂缝并不发育时，并不会对结构本身产生影响。

b.裂缝的发展过程大致可以分为裂缝稳定阶段Ⅰ、微裂缝发展阶段Ⅱ、裂缝不稳定发展阶段Ⅲ，不同的阶段，所具有的特性不同。

c.目前国内外裂缝修补的常用方法主要有表面处理法、填充法、灌浆法和结构补强法，在工程中应根据不同情况选用合适的治理方法。在水利工程建设前期应充分做好混凝土结构裂缝预防措施，尽可能控制裂缝的产生。

参考文献

[1]黄国兴,陈改新.水工混凝土建筑物修补技术及应用[M].北京:中国水利水电出版社，2002.

[2]吕联亚.混凝土裂缝的成因和治理技术[J].混凝土，1998(5):43-48.

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[4]谢寅党，马耀辉，付明克.混凝土裂缝修补技术应用[J].黑龙江水专学报，2005(3):118-119.