浅析水利工程中混凝土裂缝产生的原因和处理方法

2019-02-14

四川水利 2019年6期

(1.四川大学水电学院，成都，610065；2.四川省水利科学研究院，成都，610072)

水为生命之源、生产之要、生态之基；建设水利工程能极大地促进地方的社会经济发展，助力脱贫攻坚和乡村振兴。新的时代对工程建设的质量也有新的要求，混凝土裂缝防止和处理的相关技术是水利从业者长期关注的热点问题之一。由于水利工程长期处于各种复杂的运行环境下，混凝土不可避免的会出现开裂，而裂缝会直接影响混凝土的强度，加速内部钢筋的锈蚀，从而导致混凝土结构承载能力、耐久性及抗渗性降低，最终威胁到整个工程的质量安全，给人们的生命财产带来巨大的安全隐患。针对水利工程施工中混凝土裂缝问题的研究具有一定的现实意义。

1 混凝土裂缝的类型、特征和成因

1.1 温度裂缝

温控措施长期以来都是混凝土施工的重点，随着工程建筑体积越来越庞大，温控的重要性也在一步步的提升。混凝土在浇筑硬化的过程中会产生大量的水化热，由于水利工程中大体积混凝土水泥用量较大，因此，导致内外散热不均匀，外部散热快温度降低快，内部散热慢温度降低慢，内部混凝土浇筑后温度有时会达到70℃以上，内外的温差使混凝土表面会形成一定的拉应力，而混凝土抗拉承载力又相对较低，极易形成表面裂缝或贯通性裂缝。同时，温度裂缝还与气温有关，热胀冷缩眀显。

1.2 约束裂缝

在浇筑基础混凝土时，由于温度应力和地基约束会使刚浇的基础混凝土产生裂缝。因为地基变形极小可视为不动的，而新浇混凝土由于温度产生膨胀或收缩，地基又限制了新浇混凝土的变形，因此产生裂缝。类似的现象还可能发生在老混凝土上浇筑新混凝土时，这同样是因为老混凝土限制了新浇混凝土的变形而产生了裂缝。

1.3 沉陷裂缝

基础处理不善，引起基础不均匀沉陷或扬压力增大，或者模板强度不够或振捣不慎，导致模板发生变形或位移。沉陷裂缝的特点是裂缝发展方向常与地面保持着垂直或者呈30°～40°方向发展，裂缝的宽度取决于荷载的大小和建筑物沉降值，通常为贯穿性裂缝，宽度0.3mm～0.4mm，有错台、错位现象，其随地基变形稳定后而稳定。

1.4 收缩裂缝

收缩裂缝主要有塑性收缩裂缝和干缩裂缝。在混凝土浇筑完后，需要等待一段时间使其硬化，塑性收缩就是发生于这段时间，其产生原因是因为在硬化期间受高温影响，混凝土内部水分流向表面并迅速挥发，随着失水的增加，毛细负压产生的收缩力使混凝土表面产生急剧的体积收缩从而导致裂缝的产生。塑性收缩裂缝主要发生在混凝土暴露的表面，裂缝深度一般不大也不连贯，裂缝多呈现为中间宽且两端长短不一的细长形态。干缩裂缝与塑性收缩裂缝产生的原因相似，发生在硬化后期，属于后期裂缝；一般发生在浇筑完毕后的养护期间，由于内外湿度变化不均、水分蒸发不均产生体积收缩而形成裂缝。裂缝形态为表面性，走向纵横交错，没有规律，形似龟纹。

1.5 荷载裂缝

当有荷载作用于混凝土构件上，且荷载作用力超过构件本身的承载能力时，会产生荷载裂缝，若荷载继续增大，则会造成构件的失稳破坏。如施工荷载引起的裂缝、长期荷载引起的裂缝、剪切破坏引起的裂缝、疲劳荷载引起的裂缝及构件挠度过大引起的裂缝。这些裂缝均是由于荷载原因引起的，而不是由于外界环境因素引起的。在结构设计时，应充分考虑到混凝土构件的受力特征与荷载情况，确保混凝土结构本身的承载能力能满足实际运用需求，避免因结构承载能力不足而产生裂缝。

1.6 化学反应引起的裂缝

碱骨料反应裂缝和钢筋锈蚀引起的裂缝是钢筋混凝土结构中最常见的由于化学反应而引起的裂缝。混凝土拌和后会产生一些碱性离子，这些离子与活性骨料产生化学反应并吸收周围环境中的水而体积增大，造成混凝土疏松、膨胀开裂。这种裂缝一般出现在混凝土结构使用期间，一旦出现很难补救，因此，应在施工中采取有效措施进行预防。

2 混凝土裂缝常用的处理方法

裂缝的处理应遵循以下原则：对于位于混凝土表面有防风化、防渗、抗冲、耐磨要求部位的裂缝应进行表面处理;对于削弱结构的整体性、强度、防渗性能和造成钢筋锈蚀的裂缝要进行灌浆处理；对于危及建筑物安全运用的裂缝，除了采取灌浆处理外，必要时应采取结构加固处理措施；对温度反应敏感的裂缝，在低温季节后期裂缝开度较大时进行处理；对于荷载反应敏感的裂缝，应在减小或去除荷载后进行处理；渗水裂缝先止水再处理，对于“活动”裂缝应采用柔性材料进行处理。

2.1 表面处理法

表面处理法一般用于处理不影响结构承载能力的细小裂缝或网状裂缝。表面处理法包括表面涂抹法和表面贴补法两种。表面涂抹法适用于浆材难以灌入的细而浅的裂缝，深度未达到钢筋表面的发丝裂缝，不漏水的缝，不伸缩的裂缝以及不再活动的裂缝，常用环氧胶泥、水泥浆涂抹到裂缝表面或者将热沥青或油漆等防腐材料涂刷于混凝土表面来对细小裂缝进行处理。表面贴补法常用土工膜或其它防水材料进行修补，适用于如蜂窝麻面、变形缝等部位大面积漏水的防渗堵漏，也可用碳纤维布和玻璃纤维布在裂缝表面粘贴，达到修补的效果。表面处理法的优点是操作方便、施工速度快；缺点是只能处理裂缝表面而无法深入裂缝内部，无法达到控制裂缝继续发展的作用。主要的预防措施：一是选用碱活性小的砂石骨料；二是选用低碱水泥和低碱或无碱的外加剂；三是选用合适的掺和料抑制碱骨料反应。

由于混凝土浇筑、振捣不良或者是钢筋保护层较薄，有害物质进入混凝土使钢筋产生锈蚀，锈蚀(Fe2O3，FeO)的钢筋体积膨胀，导致混凝土胀裂，此种类型的裂缝多为纵向裂缝，沿钢筋的位置出现。通常的预防措施有：一是保证钢筋保护层的厚度；二是混凝土级配要良好；三是混凝土浇注要振捣密实；四是钢筋表层涂刷防腐涂料。

2.2 填充法

填充法是用修补材料直接填充裂缝，一般可用来修补较宽的裂缝。该方法适用于宽度在0.3mm左右，深度较浅的裂缝或是裂缝中有充填物，用灌浆法很难达到效果的裂缝，常采取开V型槽，然后用强度高、防水性能好的树脂或环氧砂浆材料作填充处理。其优点是施工简便、费用低，是裂缝处理常用的方法之一。

2.3 灌浆法

灌浆法包括水泥灌浆和化学灌浆两大类，是利用压力设备将补缝浆液注入混凝土裂隙，达到闭塞的目的；也可利用弹性补缝器将注缝胶注入裂缝，不用电力，操作方便效果也很好。水利工程上所用的补缝浆液多是胶结材料，交联固化后能与混凝土很好的粘接在一起，起到封堵裂缝、加固结构的作用。常用的胶结材料有水泥浆、环氧树脂、甲基丙烯酸酯、聚氨酯等化学材料。灌浆法应用范围很广，从细微裂缝到大裂缝均可适用，且能达到较好的效果；优点是用该方法处理的裂缝不仅可对整体结构进行加固，还可满足一定的防渗和耐久性的要求。

2.4 混凝土置换法

混凝土置换法是先将损坏的混凝土剔除，然后再置换入新的混凝土或其他材料，是一种处理严重损坏混凝土的有效方法。常用的置换材料包括普通混凝土、水泥砂浆、聚合物、改性聚合物混凝土或砂浆。

2.5 加固法

当结构因为超载而产生裂缝，同时裂缝又影响到混凝土结构的性能时，需采取加固法。常采取以下几种措施：加大混凝土结构的截面面积、在构件的角部外包型钢、采用预应力法加固、粘贴钢板加固、粘贴碳纤维加固、增设支点加固以及喷射混凝土补强加固。

另一种常用的加固法为围套加固法，该方法在结构的外部一方或者外侧一端包钢筋围套，主要目的是为了增加钢筋截面面积，提高承载能力。

2.6 钻孔加PVC管再铺加钢筋网处理法

该方法主要是针对于大体积混凝土的内部裂缝，在浇筑大体积混凝土时，当发现已浇下层混凝土已开裂，在上层混凝土浇筑前，先在下层混凝土浇筑块表面裂缝的两个未端分别钻一个直径约10cm的圆孔，其原理是释放裂缝处的集中应力，以达到阻止裂缝继续向水平方向发展的目的；再沿混凝土裂缝方向铺设PVC半圆管(隔断已有裂缝与新浇混凝土的联系)，并用钢筋予以固定，在此基础上铺设一层或两层(间隔50cm)水平钢筋网，这样能有效地阻断裂缝向上的发展和沿伸。

2.7 电化学防护法

电化学防腐是利用施加电场在介质中的电化学作用，改变混凝土或钢筋混凝土所处的环境状态，钝化钢筋，以达到防腐的目的，氯盐提取法、碱性复原法、阴极防护法是化学防护法中常用而有效的三种方法。

2.8 仿生自愈合法

仿生自愈合法是一种新的裂缝处理方法，它模仿生物组织对受创伤部位自动分泌某种物质，而使创伤部位得到愈合的机能，在混凝土中加入激活组分，在混凝土内部反应生成智能型仿生自愈合神经网络，当混凝土出现裂缝时分泌出部分液芯纤维可使裂缝重新愈合。

3 混凝土裂缝的防治措施

3.1 优化配比、严控材质

设计混凝土配合比时，在保证混凝土具有良好和易性的情况下，应尽可能地降低混凝土的单位用水量，控制好混凝土的水灰比，减少混凝土的坍落度，合理掺加粉煤灰和减水剂等外加剂，以减少单方混凝土的水泥和水的用量，便于施工温度控制。在选择水泥的等级、品种时，尽量选择低水化热和抗裂能力强的水泥，避免使用高强水泥。此外，砂、石、骨料等材料的质量也要进行严格的控制，选取质量过硬、规格达标且级配优良的骨料，骨料应粒径均匀、含泥量低，符合规范要求。

3.2 合理分块

混凝土施工分块应尽量控制浇筑块体长宽比，最好小于2，接近方形最好，切忌长条或带尖角，以避免横纵两个方向变形不协调引起裂缝。特别是在基础底板混凝土浇筑时，为减小基础约束力带来的影响，浇筑第一层混凝土时需要有一定的厚度，尽可能使用微膨胀混凝土，这样能有效地控制基础混凝土的裂缝产生。施工时同一仓位应使用同一品牌的水泥，不同品牌的水泥混合使用会加大裂缝产生的几率。

3.3 提高施工工艺和水平

混凝土施工过程中最重要的环节是浇筑，首先要拌和均匀，浇筑时控制混凝土的下料速度、使骨料分布均匀、振捣密实，这样可以最大程度降低混凝土开裂的几率。若振捣不密实，混凝土在凝结硬化后内部就会有孔隙，直接影响混凝土的承载能力，受力后更易出现裂缝，同时影响混凝土的耐久性，缩减混凝土的使用寿命。另一方面，施工时的温控也尤其重要，高温季节浇筑前应降低骨料的入仓温度，可在拌和骨料时加入冰水或是拌和前预冷骨料；浇筑完成后，混凝土应进行保温处理，还可在内部埋设冷却水管，通过冷水在管内流动将内部的热量带出。合理安排大体积混凝土的浇筑时间，尽量选择环境温度适宜时进行施工，夏季施工注意降温，冬季施工注意保温，以避免环境温度带来的影响。

3.4 提升养护水平

在混凝土浇筑后，若不及时进行养护，混凝土中的水分就会蒸发，出现脱水现象，会使已形成凝胶体的水泥颗粒不能充分水化，不能转化为稳定的结晶，硬化后缺乏足够的粘结力，从而会在混凝土表面出现片状或粉状脱落。因为在混凝土尚未具备足够的强度时，水分过早的蒸发还会产生较大的收缩变形，在表面的张力作用下会出现干缩裂纹。所以，混凝土浇筑后初期阶段的养护非常重要，干硬性混凝土应于浇筑完毕后立即进行养护。可根据工程实际情况采取合适的养护方法。常用的养护方法有：覆盖(麻袋、草席、锯未、砂)洒水、围水养护、喷雾洒水、自然养护法、养生液法、养护膜法等。