水利工程中混凝土裂缝控制技术分析

2021-07-05刘士明

河南水利与南水北调 2021年4期

刘士明

(开原市水利事务服务中心，辽宁开原 112300)

0 引言

混凝土具有抗压强度高、耐久性好等特点，在现代工程建设中大量使用，也是土木工程建设的最主要的材料之一。特别是一些基础民生设施，为保证其坚固性，需要大量使用混凝土。水利工程建设是中国重要的基础民生建设，是国民经济重要的支柱，保证水利设施的质量是工程建筑行业需要认真进行研究的。混凝土以优质的抗压能力、强度等级在水利工程中大量使用，但混凝土施工是一项专业的技术，如果没有按照技术标准进行施工会造成混凝土的质量问题，如混凝土出现裂缝，进而塌陷、强度变低，最终产生不可估量的后果。

1 混凝土裂缝类型及产生的原因分析

混凝土施工未按照技术标准、工艺标准进行施工，就会产生质量问题，产生裂缝，具体产生裂缝的类型和原因分析如下。

1.1 裂缝类型及产生原因

收缩裂缝。收缩裂缝是常见的一种混凝土开裂的形式，形成收缩裂缝的作用机理在于混凝土浇筑过程中至浇筑完毕成形阶段，在这一阶段，由于外界的干扰，如大风、高温情况，造成混凝土水分蒸发过快，形成失水现象，以及雨水或其他在搅拌成形后继续加水为充分搅拌的情况下，混凝土中的水析出，造成已搅拌的混凝土搅拌不充分形成的失水。在这种状态下，随着混凝土后续阶段的硬化过程，会出现混凝土收缩，产生中间宽大、两端较细的裂纹。如图1所示。

图1 横向收缩裂缝图

沉陷裂缝。通常来说，优质的混凝土不会受到外界因素的影响而发生裂缝或形变，但如果在混凝土浇筑的过程中出现一些外力，例如地基不稳定不均匀，回填土不密实不均匀，模板支撑变形等现象，会让混凝土在自身膨胀力和重力影响下产生形变，或者在外界存在诱因的时候，产生形变。例如，在冬季的施工中，在冻土过程中，混凝土同样会发生冻土现象，而发生解冻时，混凝土内部结构遭到了破坏，一旦出现上述所说的外力作用，就会产生沉陷裂纹。而这种裂纹一旦产生，可能出现裂纹很深的现象，从内部开始出现裂缝，严重情况下，甚至会产生混凝土延裂缝出现错位现象，是混凝土结构设施报废。

温度裂缝。混凝土结构受混度的影响产生裂缝就称为温度裂缝。产生温度裂缝的作用机理主要是两个方面。第一，混凝土本身存在结构缺陷，如因搅拌不均匀导致局部骨料过多或过少、未夯实造成内部空洞等情况，这时候在一些极端温度的天气下，其内部局部不均匀的结构会产生不均匀的温度变化，进而出现应力，导致裂缝。第二，混凝土的浇筑处于极端的温度环境中，其后养护完成投入使用过程中，环境温度发生相反的较大变化，其内部的受温度变化的膨胀应力有可能导致出现裂纹，这种裂纹与沉陷裂缝不同，内部结构正常，仅受到环境温度的影响，这在一些高寒地区的混凝土施工中容易发生。如某水利工程中的大坝施工进入混凝土浇筑阶段，期工程当地最高温度是28.50℃，最低温度为15.20℃，其昼夜温差最大值为12.30℃，最小温差为6.50℃，相关的技术人员结合温度特点进行了模拟实验，发现混凝土自身的计算最高温度属于温控技术范围，但其与基岩的接触部门是其最大应力部位，因此随着施工后出现的频繁温差变化，使其应力值到达临界点，进而发生裂缝的风险较大。详见图2。

图2 板间温差裂缝图

干缩裂缝。干缩裂缝一般发生在混凝土养护阶段。在混凝土浇筑过程中，混凝土只是完成了各种材料的混合，其化学变化完成尚早，要在其后较长的养护过程中，不断的吸水，使得凝胶(水泥)、水和骨料产生化合作用，形成坚硬的材料。因此，养护过程实际是参与混凝土结构程序的重要步骤，而非辅助措施。但在养护过程中，如果因为施水不当造成局部或整体施水不足，施水不均，或者施水工具不当繁复冲刷局部位置，有可能造成混凝土内部的化合过程不充分、不完全。在其后投入使用前发生裂缝，这就是干缩裂缝。这种裂缝的危害极大，会使混凝土发生脆性变化或产生形状变化，造成整体的报废。

常见混凝土裂缝见图1。

1.2 因素统计分析

为了找到造成混凝土裂缝产生的主要原因，对上述各类型裂缝中各个因素进行统计分析。通过表1可知：

表1 混凝土裂缝原因类型分析表

产生裂缝的根源。除干缩裂缝外，其他类型裂缝都涉及温度的变化因素，因此，温度是最大的影响因素。

裂纹诱因产生的阶段。各类型裂纹产生问题的阶段，除了干缩裂纹纯粹是在养护期的不当操作造成裂纹外，其他类型裂纹的作用机理都是在浇筑期因为各种原因而埋下了后期发生裂纹的隐患。

2 水利施工中的混凝土裂缝控制技术

针对混凝土裂缝产生的机理和发生的阶段分析，对其主要因素和关键阶段采取措施。

2.1 控制温度对混凝土施工的影响

通过上文中发生裂缝的原因可知，由于温度的变化直接或间接造成混凝土出现裂纹的类型非常多。为此，要在混凝土施工过程中控制好温度要做到如下方法。第一，由于混凝土在成型过程中本身的化学和物力反应产生发热，从而出现温差影响质量的问题，一般要通过选择发热量低的水泥，来降低发热量，从而实现控制混凝土化合过程中的发热问题。第二，与第一种相对应，如果环境温度过高，则要采取降温措施，减少水分的蒸发，常用的降温措施，一方面是降低材料温度，适当增加水分；另一方面降低环境温度，通过选择合理的施工时段，例如炎热光照时间长的夏季施工，混凝土的搅拌一般放在夜间进行，在上午7-10时，下午3-6时之间进行浇筑，尽量不要选择温度高的时间段进行混凝土浇筑。这也是一种对环境温度进行控制的方法，相对而言，该种温度控制的策略较为常见。通过上述两种方法的控制机理可知，采用温度控制的方式，无论是作用于混凝土材料还是环境，实际上是对混凝土中的水分进行保持的作用。其对于大部分裂纹产生的原因有着明显地抑制作用。

2.2 控制材料的配比和搅拌环节的影响

混凝土材料的配比是影响混凝土质量的主要原因之一，参与混凝土的任意一种材料缺少都会造成混凝土的强度不足，出现裂缝或过早的风化现象，例如水、水泥的不足会造成混凝土各材料化合程度不足；骨料的不足，会造成混凝土强度不够，且耗费水泥更多，成本更大。搅拌环节对于混凝土的质量同样重要，充分的搅拌能够保证混凝土各个材料混合均匀，进而不会发生局部的化合不充分或者材料结构局部的变化等因素。为此，要做好充分的搅拌工作，另外，混凝土的搅拌广义上也代表着其运输和存储的过程，在这一过程中，除添加一些延长混凝土凝固时间的添加剂外，还要实时进行搅拌，防止提前黏合。

2.3 控制施工工艺

现代大型混凝土的浇筑常采用商品混凝土进行，可以有效地保证混凝土材料的质量和浇筑过程，但对其后的捣固、养护环境需要工人具体操作。其中捣固环节主要是保证混凝土充分填充模具，但其对于提升混凝土均匀性和稳定性方面同样具有极大的作用，这有效地降低混凝土裂缝产生的概率。混凝土浇筑完毕后进入养护环节，这一环节要注意几个方面：一是对于外界温度过高、阳光直射的情况要加大施水频率，避免混凝土失水造成裂纹；对于外界温度过低，例如冬季混凝土养护，要采取保温措施，例如表面覆盖塑料膜、覆盖草垫等，避免混凝土冻伤，在解冻过程中出现裂缝。此外，还要注意养护时间，要根据环境温度变化，可以延长但不能缩短。

2.4 控制材料的筛选

组成混凝土的材料选择十分重要，决定了混凝土的整体强度；第一，水泥的质量十分重要，其主要指标是抗渗透能力、干缩性、强度等，必须按照施工标准进行选择；第二，骨料的选择，要选择干净、坚硬，不易风化的石料，一般可以通过反击破碎机轧制形成骨料，然后进行检验；第三，在混凝土调配和浇筑过程中，还要添加一些引气剂、减水剂等，保证混凝土的脆性和防水性。总之，材料的控制不仅仅是按照规定的比例进行，还要对原材料的质量进行控制，这才能够防止混凝土出现裂缝等质量问题。