水利工程中混凝土裂缝的成因与防治

刘爱华

(山东省菏泽市东明县水务局，山东 菏泽 274500)

随着我国经济的快速发展，为了满足生活生产用水的需求，大型水利工程不断增多。于此同时，水利工程中混凝土裂缝的出现也引起了较多的关注。混凝土结构是水利工程中的常用结构之一，但是由于水利工程和混凝土结构自身的特点，导致混凝土裂缝频繁发生[1]。水利工程混凝土裂缝的发生主要分为两种原因，一种是由于水利工程中部分部位的拉应力超过混凝土材料的负荷量，从而导致荷载裂缝的发生；另一种则是由于不同环境下水利工程中的混凝土收缩变形形成的非荷载裂缝，多由于温度变化、钢筋腐蚀引起。混凝土裂缝的发生会进一步影响水利工程的正常功能以及整体工程的安全性，缩短其使用寿命，也会造成周围居民的恐慌[2]。因此需要进一步分析水利工程混凝土裂缝形成原因，采取有效的干预措施，确保水利工程的建设质量，确保工程的安全性。

1 水利工程混凝土裂缝的影响

混凝土结构是水利工程中的常见结构之一，但是由于水利工程的特征以及混凝土自身抗拉强度低的特点，导致混凝土裂缝成为水利工程中普遍存在的而一种现象。混凝土裂缝发生的主要原因与以下因素有关：①材料因素：水灰比不合理、骨料不合格、添加剂的使用量过多等；②施工因素：混凝土制备不规范、混凝土浇筑不合理、混凝土养护不完善等；③环境因素：湿度低会影响混凝土的凝固速度，同时温度过低会导致混凝土收缩，从而产生裂缝[3]。混凝土裂缝的产生虽然暂时不会影响整体水利工程的安全性，但是会造成外观的损坏，还会加速钢筋腐蚀，破坏水利工程整体结构的强度，并且从水利工程长期使用的要求来看，还会影响其使用寿命。因此随着我国社会经济的快速发展，为了确保水利工程的建设质量，需要进一步分析混凝土裂缝产生原因，并采取有效的防控措施，为后续工程施工提供有效指导[4]。

2 水利工程混凝土裂缝产生的相关因素

2.1 材料因素

水泥作为混凝土施工的主要材料，品种多且性能各异。其主要是使用水泥熟料以及各种添加材料混合制成的，不同类型水泥的收缩程度与成分含量有密切的相关性，例如C3A含量高的混凝土收缩率更高；水泥熟料中的MgO可以补偿混凝土冷却硬化过程中的体积收缩，降低混凝土裂缝的发生率[5]。混合材料也会对混凝土裂缝的产生造成影响，例如由于粉煤灰比表面积小，混凝土的收缩率会随着粉煤灰含量的变化而变化，因此在实际施工过程中，需要严格控制混合材料的比重，从而预防混凝土裂缝的出现。混凝土中的骨料也会对其性能产生影响，混凝土骨料的增加，弹性会减小，但是当骨料中黏土比重的升高，其弹性会增加。混凝土的配比会对其收缩率造成影响，例如水泥用量、加水量、砂率、水灰比等参数，在相同加水量的前提下，混凝土收缩率会随着水泥添加量降低而降低，但是幅度相对较小；在相同水灰比的前提下，混凝土收缩率会随着砂率的升高而降低。此外，混凝土的各种添加剂也会影响其收缩率，例如减水剂可以提高混凝土施工效率[6]。

2.2 施工因素

混凝土的制作与浇筑不当，也会影响混凝土的使用性能。例如部分混凝土为了方便泵送，水灰比不当，导致其性能降低；制备中的拌合操作不合理，会导致添加剂的浪费，无法达到预期效果；混凝土搅拌不充分，骨料分布不均匀，会导致收缩裂缝的发生；骨料拌合温度、浇注温度过高也有可能引起裂缝发生；混凝土运输时间长，也可能影响其性能，出现离析、泌水、沉陷等问题；浇筑操作不当；振动过大也容易造成混凝土离析、泌水，尤其是水灰比较大的混泥土；混凝土保护层过薄也会导致其容易产生裂缝[7]。

混凝土模版施工中由于支撑板偏斜幅度过大，导致支撑件变形；施工过程中人为因素导致支撑板位移；模具过早去除，且混凝土在凝固前振动；模版缝隙较大，导致浆液渗漏或渗水，都会导致混凝土裂缝的出现。混凝土浇筑之后，过度压光会导致细骨料浮在表层，导致表层碳化收缩，最终导致表层裂缝出现。养护不当也会影响混凝土的使用性能，例如过载使用会导致混凝土的荷载能力下降；不及时养护会导致混凝土表层水分蒸发，早期混凝土的强度较低，此时由于缺水导致体积收缩，尤其是夏冬两季，由于温差较大，此时节进行施工容易引起混凝土裂缝。混凝土后续养护力度不足，会导致混泥土碳化收缩裂缝。混凝土浇筑过程中，下一道工序过早施工也会引起施工振动，导致裂缝。此外部分单位由于埋藏光纤过多，混凝土黏结性下降，容易由于应力分布不均匀而引起不规则裂缝。

2.3 环境因素

空气温度湿度过高都会影响混凝土的凝固和外形，导致收缩、变形。长期风吹日晒会导致混凝土表层收缩，同时水的温度过低会导致内外温差较大，导致温度裂缝的发生；寒潮、暴雨动容易导致混凝土内外温度过大，从而引起裂缝的发生[8]。

3 水利工程混凝土裂缝防治措施

3.1 明确混凝土施工要点

在混凝土施工目标在于加强养护工作，预防裂缝的发生，尤其是在夏冬两季，此时要确保混凝土达到相应的强度，避免由于温差过大而产生裂缝。在施工前期需要做好现场调查，例如作业难度、人力资源配置、施工时的天气变化等方面，确保工程能够顺利完成。混凝土施工需要考虑水利工程的整体成本，充分考虑经济效益和可操作性，根据施工现场的水文条件、工程规模与结构等方面的情况，做好机械、人力资源配置，根据当地气候特征制定相应的应急处理元，并且还要优化施工现场的环境。例如在冬季施工时，由于天气寒冷会影响混凝土的凝固速度，因此可以使用快干水泥进行浇筑，或者是使用速凝剂，若钢筋结构浇筑时则不能使用氯化速凝剂。在大体积混凝土浇筑过程中，由于水化热反应的影响，会导致中央温度升高而外周温度相对较低，此时容易发生温度裂缝，因此可以使用混合水泥。在寒冷地区作业时，可以使用无氯化物的防冻剂来预防混凝土冻结，但是其与硫氰基化合物混合会产生有毒气体，因此需要考虑其他添加剂的使用情况，合理添加，确保施工人员的人身安全。使用水灰比较低的复合物，或者是水化热速率快的水泥，有助于控制混凝土内部温度。加热拌合过程中使用热水的拌合效果更好，但是要注意控制水温，避免水泥闪凝的发生，要避免两者的直接接触，合理安排添加物的添加顺序。骨料加热不能直接采用蒸汽加热，避免含水量增多，可以采取管道加热的方式，且加热温度不能超过52℃。气温过高或气温过低的时节进行混凝土施工，对于其配合比的要求更为严格，要求其抗压强度达到3.5-5.0N/mm2，尽可能降低单位含水率，避免渗水、冻结的情况发生。

混凝土配置过程中最好需要提前计算其产生的热量，并且还要考虑到其运输过程中的热量丢失，确保混凝土有着足够的热量，避免过早凝结的情况发生，不然会影响其强度。但是热量过高也会影响其使用性能，造成热收缩裂缝的发生。在加热材料时，需要先添加足量的水，然后按照添加顺序依次添加，骨料采取管道加热的方式，并且要确保受热均匀，避免影响骨料的含水量；水泥加热会发生闪凝现象，因此需要使用搅拌机搅拌，待温度降到40℃时再添加水泥。混凝土浇筑时需要将模板上的杂物、积水都清除之后，避免这些部位温度下降过快，并且还要注意存在积水时不能进行混凝土的平整作业。浇筑之后的混泥土也不能长时间暴露在空气中，最好使用保护膜覆盖，避免水分快速蒸发。若使用泵送的方式施工，在冬季时可能由于温度低导致部分水泥浆冻结，因此可以采取保温管道或者是温水预热管道，预防水泥浆冻结的情况发生。

3.2 加强混凝土养护管理

根据建筑学会的相关要求，混凝土要想延长其使用时间，就需要做好养护工作。养护方法需要根据混凝土的配合比、环境温度、混凝土结构的断面尺寸等因素来确定，日本土木学会指出混凝土最低养护温度为5℃，但是在寒冷地区，希望能够保持在10℃左右，若厚度较高的断面，养护温度最好达到20℃；为了避免养护之后温度快速降低产生的裂隙，在养护结束2d后，混凝土温度也要达到0℃以上。因此需要做好混凝土搅拌参数的记录，包括搅拌温度、浇注温度、硬化后温度，同时要根据环境气温变化进行调整；当混凝土温度未达到规定标准时，需要及时进行补救，避免温度裂缝的发生；在养护过程中需要根据温度变化确定养护终止时间，并预测投入使用后的维护情况。在寒冷地区，由于气温较低，可以适当延长养护时间。

水泥的水化依赖于水及温度，在低温情况下水化热反应速度慢，但温度<4℃时水的体积膨大，当低于0℃时，混凝土体积膨胀且水泥颗粒结构破坏，且由于温度降低，复合物减少，导致混凝土抗渗性下降；温度升高后虽然复合物还能增长，但是整体的强度会下降，且低温时间越长，造成的损失越严重。因此在气温<5℃时，需要采取有效的防护措施，避免混凝土的冻结。混凝土温度<0.3℃时，水化反应基本消失，当温度<10℃时，水化反应完全停止。因此需要做好保温措施，加速混泥土的凝固，确保其在寒潮到来之前达到临界强度，或者是在寒冷天气时减少其结构破坏。

目前主要是采取隔热养护或者是蓄热养护措施。隔热养护主要是使用隔热材料来确保混凝土的温度，促进其水化反应的生成，直到达到临界强度，这种保温方式适用于最低温度在-3℃以上的地区，若温度更低，则需要使用高性能的隔热材料。隔热材料可以降低水泥的水化热损失，但是大面积混凝土浇筑由于表面较大，温度下降速度快，容易产生裂缝。因此在温度养护过程中，需要注意温度的养护，若最低温度<-15℃，需要使用防冻剂。蓄热养护主要是利用水化热将热能储存起来，从而维持稳定的环境，促使水化反应的持续进行。其在实际施工中主要是将骨料和水加热处理，从而弥补硬化过程中的热量丢失，加热水是一种比较简单的方法，因此首选该方法，但要注意水加热温度不能超过90℃；若水加热无法满足实际需求时，需要考虑砂石材料的加热，一般砂石材料加热温度不会超过75℃。水加热可以在水箱内使用电极加热的方法，操作简单、经济实惠；而砂石加热则使用管道加热、大锅加热等方法。采用蓄热养护方法中，混凝土构件散热情况需要根据混泥土的温度以及浇筑速度来确定。对于混凝土抗渗、抗冻要求较高的水利工程，尤其是后期浸水使用之后，为了尽可能提高混凝土的抗渗强度，需要提高其初始强度，减少由于热胀冷缩引起的形变，因此最好使用高活性的快硬水泥；或者使用低水灰比的混凝土，此外还可以使用配筋混凝土，来有效抑制混凝土的膨胀变形问题。

3.3 加强混凝土施工质量管理

混凝土施工质量管理对于确保水利工程建设质量具有重要的现实意义，因此需要确定施工工序明确分工，并将责任落实到个人身上，充分发挥主观能动性，加强沟通，确保混凝土施工的平稳开展，最终确保工程施工质量。在混凝土施工之前，需要做好前期准备措施，确定施工方案、进度，并且要做好技术交底，在确保施工质量的前提下，缩短工期，降低成本，同时要确定混凝土的施工工艺。混凝土施工过程中，施工队伍的技术水平、施工设备的性能、原材料以及构建质量会影响其施工质量，因此需要加强施工现场的技术管理，确保各环节处于可控状态。结合工程特点，需要建立完善的质量控制体系，对施工现场的各环节进行控制，确定每个工序容易出现问题的地方，并采取有效的改进措施，将责任落实到个人身上，加强质量控制。

例如对材料、施工工艺、施工设备以及施工人员等进行分析，寻找各种影响因素，加强监督与管理，避免混凝土质量问题的发生。加强工程质量管理，从传统的事后管理变为事前管理，加强各环节的质量检验，确保混凝土施工的有序开展；若发现某一地方出现问题，需要及时返工，消除问题之后继续施工。根据水利工程的特点、复杂性与质量标准，对于重要部位的质量因素进行控制，例如材料、器械、工序、现场环境等，加强管理与控制，有效剔除各种影响因素。管理者需要做好混凝土材料以及施工设备的验收工作，验收合格之后才可收入仓库，同时还要做好材料与设备的储存管理工作，避免材料由于保存不当而变质。

在混凝土施工过程中，需要加强现场管理，各级负责人需要做好检验工作，对于违规操作以及不符合技术标准的施工行为，需要及时纠正；做好工程交接检查，确保工程施工质量，在每一道工序完成之后，做好检验工作，在确保检验质量合格之后才可进行下一道工序的施工，若上一道工序检验不合格，需要及时返工。对浇筑完成的混凝土需要做好巡查工作，对于保护、覆盖等措施进行检查，避免对成品的破坏。在整体施工结束之后，还需要做好竣工验收工作，一般是由项目管理组进行验收，对施工计划书、施工图纸、审核记录、技术核定单、施工规范与标准等内容进行检验，并在监理工程师验收之后，对发现的质量问题进行及时的返修，在确保质量合格之后才可正式验收。

4 结 语

混凝土裂缝的初夏不仅会影响其抗渗能力，还会影响其使用功能，导致钢筋锈蚀、混凝土碳化，导致混凝土结构的耐久性降低，影响水利工程的使用寿命。因此需要进一步研究混凝土裂缝出现的相关因素，并针对其裂缝发生原因，采取有效的管理措施，降低混凝土裂缝的发生率，保护水利工程的使用性能，从而确保水利工程能够平稳运行。