水利工程施工中控制混凝土裂缝的技术分析

王泽龙 尚晓田

浙江惠川水利工程技术有限公司 浙江 杭州 310000

引言

混凝土材料独具的经济性、耐久性强以及强度高等特点备受建筑施工企业的青睐，因此逐渐发展成为现代化建设项目施工普遍应用的施工材料。在水利工程建设中，混凝土更是不可或缺的施工材料之一，但是实际开展混凝土施工作业时，如果出现施工不规范、环境温度差异过大，或是混凝土原材料质量不足的问题，势必会产生水利工程混凝土裂缝问题，从而危害水利工程的整体质量和使用寿命。要想避免这种情况的出现，当务之急就是加强控制混凝土裂缝技术及修复技术的研究和应用。

1 裂缝对水利工程混凝土建筑物的危害

1.1 产生渗漏

水利工程相关建筑物如果混凝土结构出现裂缝会有渗漏现象产生，长期持续不断的渗漏会使裂缝由于水的压力作用而危害性不断扩大蔓延，而且混凝土结构有水体渗入后，会溶解水泥成分里的氢氧化钙成分，会加速水化物被侵蚀的程度，其中多碱性化合物最先被水解，水化硅酸三钙和水化硅酸二钙都是此类物质，它们破坏殆尽之后，低碱性化合物随之也被破坏，混凝土结构就会受到严重破坏。据不完全统计，水利工程的混凝土裂缝造成的事故，六成是水体渗漏引起的。

1.2 加速混凝土碳化

由于混凝土结构出现了裂缝，空气里的二氧化碳成分会轻易到达混凝土结构内部，与水泥成分里的相关物质发生化学反应生成碳酸钙，二氧化碳遇湿能与硅酸三钙，氢氧化钙以及硅酸二钙等水泥成分产生化学反应，最终形成硅酸盐，水泥的碱性被中和导致碱度下降，就会破坏钢筋纯化膜如果再加上水体渗漏，钢筋会有锈蚀病害出现，混凝土结构出现碳化，会引发一系列的收缩异常和开裂，进而整体结构被严重破坏[1]。

1.3 加快钢筋的腐蚀

裂缝让该部位的钢筋失去混凝土的保护，裂缝也会拉低结构的抗拉性能，因而越来越大，破坏力也越来越大。

1.4 降低馄凝土耐腐蚀性能力

混凝土结构的裂缝渗漏进水体以后，软水也同时在和水泥石相互作用，水泥水化物会被溶解造成流失，结构就会被严重腐蚀遭到破坏。

1.5 影响混凝土结构的强度和稳定性

混凝土结构出现裂缝后，其自身的结构强度和安全稳定性会受到严重的负面影响，程度轻微时，结构外观美观，正常功能和经久耐用能力会被削弱，裂缝形成贯穿性损伤后整体结构就会彻底破坏。

2 水利工程混凝土裂缝类型

2.1 塑性类型

塑性裂缝的成因主要来源于混凝土浇筑作业过程中过快的水分散失速度，如果混凝土浇筑作业环境气温很高，空气有又十分干燥，炎热气候会让混凝土材料散失大量水分，其整体结构变化的均匀性就会被破坏，最终形成塑性裂缝。通常此类裂缝在结构表面就可以看到，它大多出现在结构的中间区域，宽度较宽，向两侧延伸而变窄，它极大损伤结构的整体质量，一旦这种情况下的混凝土结构成型，其结构强度和安全稳定性也没有保证。

2.2 温度类型

水利工程混凝土结构出现温度裂缝是高发现象，它的主要成因是混凝土浇筑作业过程出现了过高的水化热，这种热量因素会引发内部结构出现异常变化，温度持续升高超限后会导致材料变性，损伤其拉应力，如果混凝土结构受到的拉压力超限，则一定会出现裂缝，而热量在混凝土结构内部的大量聚集，一旦温度裂缝产生就会越来越深[2]。

2.3 收缩类型

水利工程的混凝土结构出现收缩裂缝包括两种类型，即自收缩和干燥收缩，自收缩具体是指混凝土结构在自然状态时的收缩，混凝土材料在完成终凝的过程中逐渐趋于稳定，如果内部结构出现太高的稳定性会使体积收缩；而干燥收缩裂缝是指，混凝土结构因外部环境因素让结构出现了温湿度方面的异常变化，最终导致干燥收缩裂缝的产生。两种类型收缩裂缝的出现都和材料配合比以及自身特性有关，过快散失的水分和收缩不均匀都会产生裂缝。

3 水利工程施工过程控制混凝土裂缝的原则

3.1 控制工艺技术

水利工程的施工过程对相关技术的应用须严格遵循技术标准，管理人员也要对技术应用过程进行严格管控，否则技术应用不合理会带来质量隐患，第一，施工过程中须针对潜在的裂缝隐患进行性质特点的分析，对技术应用可能产生的效果做出合理预测，通过相关实验对技术应用的可行性进行分析，从中筛选出施工过程的最佳技术形式和操作流程，为工程质量打好基础；第二，工程施工要加大现代先进技术的应用力度，要求相关人员及早掌握并熟练运用先进专业技术，对技术应用流程的标准进行严格要求，确保工艺技术执行的规范性，有违规操作或因技术应用不合理导致的质量隐患必须严肃查处，确保技术应用的科学规范化[3]。

3.2 控制材料质量

水利工程的混凝土结构施工如果材料质量性能不达标，就会诱发结构裂缝的产生，导致结构强度和工程的安全稳定性受损。施工单位必须狠抓水利工程施工材料的质量性能问题，避免劣质材料给工程整体质量带来安全危害。第一，对混凝土结构的截面积的类型增加以及置换类型和外包钢类型等进行综合考量，结合其技术应用特性检测相关材料质量，检测作业须指定专职人员采用先进仪器设备完成检测，确认材料质量性能以及强度完全达标后方可投入使用；第二，即使在施工过程进行中也要定期检测施工材料和机械设备的质量，材料管理要实行动态化机制，让材料质量为技术应用的良好成效提供保证；第三，施工过程要根据现场实况和相关技术特点就技术应用编制规章制度和流程规范，要求所有相关人员必须严格按照制度规范去执行技术应用和流程，从根本上提升工程技术应用水平，确保先进技术发挥其应有的价值[4]。

4 水利工程施工控制混凝土裂缝技术案例

4.1 工程背景

以某综合性水库工程为例，它的主要功能是供给区域农业灌溉，人畜饮水，城镇供水以及县城紧急状态下的应急水源，它属于规模中等的新修项目，其大坝结构为常态的混凝土重力形式，施工单位对大坝混凝土大体积施工过程中的质量进行了强力控制，但是从已经浇筑完成的三个坝段的混凝土结构成型效果来看，不规则裂缝仍然呈高发态势，虽然目前的裂缝鉴定结果表明未对大坝质量性能造成不利影响，但是已经出现的裂缝仍然提醒相关人员提起高度重视，否则施工后期仍然会有裂缝产生，严重时会造成严重后果。这就要求施工单位必须认真排查裂缝成因，以此为据制定针对性应对措施，以绝后患。

4.2 体积混凝土裂缝产生情况调查

①水利工程大多属于大体积施工项目，混凝土结构出现裂缝是自然现象，只要控制在技术标准允许的合理区间也无大碍。这就要求施工单位必须对混凝土浇筑作业过程中引发裂缝的相关因素进行严格控制，把裂缝产生的概率控制在最低限度，即使出现裂缝，也要想办法避免危害的进一步扩大，尤其要重点管控可能造成严重危害的破坏性裂缝，为工程质量打好基础[5]；②本工程的混凝土结构现场勘察表明，出现裂缝的三个坝段的裂缝均呈不规则状态，总数达15条，裂缝宽度最大值是2.8mm，最小值是0.1mm，其中一条裂最长接近4.7m。

4.3 体积混凝土裂缝产生原因分析

①由上述裂缝表述可以看到，所有混凝土结构裂缝均呈不规则状态，属于浅层裂缝，管理部门叫停了施工作业，对裂缝成因进行排查，排查内容包括材料质量和配合比，混凝土成料的拌和作业和运输过程，浇筑与振捣作业过程的技术应用，后续养护作业已经混凝土结构施工设计方案和具体构造等，针对相关裂缝成因进行了有效应对，把裂缝概率控制在最低限度；②裂缝成因排查还包括对作业人员，材料质量，设备性能，环境因素以及技术监测方面进行了反复详细研究，对各种可能引发裂缝的原因进行具体指正和认真讨论，并把最终结论形成了因果关系图；③结合因果关系图和实地调查，归结裂缝成因如下：a.混凝土浇筑层厚偏大。在坝段混凝土浇筑作业的设计方案中，要求作业过程须分层浇筑，且分层厚度须小于等于1.5m，由此现场浇筑作业严格遵循了这一规定，但是设计疏漏未对混凝土浇筑作业过程的坝体结构埋设冷却水管，致使较大厚度的混凝土结构浇筑内部温度不能及时散发，导致温度裂缝的产生；b.混凝土养护不到位。完成混凝土浇筑作业后未及时开始养护作业，覆盖和洒水作业都不到位，最终导致不规则裂缝的产生；c.未设置冷却水管。设计方案未对浇筑坝体设置冷却水管实施降温处理，导致内部应力过度集中后的释放拉裂混凝土结构表面而产生裂缝；d.砂石级配不连续。检测混凝土材料发现石子等骨料未形成连续性级配，20～40mm和40～80mm的碎石料粒径未达标；e.粉煤灰质量不佳。现场材料检测显示粉煤灰质量性能达标，但是结合具体调查报告显示仍未达到最佳标准；f.其他方面原因。混凝土浇筑作业未对环境和温度因素进行严格控制，坝段浇筑区划不合理，作业流程不科学，未做好技术交底，未严格管控施工质量，材料坍落度不达标，配比骨料称量马虎，石粉和减水剂质量不达标等，经调查施工过程均符合标准且相关因素可控，排除在裂缝成因之外[6]。

4.4 凝土裂缝控制措施

以上述裂缝成因分析为依据，就大体积混凝土结构裂缝出现的不规则裂缝采取针对性防治措施，最大限度控制裂缝问题的产生，确保水利工程达到设计质量。①做好技术交底。向施工人员就技术交底进行业务培训，确保详细全面的交底效果，所有培训人员完成培训后通过考核才能持证上岗；②降低混凝土浇筑分层厚度。研究决定改进原来混凝土浇筑作业分层厚度1.5m的作业方式，厚度数据降至小于等于1m，且这1m厚度也要分三次完成，各层保证厚度控制在接近30cm，由此浇筑过程的水化热和结构内部温度得到有效控制，内外温差也大幅缩减；③做好养护作业。结束混凝土浇筑作业后，须指定专职人员负责对混凝土结构进行全覆盖和洒水养护作业，养护标准是整个过程混凝土结构表面保证湿润，水坝表面以土工布全部遮盖，上铺塑料薄膜，寒冷天气还要加铺保温材料，同时保证土工布养护期间的湿润状态；④增加混凝土冷却降温措施。施工单位须和设计单位取得良好沟通，对混凝土结构内部加设冷却水管，管材为镀锌钢管，直径规格是20mm，水平方向钢管保证80cm间距，总共2层冷却水管保证接近38cm间距，在进水口位置设置水阀，用于对管内水流量进行调节，冷却水管铺装完成须检测通水压力，确保无渗漏风险，冷却水管输入的水体须为沉淀干净的河水，通水时间是完成该区域混凝土浇筑且振捣结束之后。冷却水管铺设作业须严格按照技术标准完成，确保达到预期降温效果；⑤更换粗骨料，确保连续级配。混凝土沙石料须严格检测后再用，对配合比进行重新测定，骨料进入拌和程序前须通过质量性能检测，须确保级配的连续性，配合比依现场测定情况进行必要调整；⑥更换粉煤灰种类，确保质量。在原来粉煤灰质量等级基础上再提升一级，促进混凝土成型效果，规避坍落度质量风险，粉煤灰提高质量后降低了混凝土水化热，避免浇筑过程温度的快速上升，使大体积混凝土结构温度不规则裂缝的产生概率大幅降低[7]。

5 常用水利工程混凝土裂缝修复技术

5.1 混凝土置换技术

对混凝土结构裂缝进行置换，须是浇筑作业过程中已经出现的裂缝，撤掉原来的质量不达标混凝土材料，换成质量达标材料，规避裂缝对混凝土结构造成质量损害。这种技术的优势在于使混凝土结构截面强度和抗剪性能得到提升，置换效果不影响结构净空数据。缺陷是置换过程需要较长周期，时间因素的控制要求比较严格，同时接受置换的部位须没有太大受压力，对梁柱等承重结构的质量缺陷比较适用，其他结构部位如果要采用这种置换技术还须综合考量现场实况，否则达不到预期效果[8]。

5.2 钢材料粘贴技术

钢材料粘贴技术对低承载力混凝土结构部位裂缝修复比较适用，正截面受压和受拉部位以及斜截面裂缝修复尤其适用。第一，把适用钢板材料粘贴在结构表面，由此提升结构承载力，同时方便快捷地完成裂缝修复；第二，粘贴材料采用纤维增强塑料，这种材料是利用现代先进胶结材料完成裂缝部位的粘贴，由此粘贴材料与混凝土结构构成同一工作面，结构承载力得到有效提升。对水利工程裂缝进行裂缝粘贴，其技术优势在于提升结构的耐腐性和抗潮湿性能，不对结构自重带来大幅提升，且比较经久耐用，无须后期过多维护成本[9]。

5.3 灌浆嵌缝填充技术

如果水利工程的混凝土结构裂缝已经严重损害了整体安全稳定性和承载性能，灌浆嵌缝填充技术是比较适用的裂缝修复技术，这种技术有三种类型，即涂膜封闭法、开槽填补法以及压力注浆法。第一，如果裂缝细小轻微，可用压力注浆法修复，作业前须对裂缝区域的混凝土结构表面和周围进行彻底清理，确保无任何杂物或油污，注浆嘴连接到裂缝，检测是否漏浆，以适配浆液完成注浆后再次彻底清理作业区域。第二，如果裂缝的宽度没有超过0.2mm，可用涂膜封闭法修复裂缝，这种技术同时也可用于防水处理，也可对混凝土结构表面进行必要装饰，它能把保护层碳化风险进行有效控制，避免环境有害离子腐蚀混凝土结构。具体操作是在裂缝区域开凿适用U形槽，确保槽体宽度和深度数据处于30～50mm的合理区间，把界面处理浆液均匀涂抹于槽底和两边，以适配浆液向U形槽均匀灌注，这种技术处理过的裂缝养护时不得暴晒和雨淋。第三，如果需要裂缝修复的混凝土结构表面具备开槽条件，或者裂缝太宽，开槽填补法是适用裂缝修复技术，完成开槽后把界面处理浆液均匀涂抹于相关部位，然后合理养护[10]。

5.4 裂缝修补技术

如果水利工程的混凝土结构出现裂缝，必须以适用技术及时修复裂缝区域，使混凝土结构的安全稳定性得到有效保障。具体操作流程是：①小裂缝修补。如果混凝土结构裂缝宽度处于0.3～3mm之间，且剥落程度不严重，黏结剂灌浆技术是适用技术类型。依据实际需要选用适当钻具，注浆嘴以及喷嘴，作业材料为环氧树脂，向裂缝内部注入，作业方式可直接也可间接，以裂缝有效修复为原则，达到设计要求的混凝土结构强度和安全稳定性即可；②如果混凝土结构的局部裂缝宽度超过了3mm，须对裂缝性质和程度进行详细勘察，依据实际需要实施修复。如果裂缝不是断裂性质的，可对裂缝区域周围切除混凝土材料，切除规格是接近12cm，切除走向保持和裂缝平行，深度数据是接近10cm，螺丝钢设置在与裂缝呈垂直方向的合适位置，圆钢设置在与裂缝平行的合适位置，牢固绑扎成为钢筋网，使裂缝修复形成条块体系，以适配混凝土材料在相关区域均匀涂抹，检测质量达标即可；③如果混凝土结构裂缝属于断裂性质，但是情节轻微，其修复流程是对裂缝进行接近15cm的范围划定，实施凹槽切割作业，其深度以达到结构厚度的接近一半为宜，对成型的凹槽底部钻孔，结束钻孔彻底清理凹槽底部，把螺丝钢材料以适当方式设置在钻孔内，以砂浆填充，完成对裂缝的修复[11]。

6 混凝土施工过程注意事项

6.1 浇筑前及浇筑过程

混凝土浇筑作业选用的沙石料以及水泥材料和外加剂，均须达到相关技术和质量标准，浇筑作业过程要保持均匀的浇筑速度，浇筑作业的高度提升须保证匀速，确保约束条件得到有效改善，把温度应力因素进行有效控制。如果浇筑作业过程出现了仓面泌水，须及时以自流或吸附等方式迅速排除。

6.2 浇筑完成阶段

相关人员须对浇筑作业过程中水化热带来的温度上升现象进行严密观测，就温度测量成立专门的现场作业小组，温度测量点位须设置于各不相同的位置和深度，对浇筑作业过程中和结束后的温变情况进行监测，一旦察觉异常温变须及时应对。要对浇筑完成的混凝土结构进行适度保温保湿，这对大体积混凝土结构控制温变非常有效，不得因过大温差导致收缩裂缝产生[12]。

6.3 养护阶段

如果浇筑完成的混凝土结构处于低温环境，拆模作业务须向后顺延时间，如果要保证混凝土结构能在技术标准允许的龄期强度达到设计要求，养护作业是关键环节，养护时长须适度加长，还须指定专职人员负责[13]。

7 结束语

水利工程是国家重点基础设施，保证工程质量的可靠性是水利工程建设的首要任务，但是经过相关调查发现，水利工程的混凝土裂缝问题比较常见，由于水利工程混凝土裂缝不仅会导致渗漏水问题，也会随着时间的推移而发展恶化，最终会导致水利工程使用寿命的缩短，合理探索和有效应用控制混凝土裂缝技术及裂缝修复技术，有利于促进工凝土施工技术水平的提升。