水工结构工程裂缝成因及防治探讨

杨猛 郭林林 水利部珠江水利委员会珠江水利综合技术中心

在水工结构工程施工阶段，施工人员应加强裂缝成因分析，结合实际情况采取针对性的防治措施及治理措施。但目前，水工结构工程裂缝防治及治理环节中仍存在着不足，这就需要采取针对性研究，提高裂缝防治及治理工作效果，强化水工结构工程安全性与可靠性。

1.水工结构工程裂缝特点

在水工结构工程中，绝大部分裂缝问题集中于大体积混凝土结构，究其原因主要是大体积混凝土结构施工环节复杂，材料质量要求严格，一旦处理不当就会诱发裂缝问题，使结构性能下降。混凝土具有脆性特征，大体积混凝土结构抗压性能优越，但抗拉性能差，甚至不足抗压性能的十分之一。在外界作用力及收缩应力影响下，裂缝问题时有出现。除此之外，水工结构工程混凝土具有水热化特征。初期阶段，混凝土内部温度过高，弹性模量及变形量小，随混凝土温度不断下降，弹性模量及变形量逐渐上升，此时混凝土内部会产生极大的应力，但混凝土结构抗拉能力极差，内部结构就会出现裂缝问题。水工结构工程涵盖钢筋构造，如浇筑环节所用钢筋数量及标准与实际需求不符，也会使混凝土结构出现裂缝问题[1]。大体积混凝土结构与外界环境接触面大，空气中的水分易使钢筋材料腐蚀，内部易产生应力，使混凝土结构受到损坏。

2.水工结构工程裂缝成因

2.1 钢筋锈蚀

当混凝土质量不达标或保护层厚度不适宜时，混凝土保护层易受二氧化碳腐蚀侵蚀，当侵蚀到钢筋部位时，钢筋周围混凝土结构碱性下降，加之在氯化物影响下，钢筋表面氯离子含量上升，钢筋表面氧化膜受到破坏。钢筋内部铁离子与空气中氧气及水产生化学反应，锈蚀后生成的氢氧化铁体积更大，使钢筋周围混凝土受到膨胀应力影响，导致混凝土表面沿钢筋出现裂缝。锈蚀问题还会使钢筋有效截面积下降，钢筋与混凝土之间的加持力降低，结构承载能力下降，进而诱发其他形式的开裂，使钢筋锈蚀问题加剧，使结构受到损坏。

2.2 建材碳化

二氧化碳浓度及湿度均会导致建材出现不同程度的收缩。当水工结构工程下方地下水含有碳酸时，就会导致碳化收缩问题出现。如混凝土碳化收缩幅度大于混凝土抗拉强度，就会造成开裂问题出现。除此之外，碳化收缩无法逆转，如混凝土长期处于高浓度二氧化碳条件下，就会导致开裂问题加剧。

2.3 温差

温差裂缝出现的原因为混凝土结构内外温度差过大，且在水热化影响下，温度不断上升，内外温度差会随之上升。一般情况下，混凝土温度变化涵盖三阶段，分别是升温阶段、降温阶段及恒定阶段。在温度转换阶段，混凝土内部水分凝固，在体积膨胀下，诱发冻胀压力。当作用力大于混凝土结构抗拉性能，混凝土结构就会损坏。此外，施工季节选择不当也会导致结构出现裂缝。究其原因是施工季节与施工温度联系密切，当温差过大时也会导致施工质量受到影响。

2.4 沉降

如水工结构工程所处区域地基稳定性不足、表面不平整、结构不均匀、回填土选择不当及碾压处理不当，地基结构将出现不均匀沉降及不规则沉降。当模板下滑时，大体积混凝土结构上方也会出现裂缝问题。尤其是夏季降雨过后，结构薄弱部位也易出现开裂现象。当水工结构建筑地基承载能力发生改变时，沉降裂缝也会向水工结构蔓延，严重时还会导致水工结构坍塌。除此之外，裂缝出现原因也涵盖施工质量不达标及设计方案不当等。

2.5 收缩

收缩裂缝成因主要为混凝土内部水分流失过大。在混凝土搅拌过程中，仅五分之一搅拌水用于水泥凝固，其余五分之四搅拌水用于外界蒸发。在混凝土浇筑完成且彻底硬化前，在高温天气及大风天气影响下，混凝土表面水分流失过快，塑性收缩问题发生，塑性裂缝呈中间宽两侧窄的特征。此外，混凝土表面水分流失过快，内部水分流失速度慢，随水泥不断硬化，结构表面拉应力提高，结构形变导致干缩裂纹出现[2]。

3.水工结构工程裂缝防治措施

3.1 加强施工材料质量控制

在水工结构工程裂缝防治过程中，可通过施工材料管控的方式降低裂缝问题发生几率。科学选择施工材料种类，尽可能的将混凝土裂缝保持在可接受范围之内。通过优化混凝土配比的方式，提高混凝土质量及性能。水泥、集料、水等材料是混凝土重要构成部分，在选材过程中应做好重点分析和研究。

第一，针对砂石材料，应加强含泥量控制，提高砂石材料性能，确保强度达到施工要求。第二，应优先选择大材质砂砾，避免使用小材质砂砾，导致混凝土内部热量过高。此外，还应优先选择小收缩系数材料，以此减轻混凝土应力[3]。第三，施工人员可结合水工结构工程建设需求，添加适当添加剂，提高混凝土结构强度。应科学选择添加剂种类，确保添加剂用量适宜。总而言之，应科学选择材料种类，加强质量控制，避免裂缝问题出现。除此之外，还可直接选择水泥含量少的混凝土使用，通过这种方式降低水热化影响。例如，在科学技术不断发展下，掺煤灰混凝土及掺矿渣混泥土已实现了广泛的应用，该种混凝土材料水热化影响更低。

3.2 做好温差裂缝防治

施工环节管理对裂缝产生具有直接的影响。在水工结构工程施工阶段，温度原因诱发的裂缝问题最为普遍，这与施工现场环境联系密切。如外界环境温度过高将导致温变裂缝出现，应优先选择温度适宜条件展开施工作业，例如初秋量级。如夏季施工无法避免，则应优先选择早晚时间段展开作业，并做好降温及保温工作，例如搭设凉棚或利用洒水的方式完成降温，还可选择以下几种方式实现降温目的。

（1）骨料降温，可利用搭建凉棚的方式避免阳光直射骨料表面，导致骨料吸收热量过多。还可利用洒水的方法，将16℃左右的自来水喷洒在骨料表面，实现降温。

（2）可通过添加冰块的方式降低温度。在混凝土浇筑工作展开前，可将粒径为3cm的小冰块添加在混凝土生料内，在经过一系列的搅拌处理后，使冰块与混凝土充分融合。还应结合出机口温度，科学调整冰块用量。如出机口温度为18℃，则每立方混凝土添加120g左右冰块。当冰块添加完成后，还需适当延长搅拌时间，降低混凝土浇筑速度，避免温差裂缝出现。此外，还可通过搅拌水降温的方法，使搅拌水温度下降3℃至7℃，实现混凝土降温。

（3）科学设置散热设施及温度测量设施。首先，针对散热管而言，应优先选择规格为Φ48×1.4mm钢管，将其与钢筋相绑扎。针对厚度为4m的承台，应沿竖直方向分散设置两层散热管网，水平距离及垂直距离需保持在1m左右。针对厚度为3.5m的承台，应沿竖直方向分散设置两层散热管网，水平距离及垂直距离需保持在1m左右，顶层网需与承台顶部距离及底层网需与承台底部距离均需保持为1.25m，进水口需高出混凝土承台顶面30cm[4]。在布管过程中，散热管需与承台主筋保持指定距离。如管段难以正常错开，需适当移动散热管。散热管需与钢筋架或搭接钢筋捆绑严密，避免散热管出现形变或接头出现脱落，导致堵水或渗水问题出现。散热管拐弯部位需设置缓冲部件。当散热管分布完成后，需利用通水测试判断水管是否顺畅，判断是否存在渗水问题。其次，针对温度测量设施而言，其可实现混凝土结构内部温度测量及监控，为后续养护工作的实施提供科学的利用依据。在表面温度测量过程中，施工人员可将温度应变片设置在水工结构工程对角线及纵横轴线上，利用温度显示屏获取数据及信息。在内部温度测量过程中，施工人员可每隔3m设置一个管式温度计，将防护框设置在管式温度计上方，并悬挂在内部。

（4）通水降温。施工人员可将塑料水桶设置在基坑上下部位，将水倾倒在塑料水桶中，利用塑料管将基坑上部的塑料水桶连接，利用连通器原理使各塑料水桶水流通畅，基坑下部各塑料水桶也与采用上述方法连接。将进水管道设置在基坑上部塑料水桶中，管道在经过分水阀后与分管相连，将2.2kW潜水泵设置在塑料水桶中，可利用调整水泵和阀门的方法修改流速，使水分实现循环流动进而降温。针对通水降温，单个散热管冷却水流速应保持在每小时1.2m3至1.5m3，进入水口温度差不可高于6℃，结合温度检测结果，科学调整通水时间，一般情况下为12d。根据结构内部最高温度和外表温度数值，当外表温度和环境温差低于20%时即可停止。其中，流量调整水阀及流量测量设施需设置在出水口部位。除需做好降温工作外，混凝土浇筑环节易出现泌水及浮浆现象，所以应在施工现场设置水桶，及时展开泌水及浮浆清理，提高混凝土结构密实程度。

3.3 加强荷载应力防治

为强化混凝土结构强度，避免裂缝问题发生，应优先选择C60高强度水泥使用。科学选择骨料规格，提高混凝土材料性能。此外，还可添加适当数量的降水剂。针对薄弱部位而言，应做好加筋处理。在加筋过程中，需确保钢筋分布均匀，直径及距离科学适宜。在模板拆除后，需做好遮盖及保温处理，降低外界高温天气及大风天气对其造成的不利影响。

3.4 加强作业用水管理

加强作业用水管理也可降低裂缝问题发生率。在材料选择过程中，应将其含水量保持在20%以下。当施工完成后，养护阶段不可采取大水漫灌的方式处理，避免表面受到损坏。加强作业用水管理还可提高水资源利用效率，避免水资源浪费问题出现。

3.5 做好后期养护

在水工结构工程裂缝防治中，后期养护也是重点工作。施工人员需从内外两个角度出发，提高内部隔热层性能，做好表面养护工作。针对外部表面养护工作而言，可利用覆盖草垫或棉被的方式避免温度消散过快，使内外温度尽可能保持一致。除此之外，还可将水分喷洒在水工结构工程表面，延缓水分蒸发速度。

4.水工结构工程裂缝治理措施

填充技术是指将混凝土修补材料填充在混凝土裂缝内部，该种填充方式操作过程相对便捷，且不会消耗大量的费用，修复效果更好，已受到了社会各界的广泛认可。但需要注意的是，针对大深度裂缝修补工作而言，修补效果难以达到预期要求。为提高填充技术应用水平，应科学选择修复材料。常见修复材料涵盖水泥浆液、纤维修补材料及聚苯乙烯橡胶等，这种材料粘合度好、强度高。在修复阶段，需做好裂缝部位修补，使用工具处理好裂缝两侧，将裂缝修整为V型或U型凹槽，将其宽度保持在2cm至10cm间，深度需延伸至裂缝底部，裂缝变窄部位宽度应保持在1.5cm至5cm间。在处理过程中，如遇到钢筋，则应做好钢筋质量检查，判断表面是否存在锈蚀或破损[5]。如存在缺陷，则应做好修补及防腐处理，再应用粘合材料完成裂缝修补。施工人员还需做好凹槽清洁，避免存在碎屑及灰尘，随后将砂浆涂抹在凹槽表面。当砂浆硬化后，再使用修复材料填充，再展开后续养护处理。

化学灌浆技术可完成大深度裂缝修补，应用范围更广。化学灌浆技术填充材料为水泥或高分子聚合物，可利用专业设备将灌浆材料注入裂缝内，实施后续压实作业，修复效果更好，修复完成后的裂缝稳定性更强。为提高该项技术应用水平，需结合裂缝实际选择灌浆方法及灌浆材料。常见水泥浆液由水泥、粉煤灰及水配置而成，粘度更高，在宽裂缝处理环节中使用效果更好。高分子聚合物填充材料为环氧树脂及甲基丙烯酸酯等，该种材料渗透性更好，可用于大深度裂缝处理环节。为提高化学灌浆技术应用水平，也需做好裂缝处理，开凿完成后清洁表面，利用灌浆设备展开作业，灌浆时间需保持3min以上，浆液凝固后即可完成修复。

5.结语

综上所述，在水工结构工程施工阶段，裂缝防治工作的重要作用不可忽视，不仅需要从施工材料质量控制、温差裂缝防治、荷载应力防治、作业用水管理、后期养护角度出发做好针对性预防，还应从后期出发，利用填充技术做好修复及处理。多项因素均会导致水工结构工程出现裂缝问题，施工人员需展开具体分析及讨论，从多角度出发提高水工结构工程施工质量，延长水工结构工程使用年限。