試論水工混凝土裂縫的防范與處理

劉　毅

摘要：裂縫是水工混凝土建筑物最普通、最常見(jiàn)的病害之一，嚴(yán)重的裂縫不僅危害建筑物的整體性和穩(wěn)定性，而且還會(huì)使水工建筑物的耐久性大大降低。為此，在工作中必須嚴(yán)肅對(duì)待，針對(duì)其成因采取有效措施，盡量避免和減少裂縫的產(chǎn)生及有效地控制裂縫寬度，保證工程安全運(yùn)行。本文筆者即圍繞水工混凝土裂縫的防范與處理展開(kāi)討論，明晰水工混凝土裂縫防范與處理的意義、分析出現(xiàn)裂縫分類(lèi)與致因并給出了水工混凝土裂縫的防范與處理措施。

關(guān)鍵詞：裂縫 混凝土 水工 策略

1 水工混凝土裂縫防范與處理的意義

混凝土是一種由砂石骨料、水泥、水及其他外加材料混合而形成的非均質(zhì)的多項(xiàng)復(fù)合脆性材料。由于混凝土施工和本身變形和約束等一系列問(wèn)題，使混凝土產(chǎn)生裂縫，微裂縫通常是一種無(wú)害裂縫，對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)的承重、防滲及其他功能不產(chǎn)生危害。但是受到荷載、溫差等作用之后，微裂縫就會(huì)不斷的擴(kuò)展和連通，最終形成肉眼可見(jiàn)的宏觀裂縫，這些裂縫已成為水利工程中常見(jiàn)的工程病害，輕者使混凝土內(nèi)部的鋼筋材料產(chǎn)生腐蝕，降低鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的承載力、耐久性、使用價(jià)值等。總而言之，對(duì)混凝土裂縫的控制已成為水利工程建設(shè)引起高度重視的問(wèn)題之一。

2 水工混凝土出現(xiàn)裂縫分類(lèi)與致因

2.1 水工建筑物裂縫的種類(lèi) ①按裂縫產(chǎn)生的原因劃分有：由外荷載（包括施工和使用階段的靜荷載、動(dòng)荷載）引起的裂縫；由變形（包括溫度、濕度變形、不均勻沉降等）引起的裂縫；由施工操作（如制作、脫模、養(yǎng)護(hù)、堆放、運(yùn)輸、吊裝等）引起的裂縫。②按裂縫的方向、形狀劃分有：水平裂縫，垂直裂縫，橫向裂縫，縱向裂縫，斜向裂縫以及放射狀裂縫等。③按裂縫深度劃分有：貫穿裂縫、深層裂縫及表面裂縫三種。

2.2 水工建筑物裂縫的致因 ①混凝土水化時(shí)產(chǎn)生的大量水化熱得不到散發(fā)，導(dǎo)致混凝土內(nèi)外溫差較大，使混凝土的形變超過(guò)極限引起裂縫。②混凝土在硬化的過(guò)程中，由于干縮引起的體積變形受到約束時(shí)產(chǎn)生的裂縫，這種裂縫的寬度有時(shí)會(huì)很大，甚至?xí)灤┱麄€(gè)構(gòu)件。③在厚度較大的構(gòu)件中，由于混凝土的塑性塌落引起的裂縫。④當(dāng)有約束時(shí)，混凝土熱漲冷縮所產(chǎn)生的體積漲縮，因?yàn)槭芗s束力的限制，在內(nèi)部產(chǎn)生了溫度應(yīng)力，由于混凝土抗拉強(qiáng)度低，容易被溫度引起的拉應(yīng)力拉裂，從而產(chǎn)生溫度裂縫。由于太陽(yáng)暴曬產(chǎn)生裂縫也是工程中最常見(jiàn)的現(xiàn)象。⑤混凝土加水拌和后，水泥中的堿性物質(zhì)與活性骨料中活性氧化硅等起反應(yīng)，析出的膠狀堿-硅膠從周?chē)橘|(zhì)中吸水膨漲，體積增大三倍，從而使混凝土漲裂產(chǎn)生裂縫。⑥在炎熱的大風(fēng)天氣，混凝土表面蒸發(fā)較過(guò)快，造成混凝土內(nèi)部水化熱過(guò)高，在混凝土澆筑數(shù)小時(shí)仍處于塑性狀態(tài)，易產(chǎn)生塑性收縮裂縫。⑦構(gòu)件超載產(chǎn)生的裂縫，例如：構(gòu)件在超出設(shè)計(jì)的均布荷載或集中荷載作用下產(chǎn)生內(nèi)力彎矩，出現(xiàn)垂直于構(gòu)件縱軸的裂縫，構(gòu)件在較大剪力作用下，產(chǎn)生斜裂縫，并向卜、下延伸。⑧當(dāng)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)出現(xiàn)不均勻沉陷，就有可能會(huì)產(chǎn)生裂縫，隨著沉陷的進(jìn)一步發(fā)展，裂縫會(huì)進(jìn)一步擴(kuò)大。⑨當(dāng)鋼筋混凝土處于不利環(huán)境中，例如：侵蝕性水，由于混凝土保護(hù)層厚度有限，特別是當(dāng)混凝土密實(shí)性不良，環(huán)境中的氯離子等和溶于水中的氧會(huì)使混凝土中的鋼筋生銹，生成氧化鐵，氧化鐵的體積比原來(lái)金屬的體積大的多，鐵銹體積膨脹，對(duì)周?chē)炷翑D壓，使混凝土脹裂。

3 水工混凝土裂縫的防范與處理措施

3.1 減小混凝土內(nèi)外溫差的措施 ①降低水化熱溫升：混凝土內(nèi)部的溫度上升是由于水泥水化反應(yīng)釋放熱量造成的，由于混凝土的導(dǎo)熱性差，使得熱量蓄積。因此，應(yīng)該通過(guò)降低水泥用量入手控制混凝土內(nèi)部的溫度上升：?jiǎn)畏交炷了嘤昧棵繙p少10kg，混凝土溫升值就會(huì)降低1℃。由于水化熱溫升與水泥用量確實(shí)具有一定的線(xiàn)性關(guān)系，降低水泥用量可以作為控制溫度應(yīng)力的另一主要手段，且越是厚混凝土其效果越明顯。主要通過(guò)摻加粉煤灰和減水劑來(lái)降低水泥用量。②降低混凝土入模溫度：為了降低混凝土內(nèi)部溫度的峰值，在水化熱溫升一定的情況下，控制混凝土出機(jī)溫度和入模溫度是有必要的。一般認(rèn)為，混凝土澆筑溫度每升高10℃則混凝土內(nèi)部溫度的峰值將提高3～5℃，混凝土的澆筑溫度最好控制在35℃以下。具體包括：a控制部分原材料的溫度：攪拌后的混凝土熱量與攪拌前原材料所含熱量是相等的，要想控制混凝土的出機(jī)溫度就要從控制原材料的溫度入手。一般來(lái)說(shuō)，要想將混凝土出機(jī)溫度降低1℃，需要將水泥溫度降低8℃，或?qū)⑺疁亟档?℃，或?qū)⒐橇蠝囟冉档?℃。因?yàn)樯笆辖禍剌^困難，主要是采取措施降低水溫和水泥溫度：夏季將蓄水池加蓋板，防止日曬；拌合機(jī)上水管路不直接暴露在陽(yáng)光下；在供水強(qiáng)度滿(mǎn)足時(shí)直接將自來(lái)水引到攪拌機(jī)，以降低拌合水溫度；b混凝土澆筑盡量安排夜間施工：在混凝土原材料中，綜合考慮各種材料的比熱和占混凝土容重的比例，對(duì)混凝土出機(jī)溫度影響大小的排序?yàn)椋菏印⑺?、砂子、水泥，只控制水和水泥的溫度效果并不明顯。所以選擇效果最好又最經(jīng)濟(jì)的辦法，即夜間澆筑，這時(shí)所有原材料溫度都偏低，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，夜間混凝土出機(jī)溫度一般要比白天低3℃左右；c控制混凝土運(yùn)輸和入模過(guò)程中的升溫：在夏季施工時(shí)，加強(qiáng)組織協(xié)調(diào)，縮短混凝土從出機(jī)到入模的時(shí)間。將管路用濕麻袋覆蓋，防止日曬升溫。還可以經(jīng)常在混凝土罐車(chē)的轉(zhuǎn)筒上澆水降溫。③加強(qiáng)保溫，控制混凝土內(nèi)外溫差：a混凝土測(cè)溫：為了掌握混凝土內(nèi)部溫度的變化情況，及時(shí)采取保溫、散熱等措施，做到現(xiàn)場(chǎng)多次、多處測(cè)溫。測(cè)溫采用半導(dǎo)體全自動(dòng)測(cè)溫儀，混凝土澆筑前在指定位置埋設(shè)測(cè)溫元件。測(cè)溫時(shí)間一般從澆筑后6小時(shí)開(kāi)始，每隔6小時(shí)一次；b保溫措施：根據(jù)國(guó)內(nèi)外的經(jīng)驗(yàn)，混凝土中心溫度和表面溫度之差控制在20～30℃以?xún)?nèi)，一般可以防止有害裂縫的產(chǎn)生，實(shí)際操作過(guò)程中，按照《水運(yùn)工程混凝土施工規(guī)范》（JTJ268-96）的規(guī)定，以?xún)?nèi)外溫差不超過(guò)20℃為標(biāo)準(zhǔn)采取保溫措施。為了防止混凝土表面溫度下降速率太大，條件允許時(shí)應(yīng)該盡量延長(zhǎng)拆模時(shí)間。拆模以后也要盡快覆蓋保溫層，防止風(fēng)吹。正常施工時(shí)的保溫：混凝土表面掛鋪一層塑料薄膜，然后是兩層麻袋，雨天為了防止冷擊，麻袋外再設(shè)一層薄膜。冬季施工時(shí)采用蓄熱法保溫養(yǎng)護(hù)：混凝土頂面鋪雙層塑料薄膜，內(nèi)夾三層草簾；側(cè)模采用保溫模板，即模板外側(cè)掛三層草簾，外罩篷布或加塑編織布。模板拆除以后，混凝土側(cè)表面圍保溫被，為滿(mǎn)足施工防火需要，保溫被由兩層土工布內(nèi)襯巖棉氈做成

3.2 減小約束的措施 新澆筑混凝土所受約束主要有兩種：一是新老混凝土之間的約束，一是下伏基巖的約束。約束應(yīng)力（溫度收縮應(yīng)力）的大小與老混凝土和基巖的彈性模量E有關(guān)，E值越大則約束應(yīng)力越大；當(dāng)結(jié)構(gòu)剛度一定的情況下，結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)度越大則約束應(yīng)力越大。首先，混凝土的彈性模量隨著齡期的增長(zhǎng)而增大，間歇期越長(zhǎng)，對(duì)新澆筑混凝土的約束越大，通過(guò)合理組織生產(chǎn)，縮短間歇期，起到一定效果。其次，在機(jī)械開(kāi)挖后由人工進(jìn)行整平，減小因混凝土收縮產(chǎn)生的約束應(yīng)力此外，將墊層表面盡量做平整、光滑，將對(duì)上部結(jié)構(gòu)的約束降到最低程度。然后，混凝土所受約束應(yīng)力是在降溫過(guò)程中由其自身收縮產(chǎn)生的。降溫速度越快，約束應(yīng)力越大，施工中通過(guò)測(cè)溫和采取保溫措施調(diào)整降溫速率，注意防止寒潮侵襲，充分利用混凝土徐變特性產(chǎn)生的松弛效應(yīng)，避兔裂縫的產(chǎn)生。

3.3 提高混凝土的抗裂能力 ①采用微膨脹混凝土：可以選用FN-M型膨脹劑是硫鋁型膨脹劑，又名明礬石膨脹劑，化學(xué)成分以氧化鋁和三氧化硫?yàn)橹?，其作用機(jī)理是與水化合成硫鋁酸鹽并結(jié)晶為針狀晶體，填充混凝土的孔隙，占據(jù)混凝土的收縮空間，起到補(bǔ)償收縮的作用。微膨脹可以將混凝土應(yīng)力狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)樽詰?yīng)力，避兔或減小拉應(yīng)力，達(dá)到防裂目的。②聚丙烯纖維網(wǎng)的應(yīng)用：可以采用聚丙烯纖維網(wǎng)混凝土，可以增大混凝土抗拉強(qiáng)度，有效防止收縮裂縫的產(chǎn)生。聚丙烯纖維網(wǎng)混凝土在九十年代已廣泛應(yīng)用于公路、房建等工程中，而在水工建筑物尚屬罕見(jiàn)。纖維能明顯增強(qiáng)混凝土的耐磨性、抗沖擊性，而不降低其抗壓強(qiáng)度、抗凍及抗?jié)B性能。③提高混凝土施工質(zhì)量：a嚴(yán)格控制原材料的質(zhì)量：在控制好砂石料進(jìn)料質(zhì)量的同時(shí)，提高碎石進(jìn)場(chǎng)后的篩洗質(zhì)量。水泥要在生產(chǎn)后10天以上才能使用，或控制其溫度必須降至或接近自然溫度，以保證體積安定性符合規(guī)范要求；b做好施工縫接茬處理：澆筑上層混凝土之前，下層混凝土預(yù)先用水濕潤(rùn)，澆筑時(shí)刷水泥素漿，避兔接茬處出現(xiàn)干縮裂縫；c堅(jiān)持二次振搗和二次抹面：為了保證混凝土均勻、密實(shí)，減少內(nèi)部缺陷，提高混凝土抗裂能力，采取二次振搗的措施。④加強(qiáng)養(yǎng)護(hù)：混凝土水化反應(yīng)需要潮濕的環(huán)境，潮濕養(yǎng)護(hù)可以提高混凝土早期強(qiáng)度，提高抗裂能力。另外，潮濕養(yǎng)護(hù)充分利用了混凝土的"干縮濕脹"的特性，減少了混凝土澆筑初期出現(xiàn)干縮裂縫的幾率。混凝土初凝后，立即覆蓋塑料薄膜，防止水分散失，薄膜上覆蓋兩層麻袋，并澆淡水保溫保濕養(yǎng)護(hù)。特別對(duì)于微膨脹混凝土，必須始終保持濕潤(rùn)，充分發(fā)揮膨脹作用。⑤減小應(yīng)力集中，配置限裂鋼筋：根據(jù)試驗(yàn)研究的結(jié)果，鋼筋防止出現(xiàn)裂縫的作用不大，但可以限制裂縫發(fā)展，在配筋率超過(guò)0.2％時(shí)，限裂作用即比較明顯。對(duì)一些平面凹進(jìn)的部位，增設(shè)加強(qiáng)角過(guò)渡，減少因形狀突變導(dǎo)致應(yīng)力集中現(xiàn)象，還可配置構(gòu)造鋼筋，提高了抗裂能力。

3.4 其它防裂技術(shù)措施 ①混凝土表面干縮裂縫的預(yù)防措施：現(xiàn)澆混凝土的表面，如果在澆筑完成后暴露在空氣中，常常會(huì)因?yàn)槭^(guò)快而產(chǎn)生干縮裂縫，為了控制混凝土表面出現(xiàn)干縮裂縫，采取以下措施：a做好混凝土振搗過(guò)程中的泌水處理，及時(shí)將泌水排除，提高混凝土的質(zhì)量；b在混凝土抹面完成以后及時(shí)進(jìn)行潮濕養(yǎng)護(hù)，始終保持混凝土表面為濕潤(rùn)狀態(tài)。②混凝土塑性沉縮裂縫的預(yù)防措施：消除混凝土塑性沉縮裂縫的最有效的辦法就是堅(jiān)持二次振搗二次振搗的時(shí)間要掌握在混凝土初凝之前，一般在混凝土澆筑后1～3小時(shí)進(jìn)行，應(yīng)憑經(jīng)驗(yàn)或根據(jù)具體情況確定。二次振搗的目的在于恢復(fù)混凝土的塑性。

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