薄壁建筑構(gòu)件易產(chǎn)生裂縫的原因分析及預(yù)防修繕方法淺見

謝 闖 李 莉 陳 松

（1.宿遷市水務(wù)勘測設(shè)計研究院有限公司，江蘇 宿遷 223800；2.泗洪縣水利局，江蘇 宿遷 223900；3.泗洪縣水利工程處，江蘇 宿遷 223800）

1 概述

水工建筑物的薄壁構(gòu)件在完建期與運行期之間易產(chǎn)生裂縫，尤其在水閘墩墻和泵站室墻以及輸水涵洞中會出現(xiàn)裂縫問題。例如：泰州九龍污水處理廠修建生化池，在2008年2月中旬開始對墻身進(jìn)行混凝土澆筑，至3月底結(jié)束，6月2日即發(fā)現(xiàn)生化池墻身東側(cè)出現(xiàn)3 條裂縫，縫長分別為3.0 m、4.5 m、6.0 m，縫寬在0.2～0.3 mm 左右；2013年宿遷東沙河治理項目中倒虹吸涵洞于2月份施工，7月20日放水時就發(fā)現(xiàn)洞身的水平和斜坡交接面出現(xiàn)裂縫并漏水；2014年泗陽淮泗河治理項目淮陰段2 座泵站于3月份完成泵室墻的澆筑，7月初發(fā)現(xiàn)泵室墻有細(xì)微裂縫。上述裂縫的出現(xiàn)具有以下共同特征：①構(gòu)件截面薄。泰州九龍水池墻身平均厚約50 cm，站墻與洞身厚度為30 cm。②裂縫是逐步形成的。從混凝土澆筑到拆模，再到發(fā)現(xiàn)洞身裂縫，時間間隔均為4 個月左右。③一般裂縫的位置在構(gòu)件物的中上部。④構(gòu)件物與底板澆筑有一定的間隔時間。構(gòu)件物與墻身澆筑是分開進(jìn)行的，間隔時間較長，且前后氣溫相差大。底板的澆筑時間均在氣溫5℃以下，構(gòu)件物澆筑時間也均在氣溫5℃左右，發(fā)現(xiàn)構(gòu)件物裂縫時氣溫在20℃左右。

2 裂縫的成因分析

2.1 構(gòu)件物在施工時內(nèi)外部溫度應(yīng)力不一引起裂縫

構(gòu)件物雖然為薄壁截面，但在整體澆筑時，一般混凝土的數(shù)量均在100 m3左右，應(yīng)屬于薄壁型大體混凝土構(gòu)件，混凝土在水化作用下存在熱量的傳遞過程，由于上下傳遞速度不一致，易在內(nèi)部形成積存，導(dǎo)致內(nèi)外出現(xiàn)溫差。因截面較薄，外部較易散熱，而內(nèi)部受到高度的影響，其散熱條件不同，造成內(nèi)外變形不一致，故在外部混凝土中產(chǎn)生了拉應(yīng)力，這樣就很容易導(dǎo)致裂縫。泰州九龍污水處理廠生化池墻身施工裂縫較為典型，墻身由0.7 m 變至0.45 m，墻高7 m，在未拆模前上部混凝土較易散熱，逐步完成了混凝土的膨脹過程，處于收縮階段；而內(nèi)部在未拆模前散熱過程要待上部散熱完成后才能進(jìn)行，加之墻身高，內(nèi)部產(chǎn)生的熱量是由下至上傳遞的，使墻身中部比頂部膨脹系數(shù)加大，內(nèi)外溫差增大，導(dǎo)致拉應(yīng)力增大，當(dāng)拉應(yīng)力達(dá)到表層的極限拉應(yīng)力時，裂縫就由下至上、由外向內(nèi)逐步產(chǎn)生。經(jīng)檢查，裂縫下端寬度在0.2 mm 左右，上端寬度在0.1 mm 以內(nèi)。初期裂縫較細(xì)，幾乎看不到，隨著時間推移，裂縫逐漸擴大、變深，并貫穿墻身。

2.2 施工期與運行期形成的溫差應(yīng)力導(dǎo)致裂縫

分析所遇到的裂縫情況，施工期的溫度與運行期溫度相差達(dá)到20℃左右，根據(jù)使用需要，構(gòu)件物不宜分縫過長，當(dāng)溫差值一定時，所產(chǎn)生的變形會更大，經(jīng)過對溫差變形值進(jìn)行計算，可以得到論證。溫差變化時，混凝土（磚砌墻）結(jié)構(gòu)伸長或縮短的變形值與長度、溫差成正比，與材料的性質(zhì)有關(guān)，可按下式計算：

式中：

ΔL—隨溫度變化而伸長或縮短的變形值，mm；

L—結(jié)構(gòu)長度，mm；

t2-t1—溫度差，℃；

α—材料的線膨脹系數(shù)，混凝土為1.0×10-5，鋼材為12×10-6，磚砌體為0.5×10-5。

以上實例的溫差變形情況計算詳見表1。

從表1 可以看出，倒虹吸涵洞的溫差應(yīng)力變形值較大，產(chǎn)生約2 cm寬的裂縫。倒虹吸在運行時，上下游水位差較大，產(chǎn)生的壓力也較大，加之在平面和斜面的交界處，受力形式也發(fā)生了轉(zhuǎn)換，使得應(yīng)力相對集中，且倒虹吸過水涵洞長度較長，產(chǎn)生的溫差應(yīng)力變形值較大，導(dǎo)致交界處裂縫擴大，放水時水從裂縫處像泉水般噴出，影響了涵洞的使用效果（后已得到修復(fù)）。

表1 三種構(gòu)件溫差變形值計算表

2.3 施工原因而產(chǎn)生裂縫

裂縫的展開和擴大與施工工藝有著一定的關(guān)聯(lián)。拆模時氣溫較高，拆模過早（一般不超過2 d），養(yǎng)護又不到位，會使混凝土失水較快，內(nèi)外溫差加大，導(dǎo)致表層拉應(yīng)力增大。構(gòu)件物均存在同樣的養(yǎng)護問題，如：養(yǎng)護期內(nèi)混凝土未能始終處于濕潤狀態(tài)等。事后處理裂縫時，在混凝土強度檢測中發(fā)現(xiàn)混凝土表面的碳化深度為4～5 mm，這種因養(yǎng)護不到位而引起混凝土缺陷與裂縫擴大也存有一定的關(guān)聯(lián)性。

2.4 混凝土體積變形而誘發(fā)墻身裂縫

混凝土澆筑過程是一個化學(xué)反應(yīng)的過程，表現(xiàn)為由膨脹轉(zhuǎn)為收縮。混凝土自身收縮一般在拆摸之前就開始形成，雖然其量值不大，但如與其他作用在混凝土上的力疊加在一起，就會增大表面拉應(yīng)力。構(gòu)件物截面小，但混凝土總量較大，屬于大體積混凝土結(jié)構(gòu)，在水化熱的作用下產(chǎn)生的收縮將會誘發(fā)表層墻身裂縫，這些裂縫大部分未形成貫穿縫。

2.5 在外部因素作用下導(dǎo)致的裂縫

構(gòu)件物固結(jié)在底板上，上部為自由段，一般底板澆筑與墻身澆筑之間間隔時間較長，達(dá)到45 d 左右，在澆筑墻身混凝土?xí)r底板收縮已經(jīng)基本完成，混凝土強度已達(dá)到設(shè)計強度，而此時墻身混凝土為新澆混凝土，其沿高度方向可以自由收縮，厚度方向則因墻體為薄壁混凝土，斷面小，壓縮也小。構(gòu)件物混凝土早期產(chǎn)生水化作用時，溫度的升高及體積的膨脹均受到了底板的壓縮，隨著降溫、收縮，混凝土在受自身體積變形影響的同時，會因受底板的壓縮而產(chǎn)生拉應(yīng)力，尤其垂直于底板方向受到的壓縮力最大，該方向上的拉應(yīng)力也最大。目前，混凝土的制作均采用商混泵送混凝土，因此存在水灰比過大的問題，其產(chǎn)生的收縮也較大。較為明顯地表現(xiàn)在：這些構(gòu)筑物所預(yù)留的伸縮縫按照設(shè)計要求為2 cm，但當(dāng)即將進(jìn)入運行期時，其間隙縫最大已達(dá)到5 cm，均需作為缺陷問題進(jìn)行修補，這也證明墻體自身的收縮是客觀存在的，且收縮量較大。因此，在受到主要因底板與墻身澆筑間隔時間較長，新老混凝土自身存在差異而產(chǎn)生的壓縮力的作用下，且底板剛度相對于墩墻大得多，一旦這種壓縮力超過其抗拉強度時，墻身即產(chǎn)生常見的垂直于底板方向的裂縫。

3 裂縫的預(yù)防

3.1 材料和外加劑的選用

目前，水工建筑物通常采用普通硅酸鹽水泥，同時在商品混凝土中添加一定數(shù)量的外加劑。如：緩凝劑可以減慢混凝土放熱的速率；減水劑可在水灰比不高時，減少水和水泥用量，從而降低水化熱。為防止墻身底部受外部壓縮力影響，也可考慮在混凝土澆筑前摻添水泥用量萬分之一左右的鉛粉作為膨脹劑，來降低新老混凝土溫度應(yīng)力產(chǎn)生的作用。

3.2 施工工藝的改進(jìn)

視墻身高度情況，若混凝土澆筑高度達(dá)3 m 以上，應(yīng)在模板中打些透氣孔，幫助中部混凝土散熱，以改善散熱條件，促進(jìn)上、中、下部同步散熱，緩解局部段溫度應(yīng)力集中的問題。

3.3 構(gòu)件物不宜太長

考慮到壓縮力和構(gòu)件物的長度有關(guān)，且倒虹吸連續(xù)長度為70 m，泵站連續(xù)長度為20 m，在溫差應(yīng)力的作用下，泵站的變形值為4.2 mm，而洞身的變形值為16.1 mm，故依據(jù)構(gòu)件物出現(xiàn)的裂縫情況，建議分縫距離在15 m 左右，以減少因底板壓縮力作用產(chǎn)生的變形。

3.4 養(yǎng)護措施

混凝土水化反應(yīng)隨溫度升高而加快，混凝土的強度增加快，收縮的速度也加快；當(dāng)空氣濕度小時，水分蒸發(fā)快，其變形速度也會加快。因此，對混凝土進(jìn)行充分養(yǎng)護可以減慢其變形速度?；炷猎缙陴B(yǎng)護可以在模板未拆時就進(jìn)行，拆模后更要定時澆水，并根據(jù)氣溫情況對混凝土表面進(jìn)行覆蓋，使混凝土表面保持濕潤。如：可先在墩墻四周裹上草包或者麻袋，再澆水或淋水實施養(yǎng)護，這樣效果更佳。拆?？煞旁陴B(yǎng)護72 h 以后進(jìn)行，以起到隔熱和保濕作用。拆模以后在混凝土表面涂一層防裂劑，可更好地達(dá)到保濕和預(yù)防裂縫的目的。

3.5 新技術(shù)的運用

為從根本上解決混凝土裂縫對墩墻的設(shè)計和施工所帶來的影響，可采用一些新技術(shù)。例如：澆筑墩墻大體積混凝土?xí)r可采用在混凝土內(nèi)預(yù)埋冷卻水管的方法，或采用循環(huán)水冷卻混凝土，以達(dá)到控制內(nèi)外溫差之目的，從而減小拉應(yīng)力。

4 裂縫的修繕

4.1 泵室墻的修補

泵室墻修補主要是根據(jù)裂縫的深度情況，在表層順縫鑿成梯嵌槽，槽口底寬3 cm，深7 cm，槽口寬度視斷裂情況而定（一般為10 cm），經(jīng)過吹洗、烘干，再采用環(huán)氧樹脂砂漿進(jìn)行修補。實際修補后未再出現(xiàn)新的裂縫，達(dá)到了使泵室墻表面裂縫完全修復(fù)的效果。

4.2 倒虹吸涵洞的修補

倒虹吸因洞涵內(nèi)有過水，且無法完全抽出，故首先在裂縫處順縫鑿開，用麻絲對漏（溢）水處進(jìn)行封堵、減壓，并將其搗實，待較少壓力水溢出時，再在表層裂縫處鑿開深7 cm、寬20 cm 的嵌槽，在水下環(huán)氧材料中摻入酮亞胺固化劑，拌制環(huán)氧砂漿用于填充（平）嵌槽。經(jīng)測試，所配制環(huán)氧砂漿材料強度高，粘結(jié)力強，遇水后能促成固化的胺類化合物。將裂縫填充后在裂縫平面放置兩層鋼絲網(wǎng)，并使用混凝土進(jìn)行外層封堵。實際修復(fù)后洞涵在使用中穩(wěn)定、可靠，未出現(xiàn)任何問題，完全達(dá)到設(shè)計要求。

4.3 生化池的修補

針對生化池使用情況，因其為單向水頭，壓力過高，修補的要求和技術(shù)含量也較高。經(jīng)比較，選用了“壁可注入法”方案。主要原理是通過橡膠管自動完成注入修補材料，在注入過程中始終保持約3 kg/cm2的壓力，以保證將修補材料注入到寬僅0.02 mm 的裂縫末端。同時，緩慢均勻的壓力可以將裂縫中存積的空氣壓入混凝土的毛細(xì)孔中，再通過混凝土的“自然呼吸”作用排除，有效避免產(chǎn)生氣阻，從而確保修補質(zhì)量。修補后14 d 的檢測效果：裂縫內(nèi)外部得到較好地修補，修補材料與老混凝土結(jié)合緊密，強度較高；用回彈儀回彈，C25 老混凝土碳化值為3 mm，被填充的縫隙處碳化值為0；老混凝土強度為36～40 MPa，填充材料強度為45 MPa 左右；由于受到均勻擠壓，縫隙四周被填充材料充分地填滿，無滲水現(xiàn)象。

5 綜述

水工建筑物中薄壁構(gòu)件產(chǎn)生的裂縫是由多方面因素造成的，通過分析，各種因素之間也都有著一定的聯(lián)系。這些裂縫直接危害了工程的使用效果，并對工程發(fā)揮自身的永久性作用構(gòu)成阻礙，縮短了工程的使用壽命。因此，在對薄壁構(gòu)件物進(jìn)行設(shè)計和施工時，應(yīng)從多方面綜合考慮，以防止產(chǎn)生裂縫，從而保證工程在使用效果和耐久性上達(dá)到設(shè)計要求。