水利工程施工中混凝土裂縫防治技術(shù)研究

摘" 要：水利工程建設(shè)中，混凝土結(jié)構(gòu)是最基礎(chǔ)的一項(xiàng)，受溫度變化、水分變化、結(jié)構(gòu)變形等各種因素影響，混凝土極易產(chǎn)生裂縫，混凝土裂縫直接關(guān)系到水利工程的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性以及功能可靠性。鑒于此，該文以混凝土裂縫防治作為研究?jī)?nèi)容，分析裂縫病害的具體形成原因，并提出具體的防治處理措施，從而盡可能規(guī)避混凝土裂縫所帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)遏制混凝土裂縫的出現(xiàn)。

關(guān)鍵詞：水利工程；混凝土裂縫；防治技術(shù)；結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性；防治措施

中圖分類號(hào)：TV544" " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " " 文章編號(hào)：2095-2945（2024）35-0１７１-0４

Abstract： In the construction of water conservancy projects， concrete structure is the most basic one. Due to various factors such as temperature changes， moisture changes， and structural deformation， concrete cracks are easy to produce. Concrete cracks are directly related to the structural stability and functional reliability of water conservancy projects. In view of this， this paper takes the prevention and control of concrete cracks as the research content， analyzes the specific causes of crack diseases， and proposes specific prevention and treatment measures， so as to avoid the risks brought by concrete cracks as much as possible and at the same time curb the emergence of concrete cracks.

Keywords： water conservancy engineering; concrete crack; prevention technology; structural stability; prevention measures

現(xiàn)代水利工程項(xiàng)目中，混凝土裂縫是常見的質(zhì)量病害，受到材料、工藝操作、現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境條件等因素影響，混凝土結(jié)構(gòu)硬化成型期間常形成裂縫，影響了混凝土結(jié)構(gòu)的使用性能，并縮短水工建筑物的使用壽命，甚至引發(fā)結(jié)構(gòu)滲漏等一系列問題。為此，應(yīng)分析各類型裂縫產(chǎn)生的原因，采取科學(xué)的混凝土裂縫的修補(bǔ)技術(shù)及預(yù)防措施，保障混凝土結(jié)構(gòu)安全。

1" 水利工程施工期間混凝土裂縫病害的形成原因

1.1" 原材料質(zhì)量

在建水利工程普遍采用大體積混凝土技術(shù)，一次性把幾何尺寸超過1.0 m的混凝土結(jié)構(gòu)澆筑成型，如混凝土重力壩，可以減少重復(fù)施工次數(shù)，縮短工期時(shí)間，增強(qiáng)水工建筑物結(jié)構(gòu)的整體性。與此同時(shí)，大體積混凝土技術(shù)存在一定的工藝局限性，例如表面系數(shù)小、水化熱釋放集中，對(duì)原材料性能質(zhì)量要求高，如果仍按照傳統(tǒng)施工標(biāo)準(zhǔn)選用原材料，混凝土結(jié)構(gòu)極易形成溫度裂縫和收縮裂縫。例如，從水泥材料角度來(lái)看，選擇水化熱程度較高的水泥材料，在混凝土養(yǎng)護(hù)期間，內(nèi)表溫升速度失衡，內(nèi)部溫度往往會(huì)超出表面溫度20～40 ℃，出現(xiàn)熱膨脹現(xiàn)象，形成過大拉應(yīng)力而致使結(jié)構(gòu)變形開裂[1]。

1.2" 配合比設(shè)計(jì)

從配合比設(shè)計(jì)層面來(lái)看，水灰比失控和原材料用量比例不合理，都會(huì)明顯提高結(jié)構(gòu)開裂率，難以維持混凝土結(jié)構(gòu)良好的狀態(tài)。例如，在水灰比失控、拌合水用量超標(biāo)的情況下，混凝土材料容易出現(xiàn)離析現(xiàn)象，結(jié)構(gòu)硬化成型期間提前出現(xiàn)收縮變形情況，演變形成早期裂縫，如沉降裂縫和塑性收縮裂縫，還會(huì)降低混凝土結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與耐久性。如果水泥材料用量過多，水泥用量、混凝土結(jié)構(gòu)體積變化程度成正比，將提高干縮裂縫與塑性收縮裂縫出現(xiàn)率。水泥混凝土配合比設(shè)計(jì)見表1。

1.3" 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

當(dāng)前部分水工建筑物結(jié)構(gòu)體系設(shè)計(jì)方案不合理，存在配筋率低下、結(jié)構(gòu)縫位置設(shè)置有誤、結(jié)構(gòu)內(nèi)部約束多等問題?；炷两Y(jié)構(gòu)硬化成型與水工建筑物投運(yùn)使用期間，在局部變形以及受力影響下，整體結(jié)構(gòu)出現(xiàn)一定程度的變形現(xiàn)象，在抵抗力薄弱部位形成裂縫。以配筋設(shè)計(jì)為例，僅考慮受力控制斷面主筋布置問題，并未衡量構(gòu)造鋼筋數(shù)量、分布位置是否合理，實(shí)際布置情況沒有完全滿足混凝土結(jié)構(gòu)使用要求，應(yīng)力集中部位和界面突變部位極易形成裂縫。

1.4" 施工工藝

混凝土施工分布大量技術(shù)細(xì)節(jié)，施工人員要嚴(yán)格把控全部技術(shù)細(xì)節(jié)、規(guī)范自身操作行為，如果出現(xiàn)誤差和違規(guī)操作，將改變混凝土結(jié)構(gòu)狀態(tài)，形成裂縫。例如，在混凝土拌制運(yùn)輸環(huán)節(jié)，常見施工問題包括各批次混凝土實(shí)際配合比不統(tǒng)一、混凝土離析、水泥漿損失程度超標(biāo)?；炷翝仓駬v環(huán)節(jié)，常見施工問題包括澆筑溫度過低/過高、省略二次振搗與二次抹壓步驟、模板變形失穩(wěn)、保護(hù)裝置不合理，最終在混凝土表面和保護(hù)層較薄位置開裂。而在混凝土養(yǎng)護(hù)環(huán)節(jié)，常見施工問題包括養(yǎng)護(hù)溫度驟降、過早拆除模板、混凝土表面干濕狀態(tài)交替、缺少溫度控制措施?；炷潦┕すに嚵鞒倘鐖D1所示。

2" 水利工程現(xiàn)場(chǎng)施工中的混凝土裂縫防治技術(shù)措施

2.1" 原材料質(zhì)量控制

水利工程施工期間，提前掌握工程資料信息，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)條件、工藝技術(shù)種類來(lái)做好原材料選型工作。例如，采取大體積混凝土澆筑技術(shù)時(shí)，應(yīng)選擇低水化熱品種的水泥材料，選用緩凝劑與減水劑作為外加劑、粉煤灰當(dāng)作摻合料、連續(xù)級(jí)配碎石當(dāng)作粗骨料、中砂作為細(xì)骨料。同時(shí)，不推薦使用低熱礦渣硅酸鹽水泥，此類水泥材料的析水性過強(qiáng)，混凝土澆筑振搗過程中，澆筑層表面持續(xù)析出大量水，存在泌水問題，造成降低結(jié)構(gòu)觀感質(zhì)量與施工效率的現(xiàn)實(shí)影響。隨后，入場(chǎng)環(huán)節(jié)與混凝土拌制前，重復(fù)檢查各批次原材料的質(zhì)量狀態(tài)，隨機(jī)挑選一批樣品，檢測(cè)影響混凝土結(jié)構(gòu)開裂性能的原材料性能，判斷實(shí)際性能是否滿足設(shè)計(jì)要求，禁止使用劣質(zhì)原材料。例如，對(duì)于42.5級(jí)普通硅酸鹽水泥材料，以凝結(jié)時(shí)間、安定性、細(xì)度、抗壓強(qiáng)度與抗析強(qiáng)度作為檢測(cè)內(nèi)容，要求初凝時(shí)間不少于45 min，終凝時(shí)間不超過10 h，安定性不超過5 mm，80 μm篩余細(xì)度不超過10%，3 d齡期時(shí)的抗壓強(qiáng)度與抗析強(qiáng)度不低于16 MPa和3.5 MPa，28 d齡期時(shí)的抗壓強(qiáng)度與抗析強(qiáng)度不低于42.5 MPa和6.5 MPa[2]。

2.2" 優(yōu)化配合比

根據(jù)水利工程施工要求來(lái)確定混凝土性能指標(biāo)要求，初步制定配合比方案，按照既定方案來(lái)拌制少量混凝土、制作標(biāo)準(zhǔn)試件，再測(cè)定混凝土坍落度、擴(kuò)展度，檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)試件的力學(xué)性能。隨后，比對(duì)測(cè)定結(jié)果與性能指標(biāo)要求，如果二者存在出入，表明原材料用量比例不合理，或是原材料品種有誤，針對(duì)性調(diào)整配合比方案，直到混凝土性能完全滿足施工要求。例如，對(duì)于混凝土早期抗裂性能，推薦采取平板試驗(yàn)方法，制作600 mm×600 mm×60 mm規(guī)格的試件，試件澆筑振搗完畢后，表面覆蓋塑料薄膜并于2 h后取下，平板中心部位上方1 m高度照射1 000 W碘鎢燈，外側(cè)放置風(fēng)扇，試驗(yàn)時(shí)間控制為5 h，結(jié)束試驗(yàn)后24 h測(cè)量裂縫長(zhǎng)度與寬度，計(jì)算裂縫開裂總面積和裂縫降低系數(shù)，以裂縫降低系數(shù)作為評(píng)價(jià)防裂效能等級(jí)的依據(jù)，裂縫降低系數(shù)不小于0.85、處于0.70～0.85區(qū)間、處于0.50～0.70區(qū)間時(shí)，防裂效能等級(jí)分別為一級(jí)、二級(jí)和三級(jí)。必要情況下，以減少水泥用量、調(diào)整砂率、變更骨料粒徑級(jí)配、摻加高效減水劑作為配合比方案的優(yōu)化調(diào)整方向[3]。

2.3" 優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案

為降低混凝土結(jié)構(gòu)開裂率與增強(qiáng)抗裂性能，并行采取設(shè)置結(jié)構(gòu)縫、鋼筋補(bǔ)強(qiáng)、不良地基處理3項(xiàng)優(yōu)化措施。第一，設(shè)置結(jié)構(gòu)縫。以消除大體積混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部約束應(yīng)力、控制變形程度為目的，根據(jù)工程情況來(lái)選擇結(jié)構(gòu)縫類型，包括拼接縫、伸縮縫、抗震縫與沉降縫，可以合并使用多類型結(jié)構(gòu)縫，例如，對(duì)于比表面積較大的混凝土結(jié)構(gòu)，優(yōu)先留設(shè)引導(dǎo)性勾縫，引導(dǎo)混凝土結(jié)構(gòu)在預(yù)定位置開裂，用于釋放內(nèi)部積蓄高應(yīng)力。第二，鋼筋補(bǔ)強(qiáng)。如果混凝土結(jié)構(gòu)局部或是斷面承受過大拉應(yīng)力、壓應(yīng)力，則需要增設(shè)適量數(shù)量的構(gòu)造鋼筋，或是在受力集中部位增設(shè)鋼筋網(wǎng)，構(gòu)造鋼筋直徑控制為8～14 mm，相鄰構(gòu)造鋼筋布置間距控制為100～150 mm，避免結(jié)構(gòu)薄弱部位形成裂縫[4]。第三，不良地基處理。結(jié)合巖土勘察報(bào)告來(lái)掌握水利工程現(xiàn)場(chǎng)水文地質(zhì)條件，驗(yàn)算天然地基承載能力，如果上部荷載超出地基極限承載能力，或是存在不良地質(zhì)問題，則在設(shè)計(jì)方案內(nèi)額外采取不良地基處理措施，避免地基不均勻沉陷、過度沉降而導(dǎo)致上部混凝土結(jié)構(gòu)變形開裂，地基處理形式包括墊層換填、粉噴樁、強(qiáng)夯和排水固結(jié)等。

2.4" 纖維抗裂

纖維抗裂措施強(qiáng)調(diào)改變材料特性來(lái)強(qiáng)化抗裂性能，在常規(guī)配合比方案基礎(chǔ)上，額外摻加少量纖維材料，如聚丙烯纖維、鋼纖維，纖維與水泥基料共同組成復(fù)合材料，纖維體在混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部橫向網(wǎng)狀分布，起到延緩裂縫形成時(shí)間的作用。等待混凝土結(jié)構(gòu)開裂后，纖維還會(huì)抑制裂縫繼續(xù)發(fā)育，并替代水泥基料承受主要外力。纖維抗裂措施實(shí)施期間，重點(diǎn)關(guān)注纖維種類選擇、確定纖維最佳摻量?jī)身?xiàng)問題。第一，纖維種類選擇。主流纖維材料為聚丙烯纖維、鋼纖維2種，根據(jù)往期施工情況來(lái)看，二者分布狀態(tài)、拌和工藝、結(jié)構(gòu)外觀、用水量要求存在明顯差異。聚丙烯纖維在混凝土拌合物內(nèi)均勻分布，對(duì)拌和設(shè)備無(wú)特殊要求，拌和時(shí)間與用水量無(wú)需調(diào)整，也不會(huì)降低結(jié)構(gòu)觀感質(zhì)量，推薦使用此類纖維材料。鋼纖維容易出現(xiàn)結(jié)團(tuán)現(xiàn)象，必須使用到強(qiáng)制式拌和機(jī)，拌和時(shí)間延長(zhǎng)10～30 s，根據(jù)纖維摻加量來(lái)調(diào)整單位用水量與砂率，鋼纖維生銹時(shí)還會(huì)在結(jié)構(gòu)表面形成銹蝕污點(diǎn)[5]。第二，確定纖維最佳摻量。提前制備摻入纖維與未摻入纖維的混凝土試件，開展大圓環(huán)試驗(yàn)，模擬混凝土結(jié)構(gòu)在約束情況下的裂縫形成發(fā)展過程，掌握纖維摻量與裂縫寬度減小程度、初始裂縫發(fā)生時(shí)間的關(guān)系，從而確定最佳摻量。例如，對(duì)于C40混凝土，聚丙烯纖維摻量控制在1.2 kg·m-3水準(zhǔn)，28 d齡期時(shí)仍未出現(xiàn)開裂情況，如果摻量低于這一標(biāo)準(zhǔn)，雖然仍舊取得一定程度的抗裂效果，但在7～28 d齡期期間會(huì)形成裂縫。

2.5" 控制施工過程

推行標(biāo)準(zhǔn)化施工模式，對(duì)混凝土現(xiàn)澆施工過程的技術(shù)細(xì)節(jié)、操作標(biāo)準(zhǔn)、流程步驟進(jìn)行嚴(yán)格規(guī)定，施工人員需保證操作的規(guī)范化和標(biāo)準(zhǔn)化，避免結(jié)構(gòu)開裂。例如，在混凝土拌制環(huán)節(jié)，準(zhǔn)備臥軸式或是逆流式攪拌機(jī)，檢測(cè)原材料質(zhì)量狀態(tài)與稱取用量，用量誤差控制在1%以內(nèi)，重點(diǎn)控制投料順序與攪拌時(shí)間，特殊天氣下制定專項(xiàng)施工方案，如在冬季施工背景下，提前對(duì)拌合水、集料進(jìn)行預(yù)熱處理，并把攪拌時(shí)間延長(zhǎng)50%，檢測(cè)混凝土出機(jī)溫度與入模溫度，分別不低于10 ℃與5 ℃[6]。在混凝土澆筑振搗環(huán)節(jié)，推薦采取分層澆筑方式（圖2），單層厚度不超過0.3 m或0.5 m，交替開展各層級(jí)澆筑振搗作業(yè)，上層初凝前完成下層振搗作業(yè)，并組織二次振搗與二次抹壓作業(yè)，起到改善結(jié)構(gòu)狀態(tài)、消除表面細(xì)微裂縫的作用。而在混凝土養(yǎng)護(hù)環(huán)節(jié)，養(yǎng)護(hù)時(shí)間不得少于7 d，覆蓋塑料薄膜，保持表面濕潤(rùn)狀態(tài)，要求內(nèi)表溫差不超過25 ℃，養(yǎng)護(hù)溫度不低于5 ℃，必要時(shí)采取溫控措施，避免混凝土溫度裂縫與干縮開裂。

2.6" 處理早期裂縫

2.6.1" 常見修補(bǔ)方法

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工情況來(lái)看，在多重因素共同影響下常出現(xiàn)早期裂縫，以混凝土結(jié)構(gòu)終凝前后作為早期裂縫的高發(fā)時(shí)間，早期裂縫危害程度有限，基本不會(huì)削弱混凝土結(jié)構(gòu)使用性能，如圖3所示。如果放任裂縫存在，不及時(shí)采取處理措施，隨著時(shí)間推移，裂縫寬度、深度與長(zhǎng)度有所增加，嚴(yán)重時(shí)演變形成貫穿型裂縫。對(duì)此，施工人員必須及時(shí)處理早期裂縫，根據(jù)裂縫類型來(lái)選擇恰當(dāng)?shù)奶幚矸椒ā＠?，?duì)于表面穩(wěn)定裂縫，采取表面抹灰方法，選用水泥漿、環(huán)氧砂漿或是水泥砂漿作為修補(bǔ)材料，裂縫表面保持潔凈狀態(tài)，反復(fù)涂刷多遍修補(bǔ)材料，用于封閉裂縫。對(duì)于深度較大的穩(wěn)定裂縫，采取注漿修補(bǔ)方法，選用甲凝溶液或是環(huán)氧樹脂溶液作為黏結(jié)劑，清理裂縫內(nèi)部，放置灌漿嘴，壓力作用下把黏結(jié)劑注滿裂縫內(nèi)部。而對(duì)于較深裂縫，則采取鑿槽嵌補(bǔ)方法，裂縫開鑿為V型槽，槽內(nèi)注入瀝青材料或是化學(xué)補(bǔ)強(qiáng)劑，再使用環(huán)氧砂漿封閉裂縫表面[7]。

2.6.2" 修補(bǔ)材料的配制與施工

針對(duì)不同類型、不同深度及周邊環(huán)境的影響，技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)選擇合適的修補(bǔ)材料，在滿足耐久性設(shè)計(jì)要求的基礎(chǔ)上通過對(duì)不同類型、性能的修補(bǔ)材料的比較，選擇最合適的修補(bǔ)材料，確定最優(yōu)修補(bǔ)方案。目前常用的修補(bǔ)材料主要有水泥基修補(bǔ)材料、高分子修補(bǔ)材料、環(huán)氧樹脂修補(bǔ)材料等。對(duì)于不同性質(zhì)的混凝土，技術(shù)人員可以選用相應(yīng)的修復(fù)材料，并且根據(jù)修補(bǔ)材料的配方標(biāo)準(zhǔn)對(duì)其進(jìn)行精確的配制，通過試驗(yàn)確定最佳配合比參數(shù)。在配制修補(bǔ)材料過程中，技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)保證各組分按預(yù)先確定的比例混合，避免由于偏差造成材料性能不穩(wěn)定。當(dāng)前常見的修補(bǔ)材料有灰漿、混凝土、瀝青和高分子乳劑等。一般情況下，修補(bǔ)材料可采用人工涂刷、噴淋或灌注等多種方式進(jìn)行施工。為了提高修補(bǔ)效果，技術(shù)人員可采用機(jī)械切縫方法對(duì)其進(jìn)行修補(bǔ)。在具體施工過程中，技術(shù)人員要保證修補(bǔ)材料均勻涂抹，裂縫填充要充分，修補(bǔ)層的厚度及密實(shí)度要達(dá)標(biāo)。在裂縫修補(bǔ)施工時(shí)，技術(shù)人員還應(yīng)嚴(yán)格控制環(huán)境溫濕度，降低環(huán)境因素對(duì)修補(bǔ)材料的不利影響[8]。另外，針對(duì)不同的結(jié)構(gòu)類型，應(yīng)對(duì)修補(bǔ)的結(jié)果進(jìn)行跟蹤監(jiān)測(cè)，特別是在高溫、低溫環(huán)境中，需要采取相應(yīng)的措施來(lái)保證修復(fù)材料的性能穩(wěn)定。

2.6.3" 修補(bǔ)后的養(yǎng)護(hù)與檢測(cè)

施工人員在完成裂縫部位修補(bǔ)后，需要對(duì)其進(jìn)行細(xì)致的養(yǎng)護(hù)和檢查，通過養(yǎng)護(hù)和檢測(cè)能夠客觀評(píng)價(jià)裂縫修補(bǔ)情況、水利工程混凝土結(jié)構(gòu)的性能。如果檢測(cè)結(jié)果沒有達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求，那么施工人員需要進(jìn)行再次修補(bǔ)和調(diào)整，直到達(dá)到規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)要求。

修補(bǔ)后的混凝土養(yǎng)護(hù)是保證修補(bǔ)材料充分固化硬化的重要步驟，具體來(lái)講，施工人員通常會(huì)采取濕法養(yǎng)護(hù)避免修補(bǔ)材料在養(yǎng)護(hù)時(shí)出現(xiàn)開裂等問題。在后續(xù)養(yǎng)護(hù)過程中，技術(shù)人員要密切注意環(huán)境溫濕度，適當(dāng)延長(zhǎng)養(yǎng)護(hù)時(shí)間，使養(yǎng)護(hù)工作取得最佳效果。在混凝土裂縫修補(bǔ)后的檢測(cè)階段，技術(shù)人員可以利用激光掃描技術(shù)對(duì)修補(bǔ)處不同深度的混凝土內(nèi)部缺陷進(jìn)行檢測(cè)和定位，還可以采用多種測(cè)試方法，如硬度、密封性、外觀及黏接強(qiáng)度等，全面評(píng)價(jià)修復(fù)區(qū)的硬度、封閉性、外觀質(zhì)量及黏接性能。根據(jù)檢測(cè)結(jié)果，施工人員可以及時(shí)調(diào)整、完善加固技術(shù)，保證加固效果滿足設(shè)計(jì)要求，延長(zhǎng)結(jié)構(gòu)服役年限。

3" 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，裂縫防治處理已成為當(dāng)前水利工程施工體系的重要組成部分，也是改善水工建筑物使用體驗(yàn)、延長(zhǎng)結(jié)構(gòu)體系使用壽命的重要前提。施工單位必須提高對(duì)裂縫防治問題的重視程度，全面掌握裂縫形成原因，并行落實(shí)原材料質(zhì)量控制、優(yōu)化配合比、優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案、纖維抗裂、控制施工過程和處理早期裂縫等防治技術(shù)措施，建設(shè)高品質(zhì)水利工程。

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