水工结构混凝土裂缝成因及控制措施研究

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摘要：近年来，随着研究水平的不断深入以及新技术、新材料的广泛应用，水工结构混凝土裂缝问题得到了一定的重视和解决，但水工结构的安全性和重要性要求对混凝土的开裂机理、裂缝的发展和预测以及治理和控制措施进行深入的研究和剖析，因此研究水工结构混凝土裂缝成因及控制措施就显得很有必要。

关键字：水工结构；裂缝；成因；控制措施

Abstract: in recent years, with the deepening of the research level and new technology, the wide application of new material, hydraulic structure concrete crack problem has been some attention and solve, but hydraulic structure security and importance to the concrete requirements cracking mechanism, crack development and prediction and governance and control measures to further analyze and study, so the study of hydraulic structure concrete crack causes and control measures is very necessary.

Keyword: hydraulic structure; Crack; Cause; Control measures

中图分类号：TU377.1 文献标识码：A 文章编号

1 引言

水工结构混凝土施工是一项工艺复杂、技术要求高、对工程质量产生直接影响的过程。特别是混凝土的开裂问题在水工结构混凝土施工过程和施工竣工验收时会经常发现。近年来，随着研究水平的不断深入以及新技术、新材料的广泛应用，水工结构混凝土裂缝问题得到了一定的重视和解决，但水工结构的安全性和重要性要求对混凝土的开裂机理、裂缝的发展和预测以及治理和控制措施进行深入的研究和剖析，因此研究水工结构混凝土裂缝成因及控制措施就显得很有必要。

2水工结构混凝土裂缝的形成机理研究

混凝土的主要成分是砂子、石子、水泥、水以及其它添加剂等非均质材料以一定的比例混合组成，在混合搅拌过程中，材料以及环境的温度、湿度、材料的配比还有施工工艺的成品的效果质量有较大影响，同时，在材料的混合过程中，由于体积和作用力的变换，不同的材料之间一定会存在缝隙，因此造成水工结构混凝土裂缝形成存在必然性。工程中一般以0.05宽度为界限区分裂缝，视距小于0.05毫米的裂缝为微观裂缝，可视为无裂缝结构。

2.1裂缝的形成机理及分类

总体可将水工结构混凝土裂缝形成机理归纳为三类：首先是由于工程结构设计不合理引起的裂缝;其次是由于混凝土自身力学、变形及热力学性能引起的裂缝;外部环境因素和约束条件引起的裂缝;上述形成机理不是孤立存在的，相互影响，共同造成了水工结构混凝土裂缝存在的结果。

水工结构混凝土裂缝有三个分类标准，分别为裂缝深度、裂缝开度变化以及裂缝产生的原因。按裂缝的深度分表面裂缝、深层裂缝、和贯穿裂缝;按开度变化可分为死裂缝、活裂缝、增长裂缝；若按照产生原因可分为干缩裂缝、温度裂缝、钢筋锈蚀裂缝、碱-骨料反应裂缝、超载裂缝、变形裂缝、施工裂缝等。本文从主要从表面裂缝、深层裂缝及贯穿裂缝入手，其成因和相关控制措施。

2.2 表面裂缝的形成机理研究

混凝土表面裂缝形成的主要原因是温度的变化，当混凝土受到自身非线性温度场约束、干缩变形或是周围环境温度骤降时，混凝土的表面会产生较大的降温和内外明显的温度梯度，导致内外层混凝土产生温度应力，当其温度应力大于混凝土同龄期的抗拉强度时，就会产生表面裂缝。

混凝土表面裂缝在受到温度、强度、龄期以及环境温度、浇筑工艺、设计尺寸等因素影响的同时，还受到施工程序中所处位置以及模板的拆除时间等因素有着密切的关系。常规情况下，环境温度的骤减是导致混凝土表面裂缝从而降低其抗裂能力的主要原因，但当浇筑质量和强度差时，导致混凝土表面裂缝从而降低其抗裂能力的主要原因就发生了转变。此外，当这两项影响因素得到控制时，还要保证其它因素影响的有效控制。

2.3 水工结构混凝土深层裂缝的成因

深层裂缝产生的原因及其机理主要是在表层裂缝未得到有效控制时的发展结果，当混凝土表面经历一个持续较长的降温过程时，内部温度较高，由于内外温差，会在混凝土土体内部形成梯度较陡的复杂温度场，直接诱发裂缝向深层次发展和变化，形成深层连续裂缝。

特别是水工结构的基础混凝土部分一般都浇筑在坚硬的岩石地基上，在未采取有效的隔离放松约束措施时，由于混凝土浇筑时的内部温度较高，同时受到水泥水化热时的冷却收缩影响，会在混凝土灌注后的2、3个月内形成较深的甚至是贯穿性的裂缝，导致整个水工结构整体性受到破坏。当基础工程回填土不及时的情况下，受到外部长期的温差和阳光暴晒的影响，刚性较大的结构体，基础连接、预制件伸缩缝处因温度变形受到约束，降温时也会出现深层裂缝。

2.4水工结构混凝土基础贯穿裂缝的成因

混凝土基础贯穿裂缝是对水工结构整体安全性和稳定性影响最为明显也是最严重的裂缝类型。混凝土的浇筑温度加上水化热温升与施工期最低温度和水工结构稳定运行时的正常温度之间有一个基础温差，基础温差会导致温度应力的产生，当温度应力大于同龄期混凝土的抗拉强度时，会产生切断混凝土结构的贯穿裂缝。简言之，贯穿裂缝就是由于混凝土变形受外界约束导致整体受拉应力作用而产生的，由于是整体受力，所以一旦产生裂缝，必定是贯穿性的。

基础贯穿裂缝的危害性最大，它不但引起应力的重分布，改变了结构的受力条件，而且使结构的整体性、稳定性、渗透性、耐久性、承载力受到严重的影响，贯穿裂缝使钢筋混凝上中的钢筋暴露于外界，加速钢筋腐蚀，危及整个水工结构的安全。

3 水工结构混凝土裂缝控制措施研究

3.1 水工结构混凝土裂缝的危害

水工结构混凝土裂缝的危害性主要表现在以下几个方面：产生渗漏、加速混凝土碳化、降低混凝土抵抗各种侵蚀蚀介质的耐腐蚀性能力、影响混凝土结构物的结构强度和稳定性、加快钢筋的腐蚀。水工结构如涵闸、堤防、水库大坝等渗漏是影响其在汛期抗洪能力的重要因素，对自身安全和人民生命财产的安全起到至关重要的作用；混凝土碳化以及抗腐蚀、侵蚀能力的降低，对水工结构的使用寿命产生直接影响，同时会加大后期维护成本。

3.2 水工结构混凝土裂缝的控制措施

为提高水工结构的整体安全性，必须对混凝土裂缝进行有效的控制，主要包括以下几个方面：材料选择、配比选取、浇筑时间、施工工艺、结构布置、表面保温、内部降温和其他养护方法等。

首先材料的选取很重要，需要优先使用低热和中热水泥；对于占混凝土总成分89%以上的粗骨料，也需要科学选取，因为混凝土的热学性能在很大程度上取决于粗骨料的矿物性质，因此混凝土温度控制的治本措施之一就是选用热学性能好的粗骨料；减少混凝土水泥用量，在混凝土中掺混合料（如粉煤灰等），同时根据水工结构性能和环境温度、位置等情况，可在材料中适当添加外加剂，如有减水剂、缓凝剂、加气剂、早强剂等；调整混凝土骨料级配，如三级配到四级配的调整可减低水泥的用量；在水灰比相同的条件下，采用低流态混凝土以降低水泥用量；根据工期、施工人员技术水平、熟练程度、机械化水平等情况的实际，选择合理的混凝土配合比，以期达到少水泥用量和降低混凝土水化热温升的效果。

其次是混凝土浇筑时间的选择，因为混凝土的水化反应是放热反应，因此，应该避免在高温季节施工；同时在寒冷的冬季水化反应会减缓，凝固时间增长会导致凝土受冻出现的强度降低现象。

第三，要采用合理的施工方法与工艺，首先要减小外部约束；为保证理论计算的伸缩度和温度场的分布、收缩系数等与实际情况保持一致，要设置后浇带，将水工结构从上至下分成一定长度的区段，各区段间留出一定的宽度暂不浇灌，保留一定时间后，再浇灌这部分混凝土，后浇带的施工防止外界水侵入，防止杂物落入后浇带清理困难，防止后浇带部位软基土体上拱，防止混凝土施工缝渗水；在施工中要尽量保证表面真空作业；同时可考虑在应力集中点增加部分钢筋组成钢筋网，以提高局部抗拉强度。

第四是尽量降低混凝土的温度，主要方法降低拌和用水的温度、对骨料进行预冷和运输中避免吸收外界热量，对于大坝混凝土浇筑还可采用水管冷却技术。

第五要对施工现场结构布置进行改进。首先是对水工结构进行合理分缝和分块，同时为了防止混凝土的局部的应力集中，可设置贴脚和基础过渡层；在施工设计时要保证结构平缓过渡。

4 结论

水工结构的安全性是事关水利工程质量和人民生命财产安全的大事。水工结构的裂缝是水工结构安全影响因素的主要组成部分之一。本文通过对水工结构裂缝的成因和危害性的分析，提高了裂缝预防和处理重要性的认识，同时提出了一系列裂缝的控制处理措施，其结果对指导水工结构混凝土施工，提高水工结构的整体性、稳定性和安全性具有十分重要的意义。

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