寒冷地區渡槽裂縫成因及鋼筋銹蝕對耐久性影響分析

沙吾列提汗·對山拜 新疆額爾齊斯河流域開發工程建設管理局

大量的實踐和數據表明，在大范圍寒冷地區，特別是長期凍土地區，混凝土建筑經常遭受嚴重凍害，直接威脅到整個結構安全和運營，并因此造成重大經濟損失。但隨著我國經濟建設的蓬勃發展和西部大開發對基礎設施建設的要求日益提高，在廣大寒區大量建設混凝土設施已成為必然。所以，研究凍脹與裂縫的發展規律具有重要意義。

1.工程概況

新疆北疆某灌區屬大陸性氣候地區，地區氣候干燥、雨量稀少，冬季寒冷，年平均溫度為9.0～11.0℃，年最高溫度約為42.2℃，年最低溫度約為-28.9℃，每年11月底為凍結期，開春2月底為解凍期，年均0℃以下溫度期長達80天，該灌區內建設的渡槽建筑物全長640m，采用C50砼澆筑，設計流量為75m3/s，加大流量95m3/s，在該渡槽建造完成后試水時發現滲水現象，經過檢查發現渡槽滲水原因來源于槽身局部存在的裂縫。

2.裂縫產生的主要成因及機理

混凝土具有良好的抗壓能力，但抗拉能力缺乏，所以，裂縫的產生是混凝土建筑物不可避免的問題，通常，混凝土結構產生裂縫和其它的缺陷的主要成因有下列幾點因素：

（1）溫差裂縫。顧名思義主要由溫度差異過大引起的，當大體積的混凝土進行澆筑后，其在硬化過程中土中的水泥與水進行水化反應，產生大量的熱量且不易散發致使內部的溫度不斷地上升，混凝土表面由于與空氣直接接觸，使得混凝土的表面和內部溫差相差過大。在渡槽施工過程中，如果未對澆筑的混凝土進行保溫處理或過早拆除，混凝土遭受冷空氣侵入，混凝土表面溫度急劇下降而產生收縮，導致出現內部拉力，從而產生約束裂縫，其應力衰減曲線可用下列函數表示：

式中：

E為彈性模量；a為線性膨脹系數；T為溫差，°C；εp為極限應力變化值；Ck為基底對于混凝土的阻力系數；β為基礎高相關系數。

（2）早期凍脹原因。當氣溫低于零下時，澆筑的混凝土中或波紋管飽含水分可能結冰，由液態形式轉化成固態形式，而液態轉為固態的過程體積將會膨脹增大，因此混凝土產生膨脹力，使混凝土強度降低并且出現裂縫，遭遇過初期凍脹的混凝土強度可降低35%以上。而波紋管中殘留水反復凍結過程中將成為裂縫起始源，同時解凍后的水分可能引起附近鋼筋發生銹蝕。

（3）干性裂縫。混凝土因其具有一定的硬化性能，在硬化過程中極易發生收縮，通常將其分為干縮和塑性收縮兩種。渡槽和墩體是巨大的混凝土構件，在硬化過程中，由于表面水分蒸發速率與內部溫度冷卻速率不一致，表層水分和溫度的下降使得表層混凝土迅速硬化，造成體積收縮減小，而內部體積收縮速率低于外部收縮速率慢，導致外部表層混凝土需要承受更大的拉力，從而產生干性裂縫。

（4）自生收縮。混凝土的硬化過程實質上是水泥與水發生水化反應，在此過程中，材料會發生自生性收縮，自生性收縮可分為正收縮與負收縮，自生性收縮與溫濕度無關，與所用材料有關，如普通硅酸鹽水泥易產生正收縮，礦渣、粉煤灰硅酸鹽水泥易產生負收縮。

（5）塑性收縮。澆筑5h后，混凝土的水化反應最強烈，當混凝土中的水分迅速減少，甚至出現滲水現象時，拌合骨料因自身重量隨時間緩慢下沉，此時混凝土內部尚未完全硬化，導致出現塑性收縮的情況，若骨料與鋼筋發生碰撞，則骨料與鋼筋的裂紋方向一致。

2.1 渡槽裂縫成因分析

在對該渡槽滲水情況進行排查發現的大量的裂縫，有深度大，同時從墩體向上發散貫穿等特征。根據經驗判斷，該裂縫為典型的貫穿裂縫，其主要由溫度變化造成的，從上述常見的裂縫成因和機理可知，溫度變化產生的裂縫通常出現在澆筑施工3個月以上，此類裂縫深度大，例如當大體積的混凝土澆筑施工在渡槽墩體基礎面和堅實的基層上時，容易發生以接口處存在的貫穿性裂縫，由于早期澆筑完成的基層和新澆筑的混凝土溫度差是產生裂縫的主要原因，結合實際情況總結造成溫差主要有以下幾點原因：

（1）渡槽施工時墩體和槽身分為兩次澆筑，下部結構澆筑10d后才進行上部結構的澆筑，新澆筑的槽身與已完成水熱化反應的墩體存在著巨大的溫差。

（2）渡槽所在地區為新疆寒區，冬季寒冷，風力大，且白天和晚上的溫差極大，在澆筑過程中，外部混凝土的溫度快速下降，同時帶走大量水份，導致混凝土內外凝結速度不一致，凝結后的外部體積減小，將承受來著內部未凝結混凝土的應力。

因此，在應對這種情況時，澆注的混凝土需要嚴格控制，保持和基底溫度一致的情況下澆筑可最大化的減少此類裂縫的產生，同時施工時應根據實際的情況，合理的選擇的水泥產品，降低用量體積，減少骨料拌合前的溫度，必要時可采取冷卻措施進行內部散熱，特別是在冬季施工時，應及時進行養護，以免混凝土發生驟冷驟熱，導致裂縫。

2.2 裂縫對鋼筋銹蝕耐久性影響

由于槽身存在的裂縫，外部的水份和空氣可以通過裂縫作為通道進入到混凝土內部，并滲透到鋼筋表面，引發預應力鋼筋發生銹蝕，混凝土結構在正常的環境下，如果存在裂縫，且深度增大，將會加快鋼筋的銹蝕速率，并且由鋼筋銹蝕引發的膨脹引起新的應力裂縫，同時由于渡槽槽身結構鋼筋網密集，銹脹后的裂縫將成為空氣和水份的通道，引起以銹脹點為中心的擴散性銹脹裂縫，進而造成槽身整體的破壞。

3.滲水裂縫的修補和加固措施

由上可知，裂縫的產生如果不及時處理，可發展為銹脹或凍脹繼續擴大，特別是新疆等寒區，渡槽裂縫引發滲水透水現象，在凍結期，滲透點在負溫條件下發生凍脹現象，使裂縫愈發嚴重，進而影響渡槽的整體安全性穩定性，針對渡槽裂縫的修補本文簡要的介紹以下的幾種方法：

（1）壓力灌漿修補；壓力罐裝修補是指利用水泥或化學材料，對結構內部的裂縫進行罐漿修補的方式。壓力灌漿是較為普遍的一種方法修補方法之一，針對不同的裂縫都可以采取這種方法進行修復加固，比如在南水北調中線的排水渡槽裂縫修補中有較多應用。

（2）粘貼碳纖維復合材料；碳纖復合材料是由高強度、高彈性模量的單向排列的碳纖維經環氧樹脂滲透浸漬而成，它還是組成碳纖維板的基本材料。將環氧樹脂粘在混凝土結構受拉表面，樹脂固化后便與原混凝土結構形成一個整體，從而使碳纖維和鋼筋作為互補整體共同承受外力。雖然碳纖維板的質量很輕，但它能在混凝土結構中分擔很大一部分荷載，這就降低了鋼筋的應力，從而起到加固混凝土結構的作用。

（3）表層封閉修補；針對渡槽結構中較小的裂紋和縫隙，常見的水泥漿難以滲入進行填補，這種情況下可采用表面封閉修補，如通過溝槽嵌補、表面抹漿噴漿等方式進行修補，如我國甘肅某灌區。

4.結論

文章以新疆某地區引水渡槽為項目工程背景，以寒區渡槽裂縫為主要研究問題，通過分析造成渡槽裂縫的主要成因，判斷造成渡槽滲水裂縫的主要成因主要由溫差引起，并針對裂縫提出了加強和預防措施，其主要結論有：

（1）根據現場排查和分析判斷，造成渡槽滲水情況發生的原因來源于槽身局部的存在裂縫；

（2）綜合各方面因素，判斷裂縫的成因為溫差裂縫，渡槽施工時墩體和槽身分為兩次澆筑，造成溫差裂縫的主要因素是渡槽所在地區為新疆寒區，冬季寒冷，風力大，且白天和晚上的溫差極大，同時下部結構澆筑10d后才進行上部結構的澆筑，新澆筑的槽身與已完成水熱化反應的墩體存在著巨大的溫差；

渡槽槽身結構鋼筋網密集，銹脹后的裂縫將成為空氣和水份的通道，引起以銹脹點為中心的擴散性銹脹裂縫，進而造成槽身整體的破壞。