水利工程中混凝土裂縫的成因與防治

劉愛華

(山東省菏澤市東明縣水務局，山東 菏澤 274500)

隨著我國經濟的快速發展，為了滿足生活生產用水的需求，大型水利工程不斷增多。于此同時，水利工程中混凝土裂縫的出現也引起了較多的關注。混凝土結構是水利工程中的常用結構之一，但是由于水利工程和混凝土結構自身的特點，導致混凝土裂縫頻繁發生[1]。水利工程混凝土裂縫的發生主要分為兩種原因，一種是由于水利工程中部分部位的拉應力超過混凝土材料的負荷量，從而導致荷載裂縫的發生；另一種則是由于不同環境下水利工程中的混凝土收縮變形形成的非荷載裂縫，多由于溫度變化、鋼筋腐蝕引起。混凝土裂縫的發生會進一步影響水利工程的正常功能以及整體工程的安全性，縮短其使用壽命，也會造成周圍居民的恐慌[2]。因此需要進一步分析水利工程混凝土裂縫形成原因，采取有效的干預措施，確保水利工程的建設質量，確保工程的安全性。

1 水利工程混凝土裂縫的影響

混凝土結構是水利工程中的常見結構之一，但是由于水利工程的特征以及混凝土自身抗拉強度低的特點，導致混凝土裂縫成為水利工程中普遍存在的而一種現象。混凝土裂縫發生的主要原因與以下因素有關：①材料因素：水灰比不合理、骨料不合格、添加劑的使用量過多等；②施工因素：混凝土制備不規范、混凝土澆筑不合理、混凝土養護不完善等；③環境因素：濕度低會影響混凝土的凝固速度，同時溫度過低會導致混凝土收縮，從而產生裂縫[3]。混凝土裂縫的產生雖然暫時不會影響整體水利工程的安全性，但是會造成外觀的損壞，還會加速鋼筋腐蝕，破壞水利工程整體結構的強度，并且從水利工程長期使用的要求來看，還會影響其使用壽命。因此隨著我國社會經濟的快速發展，為了確保水利工程的建設質量，需要進一步分析混凝土裂縫產生原因，并采取有效的防控措施，為后續工程施工提供有效指導[4]。

2 水利工程混凝土裂縫產生的相關因素

2.1 材料因素

水泥作為混凝土施工的主要材料，品種多且性能各異。其主要是使用水泥熟料以及各種添加材料混合制成的，不同類型水泥的收縮程度與成分含量有密切的相關性，例如C3A含量高的混凝土收縮率更高；水泥熟料中的MgO可以補償混凝土冷卻硬化過程中的體積收縮，降低混凝土裂縫的發生率[5]。混合材料也會對混凝土裂縫的產生造成影響，例如由于粉煤灰比表面積小，混凝土的收縮率會隨著粉煤灰含量的變化而變化，因此在實際施工過程中，需要嚴格控制混合材料的比重，從而預防混凝土裂縫的出現。混凝土中的骨料也會對其性能產生影響，混凝土骨料的增加，彈性會減小，但是當骨料中黏土比重的升高，其彈性會增加。混凝土的配比會對其收縮率造成影響，例如水泥用量、加水量、砂率、水灰比等參數，在相同加水量的前提下，混凝土收縮率會隨著水泥添加量降低而降低，但是幅度相對較小；在相同水灰比的前提下，混凝土收縮率會隨著砂率的升高而降低。此外，混凝土的各種添加劑也會影響其收縮率，例如減水劑可以提高混凝土施工效率[6]。

2.2 施工因素

混凝土的制作與澆筑不當，也會影響混凝土的使用性能。例如部分混凝土為了方便泵送，水灰比不當，導致其性能降低；制備中的拌合操作不合理，會導致添加劑的浪費，無法達到預期效果；混凝土攪拌不充分，骨料分布不均勻，會導致收縮裂縫的發生；骨料拌合溫度、澆注溫度過高也有可能引起裂縫發生；混凝土運輸時間長，也可能影響其性能，出現離析、泌水、沉陷等問題；澆筑操作不當；振動過大也容易造成混凝土離析、泌水，尤其是水灰比較大的混泥土；混凝土保護層過薄也會導致其容易產生裂縫[7]。

混凝土模版施工中由于支撐板偏斜幅度過大，導致支撐件變形；施工過程中人為因素導致支撐板位移；模具過早去除，且混凝土在凝固前振動；模版縫隙較大，導致漿液滲漏或滲水，都會導致混凝土裂縫的出現。混凝土澆筑之后，過度壓光會導致細骨料浮在表層，導致表層碳化收縮，最終導致表層裂縫出現。養護不當也會影響混凝土的使用性能，例如過載使用會導致混凝土的荷載能力下降；不及時養護會導致混凝土表層水分蒸發，早期混凝土的強度較低，此時由于缺水導致體積收縮，尤其是夏冬兩季，由于溫差較大，此時節進行施工容易引起混凝土裂縫。混凝土后續養護力度不足，會導致混泥土碳化收縮裂縫。混凝土澆筑過程中，下一道工序過早施工也會引起施工振動，導致裂縫。此外部分單位由于埋藏光纖過多，混凝土黏結性下降，容易由于應力分布不均勻而引起不規則裂縫。

2.3 環境因素

空氣溫度濕度過高都會影響混凝土的凝固和外形，導致收縮、變形。長期風吹日曬會導致混凝土表層收縮，同時水的溫度過低會導致內外溫差較大，導致溫度裂縫的發生；寒潮、暴雨動容易導致混凝土內外溫度過大，從而引起裂縫的發生[8]。

3 水利工程混凝土裂縫防治措施

3.1 明確混凝土施工要點

在混凝土施工目標在于加強養護工作，預防裂縫的發生，尤其是在夏冬兩季，此時要確保混凝土達到相應的強度，避免由于溫差過大而產生裂縫。在施工前期需要做好現場調查，例如作業難度、人力資源配置、施工時的天氣變化等方面，確保工程能夠順利完成。混凝土施工需要考慮水利工程的整體成本，充分考慮經濟效益和可操作性，根據施工現場的水文條件、工程規模與結構等方面的情況，做好機械、人力資源配置，根據當地氣候特征制定相應的應急處理元，并且還要優化施工現場的環境。例如在冬季施工時，由于天氣寒冷會影響混凝土的凝固速度，因此可以使用快干水泥進行澆筑，或者是使用速凝劑，若鋼筋結構澆筑時則不能使用氯化速凝劑。在大體積混凝土澆筑過程中，由于水化熱反應的影響，會導致中央溫度升高而外周溫度相對較低，此時容易發生溫度裂縫，因此可以使用混合水泥。在寒冷地區作業時，可以使用無氯化物的防凍劑來預防混凝土凍結，但是其與硫氰基化合物混合會產生有毒氣體，因此需要考慮其他添加劑的使用情況，合理添加，確保施工人員的人身安全。使用水灰比較低的復合物，或者是水化熱速率快的水泥，有助于控制混凝土內部溫度。加熱拌合過程中使用熱水的拌合效果更好，但是要注意控制水溫，避免水泥閃凝的發生，要避免兩者的直接接觸，合理安排添加物的添加順序。骨料加熱不能直接采用蒸汽加熱，避免含水量增多，可以采取管道加熱的方式，且加熱溫度不能超過52℃。氣溫過高或氣溫過低的時節進行混凝土施工，對于其配合比的要求更為嚴格，要求其抗壓強度達到3.5-5.0N/mm2，盡可能降低單位含水率，避免滲水、凍結的情況發生。

混凝土配置過程中最好需要提前計算其產生的熱量，并且還要考慮到其運輸過程中的熱量丟失，確保混凝土有著足夠的熱量，避免過早凝結的情況發生，不然會影響其強度。但是熱量過高也會影響其使用性能，造成熱收縮裂縫的發生。在加熱材料時，需要先添加足量的水，然后按照添加順序依次添加，骨料采取管道加熱的方式，并且要確保受熱均勻，避免影響骨料的含水量；水泥加熱會發生閃凝現象，因此需要使用攪拌機攪拌，待溫度降到40℃時再添加水泥。混凝土澆筑時需要將模板上的雜物、積水都清除之后，避免這些部位溫度下降過快，并且還要注意存在積水時不能進行混凝土的平整作業。澆筑之后的混泥土也不能長時間暴露在空氣中，最好使用保護膜覆蓋，避免水分快速蒸發。若使用泵送的方式施工，在冬季時可能由于溫度低導致部分水泥漿凍結，因此可以采取保溫管道或者是溫水預熱管道，預防水泥漿凍結的情況發生。

3.2 加強混凝土養護管理

根據建筑學會的相關要求，混凝土要想延長其使用時間，就需要做好養護工作。養護方法需要根據混凝土的配合比、環境溫度、混凝土結構的斷面尺寸等因素來確定，日本土木學會指出混凝土最低養護溫度為5℃，但是在寒冷地區，希望能夠保持在10℃左右，若厚度較高的斷面，養護溫度最好達到20℃；為了避免養護之后溫度快速降低產生的裂隙，在養護結束2d后，混凝土溫度也要達到0℃以上。因此需要做好混凝土攪拌參數的記錄，包括攪拌溫度、澆注溫度、硬化后溫度，同時要根據環境氣溫變化進行調整；當混凝土溫度未達到規定標準時，需要及時進行補救，避免溫度裂縫的發生；在養護過程中需要根據溫度變化確定養護終止時間，并預測投入使用后的維護情況。在寒冷地區，由于氣溫較低，可以適當延長養護時間。

水泥的水化依賴于水及溫度，在低溫情況下水化熱反應速度慢，但溫度<4℃時水的體積膨大，當低于0℃時，混凝土體積膨脹且水泥顆粒結構破壞，且由于溫度降低，復合物減少，導致混凝土抗滲性下降；溫度升高后雖然復合物還能增長，但是整體的強度會下降，且低溫時間越長，造成的損失越嚴重。因此在氣溫<5℃時，需要采取有效的防護措施，避免混凝土的凍結。混凝土溫度<0.3℃時，水化反應基本消失，當溫度<10℃時，水化反應完全停止。因此需要做好保溫措施，加速混泥土的凝固，確保其在寒潮到來之前達到臨界強度，或者是在寒冷天氣時減少其結構破壞。

目前主要是采取隔熱養護或者是蓄熱養護措施。隔熱養護主要是使用隔熱材料來確保混凝土的溫度，促進其水化反應的生成，直到達到臨界強度，這種保溫方式適用于最低溫度在-3℃以上的地區，若溫度更低，則需要使用高性能的隔熱材料。隔熱材料可以降低水泥的水化熱損失，但是大面積混凝土澆筑由于表面較大，溫度下降速度快，容易產生裂縫。因此在溫度養護過程中，需要注意溫度的養護，若最低溫度<-15℃，需要使用防凍劑。蓄熱養護主要是利用水化熱將熱能儲存起來，從而維持穩定的環境，促使水化反應的持續進行。其在實際施工中主要是將骨料和水加熱處理，從而彌補硬化過程中的熱量丟失，加熱水是一種比較簡單的方法，因此首選該方法，但要注意水加熱溫度不能超過90℃；若水加熱無法滿足實際需求時，需要考慮砂石材料的加熱，一般砂石材料加熱溫度不會超過75℃。水加熱可以在水箱內使用電極加熱的方法，操作簡單、經濟實惠；而砂石加熱則使用管道加熱、大鍋加熱等方法。采用蓄熱養護方法中，混凝土構件散熱情況需要根據混泥土的溫度以及澆筑速度來確定。對于混凝土抗滲、抗凍要求較高的水利工程，尤其是后期浸水使用之后，為了盡可能提高混凝土的抗滲強度，需要提高其初始強度，減少由于熱脹冷縮引起的形變，因此最好使用高活性的快硬水泥；或者使用低水灰比的混凝土，此外還可以使用配筋混凝土，來有效抑制混凝土的膨脹變形問題。

3.3 加強混凝土施工質量管理

混凝土施工質量管理對于確保水利工程建設質量具有重要的現實意義，因此需要確定施工工序明確分工，并將責任落實到個人身上，充分發揮主觀能動性，加強溝通，確保混凝土施工的平穩開展，最終確保工程施工質量。在混凝土施工之前，需要做好前期準備措施，確定施工方案、進度，并且要做好技術交底，在確保施工質量的前提下，縮短工期，降低成本，同時要確定混凝土的施工工藝。混凝土施工過程中，施工隊伍的技術水平、施工設備的性能、原材料以及構建質量會影響其施工質量，因此需要加強施工現場的技術管理，確保各環節處于可控狀態。結合工程特點，需要建立完善的質量控制體系，對施工現場的各環節進行控制，確定每個工序容易出現問題的地方，并采取有效的改進措施，將責任落實到個人身上，加強質量控制。

例如對材料、施工工藝、施工設備以及施工人員等進行分析，尋找各種影響因素，加強監督與管理，避免混凝土質量問題的發生。加強工程質量管理，從傳統的事后管理變為事前管理，加強各環節的質量檢驗，確保混凝土施工的有序開展；若發現某一地方出現問題，需要及時返工，消除問題之后繼續施工。根據水利工程的特點、復雜性與質量標準，對于重要部位的質量因素進行控制，例如材料、器械、工序、現場環境等，加強管理與控制，有效剔除各種影響因素。管理者需要做好混凝土材料以及施工設備的驗收工作，驗收合格之后才可收入倉庫，同時還要做好材料與設備的儲存管理工作，避免材料由于保存不當而變質。

在混凝土施工過程中，需要加強現場管理，各級負責人需要做好檢驗工作，對于違規操作以及不符合技術標準的施工行為，需要及時糾正；做好工程交接檢查，確保工程施工質量，在每一道工序完成之后，做好檢驗工作，在確保檢驗質量合格之后才可進行下一道工序的施工，若上一道工序檢驗不合格，需要及時返工。對澆筑完成的混凝土需要做好巡查工作，對于保護、覆蓋等措施進行檢查，避免對成品的破壞。在整體施工結束之后，還需要做好竣工驗收工作，一般是由項目管理組進行驗收，對施工計劃書、施工圖紙、審核記錄、技術核定單、施工規范與標準等內容進行檢驗，并在監理工程師驗收之后，對發現的質量問題進行及時的返修，在確保質量合格之后才可正式驗收。

4 結 語

混凝土裂縫的初夏不僅會影響其抗滲能力，還會影響其使用功能，導致鋼筋銹蝕、混凝土碳化，導致混凝土結構的耐久性降低，影響水利工程的使用壽命。因此需要進一步研究混凝土裂縫出現的相關因素，并針對其裂縫發生原因，采取有效的管理措施，降低混凝土裂縫的發生率，保護水利工程的使用性能，從而確保水利工程能夠平穩運行。