水利工程中混凝土裂縫產生的原因及修復分析

◇珠江水利委員會珠江水利科學研究院 林家宇 劉廣華 薛 琦 李海峰

在水利工程建設中，混凝土結構是最基礎的一項，對于混凝土的各性能評價也是水利工程中重要的任務之一。其中，由于溫度變化、水分變化、結構變形等各種因素影響下，混凝土極易產生裂縫，混凝土裂縫直接關系到水利工程的結構穩定性以及功能可靠性。因此，本文圍繞混凝土裂縫產生的原因進行探討并對修復裂縫方案作研究分析。

1 引言

在現代社會發展緊張的進程中，水利工程作為基礎設施關鍵的一項，對于水資源的合理利用、洪水防治、灌溉供水等具有至關重要的作用。混凝土結構作為水利工程中的基本構件，承擔著支撐、保護和引導水流等的重要任務。然而，隨著時間的推移和環境的影響，混凝土結構可能出現各種問題，其中裂縫是一項普遍且嚴重的挑戰。混凝土裂縫裂縫可能導致水滲透，加速結構損壞同時也可能威脅到工程的運行安全，對生態環境產生負面影響，甚至影響到社會經濟的可持續發展。

2 混凝土裂縫的分類及影響

2.1 溫度裂縫

溫度裂縫是在混凝土結構中由于溫度變化引起的裂縫。混凝土具有熱脹冷縮性質，當其內外溫差產生變形和溫度應力，一旦溫度應力超過混凝土能承受的極限抗拉強度時，就會產生溫度裂縫[1]。溫度裂縫通常呈斜向狀或直線狀，分布于混凝土的表面或內部。這種裂縫通常不會直接威脅結構的穩定性，但會影響外觀美觀以及水滲透問題。

2.2 收縮裂縫

在混凝土初步澆筑時，由于水分含量較高，隨著時間的推移，水分逐漸蒸發或被吸收，進而導致混凝土體積收縮。這種體積收縮會產生內部應力，最終導致表面或內部形成裂縫。收縮裂縫通常是細小的、呈蜘蛛網狀的裂紋，分布在混凝土表面。

2.3 荷載引起的裂縫

荷載引起的裂縫是由外部荷載施加在混凝土結構上時產生的。這些荷載可能是永久性荷載（例如建筑本身的重量）或臨時荷載（例如水壓力、風荷載等）。荷載引起的裂縫可以在結構的受力部位（如梁、柱）或連接部位（如接縫、焊接點）形成。這些裂縫的特點取決于荷載的大小、施加位置和結構的幾何形狀。

2.4 其他裂縫類型

荷載引起的裂縫是由外部荷載施加在混凝土結構上時產生的。這些荷載可能是永久性荷載（例如建筑本身的重量）或臨時荷載（例如水壓力、風荷載等）。荷載引起的裂縫可以在結構的受力部位（如梁、柱）或連接部位（如接縫、焊接點）形成。這些裂縫的特點取決于荷載的大小、施加位置和結構的幾何形狀。

2.5 裂縫的影響

不同類型的裂縫會對水利工程產生不同的影響。溫度裂縫可能影響外觀和水滲透，收縮裂縫可能引起結構的強度和穩定性問題，荷載引起的裂縫可能影響結構的承載能力和安全性。裂縫的形態、分布和影響取決于裂縫的類型和具體情況。

3 混凝土裂縫產生的主要原因

3.1 溫度變化引起的裂縫

溫度變化是混凝土裂縫產生的常見原因之一。混凝土是一種熱脹冷縮的材料，當溫度升高時，混凝土會膨脹，而在溫度下降時，會收縮。這是由于混凝土中的水分分子在熱脹冷縮過程中發生體積變化。由于混凝土的尺寸受到限制，溫度引起的膨脹和收縮會導致內部應力的積累，最終導致裂縫的形成。溫度裂縫產生的條件和情況取決于溫度變化的幅度和速率。大幅度的溫度變化，尤其是在混凝土表面和內部之間的溫度差異較大時，容易引發裂縫。高溫下的快速蒸發也可能導致混凝土表面的收縮裂縫。

3.2 水分變化引起的裂縫

混凝土水化過程中要產生一定的體積變形，多數是收縮變形，收縮變形的主要原因是摻入的拌合水20%參與水化，約80%要逐漸蒸發，從而引發毛細管應力，該應力是導致干縮裂縫的主要原因[2]。在濕潤干燥循環中，混凝土在不斷吸濕和干燥的情況下，會不斷發生收縮和膨脹，這種循環性的變化會導致裂縫的逐漸產生和擴展。

3.3 結構變形引起的裂縫

混凝土結構變形也可能導致裂縫的產生。結構變形可以是由荷載施加、地基沉降以及結構自身的變形引起的，當荷載施加在混凝土結構上時，如果結構不足以承受這些荷載，內部應力就會增加，可能導致裂縫的形成。地基沉降是另一個可能導致混凝土結構裂縫的因素。如果地基沉降不均勻，會使結構產生不均勻的變形，從而引發裂縫。

3.4 材料問題引起的裂縫

使用不合格的材料或者施工質量不良也可能導致混凝土裂縫的產生，不合格的材料可能具有較高的水分含量、不良的化學性質或者含有過多的雜質，這些都會影響混凝土的性能，從而增加裂縫產生的風險。施工質量不良，如混凝土澆筑過程中的不均勻振搗、未能適當地控制水泥漿比例等，也可能導致混凝土內部存在微觀缺陷，最終導致裂縫的形成。

3.5 化學反應引起的裂縫

混凝土中的化學反應也可能導致裂縫的產生。例如，堿-骨料反應是一種可能引發裂縫的化學反應，這種反應涉及混凝土中的堿性成分與某些骨料中的硅酸鹽礦物質發生反應，導致內部應力的積累，最終導致裂縫的形成。

4 修復混凝土裂縫的方法與策略

修復混凝土裂縫的方法與策略涵蓋了預防性措施、結構增強與加固、補修材料應用以及實際案例分析。以下是對每個方面的詳細介紹。

4.1 預防性措施

在設計和施工階段采取預防措施可以降低混凝土裂縫的產生概率。一些常見的預防措施包括控制縫的設置及養護措施。

（1）控制縫的設置：在混凝土結構中設置控制縫，以減輕內部應力的積累。這些控制縫可以通過在適當的位置引導裂縫的產生，從而避免裂縫的無序擴展。

（2）養護措施：在混凝土澆筑工序完成后，及時采取適當的養護措施，如覆蓋濕布、噴水或使用養護劑，可以幫助控制混凝土的干燥速率，減少早期裂縫的產生。

4.2 預防性措施

通過結構增強和加固可以減少因結構變形引起的裂縫。這可以通過以下方式實現。

（1）加固材料：使用鋼筋、鋼板、碳纖維等加固材料來增加混凝土結構的強度和剛度，從而減少變形和應力的積累。

（2）增加梁柱等承載構件的截面尺寸：增加梁柱等承載構件的截面尺寸可以提高其承載能力，減少裂縫的產生。

4.3 補修材料應用

使用補修材料可以填充和修復已有的混凝土裂縫，防止其進一步擴展和加劇。一些常用的補修材料如下所示。

（1）聚合物修復材料：聚合物修復材料可以填充裂縫，并與混凝土結構產生粘結，提高強度和耐久性。

（2）環氧樹脂：環氧樹脂具有很強的粘結性能，可以用于填充較寬的裂縫，還可以加固混凝土結構的受損部分。

5 案例分析

一座水庫大壩的進水口混凝土擋墻的表面出現了多條裂縫，裂縫檢測情況如表1所示。

表1 裂縫檢測記錄

經過30d內的頻繁觀測下，作為本次檢測對象的三條裂縫三項指標均保持一致，并沒有加劇的跡象。初步判斷該結構裂縫可能影響穩定性和水密性，因此對其作出以下針對性方案。

（1）預防性措施：在修復之前，對該水庫大壩進行了結構評估，確定了裂縫的產生原因。為了預防進一步裂縫的產生，制定了水壩的溫度變化和水分控制計劃。

（2）結構增強與加固：對水庫大壩進水口混凝土擋墻裂縫產生的位置進行了加固，使用了鋼筋和碳纖維增強材料，增加了受損區域的承載能力。

（3）補修材料應用：對裂縫進行了填充和修復，使用了環氧樹脂作為填充材料，以確保裂縫不再擴展。

（4）效果評估：經過修復后，對水庫水壩的進水口混凝土擋墻進行了穩定性和水密性測試，發現修復效果良好，恢復了正常的運行狀態。

通過本次案例，可以看出綜合運用預防性措施、結構增強與加固以及補修材料應用，可以有效修復混凝土裂縫，提升結構的耐久性和穩定性。

6 結束語

本文系統性地討論了混凝土裂縫產生的主要原因，涵蓋了溫度變化、水分變化、結構變形、材料問題和化學反應等多個方面。通過深入分析這些原因的機制，我們可以更好地理解混凝土裂縫的形成過程，同時也探討了預防和修復混凝土裂縫的方法與策略，包括預防性措施、結構增強與加固、補修材料應用等。這些方法的綜合運用可以有效降低混凝土裂縫的產生風險，并提升結構的穩定性和耐久性。

裂縫不僅影響結構的穩定性和持久性，還可能導致水密性等問題，進而影響水利工程的正常運行。通過合理的預防措施和及時的修復方法，可以延長結構的使用壽命，確保水利工程的可靠性和持久性。