楊玉光，魏鳴冬

(遼寧省觀音閣水庫管理局，遼寧117100)

1 基本概念

1.1 混凝土

混凝土是由水泥、摻合料、外加劑與水按一定比例配制而成的膠結(jié)漿體將分散的砂、石子經(jīng)攪拌而黏結(jié)在一起的氣硬性膠凝材料。其最顯著的特點(diǎn)是具有較高的抗壓強(qiáng)度和極限壓縮變形值，而抗拉強(qiáng)度和極限拉伸值卻相當(dāng)?shù)停估瓘?qiáng)度只有抗壓強(qiáng)度的1/8～1/20，28 d齡期的C20混凝土極限拉伸值≤1.0×10-4(大壩混凝土干縮變形一般在3.0×10-4左右)?；炷翉?qiáng)度等級越高，其比值越小，抵抗變形的能力越差，越容易開裂產(chǎn)生裂縫。

1.2 混凝土重力壩

混凝土重力壩是以混凝土作為主要材料修筑的大體積擋水建筑物。其在水壓力及其他荷載作用下，依靠壩體自重滿足穩(wěn)定和強(qiáng)度要求。

1.3 混凝土裂縫的定義及分類

1.3.1 定義

混凝土裂縫是指混凝土在溫度和濕度變化的條件下，硬化并產(chǎn)生體積變形，由于各種材料變形不一致，互相約束而產(chǎn)生初始應(yīng)力，造成在骨料與水泥石黏結(jié)面或水泥石本身之間出現(xiàn)肉眼看不見的微觀裂縫。

在荷載作用下或進(jìn)一步產(chǎn)生溫差、干縮的情況下，微觀裂縫開始發(fā)展，并逐漸互相串通，從而出現(xiàn)較大的、連貫的、肉眼可以看見的宏觀裂縫。

裂縫是大體積混凝土建筑物普遍存在的現(xiàn)象，尤其是高混凝土用量的重力壩。所謂大體積混凝土［1］，美國混凝土協(xié)會給出的定義是:體積大、表面系數(shù)比較小、水泥水化熱釋放比較集中、內(nèi)部溫升比較快，混凝土內(nèi)外溫差比較大時，會產(chǎn)生溫度裂縫，影響結(jié)構(gòu)安全和正常使用［2］。

水工混凝土多半是大體積素混凝土和少筋混凝土，所以要想避免結(jié)構(gòu)產(chǎn)生裂縫，需要在設(shè)計、施工等方面采取積極、可靠地技術(shù)措施，不是輕而易舉能夠做到的。

1.3.2 裂縫分類

大壩裂縫按產(chǎn)生原因分類，可分為荷載裂縫和變形裂縫。荷載裂縫是指因動、靜荷載的直接作用引起的裂縫，如結(jié)構(gòu)超載。變形裂縫是指因不均勻沉降、溫度變化、濕度變異、膨脹、收縮、徐變等變形因素引起的裂縫，包括溫度裂縫、干縮裂縫、超載裂縫、堿—骨料反應(yīng)裂縫、地基不均勻沉陷裂縫等［3］。

水電工程一般將裂縫分為貫穿裂縫、深層裂縫及表面裂縫3種，示意如圖1。

圖1 混凝土壩溫度裂縫分類示意圖

1.3.2.1 表面裂縫

混凝土硬化過程中，水泥水化產(chǎn)生大量的水化熱，當(dāng)水泥用量在350～550 kg/m3，混凝土將釋放出17 500～27 500 kJ/m3的熱量，從而使混凝土內(nèi)部溫度升達(dá)70℃左右，甚至更高。

由于混凝土的體積較大，大量的水化熱聚積在混凝土內(nèi)部不易散發(fā)，導(dǎo)致內(nèi)部溫度急劇上升，而混凝土表面散熱較快，這樣就形成內(nèi)外的較大溫差。較大的溫差造成內(nèi)部與外部熱脹冷縮的程度不同，使混凝土表面產(chǎn)生一定的拉應(yīng)力。當(dāng)拉應(yīng)力超過混凝土的抗拉強(qiáng)度極限時，混凝土表面就會產(chǎn)生裂縫。

1.3.2.2 深層裂縫

深層裂縫的表面縫寬0.2～0.4 mm，深1～5 m，2 m＜長度＜1/3壩塊寬度或貫穿2～3個澆筑層(層厚＜3 m)。此類縫多由表面縫逐漸擴(kuò)展而成。

1.3.2.3 貫穿裂縫

貫穿縫指貫穿全倉的水平、鉛直縫或壩塊縫深大于兩個澆注塊，或側(cè)面縫長＞8～10 m或1/3壩塊寬度的裂縫。

其中以基礎(chǔ)混凝土貫穿縫最為嚴(yán)重，它破壞大壩的整體性，如不處理將改變大壩運(yùn)用期的應(yīng)力狀況。

2 混凝土重力壩產(chǎn)生裂縫原因

混凝土攪拌后是一種不定型的可塑性材料，其中水泥是混凝土增強(qiáng)的主要膠結(jié)材料。水泥的化學(xué)收縮與水泥的組分、標(biāo)號、細(xì)度、用量及施工工藝有關(guān)。一般來說，水泥的強(qiáng)度越高、細(xì)度愈大、用量愈多，混凝土的收縮率也就隨之增加?；炷猎诮?jīng)過收縮階段后，總的收縮率應(yīng)控制在0.05%左右?；炷潦湛s是其固有的物理特性，也是混凝土出現(xiàn)裂縫的根本原因之一［4］。

2.1 荷載作用引起的裂縫［5］

在荷載作用下，因結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度或穩(wěn)定性不夠而出現(xiàn)的裂縫稱為荷載裂縫。這類裂縫主要是由于混凝土早期抗拉強(qiáng)度和彈性模量低，在自重、水壓、揚(yáng)壓力、泥沙壓力、地震壓力、動水壓力、冰壓力等外部荷載的綜合作用下，由于截面的混凝土拉應(yīng)變超過了混凝土極限拉伸值，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)變形，在抗拉能力最薄弱處產(chǎn)生裂縫。

2.2 變形引起的裂縫［6］

2.2.1 溫度裂縫

水泥在水化過程中要釋放出一定的熱量，而大體積混凝土結(jié)構(gòu)斷面較厚、表面系數(shù)相對較小的特性決定了水化產(chǎn)生的熱量聚集在結(jié)構(gòu)內(nèi)部不易散失?；炷羶?nèi)部的水化熱無法及時散發(fā)出去，越積越高，使內(nèi)外溫差增大，形成了溫度應(yīng)力。

關(guān)于“溫度應(yīng)力”，同濟(jì)大學(xué)結(jié)構(gòu)工程與防災(zāi)研究所李遇春教授這樣認(rèn)為:“當(dāng)彈性體(即混凝土結(jié)構(gòu))的溫度改變時，它的每一部分都將由于溫度的升高或降低而趨于膨脹或收縮。但是，由于彈性體受到外在約束以及彈性體自身各個部分之間的相互約束，使彈性體的膨脹或收縮不能自由地發(fā)生，于是就產(chǎn)生了應(yīng)力。這種由于溫度改變所產(chǎn)生的應(yīng)力稱之為溫度應(yīng)力”。溫度應(yīng)力大小與溫差有關(guān)，直接影響到混凝土的開裂及裂縫的寬度。隨著溫度的變化混凝土結(jié)構(gòu)產(chǎn)生變形，當(dāng)變形受到約束時，便產(chǎn)生了裂縫，約束的程度越大，裂縫就越寬。溫度應(yīng)力及裂縫見圖2和圖3。

圖2 基礎(chǔ)溫差應(yīng)力及裂縫示意圖

圖3 混凝土澆筑塊自身約束的溫度應(yīng)力

2.2.2 塑性收縮裂縫

塑性裂縫多在新澆筑的混凝土構(gòu)件暴露于空氣中的上表面出現(xiàn)，譬如重力壩施工時的中間澆筑層面。受高溫或較大風(fēng)力的影響，新澆混凝土表面水分蒸發(fā)速度大于混凝土內(nèi)部從上而下的泌水速度，表面失水過快，造成毛細(xì)管中產(chǎn)生較大的負(fù)壓而使混凝土體積急劇收縮，而混凝土內(nèi)部因濕度變化較小，變形也較小，較大的表面干縮變形受到混凝土內(nèi)部約束，便產(chǎn)生了較大的拉應(yīng)力，而此時混凝土的強(qiáng)度無法抵抗其本身收縮，因此形成表面裂縫。

2.2.3 干燥收縮裂縫

濕脹干縮是水泥混凝土的固有特性，混凝土中約20%的水分是水泥硬化所必須的，而約80%的水分要蒸發(fā)。混凝土中一部分水存在于孔隙中，一部分水存在于水泥水化產(chǎn)物 CSH凝膠體中?；炷劣不?，內(nèi)部游離水會由表及里逐漸蒸發(fā)，首先較大孔徑的毛細(xì)孔隙中的水蒸發(fā)失去，較小孔徑毛細(xì)孔隙和凝膠體內(nèi)吸附水以及膠體層間孔隙水相繼減少，固化的水泥漿體體積因失水而變化，引起明顯的收縮，導(dǎo)致混凝土產(chǎn)生干燥收縮裂縫。

3 結(jié)語

混凝土重力壩產(chǎn)生裂縫的因素多種多樣，仁者見仁智者見智。成因分析只是一種過程，目的是據(jù)此采取可靠的手段最大限度地避免和減少混凝土裂縫的產(chǎn)生。

數(shù)據(jù)顯示:為了防止裂縫而增加的投資，約為造價的3%左右，為處理裂縫所花的費(fèi)用約為5%～10%，而且修補(bǔ)裂縫的施工方法和工藝措施很復(fù)雜。除此之外，為修補(bǔ)裂縫可能推遲投入運(yùn)行時間，往往造成更大的損失。因此控制裂縫應(yīng)該堅(jiān)持“防裂于未然”為主，處理為輔的原則，采取主動控制，避免事后修補(bǔ)加固。

［1］李躍.大體積混凝土的溫控和防裂技術(shù)研究［D］.武漢:武漢理工大學(xué)，2004.

［2］曹可之.大體積混凝土結(jié)構(gòu)裂縫控制的綜合措施［J］.建筑結(jié)構(gòu)，2002，32(08):30-32.

［3］王懷智，馬震岳，王剛.混凝土重力壩壩體裂縫摩擦系數(shù)影響研究［J］.大壩與安全，2010(03):10-13.

［4］鞠麗艷.混凝土裂縫抑制措施的研究進(jìn)展［J］.混凝土，2002(05):11-14.

［5］門忠.水利工程建設(shè)中混凝土裂縫的有效防治措施［J］.黑龍江水利科技，2011，39(2):81-82.

［6］陳顯.大體積混凝土裂縫成因分析及其防治措施簡介［G］//福建省第十一屆水利水電青年學(xué)術(shù)交流會論文集.福州:福建省水利學(xué)會，2007:99-102.