周述禮，趙 青，郭建強(qiáng)

(貴州大學(xué)土木工程學(xué)院，貴州 貴陽 550025)

混凝土是一種復(fù)雜非均質(zhì)多相的復(fù)合材料，開裂是其普遍存在的病害之一，可能由原材料、入模溫度、約束條件、養(yǎng)護(hù)措施等多種因素綜合造成[1]?；炷亮芽p會影響水利建筑物的強(qiáng)度、穩(wěn)定性和耐久性。此外，開裂產(chǎn)生的裂縫或微裂縫增加了混凝土的滲透性，使有害物質(zhì)侵入結(jié)構(gòu)中，造成鋼筋銹蝕和弱化水泥基質(zhì)[2- 5]，影響混凝土結(jié)構(gòu)的承載力且降低工程質(zhì)量。如何控制混凝土裂縫問題是工程施工質(zhì)量管理的重點(diǎn)。

基于已有的研究結(jié)果，本文對混凝土裂縫進(jìn)行分類并分析其成因，總結(jié)出裂縫控制技術(shù)及相關(guān)措施。根據(jù)混凝土裂縫自愈合的影響規(guī)律和自愈合條件，提出將混凝土自愈合性能用于防控混凝土裂縫。希望能為水工混凝土裂縫的控制提供理論依據(jù)，促進(jìn)我國水利工程的發(fā)展。

1 混凝土裂縫類型

1.1 收縮裂縫與塑性收縮裂縫

混凝土收縮有干縮與凝縮，前者是多余水分蒸發(fā)，后者是體積縮小，干縮占比約85%，另外還有碳化收縮和自生收縮?；炷劣不瘯r，干燥過程是由外到內(nèi)的，將會產(chǎn)生表面收縮大、內(nèi)部收縮小的不均勻收縮。當(dāng)表面收縮受到約束時產(chǎn)生的拉應(yīng)力超過其抗拉強(qiáng)度時，便會產(chǎn)生收縮裂縫。當(dāng)施工環(huán)境較干燥時，表面水分蒸發(fā)快，導(dǎo)致變形加快，一般會出現(xiàn)中間較寬，兩端細(xì)長的塑性裂縫[6- 8]。

1.2 沉陷裂縫

施工時，混凝土結(jié)構(gòu)自身分布不均勻會造成不均勻沉降，產(chǎn)生沉陷裂縫；不正確的模板工程設(shè)計和地質(zhì)變化導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)的荷載出現(xiàn)變化，都會增加沉陷裂縫的發(fā)生。沉陷裂縫發(fā)生的寬度不夠均勻，會受到一定沉降差異的影響，一般表現(xiàn)為穿透裂縫[6- 7]。

1.3 溫度裂縫

混凝土固結(jié)時間較長、施工量較大的工程在硬化期間，若施工速度較快，水化熱不能快速消散，導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)表面溫度比內(nèi)部溫度低。結(jié)構(gòu)間的溫差變大將發(fā)生變形，當(dāng)變形受到約束時產(chǎn)生的拉應(yīng)力大于抗拉強(qiáng)度時溫度裂縫就會產(chǎn)生。溫度裂縫會隨溫度的改變而擴(kuò)張或合攏，且可分為截面上下溫差裂縫、截面內(nèi)外溫差裂縫和截面均勻溫差裂縫[1，6]。

1.4 其他分類

依據(jù)裂縫問題形成原因、有害程度、出現(xiàn)時間、裂縫深度和形狀進(jìn)行混凝土裂縫的分類，具體見表1。

2 產(chǎn)生裂縫的原因

2.1 塑性收縮和塑性坍塌

混凝土在固化期間易受外界因素干擾，在終凝前若處在不穩(wěn)定的環(huán)境中，水分持續(xù)蒸發(fā)，體積不斷收縮、變形，預(yù)期要求難以滿足，最終導(dǎo)致混凝土發(fā)生塑性收縮而出現(xiàn)塑性收縮裂縫[8]。而在高配筋率的構(gòu)件中，混凝土收縮被鋼筋所限制出現(xiàn)拉應(yīng)力時，構(gòu)件內(nèi)很可能就會引發(fā)混凝土收縮裂縫?；炷猎谑艿揭欢ǖ囊蛩刈饔?，自身狀態(tài)產(chǎn)生變化時，會出現(xiàn)塑性坍塌問題，亦會引發(fā)混凝士裂縫[11]。

表1 混凝土裂縫分類表

2.2 溫度和溫度應(yīng)力

溫度應(yīng)力問題主要是溫差引起的，溫差越大，相應(yīng)的溫度應(yīng)力也越大。混凝土散熱難度大，其內(nèi)部溫度可高達(dá)80℃，且延續(xù)時間較長?；炷劣不^程中，混凝土內(nèi)部熱量的主要來源水泥水化熱積聚在混凝土內(nèi)部，導(dǎo)致內(nèi)部溫度升高、出現(xiàn)溫度階梯，出現(xiàn)內(nèi)脹外縮的現(xiàn)象，從而使混凝土表面與內(nèi)部的拉應(yīng)力出現(xiàn)較大的差距，當(dāng)拉應(yīng)力超過混凝土的抗拉強(qiáng)度時，溫度裂縫就會生成。施工時溫度控制和約束條件控制不當(dāng)，出現(xiàn)溫度控制失衡情況，也會引發(fā)溫度裂縫?；炷灵_裂問題還受到外部氣溫變化的影響，外界溫度下降越快，混凝土內(nèi)、外層的溫差就會逐漸提升，若溫度過低，還會引發(fā)混凝土內(nèi)部結(jié)冰而產(chǎn)生裂縫[9- 12]。

2.3 原料質(zhì)量問題和化學(xué)反應(yīng)

混凝土拌制材料的質(zhì)量直接影響著混凝土的質(zhì)量，因此要嚴(yán)格的控制混凝土中水泥、砂石、摻合料和外加劑等材料的質(zhì)量，保證達(dá)到施工標(biāo)準(zhǔn)。此外，要注意水泥的儲存時間和儲存環(huán)境，水泥長時間的儲存將會影響自身的質(zhì)量，可能降低混凝土的強(qiáng)度?；瘜W(xué)反應(yīng)是混凝土裂縫產(chǎn)生的原因之一，主要是堿骨料反應(yīng)產(chǎn)生硅酸凝膠，該材料在溫度升高時逐漸膨脹，隨后溫度下降，由于材料熱脹冷縮產(chǎn)生裂縫[6、13]。

2.4 混凝土攪拌和溫度控制問題

在混凝土的制拌過程中水泥釋放的熱量，可能會導(dǎo)致混凝土內(nèi)外部過大的溫差或內(nèi)部水分蒸發(fā)，由此產(chǎn)生混凝土裂縫?；炷翑嚢璨痪鶆蚧驍嚢璧臏囟任催_(dá)到施工標(biāo)準(zhǔn)時，將會影響其澆筑、出現(xiàn)質(zhì)量問題以及增加混凝土出現(xiàn)裂縫的幾率?；炷翝仓俣冗^快會產(chǎn)生較大的熱量，攪拌時間過長發(fā)生離析，兩者均易出現(xiàn)裂縫[6]。

3 混凝土裂縫控制措施

3.1 完善施工設(shè)計及支?？刂拼胧?/h3>

從施工設(shè)計角度出發(fā)，先通過數(shù)值模擬分析，明確施工時可能出現(xiàn)的裂縫情況，做好裂縫預(yù)防工作，完善施工設(shè)計，形成系統(tǒng)的施工操作流程并嚴(yán)格遵循。另外，優(yōu)化混凝土配筋，定制配筋加固措施，從而減少或防止裂縫的出現(xiàn)。支撐模具是混凝土澆筑的第一項(xiàng)內(nèi)容，嚴(yán)格控制混凝土模板質(zhì)量，選用具有良好散熱效果的模板，可增加混凝土自身穩(wěn)定性及散熱[6，14]。

3.2 集料控制措施

控制混凝土澆筑質(zhì)量，必須要提高集料的質(zhì)量，挑選的材料均要滿足水利工程設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)以及相關(guān)規(guī)范，采購時保證水泥型號、骨料級配與粒徑，外加劑的種類均符合施工要求[15]。制拌過程中要保證制拌比例符合各項(xiàng)要求，降低或防止混凝土裂縫產(chǎn)生。集料挑選原則：優(yōu)先選用低水化熱、強(qiáng)度和水膠比適中的膠凝材料，并摻加適量的礦物摻合料來降低水泥用量；添加高性能的減水劑，改善混凝土和易性；摻合料選擇各項(xiàng)性能均衡的粉煤灰；骨料選擇顆粒形狀佳、粒徑較大的，并且對其進(jìn)行沖洗，控制細(xì)骨料和粗骨料的含砂量；降低混凝土的塌落度[16- 17]。

3.3 優(yōu)化設(shè)計混凝土配合比

優(yōu)化混凝土配置比例，降低水化熱和混凝土內(nèi)外溫差。在配合比設(shè)計中，可在施工前用施工材料進(jìn)行混凝土的強(qiáng)度、塌落度等參數(shù)的多次檢測試驗(yàn)，得到性能最為優(yōu)異的配合比；其次在骨料中加入適量粉煤灰與合適的減水劑；控制好水與粘合劑的比例；適當(dāng)降低水灰比，保證水灰比不超過 0.6。施工材料中的粗骨料為二級，最大粒徑控制在150mm以下，砂的細(xì)度模數(shù)大于2.4，泥漿含量小于1%[6，8，11，18]。

3.4 把控混凝土制拌、運(yùn)輸過程中的質(zhì)量

混凝土制拌時，充分?jǐn)嚢杌炷?，使混凝土、水和添加劑等充分融合。結(jié)合實(shí)際的工作要求合理控制混凝土攪拌和沉淀的時間，澆筑混凝土?xí)r必須連續(xù)，做好規(guī)劃，原材料準(zhǔn)備充足，避免因原材料供應(yīng)不足而出現(xiàn)澆筑中斷的情況。澆筑時還需注意：①控制混凝土的澆筑速度；②準(zhǔn)確掌握混凝土攪拌的時間；③分析施工環(huán)境，外界溫度過高或過低均不利于裂縫的控制[6]。④應(yīng)盡量選擇現(xiàn)場攪拌與澆筑的形式，若需要運(yùn)輸?shù)绞┕がF(xiàn)場，則要科學(xué)地規(guī)定混凝土運(yùn)料的時間和地點(diǎn)，把控好混凝土運(yùn)輸過程中的質(zhì)量[18]。

3.5 溫度及溫度應(yīng)力控制措施

混凝土裂縫產(chǎn)生的重點(diǎn)是溫度，因此需要全面做好溫度的把控。關(guān)注氣溫變化，加強(qiáng)溫度測量和溫度監(jiān)測管理，實(shí)行信息化控制。外界環(huán)境溫度較高時，對材料采取遮陽和密封等措施，混凝土拌合前用冷水沖刷碎石來降低攪拌產(chǎn)生的熱量，低溫條件下采取相應(yīng)的保溫措施。為了降低混凝土的內(nèi)外溫度差和溫度應(yīng)力，可以采用通風(fēng)、二次風(fēng)冷、水管水冷技術(shù)等工藝來降低混凝土溫度，或者在施工中用瀝青形成滑動層，改善其約束條件，釋放溫度應(yīng)力。澆筑時間盡量選擇7-10時或15-18時[6,8,12,16,18- 20]。

3.6 施工工藝控制及混凝土養(yǎng)護(hù)處理

在施工過程中，采用分層或分級澆筑的方法按照規(guī)定的澆筑厚度、方向及順序進(jìn)行澆筑，下層混凝土初凝后及時澆筑上層混凝土，氣溫較低時適當(dāng)降低澆筑速度。強(qiáng)化振搗工作，入模后及時振搗混凝土，避免出現(xiàn)離析和局部空隙，振搗時快插慢拔。每次振搗的深度是接觸面的10～20cm，插入到下層 5～10 cm。振搗完畢后刮平最后一層混凝土并開展清潔工作[9，12，16，21]。

強(qiáng)化混凝土的養(yǎng)護(hù)要結(jié)合具體情況、合理運(yùn)用養(yǎng)護(hù)方法、掌握養(yǎng)護(hù)時間、精準(zhǔn)控制水量，養(yǎng)護(hù)時需要考慮濕度和溫度兩個方面。澆筑后一般進(jìn)行七至十天的養(yǎng)護(hù)工作，確保水分充足來供應(yīng)水泥水化。如為了保持混凝土表面濕潤，在其表面覆蓋土工布或者塑料薄膜，高溫地區(qū)定期進(jìn)行人工澆水處理；在氣溫較低時可選擇草墊子或者棉被覆蓋混凝土；當(dāng)外界溫度過低時，還應(yīng)增設(shè)加熱設(shè)備或者采用蒸汽養(yǎng)護(hù)來控制混凝土內(nèi)外溫差在 25 ℃左右[9，18]。

3.7 做好裂縫修補(bǔ)工作

在施工作業(yè)中對已出現(xiàn)的裂縫及時分析并采取處理措施。目前，常用的修補(bǔ)方法見表2。

3.8 混凝土自愈合性能防控裂縫

在混凝土裂縫的防控措施中，充分利用混凝土自愈合的性能，創(chuàng)造自愈合條件，便可促進(jìn)自愈合的發(fā)生，從而對損傷處進(jìn)行修復(fù)，一定程度上恢復(fù)并改善混凝土的性能，預(yù)防混凝土開裂[22- 25]。國內(nèi)外大體采用了無損法和破損法研究混凝土試件開裂[24- 29]，總結(jié)了混凝土裂縫自愈合的條件和影響因素[2,22-27,29,30- 35]。

李志強(qiáng)[23]進(jìn)行了自愈合能力對比試驗(yàn)。得出當(dāng)水泥顆粒比表面積小于 240m2/kg或大于 300m2/kg 時，混凝土自愈合能力均呈現(xiàn)下降趨勢，所以水泥細(xì)度應(yīng)適當(dāng)。柴鵬[24]采用多維灰模型表明適當(dāng)?shù)乃冶饶苊黠@改善裂縫的自愈合性能。摻加了粉煤灰的混凝土后期自愈合較為明顯[24,33]，摻加纖維一定程度上限制了裂縫的擴(kuò)展，而且細(xì)化了裂縫[30- 35]。摻加主動愈合材料能提高結(jié)構(gòu)自愈合的程度。劉素瑞[25]研究發(fā)現(xiàn)，相比于水環(huán)境，氫氧化鈉溶液中混凝土自愈合效果更好。開裂混凝土試件自愈合的速率干濕循環(huán)條件比長期浸沒條件更快[27]，在大氣環(huán)境中時十分緩慢[29]。 Reinhardt等[34]的研究表明在20 ℃ ～80 ℃ 內(nèi)，隨著溫度的升高，自愈合的速度加快。早齡期開裂的試件有更好的自愈合效果[22]。Gagne等[28]的試驗(yàn)表明，有效裂縫寬度在第一個月內(nèi)減少最快。

表2 混凝土裂縫修補(bǔ)方法對比表

4 結(jié)論

通過本文分析可知，混凝土裂縫的種類大致可分為收縮、沉陷、溫度、鋼筋銹蝕裂縫和按其他依據(jù)進(jìn)行分類的裂縫。各種混凝土裂縫產(chǎn)生的原因都很復(fù)雜，有塑性收縮和坍塌、溫度和溫度應(yīng)力、原料質(zhì)量、攪拌和溫度控制問題等多方面的因素。

混凝土裂縫的防治非常關(guān)鍵，需要從多個方面進(jìn)行裂縫控制技術(shù)的應(yīng)用。包括完善施工設(shè)計、支模和集料控制、優(yōu)化配合比、溫度及溫度應(yīng)力控制、施工工藝控制及混凝土養(yǎng)護(hù)處理等裂縫防控措施。通過采取上述措施，做好水利施工全過程的質(zhì)量管理和提升，從而減少或避免混凝土裂縫的出現(xiàn)，保證水利工程的質(zhì)量和安全。

針對混凝土自愈合性能，若能充分利用并創(chuàng)造自愈合條件，比如適當(dāng)?shù)乃嗉?xì)度和水灰比、摻加了粉煤灰、纖維和主動愈合材料、提供特定的環(huán)境等，將會在一定程度上修復(fù)混凝土裂縫。對于開裂混凝土的自愈合機(jī)理、效率、評價指標(biāo)、加強(qiáng)自愈合的具體手段和實(shí)際應(yīng)用等問題都需要深入地探索。希望有更多的研究團(tuán)隊針對混凝土自愈合性能進(jìn)行更多的試驗(yàn)研究，盡早提出系統(tǒng)的混凝土裂縫自愈合控制措施。