張井軍

(北票市黑城子水利服務(wù)站，遼寧 朝陽(yáng) 122105)

0 引 言

混凝土作為一種多相非均質(zhì)復(fù)雜的復(fù)合材料，受養(yǎng)護(hù)措施、約束條件、入模溫度、原材料等多種因素綜合影響極易產(chǎn)生裂縫，特別是水工混凝土大多存在不同程度的開裂現(xiàn)象，而裂縫的存在會(huì)降低水工結(jié)構(gòu)的耐久性、穩(wěn)定性和強(qiáng)度[1]。此外，開裂形成的微裂縫或裂縫導(dǎo)致混凝土的滲透性增大，有害物質(zhì)侵入結(jié)構(gòu)內(nèi)造成水泥基質(zhì)弱化和鋼筋銹蝕，并大大降低工程質(zhì)量和結(jié)構(gòu)的承載力[2-3]。因此，水利工程施工質(zhì)量管理逐漸將混凝土裂縫控制作為重點(diǎn)。文章結(jié)合已有研究成果和工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，全面分析了水工混凝土裂縫類型及其成因，并提出行之有效的裂縫防控對(duì)策，旨在實(shí)現(xiàn)水工混凝土裂縫的有效控制及保證水利工程施工質(zhì)量。

1 水工混凝土裂縫類型

1.1 溫度裂縫

硬化期間，混凝土施工量較大、固結(jié)時(shí)間較長(zhǎng)的工程若具有較快的施工速度，不能快速消散水化熱將導(dǎo)致結(jié)構(gòu)內(nèi)部溫度高于表面溫度。結(jié)構(gòu)內(nèi)、外部溫差變大勢(shì)必會(huì)引起變形，當(dāng)抗拉強(qiáng)度不足以抵抗變形受到約束產(chǎn)生的拉應(yīng)力時(shí)，就會(huì)導(dǎo)致溫度裂縫的出現(xiàn)。隨溫度的改變溫度裂縫會(huì)合攏或擴(kuò)張，并且可以分為截面均勻溫差、內(nèi)外溫差、上下溫差等裂縫類型[4]。

1.2 沉陷裂縫

由于工程結(jié)構(gòu)分布不均勻，施工過程中會(huì)導(dǎo)致不均勻沉降和沉陷裂縫；此外，地質(zhì)變化和不合理的模板工程設(shè)計(jì)也會(huì)改變混凝土結(jié)構(gòu)的荷載，從而增大發(fā)生沉陷裂縫的概率。沉降差異會(huì)在一定程度上影響沉陷裂縫的形成寬度，其主要表現(xiàn)形式為穿透裂縫。

1.3 收縮裂縫

混凝土收縮有多余水分蒸發(fā)的干縮和體積減小的凝縮兩種，實(shí)際工程中85%都為干縮，此外還有自生收縮和碳化收縮。混凝土硬化時(shí)發(fā)生從外到內(nèi)的干燥，該過程將形成內(nèi)部小、外部大的不均收縮，當(dāng)抗拉強(qiáng)度不足以抵抗表面收縮受到約束產(chǎn)生的拉應(yīng)力時(shí)就會(huì)形成收縮裂縫。施工環(huán)境較干燥時(shí)表面水分蒸發(fā)快導(dǎo)致變形加快，一般會(huì)產(chǎn)生兩端細(xì)長(zhǎng)、中間較寬的塑性裂縫[5]。

1.4 其他裂縫

將混凝土裂縫按照裂縫的形狀、深度、出現(xiàn)時(shí)間、有害程度和形成原因可進(jìn)一步分類，如表1所示。

表1 混凝土裂縫類型

2 水工混凝土裂縫的成因

2.1 溫度與溫度應(yīng)力

溫差是引起溫度應(yīng)力問題的關(guān)鍵因素，溫差越大則產(chǎn)生的溫度應(yīng)力也越大。實(shí)踐表明，散熱困難時(shí)混凝土內(nèi)部的溫度可以達(dá)到80℃，并且能夠延續(xù)較長(zhǎng)的時(shí)間。水泥水化熱聚集是熱量的主要來源，內(nèi)部溫度升高產(chǎn)生內(nèi)脹外縮的現(xiàn)象，進(jìn)一步增大結(jié)構(gòu)內(nèi)部與表面的拉應(yīng)力差距，當(dāng)抗拉強(qiáng)度低于內(nèi)外拉應(yīng)力時(shí)就會(huì)產(chǎn)生裂縫[6]。施工過程中，由于約束條件和溫度控制不當(dāng)發(fā)生溫度失衡的情況也會(huì)產(chǎn)生溫度裂縫。此外，外部氣溫變化也會(huì)給混凝土開裂問題帶來影響，外界溫度快速下降會(huì)逐漸提升混凝土內(nèi)、外層的溫差，若溫度過度內(nèi)部還會(huì)出現(xiàn)結(jié)冰，進(jìn)而形成裂縫。

2.2 塑性收縮與坍塌

外界因素很容易對(duì)固化期間的混凝土造成干擾，若終凝前水分持續(xù)蒸發(fā)，不穩(wěn)定的環(huán)境致使結(jié)構(gòu)體積發(fā)生變形、收縮，難以滿足預(yù)期要求，混凝土最終將發(fā)生塑性收縮，并進(jìn)一步產(chǎn)生塑性收縮裂縫。在構(gòu)件配筋率較高的情況下，鋼筋限制混凝土收縮產(chǎn)生拉應(yīng)力也會(huì)形成收縮裂縫。此外，受到一定的因素作用混凝土的自身狀態(tài)發(fā)生改變時(shí)，也會(huì)產(chǎn)生混凝土裂縫甚至發(fā)生塑性坍塌問題。

2.3 混凝土攪拌與溫度控制

混凝土拌制過程中水泥釋放的熱量可能會(huì)導(dǎo)致混凝土內(nèi)部水分蒸發(fā)或內(nèi)外部溫差過大，從而形成裂縫?；炷翑嚢铚囟任催_(dá)到施工標(biāo)準(zhǔn)或攪拌不均勻時(shí)會(huì)影響澆筑，并增加混凝土出現(xiàn)裂縫及澆筑質(zhì)量問題的概率[7]。此外，攪拌時(shí)間過長(zhǎng)發(fā)生離析及攪拌速度過快產(chǎn)生較大的熱量也會(huì)導(dǎo)致裂縫的出現(xiàn)。

2.4 原材料質(zhì)量與化學(xué)反應(yīng)

混凝土質(zhì)量在很大程度上取決于原材料的質(zhì)量，所以要對(duì)外加劑、摻合料、砂石、水泥等質(zhì)量實(shí)行嚴(yán)格控制，確保各項(xiàng)材料符合要求；此外，對(duì)水泥的儲(chǔ)存環(huán)境和時(shí)間要引起重視，水泥質(zhì)量受長(zhǎng)時(shí)間儲(chǔ)存影響可能會(huì)降低混凝土的強(qiáng)度?；炷亮芽p的形成還與化學(xué)反應(yīng)密切相關(guān)，溫度升高時(shí)堿骨料反應(yīng)生成的硅酸凝膠開始膨脹，隨后溫度下降產(chǎn)生熱脹冷縮，導(dǎo)致裂縫的形成。

3 水工混凝土裂縫控制措施

3.1 優(yōu)化混凝土配合比設(shè)計(jì)

通過優(yōu)化配合比設(shè)計(jì)減少水化熱，從而控制混凝土內(nèi)外溫差和裂縫的形成。設(shè)計(jì)配合比時(shí)，通過多種試驗(yàn)檢測(cè)施工材料的塌落度、強(qiáng)度等參數(shù)，從而確定混凝土性能最優(yōu)的配合比；其次，將適量的減水劑和粉煤灰加入骨料中，合理控制膠凝材料的用水比例，在設(shè)計(jì)過程中要盡量減少水膠比，一般≤0.6。粗骨料粒徑最大≤150mm，級(jí)配為二級(jí)，砂的泥漿含量≤1%，細(xì)度模數(shù)宜為2.4-3.0范圍。

3.2 把控混凝土拌制、運(yùn)輸

混凝土拌制時(shí)要充分?jǐn)嚢瑁固砑觿?、水、凝膠材料和粗細(xì)骨料等充分融合。根據(jù)實(shí)際情況合理控制攪拌和靜置時(shí)間，混凝土澆筑時(shí)做好規(guī)劃，準(zhǔn)備充足的原材料以保證連續(xù)澆筑，防止混凝土澆筑過程中因原材料供應(yīng)不足而中斷的現(xiàn)象。此外，外界溫度過低或過高時(shí)均易形成裂縫，混凝土澆筑時(shí)要注意分析施工環(huán)境，合理控制攪拌時(shí)間和澆筑速度，選擇合適的現(xiàn)場(chǎng)澆筑和攪拌方式，若需要運(yùn)輸至施工現(xiàn)場(chǎng)還要科學(xué)規(guī)劃運(yùn)料地點(diǎn)和時(shí)間，做好運(yùn)輸過程中混凝土質(zhì)量的把控[8]。

3.3 集料質(zhì)量控制措施

集料質(zhì)量是混凝土澆筑質(zhì)量控制的重要內(nèi)容，選用的材料應(yīng)符合相關(guān)規(guī)范和設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，采購(gòu)時(shí)保證外加劑、骨料粒徑與級(jí)配、水泥型號(hào)的種類滿足施工要求。嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)配合比投料攪拌，從而防止或減少混凝土裂縫的出現(xiàn)。一般地，要遵循以下原則挑選集料：①優(yōu)先選用水膠比和強(qiáng)度適中、低水化熱的膠凝材料，為減少水泥用量可以摻加適量的礦物摻合料；②摻加適量的高性能減水劑以改善混凝土和易性，盡量選用性能均衡的粉煤灰摻合料；③應(yīng)選用粒徑較大、顆粒形狀優(yōu)的骨料，通過沖洗控制粗細(xì)骨料的含沙量；④選用的集料要有利于減少混凝土塌落度。

3.4 加強(qiáng)支模及施工設(shè)計(jì)控制

施工設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)先采取數(shù)值模擬的方式分析可能出現(xiàn)裂縫的位置，完善施工設(shè)計(jì)并做好裂縫預(yù)防工作，嚴(yán)格遵循規(guī)范化施工操作流程。此外，采取配筋加固措施和優(yōu)化混凝土配筋等也可防止或減少裂縫的形成。模具支撐是混凝土澆筑的首要環(huán)節(jié)，要對(duì)模板質(zhì)量嚴(yán)格控制，選用散熱效果良好的模板增大混凝土散熱及其自身穩(wěn)定性[9]。

3.5 施工工藝控制及混凝土養(yǎng)護(hù)

施工過程中按照規(guī)定的澆筑順序、方向、厚度采用分級(jí)或分層的澆筑方法，下層初凝后及時(shí)澆筑上層，外界環(huán)境溫度較低時(shí)要合理減慢澆筑速度。加強(qiáng)混凝土振搗，遵循慢拔快插的振搗原則，入模后要及時(shí)振搗以防出現(xiàn)局部空隙或離析，每次振搗插入至下層的5-10cm，控制距離接觸面10-20cm作為振搗深度。完成振搗后，將最后一層混凝土刮平并做好清潔工作。

結(jié)合具體情況精準(zhǔn)控制水量，通過合理設(shè)定養(yǎng)護(hù)時(shí)間、科學(xué)運(yùn)用養(yǎng)護(hù)方法等強(qiáng)化混凝土養(yǎng)護(hù)。一般從溫度和濕度兩個(gè)方面做好養(yǎng)護(hù)工作，澆筑完成后要養(yǎng)護(hù)7-10d，保證水泥水化所需水分的充足。例如，為保持混凝土表面濕潤(rùn)可覆蓋塑料薄膜或土工布，高溫時(shí)人工定期灑水降溫，低溫時(shí)利用棉被或草甸子覆蓋保溫，特殊情況下還可采取蒸汽養(yǎng)護(hù)或增設(shè)加熱設(shè)備養(yǎng)護(hù)，控制混凝土內(nèi)外溫差不超過25℃。

3.6 溫度及溫度應(yīng)力控制

溫度是引起混凝土裂縫的關(guān)鍵因素，所以要把控好溫度因素。實(shí)時(shí)關(guān)注氣溫變化情況，實(shí)行信息化控制，加強(qiáng)溫度監(jiān)測(cè)管理和測(cè)量[10-13]。外界環(huán)境溫度較高時(shí)為降低攪拌產(chǎn)生的熱量，拌合前可以對(duì)碎石用冷水沖刷、對(duì)材料采取密封和遮陽(yáng)等措施，低溫時(shí)采取保溫措施。為了降低溫度應(yīng)力可以采用水管水冷、二次風(fēng)冷、通風(fēng)等技術(shù)降低混凝土內(nèi)外溫差，也可用瀝青形成滑動(dòng)層改善混凝土約束條件，達(dá)到溫度應(yīng)力釋放的目的。工程中，盡量選擇15-18時(shí)或7-10時(shí)澆筑混凝土。

3.7 做好裂縫修補(bǔ)處理

施工過程中要及時(shí)分析已出現(xiàn)的裂縫特點(diǎn)，并結(jié)合實(shí)際情況采取有效的修補(bǔ)措施。實(shí)際工程中常見的裂縫修補(bǔ)方法，如表2所示。

表2 水工混凝土裂縫修補(bǔ)技術(shù)

4 結(jié) 論

1)總體上，可將混凝土裂縫分為溫度、沉陷、收縮和其他裂縫類型，不同裂縫形成的原因復(fù)雜，有溫度與攪拌控制、原材料、溫度與溫度應(yīng)力、塑性收縮和坍塌問題等諸多因素。

2)結(jié)合實(shí)際情況，綜合應(yīng)用多種技術(shù)有效避免或減少混凝土裂縫的形成，包括混凝土養(yǎng)護(hù)處理、施工工藝控制、優(yōu)化配合比設(shè)計(jì)、支模與集料控制、完善施工設(shè)計(jì)、溫度應(yīng)力控制等防裂技術(shù)，確保水利施工質(zhì)量和工程結(jié)構(gòu)安全。