混凝土抗裂技术在水利工程施工中的应用

张建刚，何光红

(浙江天泽水电建设有限公司，浙江 衢州324000)

0 引 言

2009年8月29日，水利部“948”项目管理办公室在武汉市组织召开了由长江科学院材料所承担的水利部“948”引进项目“水工大体积混凝土裂缝机理及抗裂性评估关键技术”验收会。此项目针对水利水电工程建设中影响工程质量和耐久性关键因素——大体积混凝土开裂问题，引进了国际先进的混凝土温度应力抗裂试验机及抗裂性评估关键技术［1］。

引进技术涵盖了混凝土实际温度发展历程及力学、热学、变形性能发展的全过程，并可模拟环境因素的影响，评价结果客观、精确，大大缩短了试验周期，显著减小了测试工作量，在混凝土配合比优化设计与抗裂性评价方面有着突出的优势，是一种可靠的混凝土抗裂性评价试验方法，总体达到国际先进水平，具有广阔的应用前景。

水利工程的好坏直接影响人类赖以生存的水资源，因此我们对水利工程的施工过程要足够重视。水利工程施工中大量使用混凝土这种脆性材料，它的制造过程是将若干种材料混合而成，这就导致其抗变形能力较弱，极易产生裂缝，使得水利工程建设遭到破坏［2－3］。下文将分析混凝土裂缝产生的机理，给出相应的预防措施。

1 水利工程施工中产生混凝土裂缝的原因

1.1 收缩应力产生裂缝

混凝土上有时会出现一种界面裂缝，其分布随机，无明确规律可循，这种裂缝的产生是由于受到混凝土里各部位不同的收缩应力所致，这种裂缝一般在粗骨料和砂浆的分界面上产生。总而言之，界面裂缝就是破坏了分界面而产生的裂缝。这里有必要讲述什么是收缩应力［4］。

一般为了完成水利工程施工，需要大量的混凝土构件，在这些构件的制作过程中，不在构件上施加外力。水泥材料在此制作过程中发生水化，同时混凝土又发生了硬化作用，二者的共同作用使得砂浆所占体积发生改变，这样就产生了收缩应力。构件受到收缩应力时，界面裂缝将在楔形界面上端聚集。当压力增加时，这种聚集将越集中于一个点，这样会产生若干条相对较大的裂缝。

1.2 温度应力产生裂缝

一般混凝土处于环境较为复杂的场地，酸碱性、湿度和温度都随着时间的变化而变化，因此也深刻影响着混凝土的质量。其中温度带来的影响也能够用热胀冷缩原理来解释［5］。

一般而言，混凝土拥有较小的膨胀系数，这个值与钢材等材料有不小差距。正因如此，混凝土只有在温差很大的情况下才会有明显膨胀，然而相同的温差钢筋膨胀程度强，这样钢筋就会对混凝土产生拉力，导致混凝土的结构受损，产生温度应力裂缝。这种由于温差带来的裂缝不仅与环境有关，有时还与施工过程中水泥与水的混合有关。

众所周知，水泥和水接触将会发生化学反应，并释放大量的热量，在较次的水泥中该热量无法散失，会导致混凝土温度急剧增加，混凝土内部温度明显高于外部，由于热胀冷缩原理，混凝土上出现显著的裂缝［6］。

为控制这种现象的发生，运用较为广泛的方法是添加减水外加剂，除此之外还可以使用质量上乘的水泥，在与水发生反应时产热量小，避免温度骤变带来的危害。这种温度应力产生裂缝的现象在冬天发生更加频繁。

1.3 水泥质量不合格产生的裂缝

水泥的一个重要性能是稳定性，这种性能低下会产生龟裂。混凝土的制作过程是将胶凝材料、水和各种类型的骨料混合起来，混合比例可以参见表1。

混合完成后放置在机器里搅拌，直至形成水泥，过一段时间水泥逐渐冷却，最终硬化为人造石材。在此冷却硬化过程中，如果因为上述搅拌过程不均匀，就会产生气孔裂纹，经过冷却硬化，这些裂纹会相互连接起来，形成更为明显的大裂纹，这种大裂纹对工程质量有严重隐患［7］。

一般裂缝的出现和水泥质量有直接关系，几乎所有混凝土上都有细小裂纹，但是只要裂纹符合在允许范围内，就不会影响水利工程质量。一般质量上乘的混凝土拥有更强的耐久性，其上出现细小裂纹不会影响它的整体质量。因此为了工程的顺利实施，必须从源头抓起，确保水泥质量，对偷工减料的行为要严厉打击。

表1 混凝土制作时的混合比例以及性能指标

2 预防混凝土裂缝产生的措施

2.1 解决收缩应力所引起裂缝的方法

由收缩应力产生的裂缝可以从混凝土自身材质方面解决，根据相应的比例进行混合调配，精确确定各个材料加入量和成分的比例，这样按照比例做出的混凝土质量好，过程快。混凝土质量好坏取决于调配时各个混合材料的优劣。一般用有较强可塑性的水泥在热量散失方面也做得更好。只要坚持按照科学的混合比进行调配，就能有效地消除裂纹。完成了混凝土的调配工作，就要进行混凝土的搅拌过程了，这一环节需要有足够的实战经验，要求有熟练的技巧，才能保证混凝土有优质的质量和最佳的黏性［8］。

2.2 解决温差所引起裂缝的方法

由温差引起的混凝土裂纹是最为常见的，为消除这种裂纹可以优化施工过程。在进行浇筑混凝土时，可以按照科学的办法，分块分区域进行浇筑，应当注意的是要确保混凝土表面足够平整，这样可以有效缩小温度差，从而改善混凝土浇筑水平。混凝土的搅拌过程中可以加入一定量的水，能够控制浇筑温度在一定范围内。

通常一些拥有多年实践经验的施工人员在进行混凝土的浇筑过程时，还会使用适量的添加剂，其中用的最广泛的是减水防裂剂。使用这种添加剂可以降低混凝土浇筑时的需水量，保证水泥浆有充分的黏稠度，使混凝土收缩能力更上一个台阶，以此同时混凝土的抗拉抗裂强度都会明显提高。

除了减水防裂剂以外，还有一些功能指向性更强的特殊添加剂，它能使混凝土达到良好密实程度，抗碳化能力增强，此类添加剂可以预防后果严重的贯穿性混凝土裂缝［9］。

水利工程施工人员在遇到较高的外界气温时，应当及时降低混凝土浇筑厚度，提高浇筑面的散热效率，一方面缩小了水利施工人员的工作量，另一方面也能确保混凝土质量不会受损。如果技术能够达到要求，则可以试图通过改变混凝土内外结构的温度梯度实现混凝土裂纹的防护工作。

2.3 解决水泥不稳定所引起裂缝的方法

为了有效预防裂纹的产生，应当确保混凝土的制作过程操作无误。混凝土成分中拥有关键地位的一项就是水泥的质量。水利工程利用的水泥应当是发热量低、强度好的特制水泥，确保C2S + C3S ≥80%，C3A ＞5%，C3AF≤15%。水泥的使用要坚持少而精的原则，水利工程忌讳使用过于繁杂的水泥品种。

在一些混凝土中骨料占有较大的比例，甚至达到80%以上。优质的骨料应当有较强的抗膨胀性能，岩土的弹性模量低，表面清洁无杂质。

制作混凝土时应当确保原材料质量合格，可以适当增添相应部门专门监管原材料的质量。只有确保了混凝土的质量符合要求，才能保证整个水利工程施工顺利进行。

3 裂缝的修补方法

尽管上一节给出若干预防混凝土裂缝产生的办法，但是由于混凝土的自身特性，使裂缝的产生无法完全避免。一旦裂缝产生，应当采取积极地修补工作，才能防微杜渐，防止裂缝造成的损失进一步扩散。具体的裂缝修补方法主要有以下4 种:

3.1 表面处理法

这种方法是使用角磨机等工具将混凝土外部表面的各类杂质去除。在混凝土表面经常会附着油污、土层等污垢，通过角磨机的打磨，可以使混凝土的结构层显露，相关工作人员就能用相应的技术手段将表面的裂缝修复完善，修复时需要添加补土剂。这里要注意的是，完成了混凝土表面打磨后，要用工程吹风机将遗留在表面的粉尘除去，这样才能方便胶合裂缝。

3.2 填充法

在面对尺寸较大的裂缝时，可以把具有修补能力的材料填充至这些裂缝中，这种方法叫填充法。填充之前需要在裂缝处开一个长度约为1 m的槽，形状类似机械行业内的键槽。填充法的特点是修补方便快捷，经济高效。

如果需要修复的裂缝较小，为使用填充法可以人为地将裂缝扩大扩深，这样可以很大程度降低工作难度。

3.3 灌浆法

灌浆法在实际水利工程中得到广泛的应用，同时适用于微小的裂缝和较大的裂缝，适用性强。灌浆法的工作过程是采用高压设备将修补材料压入裂缝中，使裂缝处于充盈状态，从而实现混凝土裂缝修复。

除上述灌浆操作外，还可以在需要灌浆的部位首先打孔，通过钻孔实现水泥浆的填充。灌浆法操作过程简单，修复效果良好，唯一缺点是对修复装置的要求相对苛刻。灌浆技术多用于细小的混凝土裂缝。

3.4 碳纤维的使用

该修补方法的实施应当在出现裂缝的构件表面涂刷树脂，然后将事先准备好的碳纤维片黏贴在涂满树脂的部位，在碳纤维上再刷一层树脂，该过程要杜绝气泡的出现。等待半个小时后，重新完成上述过程，在两次涂刷树脂的过程之间要防止粉尘污染。此时只需完成1 d时间的保养就能修复裂缝。但是此过程还应当控制环境温度在5℃为最佳，周围也不要摆放各种电器。黏贴碳纤维法操作过程简单，修补效果最佳，但是修补过程注意事项多，而且耗时较长，该方法只在特殊条件下使用。

4 小 结

水利工程施工中最常见的问题之一就是混凝土裂缝，由于裂缝种类多，出现几率大，因此对工程质量带来威胁。施工单位应当积极地展开预防工作，防患于未然，使混凝土具有较强的抗拉抗裂性能。如果依旧出现混凝土裂缝，就应当完成裂缝修复工作，对细小裂缝和较大裂缝采用不同的修补手段，高效解决裂缝给我国水利工程施工质量带来的威胁。

［1］焦学荣. 混凝土抗裂技术在水利工程施工中的应用［J］.黑龙江水利科技，2013，41(09):85－86.

［2］田景丽. 浅析水利工程施工中混凝土抗裂性问题及其对策［J］. 中国科技博览，2011(05):71－72.

［3］何日旺. 混凝土抗裂技术在水利工程施工中的应用分析［J］. 大科技，2014(15):42－43.

［4］雷海，沈茂华. 针对水利工程中混凝土抗裂技术的研究［J］. 中华民居，2012(11):254－255.

［5］凌利峰，赵国平. 混凝土抗裂技术在水利工程施工中的应用［J］. 科技创新与应用，2014(12):161.

［6］郭大勇. 大体积混凝土抗裂技术在水利工程施工中的应用［J］. 水利技术监督，2014(05):65－67.

［7］刘立新. 简析水利施工中大体积混凝土抗裂技术［J］. 科技展望，2015(04):89.

［8］陈小建，陈良其. 水利施工中大体积混凝土抗裂技术探讨［J］. 广东科技，2014(06):71－72.

［9］卢高敏. 大体积混凝土抗裂技术在水利施工的应用［J］.中国城市经济，2011(11):229－230.