水利工程中混凝土裂缝的成因与防治

杨自刚

[摘要]在许多水利工程建筑物中，混凝土的裂缝问题是一个普遍存在而又难以解决的工程实际问题，对水利工程常见的混凝土裂缝的成因进行了探讨分析，并有针对性地提出了一些防治措施。

[关键词]水利工程建筑物；混凝土裂缝；防治措施

1.混凝土裂缝产生的原因

混凝土中产生裂缝有多种原因，主要是由于温度和湿度的变化，原材料不合格，模板变形，基础不均匀沉降，养护不充分等。混凝土硬化期间水泥施放出大量水化热，内部温度不断上升，在表面引起拉应力。后期在降温过程中，由于受到基础或老混凝土的约束，又会在混凝土内部出现拉应力。气温的降低也会在混凝土表面引起很大的拉应力。当这些拉应力超出混凝土的抗裂能力时，即会出现裂缝。许多混凝土的内部湿度变化很小或变化较慢，但表面湿度可能变化较大或发生剧烈变化。如养护不周，时干时湿，表面干缩形变受到内部混凝土的约束，也往往会导致裂缝。

混凝土是一种脆性材料，抗拉强度是抗压强度的1/10左右，短期加荷时的极限拉伸变形只有0.6×104-1.0×104，长期加荷时的极限拉伸变形也只有1.2×104-2.0×104。由于原材料不均匀，水灰比不稳定，及运输和浇筑过程中的离析现象，在同一块混凝土中其抗拉强度又是不均匀的，存在着许多抗拉能力很低，易于出现裂缝的薄弱部位。在钢筋混凝土中，拉应力主要是由钢筋承担，混凝土只是承受压应力。在素混凝土内或钢筋混凝土的边缘部位如果结构内出现了拉应力，则须依靠混凝土自身承担。一般设计中均要求不出现拉应力或者只出现很小的拉应力。但是在施工中混凝土由最高温度冷却到运转时期的稳定温度，往往在混凝土内部引起相当大的拉应力。有时温度应力可超过其它外荷载所引起的应力，因此掌握温度应力的变化规律对于进行合理的结构设计和施工极为重要。

2.水利工程中混凝土裂缝产生的原因

2.1水化热大，体积变化大

由于混凝土体积大，水泥水化产生的热量不易散发，引起体积变化大。由于体积变化，受到约束，因此产生内应力，约束有两种：

（1）外部约束。混凝土浇筑在岩石上或老混凝土上，其体积变化受外部岩石或老混凝土约束初期因水泥急剧水化升温，体积膨胀，处于受压状态，但混凝土弹性模量低，产生压应力很小后期水泥水化热减小，散热量大干水化热量，温度降低，体积收缩，受岩石或老混凝土约束，由受压状态变为受拉状态，产生拉应力，而导致裂缝。

（2）内部约束。由于内部水泥水化热不易散发，而表面的容易散发，使表面温度低于内部。相对来讲，内部体积膨胀受表面约束处于受压状态，表面则体积收缩受内部约束，产生拉应力，从而导致裂缝产生。

2.2混凝土抗拉能力低

混凝土是脆性材料，抗压能力高，抗拉能力低。抗拉强度约为抗压强度的0.1倍；极限拉伸也很小，通常不足1×10-4。因此，水利工程中混凝土温度变形受约束时产生的拉应力很容易超过极限抗拉强度，而产生裂缝。

3.水利工程中混凝土裂缝的预防措施

3.1减小温度变形

3.1.1控制水泥水化热。

（1）水泥的选择。由于矿物成分及掺加混合材料数量不同，水泥水化热差异较大。铝酸三钙、硅酸三钙含量高的，水化热也高：因此，为了降低水化热，减小体积变形，水利工程中混凝土一般不宣使用水化热高的硅酸盐水泥和普通硅酸盐水泥，应使用中热硅酸盐水泥和低热矿渣水泥，如有条件，可适当掺加活性混合材料以降低水化热。

（2）尽量节约水泥用量。水泥水化产生的热量是水利工程中混凝土温度变化而导致体积变化的主要根源，比干湿、化学变化引起的体积变化要大得多，因此应尽量降低水泥用量。在满足工程需要的情况下，尽量降低设计强度，以减小水泥用量。

利用水利工程工期较长，充分利用混凝土后期增长的强度，采用较长的设计龄期。水利工程的施工时间较长，有的长达几年，因此可采用较长龄期，所以常规龄期28d的设计强度就可降低，从而减少水泥用量。精心设计、调整混凝土的骨料粒径和级配，最大粒径越大，骨料的空隙率和比表面积越小，混凝土的水泥浆及水泥用量就越小。

（3）外加剂优选。混凝土外加剂已发展为混凝土不可缺少的一部分，夏季施工时，使用具有一定缓凝和能大幅度降低混凝土单位用水量的缓凝高效减水剂，能大量减少混凝土的总发热量，降低混凝土的水化温升。

3.1.2控制出机口温度。

拌和制冷的主要目的是控制混凝土出机口温度，出机口温度按施工季节、浇筑区域、结构部位等确定。主体建筑物基础约束区重要结构部位混凝土除冬季12～2月可采用自然入仓外，其它季节一般出机口温度不超过7℃，束区的混凝土除11～3月采用自然入仓外，其它季节拌和楼出机口温度一般不超过14℃。拌和制冷工艺。制冷工艺的好坏极大影响混凝土的预冷和温升的控制效果。

3.1.3用仓面喷雾调节环境温度，控制温升。

因拌和楼与施工场地有一定距离，在运输过程中应控制温升，可在车箱顶部设置遮阳篷，供料线上覆盖遮阳板。为防止仓面混凝土温升过快，在浇筑过程中对入混凝土拌和物及浇筑层面进行覆盖保温，避免太阳直射。并喷雾降温，包括拌和楼前喷雾和仓面喷雾。

3.1.4冷却。

施工初期通水主要作用是削减混凝土初期温度高峰，削减水利工程中混凝土内部的最高温度，使其最高温度不超过允许的最高值；中期通风是降温过程，削减混凝土内外温差，在冬季特别重要：后期通风主要是稳定混凝土内部温度，为接缝灌浆创造条件。

3.1.5护与保温。

在混凝土浇筑完毕后，对表面应及时进行养护，在一定时间内保持适当的温度和湿度，造成混凝土良好的硬化条件，是保证混凝土强度增大、不发生干裂的必要措施。

3.1.6科学地组织施工。

要达到良好的温控，还需科学地组织施工，要求做到以下几点：①浇筑顺序合理、浇筑时段应尽量避免高温：②加快入仓速度。

3.2降低约束

（1）内部约束无法消除或降低。

（2）水利工程中，外部约束主要取决于基岩的弹性模量，弹性模量越高，约束程度越大。而要降低基岩的弹性模量是难以做到的。若要降低下层混凝土的弹性模量，可在其未充分硬化时浇筑。采用线胀系数小的骨料，避免体积变化过大。

（3）防止冻害裂缝的产生。因为环境的因素，水利工程中混凝土特别要防止冻害裂缝，一种是混凝土在凝结后未达到要求强度时发生冻结，结冰的膨胀将引起混凝土破裂并造成不可恢复的强度损失，另一种是交替冻融对硬化混凝土的破坏。例如松山堆石坝面板产生裂缝的主要原因是坝体内存有积水，冬季导致冻胀，将面板鼓起造成破坏。所以要防止渗水，其中包括水库的渗水及两边山体的渗水。

3.3提高抗拉能力

目前提高抗拉强度的方法是配筋、掺加纤维、用聚合物浸渍等，但是这些措施不是很经济，且有局限性，只能有选择地采用。

综上所述，要防止水利工程中混凝土的裂缝，主要应使用水化热低的水泥，降低水泥用量，采用合理的施工方法，做好冷卻和表面隔热，防止渗水，具体施工时，结合工程的实际情况，采用相适应的措施。

4.结语

裂缝是混凝土结构中普遍存在的一种现象，它的出现不仅会降低建筑物的抗渗能力，影响建筑物的使用功能，而且会引起钢筋的锈蚀，混凝土的碳化，降低材料的耐久性，影响建筑物的承载能力，因此要对混凝土裂缝进行认真研究、区别对待，采用合理的方法进行处理，并在施工中采取各种有效的预防措施来预防裂缝的出现和发展，保证建筑物和构件安全、稳定地工作。