闸墙混凝土裂缝产生的原因及防治措施

张丽芬陆 扬，朱 浩

（1.上海市水利工程设计研究院有限公司，上海市200061；2.河海大学港口海岸与近海工程学院，江苏 南京 210000）

0 引 言

水闸泵站作为修建在河道、湖泊、海口分界处，利用闸门控制流量、调节水位的水工建筑物，在防洪、排涝、通航、城市供水、水景观等方面具有重要作用。而闸墙在施工阶段由于混凝土收缩、温度应力等出现裂缝[1-2]，在实际工程中屡见不鲜，由此产生的钢筋混凝土保护层失效、钢筋锈蚀、地下水渗漏等问题，将降低结构耐久性，严重影响其使用功能，必须加以控制。本文通过两个工程实例，研究分析闸墙裂缝产生的原因，从设计和施工方面提出防治措施。

1 工程概况

案例1：上海某水利枢纽工程位于黄浦江的一条支流口，主要任务是防洪、排涝及通航。船闸闸室总长190 m，单节长19m，净宽16.6m，底板面高程-1.10m，底板厚1.2m，座落于第④层淤泥质粘土地基上，闸室为C30现浇钢筋混凝土坞式结构（见图1）。闸室共分10节，分节浇筑，先底板浇筑至闸墙的施工缝，后浇筑闸墙墙身，采用泵送商品混凝土，人工插入式振捣器振捣。

案例2：某泵闸工程位于薀藻浜的一条支流口，主要任务是防洪、排涝、水资源调度。泵室与闸室连成整体，中间隔墩厚1.0 m。泵站于水闸西侧布置，泵室顺水流方向长22.0 m，宽15.0 m，边墩厚1.0 m。泵闸室底板面高程-1.00 m，底板厚1.60 m。泵闸室底板及墙均采用C30钢筋混凝土现浇结构，防渗等级为W6。泵室底板落于③层灰色淤泥质粘土，基础采用钢筋混凝土预制方桩250 mm×250 mm×9 000 mm@1200进行加固处理。

图1 闸室结构断面图（单位：m）

2 闸墙裂缝检测情况

船闸以先期浇筑的第六节闸室为例，根据现场施工布置及施工计划，在闸室底板浇筑40 d后于5月14日进行闸墙的浇筑，浇筑后第三天松对拉螺栓，5 d后拆模，并及时使用土工布全部覆盖保湿养护。5月23日闸室的东、西两侧闸墙共发现有5条竖向裂缝。5月28日东侧墙迎水面4条裂缝，西侧墙迎水面2条裂缝，其中有4条裂缝在迎土面有对称裂缝出现，裂缝大小、宽度基本相同。经用显微鏡观测，最大裂缝宽度在0.2 mm以下，长度在1.2～2.2 m之间（见图2）。7月15日再次检查，裂缝长度有所增加（图中括号内数值）。再经过近一个月的现场连续监测，闸墙未发现裂缝的进一步发展和新的裂缝出现。

图2 第六节闸室东侧裂缝分布图（单位：m）

泵闸室底板浇筑50 d后于3月31日进行墙的浇筑，当天浇筑完成。混凝土浇筑后洒水养护至4月11日拆除全部模板，4月12～14日巡视观察均未发现裂纹，4月15日发现泵室外河的西边墩内侧、2#与4#导流墙两侧距离底板1.0～1.9 m处向上有细微裂纹出现，共5条，长度0.5～1.0 m，其它部位未发现裂纹。4月16日泵室墙已有裂纹长度有所增长，长度延伸至0.7～1.2 m，缝宽未见增大。同时在泵室内河侧的2#、3#、4#等导流墩两侧距离底板0.5～1.8 m处向上又有细微裂纹出现，共7条，长度0.5～1.0 m。至5月20日，所发现的12条裂缝均有较大发展，裂缝宽0.10～0.20 mm，缝长2.20～3.00 m，基本为竖向裂缝，并在每个墩墙上呈对称分布，之后裂缝没有继续开展。裂缝分布见图3、图4所示。

图3 泵室墙裂缝分布图（单位：m）

3 裂缝产生的原因分析

混凝土裂缝主要有两类成因。第一类是由外荷载（静、动荷载）直接应力引起的裂缝；第二类是由变形引起的裂缝：包括结构因温度湿度变化、收缩、膨胀、不均匀沉陷等原因引起的裂缝[3]。

图4 部分裂缝开展长度示意图（单位：m）

据国内外调查资料表明，工程结构产生属于由变形变化（温湿度、收缩与膨胀、不均匀沉降）引起的裂缝约占80%（包括与外荷载共同作用，但以变形变化为主所引起的裂缝）；属于由外荷载或以外荷载为主与变形荷载共同作用引起的裂缝约占20%。由于荷载超过设计允许荷载而产生的结构裂缝或者发生不均匀沉降而引起的沉降裂缝，这些原因比较明确和单一，解决和预防措施也较有针对性，上述两个案例从外荷载，以及沉降监测等数据来看，均不存在问题，裂缝主要因混凝土的收缩、温差和约束引起的。

3.1 混凝土的收缩

混凝土收缩因发生的时段、机理及条件的不同可分为自生收缩、塑性收缩和干燥收缩。针对实际情况归纳起来主要有以下几点：

（1）普通硅酸盐水泥混凝土存在自生收缩变形，掺用粉煤灰能产生一定的膨胀变形，减少收缩。

（2）从裂缝的位置分析，船闸闸室迎水面和迎土面对称分布，且大都通过施工立模用的对拉螺栓位置。工程所用混凝土均为搅拌车泵送至工作面，经现场测试，混凝土的坍落度实际控制在13～18 cm左右。在流动性大的混凝土内部，振捣时漏振或振捣不够，对拉螺栓下方的骨料颗粒仍在继续下沉，而螺栓上部的混凝土中的骨料被螺栓所支撑不能下沉，在混凝土凝结后，对拉螺栓下面就形成一道水膜，在混凝土中的水泥产生水化和水份的蒸发以后，在螺拴下表面就形成了一道贯穿性的毛细孔。这种毛细孔在外部地下水的压力作用下，将产生渗水现象。

（3）混凝土干缩裂缝产生的原因是混凝土拌合物在浇捣完毕后，拌合物内部80%的水份被蒸发，20%的水份被水泥水化所用，而最初失去的30%自由水份几乎不引起收缩，随着混凝土的继续干燥而使20%的吸附水逸出，尤其是在干热、风较大的季节，若保湿养护工作不规范，由于表面干燥受到中心混凝土的约束，使表面产生拉应力而出现裂缝。

3.2 混凝土的温差

硅酸盐水泥在水化过程中释放出相当可观的水化热，每公斤水泥释放约500 kJ的热量[4]，热量导致混凝土的温升。因此，混凝土结构大都存在两个温差：一是混凝土结构本身内部与表面的温差；二是混凝土与环境的温差。由于结构内、外温差变化产生温度拉应力，温差越大温度拉应力越大，而混凝土在凝结硬化过程中的极限拉应变是个变量，直至28 d强度以后才逐渐趋于稳定，一旦超过混凝土那一时刻的极限拉应力，混凝土就会开裂。下面以船闸闸室墙为例测算混凝土的温升值。

3.2.1 混凝土拌和温度To

在浇筑时，平均气温19℃，浇筑时间自8：20～17：00，每m3混凝土原材料质量、温度、热容及热量如表1所列。

表1 闸室混凝土原材料质量、温度、热容及热量一览表

根据拌和前后的热量平衡，T0=∑ciWiTi/∑ciWi，即：T0=∑ciWiTi/（csWs+cgWg+ccWc+cwWw+chWh）=18.4（℃）

3.2.2 混凝土浇筑温度Tp

采用泵送混凝土，由搅拌站将混凝土用6 m3搅拌车运输至浇筑地点，根据68 m3混凝土用9 h计算，一层（40 cm）混凝土运输时间按10 min，浇筑时间按40 min计算。太阳辐射影响（侧面有钢模板）R/β＝2℃，浇筑温度按下式计算：

3.2.3 混凝土水化温升Tt

根据王铁梦教授的理论[3]，在混凝土尤其是大体积混凝土浇捣完后，水泥已经开始水化，其混凝土内部的最高温度峰值可按以下经验公式计算，即：

水泥在水化过程中产生大量的热量，会使混凝土内部的温度升高。在养护温度20℃条件下，水化热在1～3 d放出的热量是总热量的50%～70%，最高温度多发生在浇筑后的3～5 d，此时混凝土的绝热温升：

此值与在龄期5 d时采用《水工混凝土结构设计规范》列出的水泥水化热（指数型公式）计算得出得绝热温升比较接近。

3.2.4 混凝土内部最高温度Tmax

平均养护温度20℃，则内外最高温差为48.72-20=28.72（℃）

温差控制的具体量值在一些国家和有关资料中并不一致，但多数要求混凝土表面温度（或环境温度）与截面内部最高温度之差不大于20℃，或表面温度与截面平均温度之差不超过15℃[4]。经分析此时如养护不当，则很容易出现温度应力裂缝。

3.3 混凝土的约束

由于结构边缘受到外部（结构与结构）的相互约束，包括基岩、地基或已有构筑物对混凝土的约束，现浇混凝土对后浇混凝土的约束等，这种约束变形可能使混凝土结构产生贯穿性断裂和局部裂缝。一方面闸墙与底板呈倒T型水工结构，墙与底板之间混凝土刚度差异较大；另一方面由于闸室底板先浇筑，闸墙浇筑时底板混凝土收缩已基本完成，底板对闸墙有约束，而上部可以自由伸缩，闸墙上会产生拉应力，如果基础温差较大或分块尺寸较大，产生的拉应力大于混凝土抗拉力，容易产生呈近似竖直向裂缝。根据《水工设计手册》[5]闸墙温度应力算例得出，闸墙在下部2/3高度范围内受拉，上部1/3高度范围内受压，这基本与实际的裂缝位置、高度相一致，设计在此范围内配置了温度限裂钢筋，控制其裂缝开展宽度。

3.4 粉煤灰及外加剂对混凝土裂缝的影响

工程掺入适量Ⅱ级粉煤灰，取代部分水泥，这对改善混凝土和易性、降低温升，减少混凝土内外温差，减少收缩具有良好效果。同时掺粉煤灰对混凝土变形性能有影响，一方面使混凝土弹性模量降低，另一方面使混凝土极限拉伸有所降低，前者对混凝土的抗裂有利，后者对混凝土早期抗裂不利。所以掺灰对混凝土早期抗裂性的影响需通过试验，根据绝热温升引起的温度变形与减少极限拉伸进行比较，而实际也很难计算准确。因此《水工混凝土结构设计规范》中因温度应力引起的抗裂验算适用于不掺粉煤灰的混凝土计算。

在夏季施工时，使用缓凝剂可延长混凝土的凝结时间，减少坍落度的损失，同时因缓凝剂可控制混凝土的硬化速度，对防止出现裂缝有利。

3.5 分析结论

闸泵室墙裂缝呈规律性分布，分析认为，裂缝主要为混凝土的温度应力和基础约束引起的。混凝土在水泥水化热达到一定的温度的时候，混凝土的膨胀应力开始消失而此时的混凝土开始产生收缩，这种收缩是均匀的收缩，所以在此种条件下，混凝土墙板的裂缝呈现出有规律性的裂缝，尤其是在夏季施工的混凝土墙板上容易产生，且往往会在底板与墙的联结处，因底板浇筑时留的施工缝在底板面以上50 cm，所以裂缝基本从墙体施工缝处开始。另外，墙体浇筑时，底板混凝土收缩已基本完成，墙底部受底板约束，上部可以自由伸缩，容易产生呈近似竖直向裂缝。根据实际工程裂缝多位于墙中部范围，“上不着顶，下不着底”，多为贯穿性裂缝，与分析结果基本吻合。

对于以上原因出现的裂缝，在施工过程中，通过合理的材料选择和配合比的确定、优化施工工艺、加强混凝土测温养护等是可以避免的。事实也证明，船闸的第八节闸室墙于5月10日（14：00～22：30）浇筑时未出现裂缝，原因是晚间气温低于白天，相应混凝土的浇筑温度低，对减少裂缝有利。

4 预防措施

4.1 设计方面

在控制裂缝方面，设计应从以下几方面考虑：

（1）降低约束。工程案例中顺水流向底板长度偏长，缩短混凝土底板的分缝长度，可有效降低底板或基础对闸墙的约束。

（2）减小混凝土的收缩量及收缩差，包括干燥收缩和温差收缩。设计应提出混凝土施工温度控制的具体规定，以及混凝土施工养护和现场温度监控基本要求。

（3）提高混凝土的抗裂性能。除规定构造配筋的数量和布置方法外，必要时在某些区段采用膨胀混凝土或纤维混凝土。

4.2 施工方面

（1）充分重视原材料选用及配合比。宜采用水化热较低的水泥，不宜采用早强水泥。为了降低混凝土收缩引起的裂缝，宜掺加具有补偿收缩、增强抗裂性能的膨胀剂，掺量为水泥用量的10%左右；为了降低收缩和减少混凝土拌和物的离析和泌水，混凝土建议水灰比控制在0.45左右。

（2）做好温度控制。一般浇注温度不超过30℃；混凝土内部与表面（或环境）温差不超过20℃，混凝土表面与养护水的温差不超过15℃。

（3）严格控制浇筑流程和养护。分层浇筑，下料不宜太快，防止堆积或振捣不充分，保证上下层混凝土浇筑间隔不超过初凝时间；改进施工工艺，进行二次振捣，使混凝土泌水排出，提高混凝土抗拉强度，减少混凝土收缩；春夏秋季施工后覆盖土工布并喷淋，流水养护不小于28 d，使混凝土膨胀与收缩更均匀。

（4）合理利用控制缝、后浇带、滑动层，以及构造配筋等控制开裂的手段和措施。

5 治理措施

5.1 裂缝处理的必要性分析

如从结构的耐久性、承载力和正常的使用要求，最严格的允许裂缝宽度为0.1 mm。根据大量试验和泵送混凝土的经验，近年来许多国家已将允许裂缝宽度放宽到0.2 mm。当结构构件处于正常环境下，保护层厚度满足设计要求，无侵蚀介质，钢筋混凝土裂缝宽度可放宽至0.4 mm，在潮湿状态下或土中为0.3 mm，在浅水水位变化区为0.25 mm。经过以上的分析，闸墙结构是安全的，承载力能满足设计要求。考虑到水利工程有抗渗要求，为防止钢筋锈蚀而影响耐久性，裂缝宽度小于0.2 mm也应进行处理。

5.2 处理方法

根据裂缝宽度、深度的不同采用两种修补方法：

（1）化学灌浆法。对于宽度大于0.15 mm且贯通的裂缝，可采用聚氨脂或环氧树脂灌浆。聚氨脂具有可灌性好、扩散性强，可有效保护钢筋的腐蚀防锈，处理后可满足防渗和耐久性功能要求，遇水后立即反应，体积迅速膨胀，生成一种不溶于水、有效高强度和弹性的凝胶体。环氧树脂具有强度高，粘结力强的特点，适宜灌较细的裂缝，因缝宽小于0.2 mm，可采用低粘度浆液，粘结强度0.4～0.6 MPa，在钻孔、清孔后，通过在钻孔处安放的灌浆咀用环氧注浆泵将拌和好的浆液注入缝内，竖向缝自下而上逐孔灌注。自然状态下养护，达到一定强度后用砂轮机把表面打平磨光。

（2）表面处理法。对于细而浅的裂缝，采用水泥基渗透结晶型防水涂料涂抹，因其活性化学成分遇水后会产生作用而形成不溶解的结晶体于混凝土内的小孔及毛细管道中，裂缝被完全封闭，从而使混凝土致密、防水，若以后其他原因产生新的细微裂缝时，一旦有水渗入，又会产生新的晶体堵住。施工时，先用水润湿混凝土面但不湿，一般涂刷二遍（间隔约4 h），且涂层要均匀，每条缝涂抹的宽度为10 cm。夏天炎热，5 d养护期间须在涂刷的防水涂层表面喷洒清水多次，再放置4 d后方可回填土与通水。

5.3 修补效果

修补后效果较好，未有渗水现象，裂缝也未再发展，不影响工程投入正常使用。

6 结语

从成因上看，水闸泵站施工期闸室墙上产生裂缝，是一个普遍性问题，商品混凝土的使用更加剧了这类问题的出现，本文案例具有一定的代表性。

本文分析了裂缝类型及产生的原因，提供了可供借鉴的预防和治理措施。从裂缝产生的时间上看，早期裂缝居多，且后期裂缝会在已出现的裂缝上继续拉长加宽。因此，在施工过程中需从材料选择、配合比设计、施工方法、施工时段的选择、加强混凝土测温养护和温度控制等多方面采取综合措施避免早期裂缝的产生。同时，设计应縮短混凝土分块长度、考虑温度及约束应力，加强构造钢筋配置等，以限制后期裂缝的发展。