水利工程中混凝土裂缝产生的原因及修复分析

◇珠江水利委员会珠江水利科学研究院 林家宇 刘广华 薛 琦 李海峰

在水利工程建设中，混凝土结构是最基础的一项，对于混凝土的各性能评价也是水利工程中重要的任务之一。其中，由于温度变化、水分变化、结构变形等各种因素影响下，混凝土极易产生裂缝，混凝土裂缝直接关系到水利工程的结构稳定性以及功能可靠性。因此，本文围绕混凝土裂缝产生的原因进行探讨并对修复裂缝方案作研究分析。

1 引言

在现代社会发展紧张的进程中，水利工程作为基础设施关键的一项，对于水资源的合理利用、洪水防治、灌溉供水等具有至关重要的作用。混凝土结构作为水利工程中的基本构件，承担着支撑、保护和引导水流等的重要任务。然而，随着时间的推移和环境的影响，混凝土结构可能出现各种问题，其中裂缝是一项普遍且严重的挑战。混凝土裂缝裂缝可能导致水渗透，加速结构损坏同时也可能威胁到工程的运行安全，对生态环境产生负面影响，甚至影响到社会经济的可持续发展。

2 混凝土裂缝的分类及影响

2.1 温度裂缝

温度裂缝是在混凝土结构中由于温度变化引起的裂缝。混凝土具有热胀冷缩性质，当其内外温差产生变形和温度应力，一旦温度应力超过混凝土能承受的极限抗拉强度时，就会产生温度裂缝[1]。温度裂缝通常呈斜向状或直线状，分布于混凝土的表面或内部。这种裂缝通常不会直接威胁结构的稳定性，但会影响外观美观以及水渗透问题。

2.2 收缩裂缝

在混凝土初步浇筑时，由于水分含量较高，随着时间的推移，水分逐渐蒸发或被吸收，进而导致混凝土体积收缩。这种体积收缩会产生内部应力，最终导致表面或内部形成裂缝。收缩裂缝通常是细小的、呈蜘蛛网状的裂纹，分布在混凝土表面。

2.3 荷载引起的裂缝

荷载引起的裂缝是由外部荷载施加在混凝土结构上时产生的。这些荷载可能是永久性荷载（例如建筑本身的重量）或临时荷载（例如水压力、风荷载等）。荷载引起的裂缝可以在结构的受力部位（如梁、柱）或连接部位（如接缝、焊接点）形成。这些裂缝的特点取决于荷载的大小、施加位置和结构的几何形状。

2.4 其他裂缝类型

荷载引起的裂缝是由外部荷载施加在混凝土结构上时产生的。这些荷载可能是永久性荷载（例如建筑本身的重量）或临时荷载（例如水压力、风荷载等）。荷载引起的裂缝可以在结构的受力部位（如梁、柱）或连接部位（如接缝、焊接点）形成。这些裂缝的特点取决于荷载的大小、施加位置和结构的几何形状。

2.5 裂缝的影响

不同类型的裂缝会对水利工程产生不同的影响。温度裂缝可能影响外观和水渗透，收缩裂缝可能引起结构的强度和稳定性问题，荷载引起的裂缝可能影响结构的承载能力和安全性。裂缝的形态、分布和影响取决于裂缝的类型和具体情况。

3 混凝土裂缝产生的主要原因

3.1 温度变化引起的裂缝

温度变化是混凝土裂缝产生的常见原因之一。混凝土是一种热胀冷缩的材料，当温度升高时，混凝土会膨胀，而在温度下降时，会收缩。这是由于混凝土中的水分分子在热胀冷缩过程中发生体积变化。由于混凝土的尺寸受到限制，温度引起的膨胀和收缩会导致内部应力的积累，最终导致裂缝的形成。温度裂缝产生的条件和情况取决于温度变化的幅度和速率。大幅度的温度变化，尤其是在混凝土表面和内部之间的温度差异较大时，容易引发裂缝。高温下的快速蒸发也可能导致混凝土表面的收缩裂缝。

3.2 水分变化引起的裂缝

混凝土水化过程中要产生一定的体积变形，多数是收缩变形，收缩变形的主要原因是掺入的拌合水20%参与水化，约80%要逐渐蒸发，从而引发毛细管应力，该应力是导致干缩裂缝的主要原因[2]。在湿润干燥循环中，混凝土在不断吸湿和干燥的情况下，会不断发生收缩和膨胀，这种循环性的变化会导致裂缝的逐渐产生和扩展。

3.3 结构变形引起的裂缝

混凝土结构变形也可能导致裂缝的产生。结构变形可以是由荷载施加、地基沉降以及结构自身的变形引起的，当荷载施加在混凝土结构上时，如果结构不足以承受这些荷载，内部应力就会增加，可能导致裂缝的形成。地基沉降是另一个可能导致混凝土结构裂缝的因素。如果地基沉降不均匀，会使结构产生不均匀的变形，从而引发裂缝。

3.4 材料问题引起的裂缝

使用不合格的材料或者施工质量不良也可能导致混凝土裂缝的产生，不合格的材料可能具有较高的水分含量、不良的化学性质或者含有过多的杂质，这些都会影响混凝土的性能，从而增加裂缝产生的风险。施工质量不良，如混凝土浇筑过程中的不均匀振捣、未能适当地控制水泥浆比例等，也可能导致混凝土内部存在微观缺陷，最终导致裂缝的形成。

3.5 化学反应引起的裂缝

混凝土中的化学反应也可能导致裂缝的产生。例如，碱-骨料反应是一种可能引发裂缝的化学反应，这种反应涉及混凝土中的碱性成分与某些骨料中的硅酸盐矿物质发生反应，导致内部应力的积累，最终导致裂缝的形成。

4 修复混凝土裂缝的方法与策略

修复混凝土裂缝的方法与策略涵盖了预防性措施、结构增强与加固、补修材料应用以及实际案例分析。以下是对每个方面的详细介绍。

4.1 预防性措施

在设计和施工阶段采取预防措施可以降低混凝土裂缝的产生概率。一些常见的预防措施包括控制缝的设置及养护措施。

（1）控制缝的设置：在混凝土结构中设置控制缝，以减轻内部应力的积累。这些控制缝可以通过在适当的位置引导裂缝的产生，从而避免裂缝的无序扩展。

（2）养护措施：在混凝土浇筑工序完成后，及时采取适当的养护措施，如覆盖湿布、喷水或使用养护剂，可以帮助控制混凝土的干燥速率，减少早期裂缝的产生。

4.2 预防性措施

通过结构增强和加固可以减少因结构变形引起的裂缝。这可以通过以下方式实现。

（1）加固材料：使用钢筋、钢板、碳纤维等加固材料来增加混凝土结构的强度和刚度，从而减少变形和应力的积累。

（2）增加梁柱等承载构件的截面尺寸：增加梁柱等承载构件的截面尺寸可以提高其承载能力，减少裂缝的产生。

4.3 补修材料应用

使用补修材料可以填充和修复已有的混凝土裂缝，防止其进一步扩展和加剧。一些常用的补修材料如下所示。

（1）聚合物修复材料：聚合物修复材料可以填充裂缝，并与混凝土结构产生粘结，提高强度和耐久性。

（2）环氧树脂：环氧树脂具有很强的粘结性能，可以用于填充较宽的裂缝，还可以加固混凝土结构的受损部分。

5 案例分析

一座水库大坝的进水口混凝土挡墙的表面出现了多条裂缝，裂缝检测情况如表1所示。

表1 裂缝检测记录

经过30d内的频繁观测下，作为本次检测对象的三条裂缝三项指标均保持一致，并没有加剧的迹象。初步判断该结构裂缝可能影响稳定性和水密性，因此对其作出以下针对性方案。

（1）预防性措施：在修复之前，对该水库大坝进行了结构评估，确定了裂缝的产生原因。为了预防进一步裂缝的产生，制定了水坝的温度变化和水分控制计划。

（2）结构增强与加固：对水库大坝进水口混凝土挡墙裂缝产生的位置进行了加固，使用了钢筋和碳纤维增强材料，增加了受损区域的承载能力。

（3）补修材料应用：对裂缝进行了填充和修复，使用了环氧树脂作为填充材料，以确保裂缝不再扩展。

（4）效果评估：经过修复后，对水库水坝的进水口混凝土挡墙进行了稳定性和水密性测试，发现修复效果良好，恢复了正常的运行状态。

通过本次案例，可以看出综合运用预防性措施、结构增强与加固以及补修材料应用，可以有效修复混凝土裂缝，提升结构的耐久性和稳定性。

6 结束语

本文系统性地讨论了混凝土裂缝产生的主要原因，涵盖了温度变化、水分变化、结构变形、材料问题和化学反应等多个方面。通过深入分析这些原因的机制，我们可以更好地理解混凝土裂缝的形成过程，同时也探讨了预防和修复混凝土裂缝的方法与策略，包括预防性措施、结构增强与加固、补修材料应用等。这些方法的综合运用可以有效降低混凝土裂缝的产生风险，并提升结构的稳定性和耐久性。

裂缝不仅影响结构的稳定性和持久性，还可能导致水密性等问题，进而影响水利工程的正常运行。通过合理的预防措施和及时的修复方法，可以延长结构的使用寿命，确保水利工程的可靠性和持久性。