水利工程施工中混凝土裂缝防治技术研究

摘" 要：水利工程建设中，混凝土结构是最基础的一项，受温度变化、水分变化、结构变形等各种因素影响，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。鉴于此，该文以混凝土裂缝防治作为研究内容，分析裂缝病害的具体形成原因，并提出具体的防治处理措施，从而尽可能规避混凝土裂缝所带来的风险，同时遏制混凝土裂缝的出现。

关键词：水利工程；混凝土裂缝；防治技术；结构稳定性；防治措施

中图分类号：TV544" " " 文献标志码：A" " " " " 文章编号：2095-2945（2024）35-0１７１-0４

Abstract： In the construction of water conservancy projects， concrete structure is the most basic one. Due to various factors such as temperature changes， moisture changes， and structural deformation， concrete cracks are easy to produce. Concrete cracks are directly related to the structural stability and functional reliability of water conservancy projects. In view of this， this paper takes the prevention and control of concrete cracks as the research content， analyzes the specific causes of crack diseases， and proposes specific prevention and treatment measures， so as to avoid the risks brought by concrete cracks as much as possible and at the same time curb the emergence of concrete cracks.

Keywords： water conservancy engineering; concrete crack; prevention technology; structural stability; prevention measures

现代水利工程项目中，混凝土裂缝是常见的质量病害，受到材料、工艺操作、现场环境条件等因素影响，混凝土结构硬化成型期间常形成裂缝，影响了混凝土结构的使用性能，并缩短水工建筑物的使用寿命，甚至引发结构渗漏等一系列问题。为此，应分析各类型裂缝产生的原因，采取科学的混凝土裂缝的修补技术及预防措施，保障混凝土结构安全。

1" 水利工程施工期间混凝土裂缝病害的形成原因

1.1" 原材料质量

在建水利工程普遍采用大体积混凝土技术，一次性把几何尺寸超过1.0 m的混凝土结构浇筑成型，如混凝土重力坝，可以减少重复施工次数，缩短工期时间，增强水工建筑物结构的整体性。与此同时，大体积混凝土技术存在一定的工艺局限性，例如表面系数小、水化热释放集中，对原材料性能质量要求高，如果仍按照传统施工标准选用原材料，混凝土结构极易形成温度裂缝和收缩裂缝。例如，从水泥材料角度来看，选择水化热程度较高的水泥材料，在混凝土养护期间，内表温升速度失衡，内部温度往往会超出表面温度20～40 ℃，出现热膨胀现象，形成过大拉应力而致使结构变形开裂[1]。

1.2" 配合比设计

从配合比设计层面来看，水灰比失控和原材料用量比例不合理，都会明显提高结构开裂率，难以维持混凝土结构良好的状态。例如，在水灰比失控、拌合水用量超标的情况下，混凝土材料容易出现离析现象，结构硬化成型期间提前出现收缩变形情况，演变形成早期裂缝，如沉降裂缝和塑性收缩裂缝，还会降低混凝土结构强度与耐久性。如果水泥材料用量过多，水泥用量、混凝土结构体积变化程度成正比，将提高干缩裂缝与塑性收缩裂缝出现率。水泥混凝土配合比设计见表1。

1.3" 结构设计

当前部分水工建筑物结构体系设计方案不合理，存在配筋率低下、结构缝位置设置有误、结构内部约束多等问题。混凝土结构硬化成型与水工建筑物投运使用期间，在局部变形以及受力影响下，整体结构出现一定程度的变形现象，在抵抗力薄弱部位形成裂缝。以配筋设计为例，仅考虑受力控制断面主筋布置问题，并未衡量构造钢筋数量、分布位置是否合理，实际布置情况没有完全满足混凝土结构使用要求，应力集中部位和界面突变部位极易形成裂缝。

1.4" 施工工艺

混凝土施工分布大量技术细节，施工人员要严格把控全部技术细节、规范自身操作行为，如果出现误差和违规操作，将改变混凝土结构状态，形成裂缝。例如，在混凝土拌制运输环节，常见施工问题包括各批次混凝土实际配合比不统一、混凝土离析、水泥浆损失程度超标。混凝土浇筑振捣环节，常见施工问题包括浇筑温度过低/过高、省略二次振捣与二次抹压步骤、模板变形失稳、保护装置不合理，最终在混凝土表面和保护层较薄位置开裂。而在混凝土养护环节，常见施工问题包括养护温度骤降、过早拆除模板、混凝土表面干湿状态交替、缺少温度控制措施。混凝土施工工艺流程如图1所示。

2" 水利工程现场施工中的混凝土裂缝防治技术措施

2.1" 原材料质量控制

水利工程施工期间，提前掌握工程资料信息，根据现场条件、工艺技术种类来做好原材料选型工作。例如，采取大体积混凝土浇筑技术时，应选择低水化热品种的水泥材料，选用缓凝剂与减水剂作为外加剂、粉煤灰当作掺合料、连续级配碎石当作粗骨料、中砂作为细骨料。同时，不推荐使用低热矿渣硅酸盐水泥，此类水泥材料的析水性过强，混凝土浇筑振捣过程中，浇筑层表面持续析出大量水，存在泌水问题，造成降低结构观感质量与施工效率的现实影响。随后，入场环节与混凝土拌制前，重复检查各批次原材料的质量状态，随机挑选一批样品，检测影响混凝土结构开裂性能的原材料性能，判断实际性能是否满足设计要求，禁止使用劣质原材料。例如，对于42.5级普通硅酸盐水泥材料，以凝结时间、安定性、细度、抗压强度与抗析强度作为检测内容，要求初凝时间不少于45 min，终凝时间不超过10 h，安定性不超过5 mm，80 μm筛余细度不超过10%，3 d龄期时的抗压强度与抗析强度不低于16 MPa和3.5 MPa，28 d龄期时的抗压强度与抗析强度不低于42.5 MPa和6.5 MPa[2]。

2.2" 优化配合比

根据水利工程施工要求来确定混凝土性能指标要求，初步制定配合比方案，按照既定方案来拌制少量混凝土、制作标准试件，再测定混凝土坍落度、扩展度，检测标准试件的力学性能。随后，比对测定结果与性能指标要求，如果二者存在出入，表明原材料用量比例不合理，或是原材料品种有误，针对性调整配合比方案，直到混凝土性能完全满足施工要求。例如，对于混凝土早期抗裂性能，推荐采取平板试验方法，制作600 mm×600 mm×60 mm规格的试件，试件浇筑振捣完毕后，表面覆盖塑料薄膜并于2 h后取下，平板中心部位上方1 m高度照射1 000 W碘钨灯，外侧放置风扇，试验时间控制为5 h，结束试验后24 h测量裂缝长度与宽度，计算裂缝开裂总面积和裂缝降低系数，以裂缝降低系数作为评价防裂效能等级的依据，裂缝降低系数不小于0.85、处于0.70～0.85区间、处于0.50～0.70区间时，防裂效能等级分别为一级、二级和三级。必要情况下，以减少水泥用量、调整砂率、变更骨料粒径级配、掺加高效减水剂作为配合比方案的优化调整方向[3]。

2.3" 优化结构设计方案

为降低混凝土结构开裂率与增强抗裂性能，并行采取设置结构缝、钢筋补强、不良地基处理3项优化措施。第一，设置结构缝。以消除大体积混凝土结构内部约束应力、控制变形程度为目的，根据工程情况来选择结构缝类型，包括拼接缝、伸缩缝、抗震缝与沉降缝，可以合并使用多类型结构缝，例如，对于比表面积较大的混凝土结构，优先留设引导性勾缝，引导混凝土结构在预定位置开裂，用于释放内部积蓄高应力。第二，钢筋补强。如果混凝土结构局部或是断面承受过大拉应力、压应力，则需要增设适量数量的构造钢筋，或是在受力集中部位增设钢筋网，构造钢筋直径控制为8～14 mm，相邻构造钢筋布置间距控制为100～150 mm，避免结构薄弱部位形成裂缝[4]。第三，不良地基处理。结合岩土勘察报告来掌握水利工程现场水文地质条件，验算天然地基承载能力，如果上部荷载超出地基极限承载能力，或是存在不良地质问题，则在设计方案内额外采取不良地基处理措施，避免地基不均匀沉陷、过度沉降而导致上部混凝土结构变形开裂，地基处理形式包括垫层换填、粉喷桩、强夯和排水固结等。

2.4" 纤维抗裂

纤维抗裂措施强调改变材料特性来强化抗裂性能，在常规配合比方案基础上，额外掺加少量纤维材料，如聚丙烯纤维、钢纤维，纤维与水泥基料共同组成复合材料，纤维体在混凝土结构内部横向网状分布，起到延缓裂缝形成时间的作用。等待混凝土结构开裂后，纤维还会抑制裂缝继续发育，并替代水泥基料承受主要外力。纤维抗裂措施实施期间，重点关注纤维种类选择、确定纤维最佳掺量两项问题。第一，纤维种类选择。主流纤维材料为聚丙烯纤维、钢纤维2种，根据往期施工情况来看，二者分布状态、拌和工艺、结构外观、用水量要求存在明显差异。聚丙烯纤维在混凝土拌合物内均匀分布，对拌和设备无特殊要求，拌和时间与用水量无需调整，也不会降低结构观感质量，推荐使用此类纤维材料。钢纤维容易出现结团现象，必须使用到强制式拌和机，拌和时间延长10～30 s，根据纤维掺加量来调整单位用水量与砂率，钢纤维生锈时还会在结构表面形成锈蚀污点[5]。第二，确定纤维最佳掺量。提前制备掺入纤维与未掺入纤维的混凝土试件，开展大圆环试验，模拟混凝土结构在约束情况下的裂缝形成发展过程，掌握纤维掺量与裂缝宽度减小程度、初始裂缝发生时间的关系，从而确定最佳掺量。例如，对于C40混凝土，聚丙烯纤维掺量控制在1.2 kg·m-3水准，28 d龄期时仍未出现开裂情况，如果掺量低于这一标准，虽然仍旧取得一定程度的抗裂效果，但在7～28 d龄期期间会形成裂缝。

2.5" 控制施工过程

推行标准化施工模式，对混凝土现浇施工过程的技术细节、操作标准、流程步骤进行严格规定，施工人员需保证操作的规范化和标准化，避免结构开裂。例如，在混凝土拌制环节，准备卧轴式或是逆流式搅拌机，检测原材料质量状态与称取用量，用量误差控制在1%以内，重点控制投料顺序与搅拌时间，特殊天气下制定专项施工方案，如在冬季施工背景下，提前对拌合水、集料进行预热处理，并把搅拌时间延长50%，检测混凝土出机温度与入模温度，分别不低于10 ℃与5 ℃[6]。在混凝土浇筑振捣环节，推荐采取分层浇筑方式（图2），单层厚度不超过0.3 m或0.5 m，交替开展各层级浇筑振捣作业，上层初凝前完成下层振捣作业，并组织二次振捣与二次抹压作业，起到改善结构状态、消除表面细微裂缝的作用。而在混凝土养护环节，养护时间不得少于7 d，覆盖塑料薄膜，保持表面湿润状态，要求内表温差不超过25 ℃，养护温度不低于5 ℃，必要时采取温控措施，避免混凝土温度裂缝与干缩开裂。

2.6" 处理早期裂缝

2.6.1" 常见修补方法

根据现场施工情况来看，在多重因素共同影响下常出现早期裂缝，以混凝土结构终凝前后作为早期裂缝的高发时间，早期裂缝危害程度有限，基本不会削弱混凝土结构使用性能，如图3所示。如果放任裂缝存在，不及时采取处理措施，随着时间推移，裂缝宽度、深度与长度有所增加，严重时演变形成贯穿型裂缝。对此，施工人员必须及时处理早期裂缝，根据裂缝类型来选择恰当的处理方法。例如，对于表面稳定裂缝，采取表面抹灰方法，选用水泥浆、环氧砂浆或是水泥砂浆作为修补材料，裂缝表面保持洁净状态，反复涂刷多遍修补材料，用于封闭裂缝。对于深度较大的稳定裂缝，采取注浆修补方法，选用甲凝溶液或是环氧树脂溶液作为黏结剂，清理裂缝内部，放置灌浆嘴，压力作用下把黏结剂注满裂缝内部。而对于较深裂缝，则采取凿槽嵌补方法，裂缝开凿为V型槽，槽内注入沥青材料或是化学补强剂，再使用环氧砂浆封闭裂缝表面[7]。

2.6.2" 修补材料的配制与施工

针对不同类型、不同深度及周边环境的影响，技术人员应当选择合适的修补材料，在满足耐久性设计要求的基础上通过对不同类型、性能的修补材料的比较，选择最合适的修补材料，确定最优修补方案。目前常用的修补材料主要有水泥基修补材料、高分子修补材料、环氧树脂修补材料等。对于不同性质的混凝土，技术人员可以选用相应的修复材料，并且根据修补材料的配方标准对其进行精确的配制，通过试验确定最佳配合比参数。在配制修补材料过程中，技术人员应当保证各组分按预先确定的比例混合，避免由于偏差造成材料性能不稳定。当前常见的修补材料有灰浆、混凝土、沥青和高分子乳剂等。一般情况下，修补材料可采用人工涂刷、喷淋或灌注等多种方式进行施工。为了提高修补效果，技术人员可采用机械切缝方法对其进行修补。在具体施工过程中，技术人员要保证修补材料均匀涂抹，裂缝填充要充分，修补层的厚度及密实度要达标。在裂缝修补施工时，技术人员还应严格控制环境温湿度，降低环境因素对修补材料的不利影响[8]。另外，针对不同的结构类型，应对修补的结果进行跟踪监测，特别是在高温、低温环境中，需要采取相应的措施来保证修复材料的性能稳定。

2.6.3" 修补后的养护与检测

施工人员在完成裂缝部位修补后，需要对其进行细致的养护和检查，通过养护和检测能够客观评价裂缝修补情况、水利工程混凝土结构的性能。如果检测结果没有达到标准要求，那么施工人员需要进行再次修补和调整，直到达到规范标准要求。

修补后的混凝土养护是保证修补材料充分固化硬化的重要步骤，具体来讲，施工人员通常会采取湿法养护避免修补材料在养护时出现开裂等问题。在后续养护过程中，技术人员要密切注意环境温湿度，适当延长养护时间，使养护工作取得最佳效果。在混凝土裂缝修补后的检测阶段，技术人员可以利用激光扫描技术对修补处不同深度的混凝土内部缺陷进行检测和定位，还可以采用多种测试方法，如硬度、密封性、外观及黏接强度等，全面评价修复区的硬度、封闭性、外观质量及黏接性能。根据检测结果，施工人员可以及时调整、完善加固技术，保证加固效果满足设计要求，延长结构服役年限。

3" 结束语

综上所述，裂缝防治处理已成为当前水利工程施工体系的重要组成部分，也是改善水工建筑物使用体验、延长结构体系使用寿命的重要前提。施工单位必须提高对裂缝防治问题的重视程度，全面掌握裂缝形成原因，并行落实原材料质量控制、优化配合比、优化结构设计方案、纤维抗裂、控制施工过程和处理早期裂缝等防治技术措施，建设高品质水利工程。

参考文献：

[1] 石宝林.水利水电工程施工中混凝土裂缝的防治技术研究[J].水上安全，2023（15）：28-30.

[2] 赵士召.探析水利工程施工中控制混凝土裂缝的技术[J].水上安全，2023（2）：181-183.

[3] 阿合买提·哈司木.水利工程施工混凝土裂缝成因分析及控制措施[J].城市建设理论研究（电子版），2024（3）：199-201.

[4] 林家宇，刘广华，薛琦，等.水利工程中混凝土裂缝产生的原因及修复分析[J].内江科技，2023，44（10）：68-69.

[5] 杨军.水利工程施工中混凝土裂缝防治策略探讨[J].大众标准化，2023（23）：34-36.

[6] 肖兵.解析水利水电工程施工中混凝土裂缝处理技术[J].长江技术经济，2022，6（S1）：83-85.

[7] 梁荣，王华明，袁婷.混凝土施工技术在水利水电工程施工中的应用[J].工程建设与设计，2021（20）：152-153，156.

[8] 张强.水利水电工程施工中混凝土裂缝的防治[J].山西水利科技，2021（3）：38-40.