混凝土抗裂技術在水利工程施工中的應用

張建剛，何光紅

(浙江天澤水電建設有限公司，浙江 衢州324000)

0 引 言

2009年8月29日，水利部“948”項目管理辦公室在武漢市組織召開了由長江科學院材料所承擔的水利部“948”引進項目“水工大體積混凝土裂縫機理及抗裂性評估關鍵技術”驗收會。此項目針對水利水電工程建設中影響工程質量和耐久性關鍵因素——大體積混凝土開裂問題，引進了國際先進的混凝土溫度應力抗裂試驗機及抗裂性評估關鍵技術［1］。

引進技術涵蓋了混凝土實際溫度發展歷程及力學、熱學、變形性能發展的全過程，并可模擬環境因素的影響，評價結果客觀、精確，大大縮短了試驗周期，顯著減小了測試工作量，在混凝土配合比優化設計與抗裂性評價方面有著突出的優勢，是一種可靠的混凝土抗裂性評價試驗方法，總體達到國際先進水平，具有廣闊的應用前景。

水利工程的好壞直接影響人類賴以生存的水資源，因此我們對水利工程的施工過程要足夠重視。水利工程施工中大量使用混凝土這種脆性材料，它的制造過程是將若干種材料混合而成，這就導致其抗變形能力較弱，極易產生裂縫，使得水利工程建設遭到破壞［2－3］。下文將分析混凝土裂縫產生的機理，給出相應的預防措施。

1 水利工程施工中產生混凝土裂縫的原因

1.1 收縮應力產生裂縫

混凝土上有時會出現一種界面裂縫，其分布隨機，無明確規律可循，這種裂縫的產生是由于受到混凝土里各部位不同的收縮應力所致，這種裂縫一般在粗骨料和砂漿的分界面上產生。總而言之，界面裂縫就是破壞了分界面而產生的裂縫。這里有必要講述什么是收縮應力［4］。

一般為了完成水利工程施工，需要大量的混凝土構件，在這些構件的制作過程中，不在構件上施加外力。水泥材料在此制作過程中發生水化，同時混凝土又發生了硬化作用，二者的共同作用使得砂漿所占體積發生改變，這樣就產生了收縮應力。構件受到收縮應力時，界面裂縫將在楔形界面上端聚集。當壓力增加時，這種聚集將越集中于一個點，這樣會產生若干條相對較大的裂縫。

1.2 溫度應力產生裂縫

一般混凝土處于環境較為復雜的場地，酸堿性、濕度和溫度都隨著時間的變化而變化，因此也深刻影響著混凝土的質量。其中溫度帶來的影響也能夠用熱脹冷縮原理來解釋［5］。

一般而言，混凝土擁有較小的膨脹系數，這個值與鋼材等材料有不小差距。正因如此，混凝土只有在溫差很大的情況下才會有明顯膨脹，然而相同的溫差鋼筋膨脹程度強，這樣鋼筋就會對混凝土產生拉力，導致混凝土的結構受損，產生溫度應力裂縫。這種由于溫差帶來的裂縫不僅與環境有關，有時還與施工過程中水泥與水的混合有關。

眾所周知，水泥和水接觸將會發生化學反應，并釋放大量的熱量，在較次的水泥中該熱量無法散失，會導致混凝土溫度急劇增加，混凝土內部溫度明顯高于外部，由于熱脹冷縮原理，混凝土上出現顯著的裂縫［6］。

為控制這種現象的發生，運用較為廣泛的方法是添加減水外加劑，除此之外還可以使用質量上乘的水泥，在與水發生反應時產熱量小，避免溫度驟變帶來的危害。這種溫度應力產生裂縫的現象在冬天發生更加頻繁。

1.3 水泥質量不合格產生的裂縫

水泥的一個重要性能是穩定性，這種性能低下會產生龜裂。混凝土的制作過程是將膠凝材料、水和各種類型的骨料混合起來，混合比例可以參見表1。

混合完成后放置在機器里攪拌，直至形成水泥，過一段時間水泥逐漸冷卻，最終硬化為人造石材。在此冷卻硬化過程中，如果因為上述攪拌過程不均勻，就會產生氣孔裂紋，經過冷卻硬化，這些裂紋會相互連接起來，形成更為明顯的大裂紋，這種大裂紋對工程質量有嚴重隱患［7］。

一般裂縫的出現和水泥質量有直接關系，幾乎所有混凝土上都有細小裂紋，但是只要裂紋符合在允許范圍內，就不會影響水利工程質量。一般質量上乘的混凝土擁有更強的耐久性，其上出現細小裂紋不會影響它的整體質量。因此為了工程的順利實施，必須從源頭抓起，確保水泥質量，對偷工減料的行為要嚴厲打擊。

表1 混凝土制作時的混合比例以及性能指標

2 預防混凝土裂縫產生的措施

2.1 解決收縮應力所引起裂縫的方法

由收縮應力產生的裂縫可以從混凝土自身材質方面解決，根據相應的比例進行混合調配，精確確定各個材料加入量和成分的比例，這樣按照比例做出的混凝土質量好，過程快。混凝土質量好壞取決于調配時各個混合材料的優劣。一般用有較強可塑性的水泥在熱量散失方面也做得更好。只要堅持按照科學的混合比進行調配，就能有效地消除裂紋。完成了混凝土的調配工作，就要進行混凝土的攪拌過程了，這一環節需要有足夠的實戰經驗，要求有熟練的技巧，才能保證混凝土有優質的質量和最佳的黏性［8］。

2.2 解決溫差所引起裂縫的方法

由溫差引起的混凝土裂紋是最為常見的，為消除這種裂紋可以優化施工過程。在進行澆筑混凝土時，可以按照科學的辦法，分塊分區域進行澆筑，應當注意的是要確保混凝土表面足夠平整，這樣可以有效縮小溫度差，從而改善混凝土澆筑水平。混凝土的攪拌過程中可以加入一定量的水，能夠控制澆筑溫度在一定范圍內。

通常一些擁有多年實踐經驗的施工人員在進行混凝土的澆筑過程時，還會使用適量的添加劑，其中用的最廣泛的是減水防裂劑。使用這種添加劑可以降低混凝土澆筑時的需水量，保證水泥漿有充分的黏稠度，使混凝土收縮能力更上一個臺階，以此同時混凝土的抗拉抗裂強度都會明顯提高。

除了減水防裂劑以外，還有一些功能指向性更強的特殊添加劑，它能使混凝土達到良好密實程度，抗碳化能力增強，此類添加劑可以預防后果嚴重的貫穿性混凝土裂縫［9］。

水利工程施工人員在遇到較高的外界氣溫時，應當及時降低混凝土澆筑厚度，提高澆筑面的散熱效率，一方面縮小了水利施工人員的工作量，另一方面也能確保混凝土質量不會受損。如果技術能夠達到要求，則可以試圖通過改變混凝土內外結構的溫度梯度實現混凝土裂紋的防護工作。

2.3 解決水泥不穩定所引起裂縫的方法

為了有效預防裂紋的產生，應當確保混凝土的制作過程操作無誤。混凝土成分中擁有關鍵地位的一項就是水泥的質量。水利工程利用的水泥應當是發熱量低、強度好的特制水泥，確保C2S + C3S ≥80%，C3A ＞5%，C3AF≤15%。水泥的使用要堅持少而精的原則，水利工程忌諱使用過于繁雜的水泥品種。

在一些混凝土中骨料占有較大的比例，甚至達到80%以上。優質的骨料應當有較強的抗膨脹性能，巖土的彈性模量低，表面清潔無雜質。

制作混凝土時應當確保原材料質量合格，可以適當增添相應部門專門監管原材料的質量。只有確保了混凝土的質量符合要求，才能保證整個水利工程施工順利進行。

3 裂縫的修補方法

盡管上一節給出若干預防混凝土裂縫產生的辦法，但是由于混凝土的自身特性，使裂縫的產生無法完全避免。一旦裂縫產生，應當采取積極地修補工作，才能防微杜漸，防止裂縫造成的損失進一步擴散。具體的裂縫修補方法主要有以下4 種:

3.1 表面處理法

這種方法是使用角磨機等工具將混凝土外部表面的各類雜質去除。在混凝土表面經常會附著油污、土層等污垢，通過角磨機的打磨，可以使混凝土的結構層顯露，相關工作人員就能用相應的技術手段將表面的裂縫修復完善，修復時需要添加補土劑。這里要注意的是，完成了混凝土表面打磨后，要用工程吹風機將遺留在表面的粉塵除去，這樣才能方便膠合裂縫。

3.2 填充法

在面對尺寸較大的裂縫時，可以把具有修補能力的材料填充至這些裂縫中，這種方法叫填充法。填充之前需要在裂縫處開一個長度約為1 m的槽，形狀類似機械行業內的鍵槽。填充法的特點是修補方便快捷，經濟高效。

如果需要修復的裂縫較小，為使用填充法可以人為地將裂縫擴大擴深，這樣可以很大程度降低工作難度。

3.3 灌漿法

灌漿法在實際水利工程中得到廣泛的應用，同時適用于微小的裂縫和較大的裂縫，適用性強。灌漿法的工作過程是采用高壓設備將修補材料壓入裂縫中，使裂縫處于充盈狀態，從而實現混凝土裂縫修復。

除上述灌漿操作外，還可以在需要灌漿的部位首先打孔，通過鉆孔實現水泥漿的填充。灌漿法操作過程簡單，修復效果良好，唯一缺點是對修復裝置的要求相對苛刻。灌漿技術多用于細小的混凝土裂縫。

3.4 碳纖維的使用

該修補方法的實施應當在出現裂縫的構件表面涂刷樹脂，然后將事先準備好的碳纖維片黏貼在涂滿樹脂的部位，在碳纖維上再刷一層樹脂，該過程要杜絕氣泡的出現。等待半個小時后，重新完成上述過程，在兩次涂刷樹脂的過程之間要防止粉塵污染。此時只需完成1 d時間的保養就能修復裂縫。但是此過程還應當控制環境溫度在5℃為最佳，周圍也不要擺放各種電器。黏貼碳纖維法操作過程簡單，修補效果最佳，但是修補過程注意事項多，而且耗時較長，該方法只在特殊條件下使用。

4 小 結

水利工程施工中最常見的問題之一就是混凝土裂縫，由于裂縫種類多，出現幾率大，因此對工程質量帶來威脅。施工單位應當積極地展開預防工作，防患于未然，使混凝土具有較強的抗拉抗裂性能。如果依舊出現混凝土裂縫，就應當完成裂縫修復工作，對細小裂縫和較大裂縫采用不同的修補手段，高效解決裂縫給我國水利工程施工質量帶來的威脅。

［1］焦學榮. 混凝土抗裂技術在水利工程施工中的應用［J］.黑龍江水利科技，2013，41(09):85－86.

［2］田景麗. 淺析水利工程施工中混凝土抗裂性問題及其對策［J］. 中國科技博覽，2011(05):71－72.

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

［4］雷海，沈茂華. 針對水利工程中混凝土抗裂技術的研究［J］. 中華民居，2012(11):254－255.

［5］凌利峰，趙國平. 混凝土抗裂技術在水利工程施工中的應用［J］. 科技創新與應用，2014(12):161.

［6］郭大勇. 大體積混凝土抗裂技術在水利工程施工中的應用［J］. 水利技術監督，2014(05):65－67.

［7］劉立新. 簡析水利施工中大體積混凝土抗裂技術［J］. 科技展望，2015(04):89.

［8］陳小建，陳良其. 水利施工中大體積混凝土抗裂技術探討［J］. 廣東科技，2014(06):71－72.

［9］盧高敏. 大體積混凝土抗裂技術在水利施工的應用［J］.中國城市經濟，2011(11):229－230.