水工混凝土墩墻溫度裂縫成因分析及處理措施

劉華強(qiáng)，沈 楊，宋 力

（1.江蘇省水利科學(xué)研究院，江蘇 揚(yáng)州 225002；2.宿遷市水利局，江蘇 宿遷 223800）

0 引言

在國家基礎(chǔ)設(shè)施補(bǔ)短板的大形勢下，長江、太湖、淮河治理，沿海水利基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，大中型灌區(qū)，臨海引江供水等一系列重大水利工程建設(shè)得以實(shí)施，涉及大批水閘、泵站建設(shè)工程。閘站工程多采用鋼筋混凝土材料進(jìn)行建設(shè)，容易出現(xiàn)裂縫問題，不但影響工程耐久性，更對后期投入運(yùn)行產(chǎn)生影響，嚴(yán)重還會(huì)危及工程安全，帶來安全隱患。混凝土裂縫問題一直伴隨著工程建設(shè)，相關(guān)研究很多［1-6］，本文只對水利工程混凝土墩墻溫度裂縫的產(chǎn)生原因及處理措施進(jìn)行分析。溫度裂縫雖然對結(jié)構(gòu)安全一般無影響，但裂縫可能使其內(nèi)部鋼筋產(chǎn)生銹蝕，直接影響到耐久性。分析裂縫成因，加強(qiáng)防控措施，對提高水利工程質(zhì)量，指導(dǎo)水利工程施工意義重大。

1 淺表性裂縫

1.1 裂縫成因

混凝土結(jié)構(gòu)表面經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)散片分布的無任何規(guī)律可言的形如發(fā)絲的龜裂，其開裂僅局限于表面很小的范圍；部分表面開裂向縱深發(fā)展，但縫深不超過鋼筋保護(hù)層厚度。通常把這種僅存在于混凝土結(jié)構(gòu)面層的開裂縫稱為淺表性裂縫，也稱之為干縮性裂縫，多出現(xiàn)在混凝土澆筑養(yǎng)護(hù)期結(jié)束后。

既然是干縮性裂縫，顯然與混凝土澆筑過程中表面失水過快有關(guān)，通常是由于空氣比較干燥、養(yǎng)護(hù)不及時(shí)、養(yǎng)護(hù)時(shí)間短、灑水養(yǎng)護(hù)不均勻、養(yǎng)護(hù)措施執(zhí)行不到位造成的，其危害性不大，主要是影響美觀。

1.2 防治措施

1）混凝土在養(yǎng)護(hù)初期對環(huán)境因素較為敏感，應(yīng)盡量使?jié)仓蟮酿B(yǎng)護(hù)環(huán)境接近標(biāo)養(yǎng)條件，因?yàn)榛炷恋呐浜媳仍囼?yàn)是在嚴(yán)格的溫度濕度條件下進(jìn)行的。當(dāng)然，施工場地的外部條件比較復(fù)雜，但可以采取一系列的措施保證混凝土的初期養(yǎng)護(hù)在一個(gè)相對平穩(wěn)的環(huán)境條件下進(jìn)行。比如嚴(yán)格控制混凝土拆模時(shí)間，沒有拆模的混凝土立面同樣需要澆水養(yǎng)護(hù)，拆模后可采用涂刷養(yǎng)護(hù)劑，覆蓋塑料薄膜或掛土工布的方式防風(fēng)保濕，從而防止混凝土失水過快。極端天氣條件應(yīng)盡可能停止施工，也可以采用冬天覆蓋草皮棉被、夏天冰塊降溫的輔助措施。

2）淺表性裂縫的處理措施可以采用表面涂料保護(hù)的工藝，如刷 1～2 層環(huán)氧，還可以起到防止碳化處理的效果；深度大一些的淺表層裂縫可以使用表層裂縫嵌填修補(bǔ)砂漿或者低壓灌漿的處理工藝，都能起到理想的處理效果。

2 深層裂縫

2.1 裂縫成因

近年來筆者單位在對全省水閘、泵站、船閘等水工建筑物檢測過程中，發(fā)現(xiàn)無論是薄壁空箱或是厚大體積墩墻，均常見走向規(guī)律的豎向裂縫。出現(xiàn)這種裂縫的水利建筑物工程超過了 90 %，大多為船閘的閘首、閘室墻，節(jié)制閘的閘墩，泵站的站墩以及上下游翼墻等部分受約束作用較大的部位。裂縫深度一般都超過了鋼筋的保護(hù)層厚度（見圖 1），基本貫穿墻體，其縫寬相對較大，一般在 0.10～0.35 mm之間，多集中于 0.15～0.25 mm。整個(gè)工程少則 3～4 條，多則幾十上百條，主要位于墩墻的二分點(diǎn)、三分點(diǎn)及其附近。裂縫走向基本為垂直縫，其特點(diǎn)是縫長自底板而上爬升 1 m 至墻頂不等，走向豎直向上，多條裂縫間距不等并相互平行，少見交叉。其中又以發(fā)生在墩墻底板以上（貼腳處）、2/3 墻高以下，每節(jié)墩墻以 1～3 條裂縫居多，裂縫通常不延伸至底板內(nèi)部。另外結(jié)構(gòu)削弱部位、形狀突變部位（門槽、孔洞、轉(zhuǎn)折）也常發(fā)生貫穿性裂縫。

圖1 墩墻深層裂縫

首先需要明確指出的是上述混凝土墩墻中產(chǎn)生的裂縫仍屬于溫度裂縫范疇。目前對裂縫產(chǎn)生原因的研究很多，從裂縫的成因上來講主要是結(jié)構(gòu)性裂縫和溫度裂縫兩大類。結(jié)構(gòu)性裂縫通常伴隨著設(shè)計(jì)缺陷，先天不足，一旦出現(xiàn)往往是比較棘手的問題，在水利工程中較為少見。而溫度裂縫的產(chǎn)生主流研究方向主要集中于混凝土的收縮變形特性，多為水泥水化熱或是環(huán)境溫度等因素造成的。而本文提到的裂縫特征明確，分析其原因則是主要由外力約束作用引起。

1）其主要原因應(yīng)歸結(jié)為施工工序?qū)е碌臐仓r(shí)間不同而引發(fā)的溫度裂縫。同樣的原材料和配合比、同樣的施工工藝，先行澆筑的底板沒有產(chǎn)生裂縫，而后澆筑的墩墻卻開裂嚴(yán)重，這是因?yàn)槎諌炷恋淖冃问艿搅说装宓募s束作用。底板與墩墻的澆筑間隔時(shí)間越長，受到的約束作用就會(huì)越大，就越容易開裂。

船閘的閘首、閘室墻、翼墻、節(jié)制閘的閘墩及泵站站墩，其底板或下部結(jié)構(gòu)先期澆筑。間隔一段時(shí)間底板混凝土固化之后完成底部接觸面鑿毛處理、上部鋼筋綁扎、架立模板等一系列施工工序。等到墩墻澆筑時(shí)，先行澆筑的底板混凝土已經(jīng)完成了大部分溫度應(yīng)力作用下的收縮變形，而墩墻由于混凝土水化熱溫升的作用，其內(nèi)部溫度和底板混凝土之間會(huì)形成較大的溫差，一個(gè)變形基本完成或完成大部分，一個(gè)變形卻剛剛開始，二者的收縮變形顯然存在著很大的差異。后澆筑的上部混凝土受先澆筑的底板等約束，限制其自由變形而產(chǎn)生拉應(yīng)力。混凝土開裂是內(nèi)部應(yīng)力積累的結(jié)果，當(dāng)不斷積累的內(nèi)應(yīng)力超過了混凝土的抗拉強(qiáng)度，裂縫就出現(xiàn)了。底板約束力對于墩墻來說相當(dāng)于外力作用。水閘墩墻等薄壁混凝土結(jié)構(gòu)長度方向的尺寸遠(yuǎn)大于厚度方向。由于底板約束作用而產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)應(yīng)力沿墩墻縱向分布更不均勻，而墩墻內(nèi)部混凝土質(zhì)量、密實(shí)程度也不同，總是存在著薄弱部位，各種因素綜合作用下產(chǎn)生的拉應(yīng)力超過了混凝土的抗拉強(qiáng)度時(shí)，裂縫就產(chǎn)生了。而這種情況下的裂縫一旦出現(xiàn)將是沿著厚度方向的、且更多表現(xiàn)為貫穿性的裂縫。從某種意義上講，常規(guī)的施工工藝，這種裂縫的出現(xiàn)是很難避免的。

此外斷面突變部位如門槽、墩墻上孔、洞、轉(zhuǎn)折等部位，由于溫度收縮受制約而應(yīng)力集中，也是產(chǎn)生裂縫的原因之一。

2）目前，水利工程施工基本采用商品混凝土，其有著減少污染、提高效率、促進(jìn)施工現(xiàn)代化等諸多優(yōu)點(diǎn)。然而隨著預(yù)拌泵送混凝土的大量應(yīng)用，水工混凝土結(jié)構(gòu)溫度裂縫問題越來越突出。政府在大力推廣使用商品混凝土的同時(shí)對其生產(chǎn)過程的控制提出了嚴(yán)格的要求。商品混凝土同自拌混凝土相比的一大缺點(diǎn)就是拌合場到澆筑地的運(yùn)輸距離較遠(yuǎn)。為了保持混凝土的流動(dòng)性，常常人為地加大用水量，這直接導(dǎo)致了混凝土配合比的改變，往往好事變壞事。對此，必須加以注意，嚴(yán)格按照相關(guān)規(guī)范和規(guī)定執(zhí)行。商品混凝土往往水膠比較高，從混凝土耐久性的角度來講，應(yīng)盡量使用低水泥用量，低水膠比的配比，有利于水泥水化熱的降低，有利于混凝土密實(shí)性的提高和裂縫產(chǎn)生概率的降低。

2.2 防治措施

1）混凝土裂縫的防治措施重在預(yù)防，大量研究與實(shí)踐證明預(yù)防混凝土產(chǎn)生裂縫需要采取綜合手段，包括設(shè)計(jì)階段優(yōu)化混凝土配合比和骨料級配。在滿足混凝土設(shè)計(jì)要求和便于施工兩個(gè)前提下，摻入粉煤灰盡可能降低水泥用量；摻入減水劑，降低水膠比，達(dá)到減少水化熱的產(chǎn)生減小混凝土自身收縮的目的。混凝土中可以考慮摻入抗裂纖維，以提高混凝土自身的抗裂性能。施工階段通過通水冷凝控制混凝土入倉溫度，并加強(qiáng)混凝土的灑水養(yǎng)護(hù)。這里非常重要的一點(diǎn)就是要想辦法改善因工序?qū)е碌幕炷翝仓涡虿煌a(chǎn)生的約束條件。可以通過合理地安排施工工序，盡量縮短相鄰結(jié)構(gòu)間混凝土澆筑時(shí)間差，以減輕混凝土的約束作用。

2）水利工程中水的作用會(huì)銹蝕墻體結(jié)構(gòu)中的鋼筋，因此深層裂縫的處理對混凝土的耐久性至關(guān)重要。此類溫度裂縫的處理方法主要采用裂縫高壓灌注漿 液（也稱壁可法），起到封閉裂縫，堵塞滲水通道的目的。裂縫灌漿修補(bǔ)材料有低粘度環(huán)氧樹脂漿液、中等粘度環(huán)氧樹脂漿液、聚氨酯等。應(yīng)根據(jù)裂縫性質(zhì)、裂縫寬度、裂縫深度、環(huán)境條件等選擇有效的修補(bǔ)方法。同時(shí)對混凝土墻體裂縫背水面采用改性瀝青防水卷材（SBS 熱熔型）處理，也可同時(shí)對裂縫的迎水面和背水面采用化學(xué)灌漿封閉處理。需要注意的是水利工程中裂縫的封閉處理是雙向的，因此在裂縫處理完成達(dá)到預(yù)期效果以后才能進(jìn)行墻后土體的回填施工。

3 結(jié)語

對在建水利工程中混凝土墩墻溫度裂縫的產(chǎn)生原因及處理措施進(jìn)行了總結(jié)探討，重點(diǎn)討論了因?yàn)楣ば騿栴}導(dǎo)致的變形差而產(chǎn)生的裂縫。該類裂縫基本為豎直走向的貫穿性裂縫。深刻認(rèn)識理解該類裂縫的成因，對創(chuàng)新后續(xù)工程的裂縫防控措施，提高水利工程質(zhì)量，指導(dǎo)水利工程施工意義重大。