水工混凝土裂縫分析及控制技術綜述

周述禮，趙 青，郭建強

(貴州大學土木工程學院，貴州 貴陽 550025)

混凝土是一種復雜非均質多相的復合材料，開裂是其普遍存在的病害之一，可能由原材料、入模溫度、約束條件、養護措施等多種因素綜合造成[1]。混凝土裂縫會影響水利建筑物的強度、穩定性和耐久性。此外，開裂產生的裂縫或微裂縫增加了混凝土的滲透性，使有害物質侵入結構中，造成鋼筋銹蝕和弱化水泥基質[2- 5]，影響混凝土結構的承載力且降低工程質量。如何控制混凝土裂縫問題是工程施工質量管理的重點。

基于已有的研究結果，本文對混凝土裂縫進行分類并分析其成因，總結出裂縫控制技術及相關措施。根據混凝土裂縫自愈合的影響規律和自愈合條件，提出將混凝土自愈合性能用于防控混凝土裂縫。希望能為水工混凝土裂縫的控制提供理論依據，促進我國水利工程的發展。

1 混凝土裂縫類型

1.1 收縮裂縫與塑性收縮裂縫

混凝土收縮有干縮與凝縮，前者是多余水分蒸發，后者是體積縮小，干縮占比約85%，另外還有碳化收縮和自生收縮。混凝土硬化時，干燥過程是由外到內的，將會產生表面收縮大、內部收縮小的不均勻收縮。當表面收縮受到約束時產生的拉應力超過其抗拉強度時，便會產生收縮裂縫。當施工環境較干燥時，表面水分蒸發快，導致變形加快，一般會出現中間較寬，兩端細長的塑性裂縫[6- 8]。

1.2 沉陷裂縫

施工時，混凝土結構自身分布不均勻會造成不均勻沉降，產生沉陷裂縫；不正確的模板工程設計和地質變化導致混凝土結構的荷載出現變化，都會增加沉陷裂縫的發生。沉陷裂縫發生的寬度不夠均勻，會受到一定沉降差異的影響，一般表現為穿透裂縫[6- 7]。

1.3 溫度裂縫

混凝土固結時間較長、施工量較大的工程在硬化期間，若施工速度較快，水化熱不能快速消散，導致混凝土結構表面溫度比內部溫度低。結構間的溫差變大將發生變形，當變形受到約束時產生的拉應力大于抗拉強度時溫度裂縫就會產生。溫度裂縫會隨溫度的改變而擴張或合攏，且可分為截面上下溫差裂縫、截面內外溫差裂縫和截面均勻溫差裂縫[1，6]。

1.4 其他分類

依據裂縫問題形成原因、有害程度、出現時間、裂縫深度和形狀進行混凝土裂縫的分類，具體見表1。

2 產生裂縫的原因

2.1 塑性收縮和塑性坍塌

混凝土在固化期間易受外界因素干擾，在終凝前若處在不穩定的環境中，水分持續蒸發，體積不斷收縮、變形，預期要求難以滿足，最終導致混凝土發生塑性收縮而出現塑性收縮裂縫[8]。而在高配筋率的構件中，混凝土收縮被鋼筋所限制出現拉應力時，構件內很可能就會引發混凝土收縮裂縫。混凝土在受到一定的因素作用，自身狀態產生變化時，會出現塑性坍塌問題，亦會引發混凝士裂縫[11]。

表1 混凝土裂縫分類表

2.2 溫度和溫度應力

溫度應力問題主要是溫差引起的，溫差越大，相應的溫度應力也越大。混凝土散熱難度大，其內部溫度可高達80℃，且延續時間較長。混凝土硬化過程中，混凝土內部熱量的主要來源水泥水化熱積聚在混凝土內部，導致內部溫度升高、出現溫度階梯，出現內脹外縮的現象，從而使混凝土表面與內部的拉應力出現較大的差距，當拉應力超過混凝土的抗拉強度時，溫度裂縫就會生成。施工時溫度控制和約束條件控制不當，出現溫度控制失衡情況，也會引發溫度裂縫。混凝土開裂問題還受到外部氣溫變化的影響，外界溫度下降越快，混凝土內、外層的溫差就會逐漸提升，若溫度過低，還會引發混凝土內部結冰而產生裂縫[9- 12]。

2.3 原料質量問題和化學反應

混凝土拌制材料的質量直接影響著混凝土的質量，因此要嚴格的控制混凝土中水泥、砂石、摻合料和外加劑等材料的質量，保證達到施工標準。此外，要注意水泥的儲存時間和儲存環境，水泥長時間的儲存將會影響自身的質量，可能降低混凝土的強度。化學反應是混凝土裂縫產生的原因之一，主要是堿骨料反應產生硅酸凝膠，該材料在溫度升高時逐漸膨脹，隨后溫度下降，由于材料熱脹冷縮產生裂縫[6、13]。

2.4 混凝土攪拌和溫度控制問題

在混凝土的制拌過程中水泥釋放的熱量，可能會導致混凝土內外部過大的溫差或內部水分蒸發，由此產生混凝土裂縫。混凝土攪拌不均勻或攪拌的溫度未達到施工標準時，將會影響其澆筑、出現質量問題以及增加混凝土出現裂縫的幾率。混凝土澆筑速度過快會產生較大的熱量，攪拌時間過長發生離析，兩者均易出現裂縫[6]。

3 混凝土裂縫控制措施

3.1 完善施工設計及支模控制措施

從施工設計角度出發，先通過數值模擬分析，明確施工時可能出現的裂縫情況，做好裂縫預防工作，完善施工設計，形成系統的施工操作流程并嚴格遵循。另外，優化混凝土配筋，定制配筋加固措施，從而減少或防止裂縫的出現。支撐模具是混凝土澆筑的第一項內容，嚴格控制混凝土模板質量，選用具有良好散熱效果的模板，可增加混凝土自身穩定性及散熱[6，14]。

3.2 集料控制措施

控制混凝土澆筑質量，必須要提高集料的質量，挑選的材料均要滿足水利工程設計標準以及相關規范，采購時保證水泥型號、骨料級配與粒徑，外加劑的種類均符合施工要求[15]。制拌過程中要保證制拌比例符合各項要求，降低或防止混凝土裂縫產生。集料挑選原則：優先選用低水化熱、強度和水膠比適中的膠凝材料，并摻加適量的礦物摻合料來降低水泥用量；添加高性能的減水劑，改善混凝土和易性；摻合料選擇各項性能均衡的粉煤灰；骨料選擇顆粒形狀佳、粒徑較大的，并且對其進行沖洗，控制細骨料和粗骨料的含砂量；降低混凝土的塌落度[16- 17]。

3.3 優化設計混凝土配合比

優化混凝土配置比例，降低水化熱和混凝土內外溫差。在配合比設計中，可在施工前用施工材料進行混凝土的強度、塌落度等參數的多次檢測試驗，得到性能最為優異的配合比；其次在骨料中加入適量粉煤灰與合適的減水劑；控制好水與粘合劑的比例；適當降低水灰比，保證水灰比不超過 0.6。施工材料中的粗骨料為二級，最大粒徑控制在150mm以下，砂的細度模數大于2.4，泥漿含量小于1%[6，8，11，18]。

3.4 把控混凝土制拌、運輸過程中的質量

混凝土制拌時，充分攪拌混凝土，使混凝土、水和添加劑等充分融合。結合實際的工作要求合理控制混凝土攪拌和沉淀的時間，澆筑混凝土時必須連續，做好規劃，原材料準備充足，避免因原材料供應不足而出現澆筑中斷的情況。澆筑時還需注意：①控制混凝土的澆筑速度；②準確掌握混凝土攪拌的時間；③分析施工環境，外界溫度過高或過低均不利于裂縫的控制[6]。④應盡量選擇現場攪拌與澆筑的形式，若需要運輸到施工現場，則要科學地規定混凝土運料的時間和地點，把控好混凝土運輸過程中的質量[18]。

3.5 溫度及溫度應力控制措施

混凝土裂縫產生的重點是溫度，因此需要全面做好溫度的把控。關注氣溫變化，加強溫度測量和溫度監測管理，實行信息化控制。外界環境溫度較高時，對材料采取遮陽和密封等措施，混凝土拌合前用冷水沖刷碎石來降低攪拌產生的熱量，低溫條件下采取相應的保溫措施。為了降低混凝土的內外溫度差和溫度應力，可以采用通風、二次風冷、水管水冷技術等工藝來降低混凝土溫度，或者在施工中用瀝青形成滑動層，改善其約束條件，釋放溫度應力。澆筑時間盡量選擇7-10時或15-18時[6,8,12,16,18- 20]。

3.6 施工工藝控制及混凝土養護處理

在施工過程中，采用分層或分級澆筑的方法按照規定的澆筑厚度、方向及順序進行澆筑，下層混凝土初凝后及時澆筑上層混凝土，氣溫較低時適當降低澆筑速度。強化振搗工作，入模后及時振搗混凝土，避免出現離析和局部空隙，振搗時快插慢拔。每次振搗的深度是接觸面的10～20cm，插入到下層 5～10 cm。振搗完畢后刮平最后一層混凝土并開展清潔工作[9，12，16，21]。

強化混凝土的養護要結合具體情況、合理運用養護方法、掌握養護時間、精準控制水量，養護時需要考慮濕度和溫度兩個方面。澆筑后一般進行七至十天的養護工作，確保水分充足來供應水泥水化。如為了保持混凝土表面濕潤，在其表面覆蓋土工布或者塑料薄膜，高溫地區定期進行人工澆水處理；在氣溫較低時可選擇草墊子或者棉被覆蓋混凝土；當外界溫度過低時，還應增設加熱設備或者采用蒸汽養護來控制混凝土內外溫差在 25 ℃左右[9，18]。

3.7 做好裂縫修補工作

在施工作業中對已出現的裂縫及時分析并采取處理措施。目前，常用的修補方法見表2。

3.8 混凝土自愈合性能防控裂縫

在混凝土裂縫的防控措施中，充分利用混凝土自愈合的性能，創造自愈合條件，便可促進自愈合的發生，從而對損傷處進行修復，一定程度上恢復并改善混凝土的性能，預防混凝土開裂[22- 25]。國內外大體采用了無損法和破損法研究混凝土試件開裂[24- 29]，總結了混凝土裂縫自愈合的條件和影響因素[2,22-27,29,30- 35]。

李志強[23]進行了自愈合能力對比試驗。得出當水泥顆粒比表面積小于 240m2/kg或大于 300m2/kg 時，混凝土自愈合能力均呈現下降趨勢，所以水泥細度應適當。柴鵬[24]采用多維灰模型表明適當的水灰比能明顯改善裂縫的自愈合性能。摻加了粉煤灰的混凝土后期自愈合較為明顯[24,33]，摻加纖維一定程度上限制了裂縫的擴展，而且細化了裂縫[30- 35]。摻加主動愈合材料能提高結構自愈合的程度。劉素瑞[25]研究發現，相比于水環境，氫氧化鈉溶液中混凝土自愈合效果更好。開裂混凝土試件自愈合的速率干濕循環條件比長期浸沒條件更快[27]，在大氣環境中時十分緩慢[29]。 Reinhardt等[34]的研究表明在20 ℃ ～80 ℃ 內，隨著溫度的升高，自愈合的速度加快。早齡期開裂的試件有更好的自愈合效果[22]。Gagne等[28]的試驗表明，有效裂縫寬度在第一個月內減少最快。

表2 混凝土裂縫修補方法對比表

4 結論

通過本文分析可知，混凝土裂縫的種類大致可分為收縮、沉陷、溫度、鋼筋銹蝕裂縫和按其他依據進行分類的裂縫。各種混凝土裂縫產生的原因都很復雜，有塑性收縮和坍塌、溫度和溫度應力、原料質量、攪拌和溫度控制問題等多方面的因素。

混凝土裂縫的防治非常關鍵，需要從多個方面進行裂縫控制技術的應用。包括完善施工設計、支模和集料控制、優化配合比、溫度及溫度應力控制、施工工藝控制及混凝土養護處理等裂縫防控措施。通過采取上述措施，做好水利施工全過程的質量管理和提升，從而減少或避免混凝土裂縫的出現，保證水利工程的質量和安全。

針對混凝土自愈合性能，若能充分利用并創造自愈合條件，比如適當的水泥細度和水灰比、摻加了粉煤灰、纖維和主動愈合材料、提供特定的環境等，將會在一定程度上修復混凝土裂縫。對于開裂混凝土的自愈合機理、效率、評價指標、加強自愈合的具體手段和實際應用等問題都需要深入地探索。希望有更多的研究團隊針對混凝土自愈合性能進行更多的試驗研究，盡早提出系統的混凝土裂縫自愈合控制措施。