水工結構工程裂縫成因及防治探討

楊猛 郭林林 水利部珠江水利委員會珠江水利綜合技術中心

在水工結構工程施工階段，施工人員應加強裂縫成因分析，結合實際情況采取針對性的防治措施及治理措施。但目前，水工結構工程裂縫防治及治理環節中仍存在著不足，這就需要采取針對性研究，提高裂縫防治及治理工作效果，強化水工結構工程安全性與可靠性。

1.水工結構工程裂縫特點

在水工結構工程中，絕大部分裂縫問題集中于大體積混凝土結構，究其原因主要是大體積混凝土結構施工環節復雜，材料質量要求嚴格，一旦處理不當就會誘發裂縫問題，使結構性能下降?；炷辆哂写嘈蕴卣?，大體積混凝土結構抗壓性能優越，但抗拉性能差，甚至不足抗壓性能的十分之一。在外界作用力及收縮應力影響下，裂縫問題時有出現。除此之外，水工結構工程混凝土具有水熱化特征。初期階段，混凝土內部溫度過高，彈性模量及變形量小，隨混凝土溫度不斷下降，彈性模量及變形量逐漸上升，此時混凝土內部會產生極大的應力，但混凝土結構抗拉能力極差，內部結構就會出現裂縫問題。水工結構工程涵蓋鋼筋構造，如澆筑環節所用鋼筋數量及標準與實際需求不符，也會使混凝土結構出現裂縫問題[1]。大體積混凝土結構與外界環境接觸面大，空氣中的水分易使鋼筋材料腐蝕，內部易產生應力，使混凝土結構受到損壞。

2.水工結構工程裂縫成因

2.1 鋼筋銹蝕

當混凝土質量不達標或保護層厚度不適宜時，混凝土保護層易受二氧化碳腐蝕侵蝕，當侵蝕到鋼筋部位時，鋼筋周圍混凝土結構堿性下降，加之在氯化物影響下，鋼筋表面氯離子含量上升，鋼筋表面氧化膜受到破壞。鋼筋內部鐵離子與空氣中氧氣及水產生化學反應，銹蝕后生成的氫氧化鐵體積更大，使鋼筋周圍混凝土受到膨脹應力影響，導致混凝土表面沿鋼筋出現裂縫。銹蝕問題還會使鋼筋有效截面積下降，鋼筋與混凝土之間的加持力降低，結構承載能力下降，進而誘發其他形式的開裂，使鋼筋銹蝕問題加劇，使結構受到損壞。

2.2 建材碳化

二氧化碳濃度及濕度均會導致建材出現不同程度的收縮。當水工結構工程下方地下水含有碳酸時，就會導致碳化收縮問題出現。如混凝土碳化收縮幅度大于混凝土抗拉強度，就會造成開裂問題出現。除此之外，碳化收縮無法逆轉，如混凝土長期處于高濃度二氧化碳條件下，就會導致開裂問題加劇。

2.3 溫差

溫差裂縫出現的原因為混凝土結構內外溫度差過大，且在水熱化影響下，溫度不斷上升，內外溫度差會隨之上升。一般情況下，混凝土溫度變化涵蓋三階段，分別是升溫階段、降溫階段及恒定階段。在溫度轉換階段，混凝土內部水分凝固，在體積膨脹下，誘發凍脹壓力。當作用力大于混凝土結構抗拉性能，混凝土結構就會損壞。此外，施工季節選擇不當也會導致結構出現裂縫。究其原因是施工季節與施工溫度聯系密切，當溫差過大時也會導致施工質量受到影響。

2.4 沉降

如水工結構工程所處區域地基穩定性不足、表面不平整、結構不均勻、回填土選擇不當及碾壓處理不當，地基結構將出現不均勻沉降及不規則沉降。當模板下滑時，大體積混凝土結構上方也會出現裂縫問題。尤其是夏季降雨過后，結構薄弱部位也易出現開裂現象。當水工結構建筑地基承載能力發生改變時，沉降裂縫也會向水工結構蔓延，嚴重時還會導致水工結構坍塌。除此之外，裂縫出現原因也涵蓋施工質量不達標及設計方案不當等。

2.5 收縮

收縮裂縫成因主要為混凝土內部水分流失過大。在混凝土攪拌過程中，僅五分之一攪拌水用于水泥凝固，其余五分之四攪拌水用于外界蒸發。在混凝土澆筑完成且徹底硬化前，在高溫天氣及大風天氣影響下，混凝土表面水分流失過快，塑性收縮問題發生，塑性裂縫呈中間寬兩側窄的特征。此外，混凝土表面水分流失過快，內部水分流失速度慢，隨水泥不斷硬化，結構表面拉應力提高，結構形變導致干縮裂紋出現[2]。

3.水工結構工程裂縫防治措施

3.1 加強施工材料質量控制

在水工結構工程裂縫防治過程中，可通過施工材料管控的方式降低裂縫問題發生幾率?？茖W選擇施工材料種類，盡可能的將混凝土裂縫保持在可接受范圍之內。通過優化混凝土配比的方式，提高混凝土質量及性能。水泥、集料、水等材料是混凝土重要構成部分，在選材過程中應做好重點分析和研究。

第一，針對砂石材料，應加強含泥量控制，提高砂石材料性能，確保強度達到施工要求。第二，應優先選擇大材質砂礫，避免使用小材質砂礫，導致混凝土內部熱量過高。此外，還應優先選擇小收縮系數材料，以此減輕混凝土應力[3]。第三，施工人員可結合水工結構工程建設需求，添加適當添加劑，提高混凝土結構強度。應科學選擇添加劑種類，確保添加劑用量適宜?？偠灾瑧茖W選擇材料種類，加強質量控制，避免裂縫問題出現。除此之外，還可直接選擇水泥含量少的混凝土使用，通過這種方式降低水熱化影響。例如，在科學技術不斷發展下，摻煤灰混凝土及摻礦渣混泥土已實現了廣泛的應用，該種混凝土材料水熱化影響更低。

3.2 做好溫差裂縫防治

施工環節管理對裂縫產生具有直接的影響。在水工結構工程施工階段，溫度原因誘發的裂縫問題最為普遍，這與施工現場環境聯系密切。如外界環境溫度過高將導致溫變裂縫出現，應優先選擇溫度適宜條件展開施工作業，例如初秋量級。如夏季施工無法避免，則應優先選擇早晚時間段展開作業，并做好降溫及保溫工作，例如搭設涼棚或利用灑水的方式完成降溫，還可選擇以下幾種方式實現降溫目的。

（1）骨料降溫，可利用搭建涼棚的方式避免陽光直射骨料表面，導致骨料吸收熱量過多。還可利用灑水的方法，將16℃左右的自來水噴灑在骨料表面，實現降溫。

（2）可通過添加冰塊的方式降低溫度。在混凝土澆筑工作展開前，可將粒徑為3cm的小冰塊添加在混凝土生料內，在經過一系列的攪拌處理后，使冰塊與混凝土充分融合。還應結合出機口溫度，科學調整冰塊用量。如出機口溫度為18℃，則每立方混凝土添加120g左右冰塊。當冰塊添加完成后，還需適當延長攪拌時間，降低混凝土澆筑速度，避免溫差裂縫出現。此外，還可通過攪拌水降溫的方法，使攪拌水溫度下降3℃至7℃，實現混凝土降溫。

（3）科學設置散熱設施及溫度測量設施。首先，針對散熱管而言，應優先選擇規格為Φ48×1.4mm鋼管，將其與鋼筋相綁扎。針對厚度為4m的承臺，應沿豎直方向分散設置兩層散熱管網，水平距離及垂直距離需保持在1m左右。針對厚度為3.5m的承臺，應沿豎直方向分散設置兩層散熱管網，水平距離及垂直距離需保持在1m左右，頂層網需與承臺頂部距離及底層網需與承臺底部距離均需保持為1.25m，進水口需高出混凝土承臺頂面30cm[4]。在布管過程中，散熱管需與承臺主筋保持指定距離。如管段難以正常錯開，需適當移動散熱管。散熱管需與鋼筋架或搭接鋼筋捆綁嚴密，避免散熱管出現形變或接頭出現脫落，導致堵水或滲水問題出現。散熱管拐彎部位需設置緩沖部件。當散熱管分布完成后，需利用通水測試判斷水管是否順暢，判斷是否存在滲水問題。其次，針對溫度測量設施而言，其可實現混凝土結構內部溫度測量及監控，為后續養護工作的實施提供科學的利用依據。在表面溫度測量過程中，施工人員可將溫度應變片設置在水工結構工程對角線及縱橫軸線上，利用溫度顯示屏獲取數據及信息。在內部溫度測量過程中，施工人員可每隔3m設置一個管式溫度計，將防護框設置在管式溫度計上方，并懸掛在內部。

（4）通水降溫。施工人員可將塑料水桶設置在基坑上下部位，將水傾倒在塑料水桶中，利用塑料管將基坑上部的塑料水桶連接，利用連通器原理使各塑料水桶水流通暢，基坑下部各塑料水桶也與采用上述方法連接。將進水管道設置在基坑上部塑料水桶中，管道在經過分水閥后與分管相連，將2.2kW潛水泵設置在塑料水桶中，可利用調整水泵和閥門的方法修改流速，使水分實現循環流動進而降溫。針對通水降溫，單個散熱管冷卻水流速應保持在每小時1.2m3至1.5m3，進入水口溫度差不可高于6℃，結合溫度檢測結果，科學調整通水時間，一般情況下為12d。根據結構內部最高溫度和外表溫度數值，當外表溫度和環境溫差低于20%時即可停止。其中，流量調整水閥及流量測量設施需設置在出水口部位。除需做好降溫工作外，混凝土澆筑環節易出現泌水及浮漿現象，所以應在施工現場設置水桶，及時展開泌水及浮漿清理，提高混凝土結構密實程度。

3.3 加強荷載應力防治

為強化混凝土結構強度，避免裂縫問題發生，應優先選擇C60高強度水泥使用。科學選擇骨料規格，提高混凝土材料性能。此外，還可添加適當數量的降水劑。針對薄弱部位而言，應做好加筋處理。在加筋過程中，需確保鋼筋分布均勻，直徑及距離科學適宜。在模板拆除后，需做好遮蓋及保溫處理，降低外界高溫天氣及大風天氣對其造成的不利影響。

3.4 加強作業用水管理

加強作業用水管理也可降低裂縫問題發生率。在材料選擇過程中，應將其含水量保持在20%以下。當施工完成后，養護階段不可采取大水漫灌的方式處理，避免表面受到損壞。加強作業用水管理還可提高水資源利用效率，避免水資源浪費問題出現。

3.5 做好后期養護

在水工結構工程裂縫防治中，后期養護也是重點工作。施工人員需從內外兩個角度出發，提高內部隔熱層性能，做好表面養護工作。針對外部表面養護工作而言，可利用覆蓋草墊或棉被的方式避免溫度消散過快，使內外溫度盡可能保持一致。除此之外，還可將水分噴灑在水工結構工程表面，延緩水分蒸發速度。

4.水工結構工程裂縫治理措施

填充技術是指將混凝土修補材料填充在混凝土裂縫內部，該種填充方式操作過程相對便捷，且不會消耗大量的費用，修復效果更好，已受到了社會各界的廣泛認可。但需要注意的是，針對大深度裂縫修補工作而言，修補效果難以達到預期要求。為提高填充技術應用水平，應科學選擇修復材料。常見修復材料涵蓋水泥漿液、纖維修補材料及聚苯乙烯橡膠等，這種材料粘合度好、強度高。在修復階段，需做好裂縫部位修補，使用工具處理好裂縫兩側，將裂縫修整為V型或U型凹槽，將其寬度保持在2cm至10cm間，深度需延伸至裂縫底部，裂縫變窄部位寬度應保持在1.5cm至5cm間。在處理過程中，如遇到鋼筋，則應做好鋼筋質量檢查，判斷表面是否存在銹蝕或破損[5]。如存在缺陷，則應做好修補及防腐處理，再應用粘合材料完成裂縫修補。施工人員還需做好凹槽清潔，避免存在碎屑及灰塵，隨后將砂漿涂抹在凹槽表面。當砂漿硬化后，再使用修復材料填充，再展開后續養護處理。

化學灌漿技術可完成大深度裂縫修補，應用范圍更廣。化學灌漿技術填充材料為水泥或高分子聚合物，可利用專業設備將灌漿材料注入裂縫內，實施后續壓實作業，修復效果更好，修復完成后的裂縫穩定性更強。為提高該項技術應用水平，需結合裂縫實際選擇灌漿方法及灌漿材料。常見水泥漿液由水泥、粉煤灰及水配置而成，粘度更高，在寬裂縫處理環節中使用效果更好。高分子聚合物填充材料為環氧樹脂及甲基丙烯酸酯等，該種材料滲透性更好，可用于大深度裂縫處理環節。為提高化學灌漿技術應用水平，也需做好裂縫處理，開鑿完成后清潔表面，利用灌漿設備展開作業，灌漿時間需保持3min以上，漿液凝固后即可完成修復。

5.結語

綜上所述，在水工結構工程施工階段，裂縫防治工作的重要作用不可忽視，不僅需要從施工材料質量控制、溫差裂縫防治、荷載應力防治、作業用水管理、后期養護角度出發做好針對性預防，還應從后期出發，利用填充技術做好修復及處理。多項因素均會導致水工結構工程出現裂縫問題，施工人員需展開具體分析及討論，從多角度出發提高水工結構工程施工質量，延長水工結構工程使用年限。