水利工程中混凝土裂縫產(chǎn)生的原因及修復(fù)分析

◇珠江水利委員會珠江水利科學(xué)研究院 林家宇 劉廣華 薛 琦 李海峰

在水利工程建設(shè)中，混凝土結(jié)構(gòu)是最基礎(chǔ)的一項，對于混凝土的各性能評價也是水利工程中重要的任務(wù)之一。其中，由于溫度變化、水分變化、結(jié)構(gòu)變形等各種因素影響下，混凝土極易產(chǎn)生裂縫，混凝土裂縫直接關(guān)系到水利工程的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性以及功能可靠性。因此，本文圍繞混凝土裂縫產(chǎn)生的原因進(jìn)行探討并對修復(fù)裂縫方案作研究分析。

1 引言

在現(xiàn)代社會發(fā)展緊張的進(jìn)程中，水利工程作為基礎(chǔ)設(shè)施關(guān)鍵的一項，對于水資源的合理利用、洪水防治、灌溉供水等具有至關(guān)重要的作用。混凝土結(jié)構(gòu)作為水利工程中的基本構(gòu)件，承擔(dān)著支撐、保護(hù)和引導(dǎo)水流等的重要任務(wù)。然而，隨著時間的推移和環(huán)境的影響，混凝土結(jié)構(gòu)可能出現(xiàn)各種問題，其中裂縫是一項普遍且嚴(yán)重的挑戰(zhàn)。混凝土裂縫裂縫可能導(dǎo)致水滲透，加速結(jié)構(gòu)損壞同時也可能威脅到工程的運(yùn)行安全，對生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生負(fù)面影響，甚至影響到社會經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展。

2 混凝土裂縫的分類及影響

2.1 溫度裂縫

溫度裂縫是在混凝土結(jié)構(gòu)中由于溫度變化引起的裂縫。混凝土具有熱脹冷縮性質(zhì)，當(dāng)其內(nèi)外溫差產(chǎn)生變形和溫度應(yīng)力，一旦溫度應(yīng)力超過混凝土能承受的極限抗拉強(qiáng)度時，就會產(chǎn)生溫度裂縫[1]。溫度裂縫通常呈斜向狀或直線狀，分布于混凝土的表面或內(nèi)部。這種裂縫通常不會直接威脅結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，但會影響外觀美觀以及水滲透問題。

2.2 收縮裂縫

在混凝土初步澆筑時，由于水分含量較高，隨著時間的推移，水分逐漸蒸發(fā)或被吸收，進(jìn)而導(dǎo)致混凝土體積收縮。這種體積收縮會產(chǎn)生內(nèi)部應(yīng)力，最終導(dǎo)致表面或內(nèi)部形成裂縫。收縮裂縫通常是細(xì)小的、呈蜘蛛網(wǎng)狀的裂紋，分布在混凝土表面。

2.3 荷載引起的裂縫

荷載引起的裂縫是由外部荷載施加在混凝土結(jié)構(gòu)上時產(chǎn)生的。這些荷載可能是永久性荷載（例如建筑本身的重量）或臨時荷載（例如水壓力、風(fēng)荷載等）。荷載引起的裂縫可以在結(jié)構(gòu)的受力部位（如梁、柱）或連接部位（如接縫、焊接點）形成。這些裂縫的特點取決于荷載的大小、施加位置和結(jié)構(gòu)的幾何形狀。

2.4 其他裂縫類型

荷載引起的裂縫是由外部荷載施加在混凝土結(jié)構(gòu)上時產(chǎn)生的。這些荷載可能是永久性荷載（例如建筑本身的重量）或臨時荷載（例如水壓力、風(fēng)荷載等）。荷載引起的裂縫可以在結(jié)構(gòu)的受力部位（如梁、柱）或連接部位（如接縫、焊接點）形成。這些裂縫的特點取決于荷載的大小、施加位置和結(jié)構(gòu)的幾何形狀。

2.5 裂縫的影響

不同類型的裂縫會對水利工程產(chǎn)生不同的影響。溫度裂縫可能影響外觀和水滲透，收縮裂縫可能引起結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和穩(wěn)定性問題，荷載引起的裂縫可能影響結(jié)構(gòu)的承載能力和安全性。裂縫的形態(tài)、分布和影響取決于裂縫的類型和具體情況。

3 混凝土裂縫產(chǎn)生的主要原因

3.1 溫度變化引起的裂縫

溫度變化是混凝土裂縫產(chǎn)生的常見原因之一。混凝土是一種熱脹冷縮的材料，當(dāng)溫度升高時，混凝土?xí)蛎洠跍囟认陆禃r，會收縮。這是由于混凝土中的水分分子在熱脹冷縮過程中發(fā)生體積變化。由于混凝土的尺寸受到限制，溫度引起的膨脹和收縮會導(dǎo)致內(nèi)部應(yīng)力的積累，最終導(dǎo)致裂縫的形成。溫度裂縫產(chǎn)生的條件和情況取決于溫度變化的幅度和速率。大幅度的溫度變化，尤其是在混凝土表面和內(nèi)部之間的溫度差異較大時，容易引發(fā)裂縫。高溫下的快速蒸發(fā)也可能導(dǎo)致混凝土表面的收縮裂縫。

3.2 水分變化引起的裂縫

混凝土水化過程中要產(chǎn)生一定的體積變形，多數(shù)是收縮變形，收縮變形的主要原因是摻入的拌合水20%參與水化，約80%要逐漸蒸發(fā)，從而引發(fā)毛細(xì)管應(yīng)力，該應(yīng)力是導(dǎo)致干縮裂縫的主要原因[2]。在濕潤干燥循環(huán)中，混凝土在不斷吸濕和干燥的情況下，會不斷發(fā)生收縮和膨脹，這種循環(huán)性的變化會導(dǎo)致裂縫的逐漸產(chǎn)生和擴(kuò)展。

3.3 結(jié)構(gòu)變形引起的裂縫

混凝土結(jié)構(gòu)變形也可能導(dǎo)致裂縫的產(chǎn)生。結(jié)構(gòu)變形可以是由荷載施加、地基沉降以及結(jié)構(gòu)自身的變形引起的，當(dāng)荷載施加在混凝土結(jié)構(gòu)上時，如果結(jié)構(gòu)不足以承受這些荷載，內(nèi)部應(yīng)力就會增加，可能導(dǎo)致裂縫的形成。地基沉降是另一個可能導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)裂縫的因素。如果地基沉降不均勻，會使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不均勻的變形，從而引發(fā)裂縫。

3.4 材料問題引起的裂縫

使用不合格的材料或者施工質(zhì)量不良也可能導(dǎo)致混凝土裂縫的產(chǎn)生，不合格的材料可能具有較高的水分含量、不良的化學(xué)性質(zhì)或者含有過多的雜質(zhì)，這些都會影響混凝土的性能，從而增加裂縫產(chǎn)生的風(fēng)險。施工質(zhì)量不良，如混凝土澆筑過程中的不均勻振搗、未能適當(dāng)?shù)乜刂扑酀{比例等，也可能導(dǎo)致混凝土內(nèi)部存在微觀缺陷，最終導(dǎo)致裂縫的形成。

3.5 化學(xué)反應(yīng)引起的裂縫

混凝土中的化學(xué)反應(yīng)也可能導(dǎo)致裂縫的產(chǎn)生。例如，堿-骨料反應(yīng)是一種可能引發(fā)裂縫的化學(xué)反應(yīng)，這種反應(yīng)涉及混凝土中的堿性成分與某些骨料中的硅酸鹽礦物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，導(dǎo)致內(nèi)部應(yīng)力的積累，最終導(dǎo)致裂縫的形成。

4 修復(fù)混凝土裂縫的方法與策略

修復(fù)混凝土裂縫的方法與策略涵蓋了預(yù)防性措施、結(jié)構(gòu)增強(qiáng)與加固、補(bǔ)修材料應(yīng)用以及實際案例分析。以下是對每個方面的詳細(xì)介紹。

4.1 預(yù)防性措施

在設(shè)計和施工階段采取預(yù)防措施可以降低混凝土裂縫的產(chǎn)生概率。一些常見的預(yù)防措施包括控制縫的設(shè)置及養(yǎng)護(hù)措施。

（1）控制縫的設(shè)置：在混凝土結(jié)構(gòu)中設(shè)置控制縫，以減輕內(nèi)部應(yīng)力的積累。這些控制縫可以通過在適當(dāng)?shù)奈恢靡龑?dǎo)裂縫的產(chǎn)生，從而避免裂縫的無序擴(kuò)展。

（2）養(yǎng)護(hù)措施：在混凝土澆筑工序完成后，及時采取適當(dāng)?shù)酿B(yǎng)護(hù)措施，如覆蓋濕布、噴水或使用養(yǎng)護(hù)劑，可以幫助控制混凝土的干燥速率，減少早期裂縫的產(chǎn)生。

4.2 預(yù)防性措施

通過結(jié)構(gòu)增強(qiáng)和加固可以減少因結(jié)構(gòu)變形引起的裂縫。這可以通過以下方式實現(xiàn)。

（1）加固材料：使用鋼筋、鋼板、碳纖維等加固材料來增加混凝土結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度，從而減少變形和應(yīng)力的積累。

（2）增加梁柱等承載構(gòu)件的截面尺寸：增加梁柱等承載構(gòu)件的截面尺寸可以提高其承載能力，減少裂縫的產(chǎn)生。

4.3 補(bǔ)修材料應(yīng)用

使用補(bǔ)修材料可以填充和修復(fù)已有的混凝土裂縫，防止其進(jìn)一步擴(kuò)展和加劇。一些常用的補(bǔ)修材料如下所示。

（1）聚合物修復(fù)材料：聚合物修復(fù)材料可以填充裂縫，并與混凝土結(jié)構(gòu)產(chǎn)生粘結(jié)，提高強(qiáng)度和耐久性。

（2）環(huán)氧樹脂：環(huán)氧樹脂具有很強(qiáng)的粘結(jié)性能，可以用于填充較寬的裂縫，還可以加固混凝土結(jié)構(gòu)的受損部分。

5 案例分析

一座水庫大壩的進(jìn)水口混凝土擋墻的表面出現(xiàn)了多條裂縫，裂縫檢測情況如表1所示。

表1 裂縫檢測記錄

經(jīng)過30d內(nèi)的頻繁觀測下，作為本次檢測對象的三條裂縫三項指標(biāo)均保持一致，并沒有加劇的跡象。初步判斷該結(jié)構(gòu)裂縫可能影響穩(wěn)定性和水密性，因此對其作出以下針對性方案。

（1）預(yù)防性措施：在修復(fù)之前，對該水庫大壩進(jìn)行了結(jié)構(gòu)評估，確定了裂縫的產(chǎn)生原因。為了預(yù)防進(jìn)一步裂縫的產(chǎn)生，制定了水壩的溫度變化和水分控制計劃。

（2）結(jié)構(gòu)增強(qiáng)與加固：對水庫大壩進(jìn)水口混凝土擋墻裂縫產(chǎn)生的位置進(jìn)行了加固，使用了鋼筋和碳纖維增強(qiáng)材料，增加了受損區(qū)域的承載能力。

（3）補(bǔ)修材料應(yīng)用：對裂縫進(jìn)行了填充和修復(fù)，使用了環(huán)氧樹脂作為填充材料，以確保裂縫不再擴(kuò)展。

（4）效果評估：經(jīng)過修復(fù)后，對水庫水壩的進(jìn)水口混凝土擋墻進(jìn)行了穩(wěn)定性和水密性測試，發(fā)現(xiàn)修復(fù)效果良好，恢復(fù)了正常的運(yùn)行狀態(tài)。

通過本次案例，可以看出綜合運(yùn)用預(yù)防性措施、結(jié)構(gòu)增強(qiáng)與加固以及補(bǔ)修材料應(yīng)用，可以有效修復(fù)混凝土裂縫，提升結(jié)構(gòu)的耐久性和穩(wěn)定性。

6 結(jié)束語

本文系統(tǒng)性地討論了混凝土裂縫產(chǎn)生的主要原因，涵蓋了溫度變化、水分變化、結(jié)構(gòu)變形、材料問題和化學(xué)反應(yīng)等多個方面。通過深入分析這些原因的機(jī)制，我們可以更好地理解混凝土裂縫的形成過程，同時也探討了預(yù)防和修復(fù)混凝土裂縫的方法與策略，包括預(yù)防性措施、結(jié)構(gòu)增強(qiáng)與加固、補(bǔ)修材料應(yīng)用等。這些方法的綜合運(yùn)用可以有效降低混凝土裂縫的產(chǎn)生風(fēng)險，并提升結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和耐久性。

裂縫不僅影響結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和持久性，還可能導(dǎo)致水密性等問題，進(jìn)而影響水利工程的正常運(yùn)行。通過合理的預(yù)防措施和及時的修復(fù)方法，可以延長結(jié)構(gòu)的使用壽命，確保水利工程的可靠性和持久性。