浅析混凝土裂缝的成因及处理方法

汪斌

摘要：目前的土木建筑工程，以混凝土结构占主导地位，混凝土结构由于内外因素的作用不可避免地存在裂缝，而裂缝是混凝土结构物承载能力、耐久性及防水性降低的主要原因。近年来，随着大型水工地下洞室群的不断涌现和人们对水工地下洞室混凝土质量要求的提高，裂缝问题出越来越受到业内人士的关注，本文从实际工程出发，详细分析了水工地下洞裂缝产生的原因，并对应当采取的相应措施进行了阐述。
关键词：混凝土；裂缝；原因；预防
Abstract: the present civil engineering and construction, with concrete structure are dominant, concrete structure because of the role of the internal and external factors is unavoidable crack, but the damage is the concrete structures, the durability and the carrying capacity of water proofing property of the main causes of the lower. In recent years, with large hydraulic underground cavities and people to the emergence of hydraulic underground cavern concrete quality requirements of the increase, the crack problem out more and more be the concern of the industry, this paper starting from the actual engineering, and analyzed the underground hole hydraulic reason of cracks, and shall take relevant measures are presented in this paper.
Keywords: concrete; Crack; Reason; prevention

中图分类号：TU37 文献标识码：A 文章编号：

1 裂缝产生的原因分析
水工地下洞室混凝土所处的环境往往比较复杂，这就决定了其裂缝产生与露天结构(如大坝等)相比有其特殊性。根据多年的工程经验，笔者认为水工地下洞室混凝土裂缝产生的原因主要是温度、约束应力、收缩等一种或几种因素的联合作用。
1．1 由于温度原因而引起的裂缝
混凝土浇筑后，在硬化过程中，水泥水化产生大量的水化热。由于混凝土的体积较大，大量的水化热聚积在混凝土内部而不易散发，导致内部温度急剧上升，而混凝土表面散热较快，使得混凝土结构内外出现较大的温差，这些温差造成内部与外部热胀冷缩的程度不同，使混凝土表面产生一定的拉应力。在钢筋混凝土中，拉应力主要由钢筋承担，混凝土仅承受压应力。在素混凝土内或钢筋混凝土的边缘部位，如果结构内出现了拉应力，则须依靠混凝土自身承担。混凝土是一种脆性材料，其抗拉强度为抗压强度的1／lO左右，短期加荷时的极限拉伸值为(o．6～1．O)×10－6，长期加荷时的极限拉伸值为(1．2～2．O)×10－4。当拉应力超过混凝土的抗拉强度时，混凝土表面就会产生裂缝。在混凝土的施工中，当温差变化较大，或混凝土受到寒潮的袭击等时，会导致混凝土表面温度急剧下降而产生收缩，表面收缩的混凝土受内部混凝土的约束，将产生很大的拉应力而产生裂缝。
1．2 由于约束应力而产生的裂缝
水工地下洞室混凝土周边都和基岩接触，因此基岩的约束作用往往贯穿整个浇筑块。水工地下洞室地质结构往往比较复杂，岩性不均一，尤其在遇到软弱夹层和断层破碎带时，同一块混凝土的约束应力相差可能会很大，从而造成混凝土受到的约束应力非常不均匀，局部还可能造成应力集中的现象，使混凝土产生约束裂缝。混凝土浇筑前仓面不同的自然状态也会产生不同的约束作用，如超欠挖及由此造成的平整度差、喷混凝土与不喷混凝土、喷层的厚度及均匀性、先期是否浇筑垫层混凝土、超挖或塌方部位的回填混凝土先浇与后浇或同时浇筑、围岩系统支护的型式、锚杆布置及外露长度、锚杆与钢筋混凝土结构的连接形式、钢拱架等临时支护手段的实施情况、洞室及基岩的温度、仓内岩面的渗水情况等，都会产生不同的约束应力，从而不同程度地影响混凝土的抗裂性能，引起裂缝的产生。
1．3 由于混凝土原材料及施工工艺原因而产生的裂缝
混凝土中的水泥、砂石骨料、外加剂等原材料质量不稳定，则很容易造成同一块混凝土中的抗拉强度不均匀，在薄弱部位就易出现裂缝。
另外，施工工艺不当或施工质量控制不严也会引起裂缝的产生，如养护不周、时干时湿，表面干缩形变受到内部混凝土的约束，水灰比不稳定，运输和浇筑过程中的离析现象，以及浇筑过程中的振捣不均匀等，从而造成同一块混凝土结构的不均匀性，特别是地下洞室混凝土浇筑仓面空间狭小、作业环境较差，有些部位基础面还有渗滴水现象，作业人员的素质、责任心以及监控力度的大小直接决定了混凝土浇筑质量的好坏；混凝土中相对薄弱的环节往往是裂缝首先开裂的部位。
1．4 由于收缩而引起的裂缝
混凝土中水泥浆的水分蒸发或表面失水过快而导致收缩，使混凝土表面产生龟裂等现象，这种裂缝一般对混凝土的质量影响不大，但需要注意和其他因素联合作用而发展成深层裂缝或贯穿裂缝。
2 水工地下洞室混凝土裂缝的预防措施
2．1 混凝土原材料及配合比的选用
(1)尽量选用低热或中热水泥。大体积钢筋混凝土引起裂缝的主要原因是水泥水化热的大量积聚，使混凝土出现早期升温和后期降温，产生内部和表面的温差。另外，目前水工地下洞室混凝土多采用R42．5水泥，水泥标号越高，颗粒越细，产生水化热越高。施工时最好选用同一个生产厂家的水泥，并对水泥的相关指标和性能作出严格的规定，抽检水泥品质的稳定性。
(2)选用合格的砂石骨料。
(3)掺加掺合料。大量试验研究和工程实践表明，混凝土中掺入一定数量优质的粉煤灰后，不但能代替部分水泥，而且由于粉煤灰颗粒呈球状，具有滚珠效应，可起到润滑作用，进而改善混凝土拌和物的流动性、黏聚性和保水性，因此改善了可泵性。特别是掺加原状或磨细粉煤灰后，可以降低混凝土中水泥水化热，减少混凝土的绝热温升。在某水电站导流洞混凝土施工中，做了大量的试验和研究，将粉煤灰掺量增加到25﹪ ，已成功应用并被实践证明是可行的。
(4)充分利用混凝土的后期强度，采用9O天或180天龄期的设计强度，尤其是在掺加粉煤灰等掺合料后，虽然早期强度有所降低，但后期强度增长较快，甚至在9O天或180天后高于不掺时的强度。在水电站已广泛采用9O天龄期的设计强度。
(5)掺加外加剂，改善混凝土性能，减少水泥用量。在混凝土中掺加一定量的具有减水、增塑、缓凝等作用的外加剂，以改善混凝土拌和物的流动性、保水性，降低水化热，推迟热峰的出现时间。例如，掺加减水防裂剂的混凝土在保持混凝土强度的条件下可减少15﹪ 的水泥用量，其体积用增加骨料用量来补充；减水防裂剂可以改善水泥浆的稠度，减少混凝土泌水，减少沉缩变形，提高水泥浆与骨料的黏结力，提高混凝土抗裂性能、抗拉强度和抗碳化性，减少碳化收缩。
(6)必要时掺加微纤维，如在某地下电站岩锚梁混凝土中曾掺加了聚丙烯纤维，并取得了成功。该项技术正处在研究和发展阶段，而且费用较高，采用该方法时要有必要的试验和论证。
2．2 采用温控措施
以前，水工地下洞室混凝土很少采用温控措施，但近年来随着人们对质量的要求不断提高，水工地下洞室混凝土采用温控防裂措施也逐渐增多。目前，大型地下电站水电站导流洞等工程及许多地下厂房的岩锚梁混凝土浇筑都在温控防裂方面作了一些有益的探索和研究，并取得了一定的成果。
(1)埋设冷却水管通水冷却。例如，在某水电站导流洞混凝土施工时，底板冷却水管埋设在混凝土中部，采用32mmPVC管，顺水流方向蛇形布置，间距为1．0m，从边墙位置引出。边顶拱在距底板6m高度的范围内埋设冷却水管，第一层冷却水管距底板25cm，间距为50cm，采用32mmPVC管，蛇形布置。6～10月通制冷水，其余时问通江水。冷却水通水流量为35L／min，开仓后立即通水，洞身段通水时间为120h，闸室段通水时间为168h。通江水时，冷却水温度与混凝土温度之差控制在15-20℃ ；通制冷水时，进水口温度控制在1O～14℃ ，冷却水温度与混凝土温度之差控制在20-25℃ 。
根据笔者经验，由于地下洞室衬砌混凝土的特殊性，当衬砌混凝土最高温度下降3-5℃后，应停止通水冷却，通水时间过长反而对混凝土的防裂不利。
(2)浇筑制冷混凝土。例如，在大型地下电站岩锚梁混凝土施工时，采用胎带机浇筑出机口温度为7～9℃的二级配制冷混凝土；引水洞、尾水洞等部位普遍浇筑入仓温度为16－18℃的二级配泵送混凝土，并埋设冷却水管通水冷却。
2．3 施工方法及施工工艺流程改进
(1)改善搅拌工艺。混凝土搅拌时间要适当，时间过短、过长都会造成拌和物均匀性变坏而增大沉陷；采用二次投料的净浆裹石或砂浆裹石工艺，可有效地防止水分聚集在水泥砂浆和石子的界面上，使硬化后界面过渡层结构致密、黏结力增大，从而可提高混凝土强度1O﹪ 或节约水泥5﹪ 左右，并进一步减少水化热和裂缝。
(2)尽可能浇筑大级配、小坍落度的混凝土，具备条件时可浇筑常态混凝土。
(3)合理安排施工工序及分层、分块，以利于散热、减小约束，尤其是浇筑块的不均匀约束。如在电站左岸导流底板混凝七浇筑时，做了大量的试验，发现在同样浇筑条件下，底板混凝土半幅浇筑很少产生裂缝，而全幅浇筑则很容易产生裂缝。经分析，底板浇筑块长度为12m，全幅浇筑时宽度为22m，采用半幅浇筑时，宽度为1lm，不但减少了浇筑块的体积，有利于混凝土的散热，而且很重要的是，浇筑块近似正方形，改善了混凝土的约束条件。
(4)超挖较大部位的超填混凝土宜与结构混凝土分开浇筑。超挖部位需要回填混凝土，以弥补超挖造成的缺失，这样必然导致同一浇筑块混凝土厚度的不均一，尤其是在局部有塌方的部位，因此，对这些部位或先浇筑，或等结构混凝土浇筑后二次回填，这样可以减少不均匀约束产生应力集中引起过大的拉应力而导致裂缝的产生。例如，很多工程在底板混凝土浇筑前先在设计断面以外浇筑垫层混凝土，其一方面方便了施工，改善了作业环境；另一方面也改善了底板混凝土的约束条件，有利于防止裂缝的产生。
(5)加强开挖的质量控制，保证开挖面的平整度，从而改善混凝土与基岩的约束条件，减少裂缝产生的几率。
(6)同一仓混凝土与岩石面之间的接触部位尽可能减少约束差异。
(7)不同浇筑块之间的间隔时间安排要合理，结构缝等部位钢筋尽量不要过缝。
(8)在不良地质段应减少分块的长度，当同一浇筑块内岩石条件差异较大时，宜在围岩地质条件突变部位设置施工缝，分开浇筑。同样，在结构尺寸变化等结构突变部位也应进行分缝。在具备条件的情况下，可根据不同的地质条件进行衬砌钢筋混凝土的个性化设计。
(9)严格控制浇筑流程。混凝土浇筑时，下料不宜太快，以防堆积或振捣不充分。混凝土浇筑尺寸较大时，采用台阶式浇筑法。混凝土应振捣密实，时间以1O～15h次为宜，在柱、梁、墙和板的变截面处宜分层浇筑、振捣。在混凝土浇筑1～1．5h后，?昆凝土尚未凝结之前，对混凝土进行两次振捣，表面要压实抹光；对已浇筑的混凝土，在初凝前进行二次振捣，可排除混凝土的泌水，减少在石子、水平钢筋下部形成的空隙和水分，提高黏结力和抗拉强度，并减少内部裂缝与气孔，提高抗裂性。同时，应对仓内浇筑人员进行培训，提高技术水平，增强责任心，保证人仓混凝土振捣及时、充分、均匀，减少混凝土的薄弱环节，提高混凝土的均质性，这对预防混凝土的开裂也会起到一定的作用。
(10)适当延长混凝土的拆模时间。在混凝土施工中，为了提高模板的周转率，往往要求新浇筑的混凝土尽早拆模。但新浇筑混凝土早期拆模，会在表面引起很大的拉应力，出现“温度冲击”现象。在混凝土浇筑初期，由于水化热的散发，表面引起相当大的拉应力，此时表面温度亦较气温高，此时拆除模板，表面温度骤降，必然产生较大的温度梯度，从而在表面附加一个拉应力，与水化热应力叠加，再加上混凝土干缩，表面的拉应力达到很大的数值，就有导致裂缝的危险。
(11)注重浇筑完毕后的养护。混凝土养护主要是保持适当的温度和湿度条件。保温能减少混凝土表面的热扩散，降低混凝土内、外温差，防止表面裂缝。混凝土浇筑后，及时用湿润的草帘、麻片等覆盖，并注意洒水养护，适当延长养护时间，保证混凝土表面缓慢冷却。在寒冷季节，混凝土表面应设置保温措施，以防寒潮袭击，同时在洞室与外界接触的进出口段要挂帘保温。
(12)缩短混凝土的运输时间，入仓后及时进行平仓振捣，加快混凝土的覆盖速度，缩短混凝土的暴露时间。在夏天高温季节施工时，对混凝土搅拌运输车设置隔热遮阳装置。并根据施工安排，调节施工时间，尽量避开中午高温时段施工。必要时采用喷水或喷雾等方法，以降低仓面周围的气温。
3 结束语
水工地下洞室混凝土的裂缝是一个复杂的问题，目前这方面的系统研究还较少，但不少工程对预防和减少裂缝的产生做了大量的有益探索，并取得了一些经验，只要我们坚持不懈地努力，采取恰当的措施，裂缝一定会得到有效的控制