浅议水工混凝土裂缝的预防与控制

摘要：随着南水北调工程的逐步展开，水工混凝土的规模日趋增大，结构形式日趋复杂，结构材料日趋高强化，超长超宽超厚的工程大量涌现，设计上按照规范和常规每隔一定距离必须设置变形缝，藉以释放变形效应引起的能量，以达到避免裂缝的目的。施工中尽管采取了各种必要的防范措施，但裂缝也时常出现。本文在结合以往水工混凝土施工的基础上，剖析了水工混凝土裂缝的类型、成因、特征、危害及其评判标准，进而提出了一些预防控制措施。

关键词：裂缝；分类；原因；特征；危害；评判标准；控制措施

Abstract:With the development of the South-to-North Water Diversion Project is carried out step by step, hydraulic concrete scale becoming larger and larger, more complex structure, structure of materials is becoming more and more intensified, the emergence of a large number of ultra-long extra-wide extra-thick engineering, design in accordance with the norms and conventional every certain distance must be set deformation joint, to release the deformation caused by the energy, in order to avoid the purpose of crack. Construction, despite all the precautions necessary to crack, but also often appear. On the basis of previous hydraulic concrete construction, analyzes the concrete crack types, causes, characteristics, harm and evaluation standard, and puts forward some measures to prevent and control.

Keywords: crack; classification; reason; characteristic; hazards; evaluation standard; control measures

一、前言

南水北调工程中线总干渠工程总混凝土工程量达到了2806万方，水工混凝土的规模日趋增大，结构形式日趋复杂，结构材料日趋高强化，超长超宽超厚的工程大量涌现，设计上按照规范和常规每隔一定距离必须设置变形缝，藉以释放变形效应引起的能量，以达到避免裂缝的目的。施工中尽管采取了各种必要的防范措施，但裂缝也时常出现。笔者在结合以往水工混凝土施工的基础上，剖析了水工混凝土裂缝的类型、成因、特征、危害及其评判标准，进而提出了一些预防控制措施。

二、混凝土裂缝的分类

混凝土裂缝的分类方法较多，主要分为荷载裂缝和变形裂缝两种。荷载裂缝是指混凝土结构由于承受各种荷载后产生的裂缝。变形裂缝是指因环境温度、湿度变化或混凝土结构内部温度、湿度或水分变化使其变形而产生的裂缝，包括塑性裂缝、温度裂缝、干燥收缩裂缝、自收缩裂缝和碳化收缩裂缝等。另外还有碱―骨料反应裂缝、钢筋锈蚀裂缝等。

上述裂缝也可分为有害裂缝和无害裂缝。有害裂缝严重影响混凝土结构耐久性和使用性能，必须治理；无害裂缝则可以不必治理，它只影响建筑物外观。

三、混凝土裂缝产生的原因

混凝土自浇筑开始就要经受外界环境和其本身的各种因素的作用，使混凝土产生应力。一般情况下，当应力超过混凝土的极限强度或其应力变形超过了混凝土的极限变形值，混凝土的结构物就要产生裂缝。裂缝发展到严重程度结构物因失去承载能力而破坏。从力学观点分析，可以认为结构物有其本身的承载力或抗裂能力，设计者用这种结构的抗裂能力来抵御外界的或其本身的破坏力。破坏力综合起来可分以下几种：（1）外荷载应力：包括自重、水压、泥沙压力、扬压力、地震力、动水压力、冰压力、设备重量以及其他设计考虑的活荷载及死荷载。（2）温度应力：包括由结构混凝土本身水化热产生的和由环境温度变化产生的。（3）干缩应力：由于混凝土的水份扩散系数极小，结构水份的散失多数发生在混凝土表层很浅的部位，拉应力也产生在该部位。（4）膨胀产生的应力：包括冻融破坏、碱―骨料反应、钢筋锈蚀、水泥不安定及硫酸盐侵蚀。（5）自身体积变形应力：可能是膨胀变形，也可能是收缩变形，前者会增加压应力，后者会产生拉应力。（6）基础变形和模板走样产生的应力。（7）塑性收缩和碳化收缩产生的应力。

20世纪60年代前，混凝土裂缝相对较少，现在越来越多，这与混凝土结构材料与施工工艺的改变关系很大。（1）混凝土结构的改变：目前预制混凝土结构用得较少，现浇结构大量使用，其变形全部在现场完成，产生裂缝难以避免。随着大型设施的出现更多地使用超长、超厚及超静定结构，而且随着混凝土强度等级的提高，结构体积的加大，其刚度也大大增加了。（2）混凝土强度等级提高，这样水泥用量的提高和脆性的增加而增多了开裂的可能性。（3）水泥性能改变，新的水泥标准提高了水泥强度，水泥厂则从配料上增加C3S和C3A的比例，同时提高了水泥粉磨细度，这些措施也同时提高了水泥的水化热及收缩率，使混凝土容易产生温度裂缝和收缩裂缝。（4）矿物掺和料及外加剂的广泛应用，使用不当也会带来产生裂缝的后果。（5）施工工艺的改变，使用大流动性混凝土虽然加快了施工进度，但其用水量、胶材用量和砂率将随之提高，从而增加了开裂的机会。

四、裂缝的特征

裂缝产生的原因较复杂，有时几种原因并存，没有典型的特征，给分析裂缝产生的原因造成困难。

1、塑性收缩裂缝：

（1）多发生在竖向尺寸较大的混凝土上表面或侧面。（2）出现时间：混凝土浇筑后终凝前，约在浇筑后4-15h。（3）裂缝走向：混凝土表面裂缝为不规则裂缝，无固定方向，但对长形混凝土结构，其上表面也会产生垂直于长方向的横向裂缝，沉降收缩裂缝多发生在钢筋及预埋件旁或靠近模板处。

2、温度裂缝

（1）出现部位：存在温差的地方，如大体积混凝土表面，有些混凝土墙也会出现温度裂缝，无固定部位。（2）出现时间：一般出现在内部升至最高温度后，温度开始下降时，约在混凝土浇筑后2-7d。（3）裂缝走向：无固定走向。

3、干燥收缩裂缝

（1）出现部位：存在湿度差的地方，如表面较大的板式或壁式结构表面，深度约为10-15mm。（2）出现时间：从混凝土硬化到数年的较长时间内。（3）裂缝走向：多为长条形混凝土结构的垂直方向，裂缝相互平行，间隔距离比较均匀，也有斜裂缝或不规则的干缩裂缝。

4、荷载裂缝

（1）出现部位：多出现在混凝土结构尺寸变化处，荷载不同的两结构连接处以不同结构类型的两结构连续处。（2）出现时间：加荷后较长时间，其中因地基沉降而引起的裂缝可持续数年。（3）裂缝走向：一般沿荷载方向，如梁底的横向裂缝或梁端的剪切斜裂缝。

五、裂缝的危害

混凝土结构出现裂缝后使人产生不安全感。裂缝宽度超过规定值，其深度和长度又足够大时，将使钢筋保护层破坏，导致钢筋锈蚀，钢筋锈蚀后的体积膨胀又进一步使混凝土裂缝扩大，如此恶性循环的结果将使混凝土结构逐渐破坏，丧失承载能力，同时，裂缝的出现降低了混凝土的密实性，易受以水为载体的侵蚀性介质的侵蚀，如硫酸盐、氯盐等侵蚀。承受水压的结构通过裂缝漏水，混凝土抗冻也因裂缝的存在而进一步降低。裂缝的产生大大降低了混凝土的耐久性。

六、裂缝评判标准

1、大体积混凝土裂缝分类及评判标准

Ⅰ类：一般缝宽＜0.2mm，缝深h≤30cm性状表现为龟裂或呈细微规则性。多由于干缩、沉缩所产生，对结构应力、耐久性和安全基本无影响；

Ⅱ类：表面（浅层）裂缝，一般缝宽0.2mm≤＜0.3mm，缝深30cm＜h≤100cm，平面缝长3m＜L＜5m，呈规则状，多由于气温骤降期温度冲击且保温不善等形成。视裂缝所在部位对结构应力、耐久性和安全运行有一定程度影响。

Ⅲ类：表面深层裂缝，缝宽0.3mm≤≤0.5mm，缝深100cm＜h≤500cm，缝长大于500cm，或平面大于、等于三分之一坝块宽度，侧面大于1-2个浇筑层厚度，呈规则状，多由于内外温差过大或较大的气温骤降冲击且保温不善等形成。对结构应力、稳定、耐久性和安全有较大影响。

Ⅳ类：缝宽＞0.5mm，缝深大于500cm，侧（立）面长度h＞500cm，若从基础向开裂，且平面上贯穿全仓，则称为基础贯穿裂缝，否则称为贯穿裂缝，这种裂缝主要由于基础温差超过设计标准或在基础约束区受较大气温骤降冲击产生的裂缝在后期降温中继续发展等原因而形成。它使结构应力、耐久性和稳定安全系数降到临界值或以下。

2、钢筋混凝土裂缝分类及标准评判标准

Ⅰ类：表面缝宽＜0.2mm，缝长50cm≤L＜100cm，缝深h≤30cm。

Ⅱ类：表面缝宽0.2mm≤＜0.3mm，缝长100cm≤L＜200cm，缝深30cm＜h≤100cm，且不超过结构厚度1/4。

Ⅲ类：表面缝宽0.3mm≤≤0.4mm，缝长200cm≤L＜400cm，缝深100cm＜h≤200cm，或大于结构厚度1/2。

Ⅳ类：表面缝宽＞0.4mm，缝长L≥400cm，缝深h≥200cm或基本将结构裂穿（大于2/3结构厚度）。

钢筋混凝土板梁构件，施工期不允许出现裂缝。

七、裂缝控制措施

1、设计方面的措施：

一般要求对永久荷载和可变荷载应按《建筑结构荷载规范》GB50009的规定采用。设计时除应符合《混凝土结构设计规范》GB50010的规定，还应根据具体情况：地震裂度等级、建筑物规模、地基基础情况，当地气候条件、使用功能的需要等因素，全面慎重考虑对混凝土结构采取有效的设计措施，控制混凝土收缩、温度变化、地基基础不均匀沉陷等原因产生的裂缝。

对较长的建筑结构在设计时可采取分割措施如设沉降缝、防震缝、伸缩缝，以减少混凝土收缩、温度变化或地基不均匀沉降产生的结构构件内部拉应力。

2、有关混凝土材料和配合比方面的措施

（1）原材料方面的措施：

①水泥：对大体积混凝土而言宜选用中热硅酸盐水泥、低热硅酸盐水泥、低热矿渣硅酸盐水泥，采用低热水泥要考虑对早期折模的影响，对水泥的矿物成分和细度都应有要求。例如，同一种水泥筛余0.6%，比表面444m2/kg 7d水化热292.3RJ/kg，筛余变为8.6%比表面变为253m2/kg 7d水化热则为243.6RJ/kg，降了17%。我国水泥标准的修改使细度和C3S、C3A提高不利抗裂。

②骨料：混凝土骨料应符合有关标准（行业标准和国标），应优先选用洁净、级配良好的中砂和级配良好、空隙率较小的粗骨料。尽量采用非活性骨料，如采用活性骨料时，必须采取有效的抑制措施。还应注意骨料的含泥量和硫酸盐含量不应超标。

骨料宜堆放在棚内，防止太阳直晒或雨雪淋湿，以免影响混凝土拌合物温度和水胶比。据有关工程经验，碾压混凝土骨料温度每降低1℃，混凝土出机温度可降低0.6℃左右。

③矿物掺合料：为改善混凝土性能，应在其中掺入矿物掺合料，所用矿物掺合料应符合有关标准。

④外加剂：外加剂已是混凝土中必要的组成部分，不同种类外加剂，各有不同的作用，使用的外加剂必须符合有关标准的规定。选用外加剂时必须进行水泥的适应性试验，以免在使用过程中出现异常情况。减水剂作用一是提高混凝土质量，二是节约水泥减少混凝土发热量。引气剂作用是提高混凝土抗冻耐久性和抗裂能力。

（2）胶凝材料体系对开裂的影响：

影响混凝土抗裂性的主要因素无疑是胶凝材料体系（包括水泥和各种掺合料以及外加剂和水胶比），且不论骨料因素对混凝土抗裂性的影响。胶凝材料体系对混凝土抗裂性的影响可以从一些国外的研究成果中得到体现，美国在园环收缩试验中表明水泥的碱和细度对干缩开裂影响很大，低W/C的混凝土更容易产生塑性收缩开裂。

（3）配合比方面的措施：

①应以耐久性为设计原则。

②坍落度：在满足施工要求的条件下，尽量采用较小的混凝土坍落度。

③用水量：应在满足混凝土施工和易性要求条件下，采用较小的用水量。

④水泥用量：在满足混凝土强度要求条件下不宜采用高的水泥用量。

⑤水胶比：应采用较小的水胶比，不宜采用大的水胶比。

⑥砂率：在满足工作性要求的条件下，应采用较小的砂率。

⑦控制泌水率。

⑧应采用引气剂和引气减水剂。

⑨控制混凝土中氯化物总含量。

（4）其它特殊措施

①用于有外部侵入氯化物的环境时，钢筋混凝土构件和结构所用的混凝土应采用下列措施之一：A、水胶比应控在0.55以下；B、混凝土表面宜采用密实、防渗措施；C、必要时可在混凝土表面涂刷防护涂料等。

②因水泥水化热产生的裂缝的控制措施：A、尽量采用水化热低的水泥。B、优化混凝土配合比，提高骨料含量。C、尽量减少混凝土的水泥用量。D、延长评定混凝土强度等级的龄期。E、掺矿物掺合料代替部分水泥。

③因冻融产生的裂缝的控制措施：A、采用引气剂或引气减水剂。B、混凝土含气量宜控制在5%左右。C、水胶比不宜大于0.5。

3、有关施工方面的措施

（1）钢筋混凝土为防止有害裂缝产生，应妥善制订施工组织设计、相关的技术方案和质量控制措施，并应进行技术交底，切实贯彻执行。

（2）模板的安装及拆除

模板及其支架应具有足够的承载能力、刚度和稳定性能可靠地承受浇筑混凝土的自重、侧压力、施工过程中产生的荷载，以及上层结构施工时产生的荷载。

安装模板须构造紧密、不漏浆、不渗水。应确保钢筋保护层厚度。模板的支撑立柱应置于有足够的刚度、强度和稳定性的坚实的地面上，防止支撑沉陷，引起模板变形。

底模拆除时的混凝土强度要求

（3）混凝土的制备、运输和浇筑

①制订好关于混凝土制备的技术操作规程和质量控制措施。

②混凝土运输时，应保持拌合物的均匀性，运送容器应不漏浆，并应具有防晒、防雨雪、防寒和温度倒贯措施。运送至浇筑地点的混凝土的坍落度应满足设计要求。严禁向运到浇筑地点的混凝土中任意加水。应制定出不同气温的运输到浇筑入模时间、并使运送频率能保证混凝土施工的连续性。

③混凝土的浇筑

做好浇筑前的检查工作，包括模板、钢筋和预埋件等。混凝土的一次浇筑量要适应各环节的施工能力，以保证混凝土的连续浇筑。对浇筑现场应进行监控，对运抵现场的混凝土坍落度不能满足施工要求时，应及时查找原因，并用可靠的方法调整，严禁随意加水。浇筑时要防止钢筋、模板、定位筋等移动和变形。浇筑的混凝土应填充到模板的各角落，不得漏振和过振。分层浇筑时，要注意使上、下层混凝土一体化。应在下一层混凝土初凝前将上一层浇筑完毕，在浇筑上层混凝土时，须将振捣器插入下一层混凝土5cm左右以便形成整体、如遇高温、太阳暴晒、大风、浇筑后应立即用塑料膜覆盖。

对大体积混凝土，应控制浇筑后的混凝土内外温差，为减少内外温差可采取以下几种措施：A、混凝土配合比设计时，应掺用矿物掺合料，降低水泥用量，并采用水化热低的水泥；B、在混凝土表面采用可靠的保温、保湿措施；C、降低混凝土的入仓温度（例如在拌制混凝土时可采用加冰屑或冰水降温，控制水泥和骨料的温度等措施）；D、预埋冷却水管降低混凝土的内部温度。

滑模时应控制混凝土的凝结时间与滑模速度匹配，防止产生拉裂和塌陷。处理好施工缝，保证施工缝处结合良好。

④混凝土的养护

混凝土的表面保护和养护是防止产生裂缝的重要和有效的措施，必须充分重视，并制定方案派专人负责。并按有关规范要求充分保证养护时间。

八、结语

目前施工的水工混凝土从构筑物的结构形式、结构材料、设计理念和施工工艺都针对裂缝都有了全面的认识，我们只要采取精心设计、精心施工、精心选材，采取有效的控制混凝土裂缝预防措施，裂缝会不断地好转，产品也会达到顾客满意的程度。

参考文献：

1、王铁梦.工程结构裂缝控制[M].北京：中国建筑工业出版社，2007。

2、王铁梦.建筑物的裂缝控制[M].上海：上海科技出版社，1987。

3、水工混凝土施工规范DL/T5144―2001[S].北京：中国电力出版社，2001。

4、南水北调中线干线工程建设管理局，《混凝土结构质量缺陷及裂缝处理技术规定（试行）》，2007。