在诸多的圩口闸、生产桥、泵站、跌水、涵洞、倒虹吸、渡槽、防渗渠道水利工程中,由于混凝土免受不利温、湿度变形的侵袭等一系列因素,混凝土和钢筋混凝土结构的表面常常会发生细而浅的裂缝。因为裂缝的存在破坏了结构的整体性,结构受力与变形会产生突变,使得结构开裂、不稳定甚至破坏,给结构的运行带来不确定性,而且易导致钢筋锈蚀,有些损坏严重的还会削弱结构强度,使水利工程失稳,危及水工建筑物的结构的稳定性。
1.水利工程中混凝土表面裂缝的危害
混凝土建筑物裂缝渗漏在水工建筑物各种损坏现象当中属于比较常见的一大病害,会使混凝土产生严重渗漏、裂缝,影响结构安全和正常使用及渗漏的结果,一方面在经受压力荷载和温度胀缩的反复作用下使裂缝逐步扩宽和发展;另一方面当水渗入混凝土内部后,使混凝土的碱度降低,使钢筋纯化膜遭受破坏,当水和空气同时期渗入,促使钢筋锈蚀,并可能由此导致混凝土结构物的破坏。根据调查,裂缝引起的各种不利后果中,渗漏水占60%。水分子的直径约0.3×10~6mm,可穿过任何肉眼可见的裂缝(以0.05mm为界)。混凝土碳化会加剧混凝开裂,一旦混凝土开裂就无法再愈合,而且在外界荷载与环境条件(包括干湿、冷热循环)作用下继续收缩,导致混凝土结构物破坏。混凝土裂缝的存在,导致水泥水化物中游离的氢氧化钙[Ca(OH)2]能吸收软土中的水和土孔隙中的二氧化碳,相互作用形成碳酸钙,这就是常说的混凝土碳化,混凝土碳化有混凝土“癌症”之说,碳化会使混凝土的碱度降低。同时,增加混凝土孔溶液中氢离子数量,因而会使混凝土对钢筋的保护作用减弱,当水和空气同时期渗入,钢筋就产生锈蚀。综上,混凝土的裂缝(蠕变)对钢筋混凝土结构具有重要意义,会切断结构的断面,可能破坏结构的整体性和稳定性,其危害性是较严重的。轻则影响建筑物的外观和正常使用,前者导致混凝土材料的疲劳;后者则使破坏过程加剧并复杂化而难于防治。
2.水利工程中混凝土裂缝产生的原因
2.1外荷载引起的裂缝
水利工程施工中一种由外荷载(如静、动荷载)的直接应力和结构次应力引起的裂缝,裂缝具有普遍性、发育不均匀性、形态多样性等特点,其主要包括直接应力裂缝、次应力裂缝。直接应力裂缝是指外荷载引起的直接应力产生的裂缝;次应力裂缝是指由外荷载引起的次生应力产生裂缝。
2.2收缩引起而可能产生有害裂缝
水利工程实际施工中,常见的混凝土裂缝有相当部分都是由于混凝土收缩而造成的。在混凝土收缩种类中,塑性收缩、缩水收缩(也叫干缩)、自生收缩等是产生裂缝的主要原因。研究表明,混凝土收缩裂缝的特点是大部分属表面裂缝,裂缝宽度较细,且纵横交借,成龟裂状,形成没有任何规律,主要因素包括:强度等级、水泥品种及标号、砂子规格、石子规格、每m3砼材料用量、养护方法、外界环境。
2.3外部环境或结构内部温度发生变化引起的裂缝
一般的物质(少数几种例外),都具有热胀冷缩的特性,混凝土也不例外。当外部环境或内部温度发生变化,就形成内外的较大温差,较大的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,当应力超过混凝土抗拉强度时即产生温度裂缝。在某些水利工程建设中,温度应力可以达到甚至超出荷载应力。水泥水化热升温或外界短期大幅降温,导致混凝土结构内外温差很大,一般超过25℃以上,引起温度应力,导致混凝土出现温差裂缝。
3.控制水利施工中混凝土裂缝的对策
(1)加强配合比的优化。混凝土配合比的设计不仅要满足结构设计提出的抗渗性、耐冻性等耐久性的要求,而且还要考虑结构设计未明确的其他耐久性要求。采集原材料进行试拌,尽可能地减少水泥用量,Ⅰ、Ⅱ级和Ⅲ级粉煤灰在细度、需水量比和烧失量等技术指标上有比较大的区别,添加Ⅰ级粉煤灰,严格控制水胶比,粗骨料应采用二级或多级级配,其松散堆积密度应大于1500kg/m3,紧密空隙率宜小于40%。掺入适量的粉煤灰不仅能降低成本,而且能提高混凝土的和易性、提高不透水、气性、抗硫酸盐性能和耐化学侵蚀性能、降低水化热,减少收缩,提高抗侵蚀具有良好的作用。
(2)原料对映选择性。细骨料应质地坚硬、清洁、级配良好;人工砂的细度模数且在2.4~2.8范围内,含泥量控制在1%内。采用石灰岩,压碎值为18%,针片状含量
(3)施工过程控制。第一,混凝土二次振捣施工工艺是一种简单高效的除混凝土沉缩裂缝的方法。机械振捣方式比手工捣固方式混凝土收缩性要小。振捣时间应根据机械性能决定,一般以5~5s/次为宜,能较好地消除粗骨料、钢筋下面的水膜,消除沉缩收缩量。第二,采用二次抹压技术可消除混凝土干缩、沉缩和塑性收缩产生的表面裂缝。此种裂缝是混凝土表面水分散失引起的,发生在混凝土加水至初凝的这段时间,消除此种裂缝应采用抹光机械经多次提浆、抹平,根据地坪的硬化情况,去掉圆盘,利用机械抹光机的抹刀进行3~5遍纵横方向收光,将极大地提高混凝土的平整度和表面强度。第三,控制内约束温度裂缝措施,主要控制混凝土内外温差、表面与外界温差,防止混凝土表面急剧冷却。混凝土产生裂缝的原因有多种,但根本原因是混凝土中的拉应力超过了混凝土的抗拉强度,在混凝土内部温度不断上升,在内外温差过大时,应根据本地实际情况,积极采取工程措施,加强测温和气温预报,做到防护及时。
(4)防止干缩裂缝的措施。缩裂缝不仅严重损害薄壁结构的抗渗性和耐久性,也会使大体积混凝土的表面裂缝发展成为更严重的裂缝。混凝土中水分存在于孔隙中,这些孔隙分布在水泥石、骨料及骨料与水泥石之间和钢筋与水泥石之间的交界处,产生湿胀干缩。应加强振捣使之密实,减少混凝土的离析和泌水,提高混凝土的泵送性能,提高混凝土的早期和后期强度,降低氯离子的渗透能力,可有效地控制混凝土湿胀干缩裂缝产生。