謝 闖 李 莉 陳 松

（1.宿遷市水務(wù)勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，江蘇 宿遷 223800；2.泗洪縣水利局，江蘇 宿遷 223900；3.泗洪縣水利工程處，江蘇 宿遷 223800）

1 概述

水工建筑物的薄壁構(gòu)件在完建期與運(yùn)行期之間易產(chǎn)生裂縫，尤其在水閘墩墻和泵站室墻以及輸水涵洞中會(huì)出現(xiàn)裂縫問(wèn)題。例如：泰州九龍污水處理廠(chǎng)修建生化池，在2008年2月中旬開(kāi)始對(duì)墻身進(jìn)行混凝土澆筑，至3月底結(jié)束，6月2日即發(fā)現(xiàn)生化池墻身東側(cè)出現(xiàn)3 條裂縫，縫長(zhǎng)分別為3.0 m、4.5 m、6.0 m，縫寬在0.2～0.3 mm 左右；2013年宿遷東沙河治理項(xiàng)目中倒虹吸涵洞于2月份施工，7月20日放水時(shí)就發(fā)現(xiàn)洞身的水平和斜坡交接面出現(xiàn)裂縫并漏水；2014年泗陽(yáng)淮泗河治理項(xiàng)目淮陰段2 座泵站于3月份完成泵室墻的澆筑，7月初發(fā)現(xiàn)泵室墻有細(xì)微裂縫。上述裂縫的出現(xiàn)具有以下共同特征：①構(gòu)件截面薄。泰州九龍水池墻身平均厚約50 cm，站墻與洞身厚度為30 cm。②裂縫是逐步形成的。從混凝土澆筑到拆模，再到發(fā)現(xiàn)洞身裂縫，時(shí)間間隔均為4 個(gè)月左右。③一般裂縫的位置在構(gòu)件物的中上部。④構(gòu)件物與底板澆筑有一定的間隔時(shí)間。構(gòu)件物與墻身澆筑是分開(kāi)進(jìn)行的，間隔時(shí)間較長(zhǎng)，且前后氣溫相差大。底板的澆筑時(shí)間均在氣溫5℃以下，構(gòu)件物澆筑時(shí)間也均在氣溫5℃左右，發(fā)現(xiàn)構(gòu)件物裂縫時(shí)氣溫在20℃左右。

2 裂縫的成因分析

2.1 構(gòu)件物在施工時(shí)內(nèi)外部溫度應(yīng)力不一引起裂縫

構(gòu)件物雖然為薄壁截面，但在整體澆筑時(shí)，一般混凝土的數(shù)量均在100 m3左右，應(yīng)屬于薄壁型大體混凝土構(gòu)件，混凝土在水化作用下存在熱量的傳遞過(guò)程，由于上下傳遞速度不一致，易在內(nèi)部形成積存，導(dǎo)致內(nèi)外出現(xiàn)溫差。因截面較薄，外部較易散熱，而內(nèi)部受到高度的影響，其散熱條件不同，造成內(nèi)外變形不一致，故在外部混凝土中產(chǎn)生了拉應(yīng)力，這樣就很容易導(dǎo)致裂縫。泰州九龍污水處理廠(chǎng)生化池墻身施工裂縫較為典型，墻身由0.7 m 變至0.45 m，墻高7 m，在未拆模前上部混凝土較易散熱，逐步完成了混凝土的膨脹過(guò)程，處于收縮階段；而內(nèi)部在未拆模前散熱過(guò)程要待上部散熱完成后才能進(jìn)行，加之墻身高，內(nèi)部產(chǎn)生的熱量是由下至上傳遞的，使墻身中部比頂部膨脹系數(shù)加大，內(nèi)外溫差增大，導(dǎo)致拉應(yīng)力增大，當(dāng)拉應(yīng)力達(dá)到表層的極限拉應(yīng)力時(shí)，裂縫就由下至上、由外向內(nèi)逐步產(chǎn)生。經(jīng)檢查，裂縫下端寬度在0.2 mm 左右，上端寬度在0.1 mm 以?xún)?nèi)。初期裂縫較細(xì)，幾乎看不到，隨著時(shí)間推移，裂縫逐漸擴(kuò)大、變深，并貫穿墻身。

2.2 施工期與運(yùn)行期形成的溫差應(yīng)力導(dǎo)致裂縫

分析所遇到的裂縫情況，施工期的溫度與運(yùn)行期溫度相差達(dá)到20℃左右，根據(jù)使用需要，構(gòu)件物不宜分縫過(guò)長(zhǎng)，當(dāng)溫差值一定時(shí)，所產(chǎn)生的變形會(huì)更大，經(jīng)過(guò)對(duì)溫差變形值進(jìn)行計(jì)算，可以得到論證。溫差變化時(shí)，混凝土（磚砌墻）結(jié)構(gòu)伸長(zhǎng)或縮短的變形值與長(zhǎng)度、溫差成正比，與材料的性質(zhì)有關(guān)，可按下式計(jì)算：

式中：

ΔL—隨溫度變化而伸長(zhǎng)或縮短的變形值，mm；

L—結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度，mm；

t2-t1—溫度差，℃；

α—材料的線(xiàn)膨脹系數(shù)，混凝土為1.0×10-5，鋼材為12×10-6，磚砌體為0.5×10-5。

以上實(shí)例的溫差變形情況計(jì)算詳見(jiàn)表1。

從表1 可以看出，倒虹吸涵洞的溫差應(yīng)力變形值較大，產(chǎn)生約2 cm寬的裂縫。倒虹吸在運(yùn)行時(shí)，上下游水位差較大，產(chǎn)生的壓力也較大，加之在平面和斜面的交界處，受力形式也發(fā)生了轉(zhuǎn)換，使得應(yīng)力相對(duì)集中，且倒虹吸過(guò)水涵洞長(zhǎng)度較長(zhǎng)，產(chǎn)生的溫差應(yīng)力變形值較大，導(dǎo)致交界處裂縫擴(kuò)大，放水時(shí)水從裂縫處像泉水般噴出，影響了涵洞的使用效果（后已得到修復(fù)）。

表1 三種構(gòu)件溫差變形值計(jì)算表

2.3 施工原因而產(chǎn)生裂縫

裂縫的展開(kāi)和擴(kuò)大與施工工藝有著一定的關(guān)聯(lián)。拆模時(shí)氣溫較高，拆模過(guò)早（一般不超過(guò)2 d），養(yǎng)護(hù)又不到位，會(huì)使混凝土失水較快，內(nèi)外溫差加大，導(dǎo)致表層拉應(yīng)力增大。構(gòu)件物均存在同樣的養(yǎng)護(hù)問(wèn)題，如：養(yǎng)護(hù)期內(nèi)混凝土未能始終處于濕潤(rùn)狀態(tài)等。事后處理裂縫時(shí)，在混凝土強(qiáng)度檢測(cè)中發(fā)現(xiàn)混凝土表面的碳化深度為4～5 mm，這種因養(yǎng)護(hù)不到位而引起混凝土缺陷與裂縫擴(kuò)大也存有一定的關(guān)聯(lián)性。

2.4 混凝土體積變形而誘發(fā)墻身裂縫

混凝土澆筑過(guò)程是一個(gè)化學(xué)反應(yīng)的過(guò)程，表現(xiàn)為由膨脹轉(zhuǎn)為收縮?；炷磷陨硎湛s一般在拆摸之前就開(kāi)始形成，雖然其量值不大，但如與其他作用在混凝土上的力疊加在一起，就會(huì)增大表面拉應(yīng)力。構(gòu)件物截面小，但混凝土總量較大，屬于大體積混凝土結(jié)構(gòu)，在水化熱的作用下產(chǎn)生的收縮將會(huì)誘發(fā)表層墻身裂縫，這些裂縫大部分未形成貫穿縫。

2.5 在外部因素作用下導(dǎo)致的裂縫

構(gòu)件物固結(jié)在底板上，上部為自由段，一般底板澆筑與墻身澆筑之間間隔時(shí)間較長(zhǎng)，達(dá)到45 d 左右，在澆筑墻身混凝土?xí)r底板收縮已經(jīng)基本完成，混凝土強(qiáng)度已達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度，而此時(shí)墻身混凝土為新澆混凝土，其沿高度方向可以自由收縮，厚度方向則因墻體為薄壁混凝土，斷面小，壓縮也小。構(gòu)件物混凝土早期產(chǎn)生水化作用時(shí)，溫度的升高及體積的膨脹均受到了底板的壓縮，隨著降溫、收縮，混凝土在受自身體積變形影響的同時(shí)，會(huì)因受底板的壓縮而產(chǎn)生拉應(yīng)力，尤其垂直于底板方向受到的壓縮力最大，該方向上的拉應(yīng)力也最大。目前，混凝土的制作均采用商混泵送混凝土，因此存在水灰比過(guò)大的問(wèn)題，其產(chǎn)生的收縮也較大。較為明顯地表現(xiàn)在：這些構(gòu)筑物所預(yù)留的伸縮縫按照設(shè)計(jì)要求為2 cm，但當(dāng)即將進(jìn)入運(yùn)行期時(shí)，其間隙縫最大已達(dá)到5 cm，均需作為缺陷問(wèn)題進(jìn)行修補(bǔ)，這也證明墻體自身的收縮是客觀(guān)存在的，且收縮量較大。因此，在受到主要因底板與墻身澆筑間隔時(shí)間較長(zhǎng)，新老混凝土自身存在差異而產(chǎn)生的壓縮力的作用下，且底板剛度相對(duì)于墩墻大得多，一旦這種壓縮力超過(guò)其抗拉強(qiáng)度時(shí)，墻身即產(chǎn)生常見(jiàn)的垂直于底板方向的裂縫。

3 裂縫的預(yù)防

3.1 材料和外加劑的選用

目前，水工建筑物通常采用普通硅酸鹽水泥，同時(shí)在商品混凝土中添加一定數(shù)量的外加劑。如：緩凝劑可以減慢混凝土放熱的速率；減水劑可在水灰比不高時(shí)，減少水和水泥用量，從而降低水化熱。為防止墻身底部受外部壓縮力影響，也可考慮在混凝土澆筑前摻添水泥用量萬(wàn)分之一左右的鉛粉作為膨脹劑，來(lái)降低新老混凝土溫度應(yīng)力產(chǎn)生的作用。

3.2 施工工藝的改進(jìn)

視墻身高度情況，若混凝土澆筑高度達(dá)3 m 以上，應(yīng)在模板中打些透氣孔，幫助中部混凝土散熱，以改善散熱條件，促進(jìn)上、中、下部同步散熱，緩解局部段溫度應(yīng)力集中的問(wèn)題。

3.3 構(gòu)件物不宜太長(zhǎng)

考慮到壓縮力和構(gòu)件物的長(zhǎng)度有關(guān)，且倒虹吸連續(xù)長(zhǎng)度為70 m，泵站連續(xù)長(zhǎng)度為20 m，在溫差應(yīng)力的作用下，泵站的變形值為4.2 mm，而洞身的變形值為16.1 mm，故依據(jù)構(gòu)件物出現(xiàn)的裂縫情況，建議分縫距離在15 m 左右，以減少因底板壓縮力作用產(chǎn)生的變形。

3.4 養(yǎng)護(hù)措施

混凝土水化反應(yīng)隨溫度升高而加快，混凝土的強(qiáng)度增加快，收縮的速度也加快；當(dāng)空氣濕度小時(shí)，水分蒸發(fā)快，其變形速度也會(huì)加快。因此，對(duì)混凝土進(jìn)行充分養(yǎng)護(hù)可以減慢其變形速度?；炷猎缙陴B(yǎng)護(hù)可以在模板未拆時(shí)就進(jìn)行，拆模后更要定時(shí)澆水，并根據(jù)氣溫情況對(duì)混凝土表面進(jìn)行覆蓋，使混凝土表面保持濕潤(rùn)。如：可先在墩墻四周裹上草包或者麻袋，再澆水或淋水實(shí)施養(yǎng)護(hù)，這樣效果更佳。拆?？煞旁陴B(yǎng)護(hù)72 h 以后進(jìn)行，以起到隔熱和保濕作用。拆模以后在混凝土表面涂一層防裂劑，可更好地達(dá)到保濕和預(yù)防裂縫的目的。

3.5 新技術(shù)的運(yùn)用

為從根本上解決混凝土裂縫對(duì)墩墻的設(shè)計(jì)和施工所帶來(lái)的影響，可采用一些新技術(shù)。例如：澆筑墩墻大體積混凝土?xí)r可采用在混凝土內(nèi)預(yù)埋冷卻水管的方法，或采用循環(huán)水冷卻混凝土，以達(dá)到控制內(nèi)外溫差之目的，從而減小拉應(yīng)力。

4 裂縫的修繕

4.1 泵室墻的修補(bǔ)

泵室墻修補(bǔ)主要是根據(jù)裂縫的深度情況，在表層順縫鑿成梯嵌槽，槽口底寬3 cm，深7 cm，槽口寬度視斷裂情況而定（一般為10 cm），經(jīng)過(guò)吹洗、烘干，再采用環(huán)氧樹(shù)脂砂漿進(jìn)行修補(bǔ)。實(shí)際修補(bǔ)后未再出現(xiàn)新的裂縫，達(dá)到了使泵室墻表面裂縫完全修復(fù)的效果。

4.2 倒虹吸涵洞的修補(bǔ)

倒虹吸因洞涵內(nèi)有過(guò)水，且無(wú)法完全抽出，故首先在裂縫處順縫鑿開(kāi)，用麻絲對(duì)漏（溢）水處進(jìn)行封堵、減壓，并將其搗實(shí)，待較少壓力水溢出時(shí)，再在表層裂縫處鑿開(kāi)深7 cm、寬20 cm 的嵌槽，在水下環(huán)氧材料中摻入酮亞胺固化劑，拌制環(huán)氧砂漿用于填充（平）嵌槽。經(jīng)測(cè)試，所配制環(huán)氧砂漿材料強(qiáng)度高，粘結(jié)力強(qiáng)，遇水后能促成固化的胺類(lèi)化合物。將裂縫填充后在裂縫平面放置兩層鋼絲網(wǎng)，并使用混凝土進(jìn)行外層封堵。實(shí)際修復(fù)后洞涵在使用中穩(wěn)定、可靠，未出現(xiàn)任何問(wèn)題，完全達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

4.3 生化池的修補(bǔ)

針對(duì)生化池使用情況，因其為單向水頭，壓力過(guò)高，修補(bǔ)的要求和技術(shù)含量也較高。經(jīng)比較，選用了“壁可注入法”方案。主要原理是通過(guò)橡膠管自動(dòng)完成注入修補(bǔ)材料，在注入過(guò)程中始終保持約3 kg/cm2的壓力，以保證將修補(bǔ)材料注入到寬僅0.02 mm 的裂縫末端。同時(shí)，緩慢均勻的壓力可以將裂縫中存積的空氣壓入混凝土的毛細(xì)孔中，再通過(guò)混凝土的“自然呼吸”作用排除，有效避免產(chǎn)生氣阻，從而確保修補(bǔ)質(zhì)量。修補(bǔ)后14 d 的檢測(cè)效果：裂縫內(nèi)外部得到較好地修補(bǔ)，修補(bǔ)材料與老混凝土結(jié)合緊密，強(qiáng)度較高；用回彈儀回彈，C25 老混凝土碳化值為3 mm，被填充的縫隙處碳化值為0；老混凝土強(qiáng)度為36～40 MPa，填充材料強(qiáng)度為45 MPa 左右；由于受到均勻擠壓，縫隙四周被填充材料充分地填滿(mǎn)，無(wú)滲水現(xiàn)象。

5 綜述

水工建筑物中薄壁構(gòu)件產(chǎn)生的裂縫是由多方面因素造成的，通過(guò)分析，各種因素之間也都有著一定的聯(lián)系。這些裂縫直接危害了工程的使用效果，并對(duì)工程發(fā)揮自身的永久性作用構(gòu)成阻礙，縮短了工程的使用壽命。因此，在對(duì)薄壁構(gòu)件物進(jìn)行設(shè)計(jì)和施工時(shí)，應(yīng)從多方面綜合考慮，以防止產(chǎn)生裂縫，從而保證工程在使用效果和耐久性上達(dá)到設(shè)計(jì)要求。