水工混凝土缺陷分类及成因分析

1 水工混凝土缺陷分类及成因分析1.1 缺陷种类水工混凝土的缺陷包括物理性缺陷和化学性缺陷。

物理性缺陷主要是物理变化引起的，化学性缺陷主要是化学变化引起的。

物理性缺陷主要包括：裂缝缺陷、不密实缺陷、冲蚀磨损缺陷、冻融缺陷及结构强度缺陷。

化学性缺陷主要指化学反应侵蚀破坏，由外部某些物质（如各种酸、碱、岩以及大气中各种有害气体）与混凝土中某些组分通过化学反应引起的缺陷称为化学性缺陷。

水工混凝土化学性缺陷主要包括：碱骨料反应缺陷、碳化反应缺陷。

1.2 裂缝缺陷1.2.1 水工混凝土结构物裂缝基本概念水工混凝土裂缝是一个带普遍性的技术问题，在水利水电工程中，对工程技术人员来说，非常熟悉“无坝不裂”的传言，尽管许多工程技术人员致力于研究大坝不开裂的技术措施，但是目前基本未找到不产生裂缝的大坝和水工混凝土建构筑物。

虽然结构设计是建立在强度的极限承载力基础上的，但大多数工程的使用标准却是由裂缝控制的。

混凝土裂缝一般指肉眼可见裂缝，以0.05mm为界，一般小于0.05mm裂缝对水工建筑物无危害性，水工混凝土结构中对结构的限裂设计是指大于0.05mm 裂缝。

1.2.2 裂缝的成因裂缝的成因包括：1）由外荷载产生的直接应力引起的裂缝，如由动荷载、静荷载引起；2）由变形变化引起的裂缝，如由温度、收缩、膨胀、不均匀沉降引起。

根据工程实践，由变形为主引起的裂缝约占80%，由应力为主引起的裂缝约占20%。

由于造成混凝土裂缝的应力和变形的来源不同，水利水电工程中主要表现为：1）基岩及老混凝土的约束；2）寒潮引起的混凝土裂缝；3）干缩裂缝；4）结构裂缝；5）基础不平整与不均匀沉陷裂缝；6）相邻块高差过大引起的裂缝；7）塑性裂缝。

1.2.3 裂缝的分类水工建筑物混凝土裂缝按照不同的角度，可将裂缝分成不同的类别。

1）按照裂缝部位分类：迎水面裂缝、非迎水面裂缝（包括外露裂缝、内部裂缝）、过流面裂缝；2）按照裂缝深度：表层裂缝、深层裂缝、贯穿性裂缝。

表层裂缝：指在混凝土表面上出现的浅层裂缝，出现最多的是新浇块混凝土收仓平面上养护不好时出现的龟裂缝等，由于混凝土缺水引起的表面干缩裂缝属于此类。

表面裂缝一般危害性小，但处于大坝上游面和基础部位的表面裂缝有可能发展成贯穿性或深层裂缝，应避免或处理掉。

深层裂缝：裂缝延伸至部分结构断面，对结构有一定的危害性。

这种裂缝一般是在混凝土内部温度比较稳定温度高得多的情况下产生的，起因往往是在大孔洞、结构形状不规则变化、老混凝土约束、混凝土强度等级级差过大，有时加上级配差别，造成相邻混凝土内温差大、间歇时间长等，遇上寒潮袭击时产生一些表面裂缝，随着时间延长，表面温度下降，温度梯度增加，裂缝逐渐加深形成深层裂缝。

这种裂缝一般都要影响结构的安全，都要进行必要的处理。

贯穿裂缝：裂缝延伸至整个结构断面，将结构分离，往往严重地破坏结构的完整性和防渗性。

混凝土坝的贯穿裂缝一般发生在基础部位和坝体内外温差过大的部位。

除基础约束引起的贯穿性裂缝外，多半是表面裂缝进一步发展而成，钢筋混凝土结构往往由于中心受拉或小偏心受拉而形成贯穿裂缝。

3）按裂缝发展：死缝、活缝及发展裂缝。

死缝：其开度和长度不再变化。

活缝：其开度随季节或某种因素呈周期性变化，长度不变或变化缓慢，其变化是稳定的运动，比如某些防水工程裂缝存在冬季渗漏、夏季停止的现象。

4）按照裂缝成因：温度裂缝、干缩裂缝、荷载裂缝、沉陷裂缝、冻胀裂缝、碱骨料反应裂缝；5）按照裂缝危害程度：一般裂缝、危害性裂缝。

6）根据肉眼识别分：宏观裂缝、微观裂缝。

宏观裂缝一般肉眼可见，最小的宽度约为0.02~0.05mm，通常取0.05为可见宏观裂缝的起始宽度；宽度小于0.05mm的裂缝为微观裂缝。

1.3 不密实缺陷混凝土大坝在施工过程中由于质量控制出现问题，部分混凝土漏振、铺层太厚碾压不透、碾压振捣遍数不够、过振、出现蜂窝状混凝土、混凝土在卸料、平仓中出现骨料分离且集中未得到处理，出现局部混凝土防渗性能差。

目前在碾压混凝土大坝施工中，由于施工工艺严格，施工过程中如果不严格控制，极易出现漏振导致的混凝土不密实或密实度不够，在建筑物挡水后，在水压力作用下出现渗漏。

不密实混凝土出现状态不一，大概包括鸡窝状、层状等。

由于混凝土不密实缺陷很难普查、缺陷之间不连通，很难判断，处理难度很大。

1.4 冲蚀磨损缺陷高速水流、高速含沙水流对建筑物表面的磨损与空蚀破坏，是交替而相互促进的，破坏作用很大，导致过流建筑物过流面产生冲蚀磨损缺陷。

冲蚀磨损缺陷是水工泄水建筑物常见的缺陷。

通常泄水流中的固体介质分为悬移质和推移质，由固体介质的颗粒大小、形状、密度进行区分，并与水流流速与紊动有关。

一般情况下，粒径较小的沙粒在水中多呈悬浮状态，但在高流速、紊动大的情况下，卵石也会呈悬浮状态间歇地被水流携带运动，相反，在缓坡、流速底的水库、渠道中，粉砂颗粒可能呈推移质运动状态。

悬移质泥沙在水流中呈悬浮状态运动，推移质砂石则沿建筑物过流表面呈滑动或滚动或跳跃状态运动，含沙水流和推移质对建筑过流面的破坏作用很大。

我院设计的水电工程多在西南地区，多系山区性河流，河谷狭窄，河床坡度大，汛期洪峰和沙峰一致，流量大，水流湍急，流域内的风化破碎岩石在洪水挟带下大量进入河道形成推移质，推移质的最大粒径一般在20cm~30cm，部分巨漂超过100cm。

推移质在水中过泄水建筑物时不仅磨损建筑物过流面，还对过流建筑物表面产生冲击破坏作用。

除了天然河道中的推移质外，部分工程在施工期的废渣、上游围堰残体等成为推移质进入消能设施内，或者部分运行不当下游床沙、下游围堰残体卷入消力池内，或者两岸山体垮塌或飞石进入消力池内引起磨损破坏。

由磨损引起的损坏，有时会与高速水流的空蚀联合作用，相互交替或促进。

有的空蚀是由于泥沙磨损造成过流表面凹凸不平而引起，有些空蚀是由于过流表面施工平整度差而引起。

在出现空蚀的部位，有时会增大砂石对过流表面的冲击角度而加剧了磨损。

水工建筑物发生冲刷磨损和空蚀破坏的实例很多，在大型水电工程中，存在冲磨或空蚀问题的工程接近70%。

主要出现损坏的部位统计包括：溢流面及护坦溢发生冲蚀磨损，溢流坝门槽后易发生空蚀，泄洪洞易发生冲蚀、泄洪洞门槽后易发生空蚀破坏，山区河流泄洪闸坝、冲沙闸易发生推移质磨损，电站尾水池也易出现冲刷，电站排沙廊道易发生空蚀破坏。

1.5 冻融缺陷由于混凝土存在微孔隙、微裂隙，存在于微孔隙、微裂隙中的水在温度正负交替作用下，形成冰胀压力和渗透压力联合作用的疲劳应力，在这种疲劳应力作用下混凝土产生由表及里的剥蚀破坏，从而出现混凝土的冻融缺陷，影响建筑物的安全使用。

冻融缺陷多表现为混凝土发酥，混凝土内部产生分层裂缝，混凝土出现层状脱落。

冬季施工混凝土出现冻融缺陷一般表现为3类。

第一类：混凝土表面呈现平行模板的针型冰道，明显的为冰花状冰道，混凝土发酥，冻融破坏深度一般1cm以内，内部混凝土凝结硬化正常，强度无损。

第二类：混凝土表面粗糙，无平行模板的冰道，但回弹值较高，弹击时有空鼓感，超声测试速很低，以至于丢波不易读数，取芯观察冻融缺陷深度达到3~7cm，表面配置的主筋与混凝土脱离，取芯芯样冻害层易脱落，内部混凝土凝结硬化正常，强度无损，此类缺陷多发生在大截面的构件。

第三类：混凝土表面粗糙，无平行模板的冰道，弹击时无空鼓感，回弹、超声测值很低。

取芯观察冻融破坏较深，由表向里逐渐减轻，但到与正常凝结硬化的界面冻融破坏又特别严重。

第四类：混凝土表面粗糙，无针型冰道，敲击无空鼓感，取芯观察无明显差异，但取芯芯样较正常凝结硬化的混凝土强度低30%~50%，该类缺陷多发生在小截面构件，因散热快，混凝土凝结前已经冻透，水份损失重新分配。

影响混凝土抗冻融性能的主要因素包括组成混凝土的材料性质、配合比和制作工艺。

对混凝土抗冻性影响的原材料包括：1）外加剂：引气剂和高效减水剂，主要是在混凝土拌和过程中引进无数微小且不连通的气泡，这些气泡在硬化后的混凝土中，可以缓解冻融过程中产生的冰胀压力和毛细孔水的渗透压力，从而提高混凝土的抗冻融能力；2）掺合料：粉煤灰、硅粉。

3）骨料：风化程度对抗冻性影响大。

4）水泥品种：不同的水泥品种对混凝土的抗冻性有一定的影响，但混凝土中掺用引气剂以后，水泥品种对混凝土的抗冻性影响减小，但是低熟料的水泥抗冻性比较差。

配合比对混凝土抗冻性的影响：1）水灰比：水灰比越大，混凝土孔隙比越多，密实度越差，吸水率越大，在冻融过程中产生的冰胀压力和渗透压力越大。

2）骨灰比：混凝土中砂石骨料用量与水泥用量的比例，骨灰比越大，抗冻性越差。

施工工艺对混凝土抗冻性的影响：1）拌和工艺对混凝土抗冻性影响大，相同配合比情况下，人工拌和含气量比机械拌和减少一半左右，机械拌和一般需要2~3min。

2）养护对混凝土抗冻性的影响大，早期受冻时混凝土的强度越低，对混凝土后期的抗冻性的影响就越大。

1.6 结构强度缺陷大体积混凝土或者混凝土构件由于某种原因导致其承载能力或者正常使用不能满足结构要求。

大体积混凝土多表现为贯穿性裂缝导致构筑物不能满足既定的设计要求，混凝土构件多表现为贯穿性裂缝破坏构件的整体性或者冻融破坏引起构件尺寸不够或者其它原因引起材料强度不够等。

往往出现缺陷后，在可找到修复措施后，一般采取修复措施达到设计要求，否则可能废除缺陷构筑物。

1.7 碱骨料反应缺陷碱骨料反应是混凝土组成中水泥、外加剂、掺合料或拌和水中的可溶性碱（钾、钠）溶于混凝土孔隙液中，与骨料中能与碱反应的活性成分在混凝土硬化后逐渐发生的一种化学反应，反应生成物吸水膨胀，使混凝土产生内应力，导致混凝土工程开裂或上拱等破坏，称为混凝土碱骨料缺陷。

由于碱骨料反应引起水利水电工程破坏较早出现在美国的派克坝，一座混凝土拱坝，高98m，1938年建成，1940年发现混凝土大坝严重裂缝。

研究表明破坏是由于施工中采用了安山岩等具有碱活性的砂石骨料和含碱量较高的硅酸盐水泥。

许多国外早期工程因碱骨料反应修复耗资巨大，我国从上世纪50年代起充分重视碱骨料反应问题。

国际上已发现的碱骨料反应主要为以下三种类型：碱硅酸反应、碱碳酸盐反应、碱硅酸盐反应。

1）碱-硅反应（Alkali-Silica Reaction，简称ASR），是指混凝土中的碱与不定型二氧化硅的反应；2）碱-硅酸盐反应（Alkali-Silicate Reaction，简称ASR），是指混凝土中的碱与某些硅酸盐矿物的反应。

碱-硅反应机理：Na+(K+)+SiO2+OH-→Na(K)-Si-Hgel，膨胀机理：吸水后的碱硅酸凝胶体体积远远大于反应前固体体积，最大时体积可增大3倍以上，大量凝胶体在混凝土骨料界面区的积聚、膨胀，导致混凝土沿着界面产生不均匀膨胀、开裂。

3）碱-碳酸盐反应（Alkali-Carbonate Reaction，简称ACR），是指混凝土中的碱与某些碳酸盐矿物的反应。