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摘要：高强抗冲耐磨混凝土抗裂性能是目前学术界与工程界共同面临的难题。本文结合工程项目经验，分析了裂缝形成的原因，并从水泥水化热、内外约束条件、外界环境温度以及混凝土收缩变形四个方面着重分析了高强抗冲耐磨混凝土裂缝的产生原因及相应的防裂措施。
关键词：高强抗冲耐磨混凝土；防裂；温度；收缩
1 前言
自混凝土坝诞生以来，“无坝不裂”成为普遍现象。高强抗冲耐磨混凝土在力学性能上得到改进，然而裂缝问题长期存在，国内外学者一直研究如何解决高强抗冲耐磨混凝土裂缝问题。苏丹上阿特巴拉水利枢纽C1-A项目中，溢流坝闸墩、消力池底板、消力池反弧段和堰体的面层都设计为30cm厚的高强抗冲耐磨混凝，由于苏丹空气干燥、温度高，高强抗冲耐磨混凝土表面很容易出现干缩裂纹，影响结构的耐久性。本文从该项目背景出发，总结项目经验，分析裂缝形成的原因，研究解决措施，通过后续高强抗冲耐磨混凝土浇筑效果验证，为形成一套完整的、实际可行的技术方案提供理论支撑。
2 高强抗冲耐磨混凝土特点及常见裂缝类型
2.1 高强抗冲耐磨混凝土特点
高强抗冲耐磨混凝土在我国水利工程上得到越来越广泛的应用，其相比普通混凝土具备以下特征：
（1）高强抗冲耐磨混凝土结构几何尺寸至少大于 1m，最大可达 5～6m，具有较大的横断面。混凝土在浇筑后，由于水泥产生大量水化热，难以在短时间内向外界释热，使得内部温度骤然上升，导致出现较大的温度应力、里表温度差，但此时存在混凝土弹性模量小、徐变大等特点，产生的温度应力并不大；当龄期增长至 4～5 天时，混凝土温度开始下降，而 弹性模量变大、徐变较小，在内外约束作 用下会产生相当大的拉应力。
（2）胶凝材料水化会释放出的热量远远大于普通混凝土，以至于产生的温度温度变化、收缩应力超出了混凝土在相应龄期的最大承受拉应力——即时抗拉强度，从而易于产生深层裂缝、贯穿裂缝等有害裂缝，严重影响高强抗冲耐磨混凝土结构的使用功能。
另外，在工程实践上高强抗冲耐磨混凝土也有以下特点：
（1）高强抗冲耐磨混凝土一般用于工程结构的主体部位，对构筑物的承重、结构整体性、稳定性及永久性等都起着关键作用，对工程质量有非常高的要求，如果出现质量问题，会对国家及人民生命财产安全构成巨大 威胁。
（2）高强抗冲耐磨混凝土通常直接与空气、土壤、水等物质接触，长时间地受到外界温度、湿度变化的影响，进而导致在混凝土内部产生应力。
（3）考虑到高强抗冲耐磨混凝土的高强度及工程经济性，往往高强抗冲耐磨混凝土内部不配筋或配筋量很少，在产生较大收缩应力时完全需要混凝土自身来承受。混凝土为“脆性材料”，抗拉强度极小，容易产生裂缝。
2.2 高强抗冲耐磨混凝土裂缝分类
根据产生原因分类，可以分为：
（1）受到荷载作用产生的裂缝，危害较大，属于结构性裂缝，仅为总量的 10%；
（2）变形作用引发的裂缝，危害较小，属于非结构性裂缝，常见结构体裂缝通常属于此类，占总量 80%；
（3）混合作用（上述两因素共同作用结果）所致的裂缝，约占 5%一 10%；
（4）碱骨料反应形成的裂缝，比例不足 1%。
根据严重程度分类，可以分为：
（1）有害裂缝，指贯穿结构截面的裂缝，对有抗渗、防腐、防辐射有特殊要求的有害裂缝宽度应按照具体要求确定；
（2）无害裂缝，通常为微观裂缝或表观裂缝。微观裂缝宽度仅为 2μm~5μm，分为粘着裂缝、水泥石裂缝和骨料裂缝三种，其中以前两种居多，因骨料强度较高所以骨料裂缝出现较少。微观裂缝在横断面上不贯穿，存在微观裂缝的混凝土结构体在一定条件下可以承受拉力，但微观裂缝容易在拉力作用下快速发展成贯穿裂缝而产生断裂。
根据裂缝深度与截面厚度关系分类，可以分为：
（1）表面裂缝（h≤0.1H），混凝土在浇筑完成后因内外温差大而使表面产生拉应力，尤其是高强抗冲耐磨混凝土内部最大绝热温升可达 60℃导致较大的拉应力，当混凝土表面的拉应力大于其极限抗拉强度时出现表面裂纹。
（2）浅层裂缝（h<0.5H），不会在短时间内对构筑物产生较大危害，但在使用过程中如果维护不当可能会发展恶化，所以应予以控制。
（3）深层裂缝（0.5H≤h<H），深层裂缝部分切断了结构断面，具有较大的危害性，工程中严禁出现。如采取科学、恰当的养护措施即可避免。
（4）贯穿裂缝（h=H），混凝土在硬化过程中，当水化热全部释放完毕后，混凝土转入降温阶段，混凝土块体开始收缩，但这种收缩要受到地基、模板等外界条件的束缚，不能自由变形，必然产生拉应力。该拉应力逐渐增大，超过混凝土极限抗拉强度时就会在整个断面上产生贯穿裂缝。在所有裂缝中，贯穿裂缝的危害是最大的，它直接影响了结构的使用功能甚至导致报废。
3 高强抗冲耐磨混凝土裂缝成因分析及防裂措施
高强抗冲耐磨混凝土裂缝产生原因较为复杂，其中主要与水化热、内外约束、环境温度、收缩变形等因素有关。
3.1 水泥水化热的影响
水泥在混凝土搅拌遇水后发生复杂的水化反应而产生大量热，大量实验表明普通硅酸盐 水泥的释热量为500J/克，高强抗冲耐磨混凝土内部温升热源便在于此。高强抗冲耐磨混凝土结构体积较大，厚度往往超过 1m，混凝土在浇筑后 3~4 天内温度处于上升阶段。文献[18]中表明，在较多的水电工程中，因水化热使得混凝土绝热温升都在 15℃~26℃间，而在建筑工程中则更高，最大绝热温升可达 21℃~32℃。水化热大小取决于配合比中所采用的水泥品种及含量。正常情况下，当水泥中的硅酸三钙、铝酸三钙等成分含量越高时，水化热相应就会越 大；混凝土配合比中水泥越多，水化热增大。工程实践表明，在混凝土完成浇筑后的 3 天内是释放水化热的高峰期，此期间放出的总热量可占总水化热量一半；混凝土内部最大绝热温升一般在完成浇筑后的 3~4 天内出现。
所以，为预防高强抗冲耐磨混凝土浇筑后产生开裂，可采取下列措施：
1）选择中低水化热水泥减少水化热总量。例如，可依据《水泥水化热测定方法》（GB/T12959 −2008）中测定的3天 累计水化热≤251KJ/kg，7 天累计水化热≤293KJ/kg 的原则选择水泥，满足该指标的水泥有较好的防裂性能；
2）在 满足强度、可施工性等条件下，减少水泥用量 或用粉煤灰替代部分水泥。施工前通过多次试验，确定最佳混凝土配合比，满足抗压强度及释热量最小要求。
3）选择 表面光滑、具有连续级配的集料，以减少包裹集料所需的水泥 浆。
3.2 内外约束条件的影响
混凝土浇筑后自身温度会发生变化，外界环境温度也会发生变化，由于内外温度变化会导致体积变化，而体积变形会受到内外的阻力。按照约束所处混凝土体内与体外的异同，将约束分为内约束与外约束。混凝土与外部支撑、模板、地基等 之间的约束作用为外约束，混凝土内各单元的约束为内约束。依据约束对混混凝土块体的限制程度，将约束分为自由体、弹性约束、全约束三类。
实际工程上的混凝土坐落于岩石、垫层等地基上，在混凝土的温度变化产生体积变化时，变形必然受到基地的阻挡限制，外约束便产生，并且约束大小与体积变形大小呈正相关关系。变形初期，外约束通常表现为压应力，但因此时混凝土弹性模量较小，而内部应力松弛与徐变较大，使得混凝土结构与基础面层之间的 连接不够紧密，所以此阶段压应力较小。混凝土温度下降时，会产生较大的 温度应力，表现为拉应力。当拉应力超过即时极限抗拉强度时，便不可避免产生裂缝。当混凝土结构的变形处于全约束的状态时，形变等于温差乘以线膨胀系数，即ε=△T•α。若形变大于极限拉伸值，必然产生裂缝。实际工程中，不存在全约束条件，况且混凝土存在徐变，即使混凝土内外有时温差达到25~30 ℃，并不必然产生裂缝。
通常可采取以下措施来改善内外约束：
1）在高强抗冲耐磨混凝土与岩石、垫层等地基间设置滑动层，减小摩擦，降低 外约束；
2）制定浇筑方案时，如工期允许，可以分批次浇筑混凝土，减小每次浇筑混凝土体量从而降低约束。
3.3 外界环境温度走势的影响
养护期的混凝土比较“脆弱”，其中影响因素便是外界环境气温，气温大幅变化非常容易诱发混凝土出现裂缝。绝热温升、混凝土入模温度及入模后向环境传递的热量等因素决定了混凝土实体的内部温度。影响混凝土入模温度的因素很多，其中环境温度是其中重要因素之一，二者成正比例关系；当环境温度骤降，会大幅度提高混凝土里表温差梯度，同时伴随产生较大的温度应力而导致裂缝出现。
由于高强抗冲耐磨混凝土浇筑体截面尺寸大、混凝土导热性能差的原因，水化热不可能在短时间内传递给外界，致使高强抗冲耐磨混凝土的内部温度极值可达到 60℃以上，而且持续时间较长。因此，避开夏季中午最热时段施工、在冬季搭设防护棚或加装取暖设施、对混凝土原材料进行预冷、采取科学合理的养护措施、利用智能化的信息手段开展混凝土温度监控等等，可以较为有效地预防外界环境温度对混凝土的影响。
3.4 混凝土收缩变形的影响
（1）沉缩变形
混凝土是由粉料（水泥、粉煤灰等）、集料（碎石、砂子）、水、外加剂和空气等组成。浇筑完成后，90%的空气逸出，固体颗粒相互接触，此时颗粒间仍有少量水分。彼此颗粒间虽有一定摩擦力，但不足以抵挡因重力而产生的滑移，所以，混凝土固体颗粒将继续靠近，使彼此之间空隙继续减小。同时混凝土外表面存在众多细小的孔洞，由于毛细作用进一步促进了空隙水的排出。随着时间推移，上述沉降不断进行，混凝土的体积必将逐渐减缩，直至水泥水 化的产物能够阻止固体颗粒滑移不再继续为止。这种现象被称为沉缩。
理论上讲，沉缩变形使混凝土结构体进一步密实，对混凝土强度最终达到期望强度是有利的。但发生的不均匀收缩却会导致混凝土产生塑性收缩裂缝。这种裂缝往往平行出现，距离为 0.3~1.1m，且不是表面裂缝，深度超过规定。
（2）干缩变形
混凝土虽然硬化强度达到一定程度后，但内部 却存在不少处于自由态的水分。外界环境较为干燥，混凝土会向环境蒸发水分变得干燥，同时，混凝土体积因失水而有所减小。这种体积变化称为混凝土的干缩。混凝土的干缩在实践中出现概率相对较高，如果浇筑后养护措施不得当，容易产生表面裂缝甚至导致构件断裂，必须高度重视认真对待。
（3）水泥的合缩
水泥与水发生水化反应时，参加化学反应的水分成两部分：一部分进入反应产物，另一部分填充反应产物结构中的空格，所以反应产物的体积总是小于 参与反应的水泥与水体积之和。这种由于化学反应的体积减小我们称之为合缩。合缩现象随水泥的品种不同而差异很大，在工程中进行混凝土配合比设计时，对合缩强烈的水泥，必须注意进行充分的实验室试验，在施工中必须及早采取养护措施，才能避免产生混凝土裂缝。
通常可采取多种措施防止因混凝土收缩变形而产生裂缝：
1）在现场施工中，在混凝土初凝前二次振捣及终凝前安排人员进行二次抹压，增加混凝土密实度，提高强度，减小沉缩变形带来的影响；
2）混凝土浇筑后采取有效的保湿养护，可使用塑料薄膜覆盖保湿、喷壶洒水保湿、涂刷专用保养液等等方法，避免混凝土失水干燥产生裂缝；
3）尽可能选择合缩性小的水泥，在开展配合比设计时，必须对水泥的合缩程度通过多次试验掌握清楚，为后续保温养护提供技术指导。
4 总结
高强抗冲耐磨混凝土的成功浇筑不仅对水利枢纽溢流坝质量有着重要意义，要实现较好的高强抗冲耐磨混凝土裂缝控制效果，要充分发挥设计的重要作用，最大程度地释放或解除混凝土结构物的外约束、提高混凝土表面抗裂能力。另外一方面混凝土原材料及施工工艺对浇筑后的裂缝控制也有着显著影响
参考文献：
[1]王勇.苏丹阿特巴拉水电站高强薄层抗冲耐磨混凝土施工[J].中小企业管理与科技（上旬刊），2020（11）：190-193.
[2]严兵，张铮.C85抗冲耐磨混凝土配合比设计与研究[J].水电与新能源，2015（09）：1-5+13.
[3]杨成军.毛尔盖水电站抗冲耐磨混凝土表面裂缝原因分析及应对措施[J].四川水利，2014，35（06）：69-71.