民用建筑混凝土結(jié)構(gòu)裂縫形成的機(jī)理及原因

劉　鐘

摘要：混凝土結(jié)構(gòu)的裂縫問題已影響到生活和生產(chǎn)，已成為社會(huì)問題，并困擾著大批工程技術(shù)人員和管理人員，是迫切需要解決的技術(shù)難題。詳細(xì)分析了民用建筑混凝土結(jié)構(gòu)裂縫的形成機(jī)理、裂縫產(chǎn)生的主要原因，指出混凝土裂縫的形成機(jī)理是混凝土結(jié)構(gòu)裂縫的原因分析的理論基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：裂縫；混凝土；形成機(jī)理

中圖分類號(hào)：TU528

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1672-3198(2009)09-0291-01

1裂縫的形成機(jī)理

1.1混凝土微觀裂縫的形成機(jī)理

混凝土由水泥、骨料、水以及存留在其中的氣體組成，是一種多相非均勻的脆性材料。研究表明，當(dāng)環(huán)境溫度、濕度變化及混凝土硬化時(shí)，混凝土的體積會(huì)發(fā)生變化，并使其內(nèi)部產(chǎn)生變形，由于混凝土中各種材料某些性能的不同，這種變形是不均勻的。水泥石收縮較大，而骨料收縮很??；水泥石的熱膨脹系數(shù)較大，而骨料較小。同時(shí)，它們之間的變形不是自由的，相互之間產(chǎn)生約束，從而在混凝土內(nèi)部產(chǎn)生粘著微細(xì)裂縫(指骨料與水泥粘接面上的裂縫，主要沿骨料周圍出現(xiàn))，水泥石裂縫(水泥漿中的裂縫，出現(xiàn)在骨料與骨料之間)，骨料裂縫(骨料本身的裂縫)等三種，因此，混凝土內(nèi)部微細(xì)裂縫的存在是混凝土材料本身固有的一種物理性質(zhì)。

1.2素混凝土構(gòu)件的裂縫產(chǎn)生機(jī)理

就混凝土自身而言，產(chǎn)生裂縫的機(jī)理一般認(rèn)為是因?yàn)榛炷敛牧?包括水泥石和粗細(xì)骨料)變形受約束所引起的內(nèi)應(yīng)力大于材料抗拉強(qiáng)度的緣故。混凝土在拉應(yīng)力(包括收縮、變形和外荷載)的作用下，這些微細(xì)裂縫的長(zhǎng)度和寬度均有相應(yīng)的增大。如果拉應(yīng)力大于混凝土本身的抗拉強(qiáng)度，這些微細(xì)裂縫逐漸互相貫通，且其寬度迅速增大。

1.3鋼筋混凝土構(gòu)件的裂縫產(chǎn)生機(jī)理

在配有鋼筋的混凝土構(gòu)件中：鋼筋和混凝土既可以協(xié)同受力，又可能互相約束，其混凝土的裂縫一般可用“粘結(jié)一滑動(dòng)”的機(jī)理加以解釋。認(rèn)為鋼筋混凝土可見裂縫的產(chǎn)生和開展，是混凝土與鋼筋之間不能再保持變形協(xié)調(diào)而出現(xiàn)相對(duì)滑動(dòng)的結(jié)果。

2裂縫產(chǎn)生的主要原因

建筑物在使用過程中承受兩大類荷載。第一類是靜載荷、動(dòng)載荷及其它外荷載；第二類是變形荷載，包括溫度、收縮。裂縫產(chǎn)生的原因主要有以下幾種。

2.1裂縫由外荷載(靜或動(dòng))的直接應(yīng)力(按常規(guī)計(jì)算的主應(yīng)力)所引起

(1)受彎、受拉等構(gòu)件的橫向裂縫。

在鋼筋混凝土受彎構(gòu)件中，當(dāng)截面的受拉邊緣混凝土拉應(yīng)力達(dá)到其抗拉強(qiáng)度極限應(yīng)變時(shí)，構(gòu)件在抗拉能力最弱截面出現(xiàn)第一條(批)裂縫，裂縫處鋼筋承擔(dān)全部拉應(yīng)力，其應(yīng)力隨著載荷增加而迅速增加。在裂縫兩側(cè)，鋼筋長(zhǎng)度方向粘結(jié)應(yīng)力分布不均勻，當(dāng)混凝土應(yīng)力重新增加到等于抗拉強(qiáng)度處將會(huì)出現(xiàn)第二條(批)裂縫。裂縫出現(xiàn)后，隨著荷載不斷增加，鋼筋的拉伸應(yīng)變將大大超過混凝土的拉伸應(yīng)變，兩者之間的相對(duì)滑移逐步增大，從而使裂縫不斷開展。

(2)受彎構(gòu)件的斜裂縫。

受彎構(gòu)件在彎矩、剪力共同作用下，隨著荷載的增加，在集中荷載與支座之間陸續(xù)出現(xiàn)一些斜裂縫，其中近支座處的一條斜裂縫發(fā)展較快，成為導(dǎo)致構(gòu)件破壞的臨界裂縫。這樣會(huì)發(fā)生斜截面破壞，而這種破壞帶有脆性性質(zhì)，無明顯預(yù)兆，危害性極大。

2.2裂縫由結(jié)構(gòu)的次應(yīng)力所引起

許多建筑物結(jié)構(gòu)的實(shí)際工作狀態(tài)同常規(guī)計(jì)算模式有出入。如鋼筋混凝土屋架，結(jié)點(diǎn)是按鉸接計(jì)算的。而實(shí)際的屋架結(jié)點(diǎn)卻承受著較顯著的彎矩和剪力，構(gòu)件內(nèi)這樣的應(yīng)力稱為次應(yīng)力，它們常在結(jié)點(diǎn)處引起裂縫的出現(xiàn)。還有些常規(guī)不計(jì)算的外荷載應(yīng)力，但實(shí)際卻引起結(jié)構(gòu)裂縫。

2.3裂縫由結(jié)構(gòu)變形變化所引起

由溫度、收縮、不均勻沉降等因素而引起結(jié)構(gòu)的變形，而變形受到約束產(chǎn)生內(nèi)部應(yīng)力，當(dāng)應(yīng)力超過一定數(shù)值則引起裂縫。裂縫出現(xiàn)后變形可以得到滿足或部分滿足，內(nèi)部應(yīng)力松弛。結(jié)構(gòu)材料韌性良好才可以適應(yīng)變形要求。因結(jié)構(gòu)變形變化而引起的裂縫主要有：

(1)溫度裂縫。

溫度裂縫是最常見的一種裂縫，是混凝土收縮與冷縮共同結(jié)果?；炷辆哂袩崦浝淇s的特性，其線膨脹系數(shù)為1×10^-5／℃。溫度裂縫多發(fā)生在大體積混凝土表面或溫差變化較大地區(qū)的混凝土結(jié)構(gòu)中。

(2)干縮裂縫。

干縮裂縫多出現(xiàn)在混凝土養(yǎng)護(hù)結(jié)束后的一段時(shí)間或是混凝土澆筑完畢后的一周左右。水泥漿中水分的蒸發(fā)會(huì)產(chǎn)生干縮，且這種收縮是不可逆的。干縮裂縫的產(chǎn)生主要是由于混凝土內(nèi)外水分蒸發(fā)程度不同而導(dǎo)致變形不同的結(jié)果。

(3)塑性收縮裂縫。

塑性收縮是指混凝土在凝結(jié)之前，表面因失水較快而產(chǎn)生的收縮。塑性收縮裂縫一般在干熱或大風(fēng)天氣出現(xiàn)，裂縫多呈中間寬兩端細(xì)且長(zhǎng)短不一、互不連貫狀態(tài)。其產(chǎn)生的主要原因?yàn)?；混凝土在終凝前幾乎沒有強(qiáng)度或強(qiáng)度很小，或者混凝土剛剛終凝而強(qiáng)度很小時(shí)，受高溫或較大風(fēng)力的影響，混凝土表面失水過快。造成毛細(xì)管中產(chǎn)生較大的負(fù)壓而使混凝土體積急劇收縮，而此時(shí)混凝土的強(qiáng)度又無法抵抗其本身收縮，因此產(chǎn)生龜裂。

(4)沉降收縮裂縫。

該裂縫一般多沿主筋通長(zhǎng)方向或箍筋上或埋設(shè)件周圍，在混凝土表面出現(xiàn)，常在澆灌后發(fā)生，硬化后停止。裂縫產(chǎn)生原因是混凝土澆搗后，骨料顆粒沉落，水泥漿上浮，受到鋼筋或埋設(shè)件或大骨料的阻擋，而使混凝土互相分離。另外，混凝土本身組成材料沉降不均勻造成開裂。

(5)沉陷裂縫。

沉陷裂縫的產(chǎn)生是由于結(jié)構(gòu)地基土質(zhì)不勻、松軟，或回填土不實(shí)或浸水而造成不均勻沉降所致；或者因?yàn)槟０鍎偠炔蛔?，摸板支撐間距過大或支撐底部松動(dòng)等所致，特別是在冬季，模板支撐在凍土上，凍土化凍后產(chǎn)生不均勻沉降，致使混凝土結(jié)構(gòu)產(chǎn)生裂縫。

2.4裂縫由特殊情況引起(如地震、滑坡等)

地震引起的裂縫，可以看成地基的“動(dòng)態(tài)變形變化”?；乱鸬慕ㄖ锪芽p也可以說是由于地基變形所引起，該變形可能是蠕變變形，也可能是突然的失穩(wěn)變形。3結(jié)論

混凝土裂縫的形成機(jī)理是混凝土結(jié)構(gòu)裂縫的原因分析的理論基礎(chǔ)，對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)裂縫的形成、擴(kuò)展、串連等現(xiàn)象及原因作了較為詳盡的理論分析?；炷两Y(jié)構(gòu)的裂縫是不可避免的，混凝土的結(jié)構(gòu)理論認(rèn)為，混凝土為骨料、水泥石、氣體、水分等組成的非均質(zhì)材料，在尚未受荷的混凝土結(jié)構(gòu)中存在著肉眼不可見的微觀裂縫，微裂存在是材料固有的一種物理性質(zhì)。