混凝土裂縫的成因及防治

□胥書亭（長葛市佛耳崗水庫管理所）

一、引言

混凝土廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代工程建設(shè)中，一個(gè)相當(dāng)普遍的問題是混凝土出現(xiàn)裂縫，并且日趨增多，困擾著大批工程技術(shù)人員，也是迫切需要解決的技術(shù)難題。

二、混凝土裂縫產(chǎn)生的主要原因

混凝土裂縫產(chǎn)生的原因有很多，既有材料及構(gòu)件本身的物理化學(xué)性能原因，也受施工環(huán)境條件、施工技術(shù)及管理、自然條件等多方面影響，一般分析來說較為常見的有以下幾種：

一是外荷載引起的裂縫。這是最為普遍的一種，按照常規(guī)計(jì)算的主要應(yīng)力引起的裂縫。

二是結(jié)構(gòu)次應(yīng)力引起的裂縫。這是由于結(jié)構(gòu)的實(shí)際工作狀態(tài)與計(jì)算假設(shè)模型的差異造成的。

三是變形應(yīng)力引起的膨脹。這是由溫度、收縮、不均勻沉降和凍脹等引起的結(jié)構(gòu)變形，當(dāng)變形受到約束時(shí)便產(chǎn)生應(yīng)力，當(dāng)應(yīng)力超過混凝土抗拉強(qiáng)度時(shí)便產(chǎn)生裂縫。

四是混凝土施工澆筑過程中施工不當(dāng)造成的裂縫，這也是理論受力分析之外最不可預(yù)測的因素，也是現(xiàn)場施工管理最主要的解決對象。

三、混凝土裂縫的分類

從表面效果來分，混凝土結(jié)構(gòu)物的裂縫可分為可見裂縫（也稱宏觀裂縫）和微細(xì)裂縫。

宏觀裂縫指肉眼可見的裂縫，其危害性表現(xiàn)的時(shí)間較早，一般情況下都能得到及時(shí)的解決。

微細(xì)裂縫指那些一般情況下肉眼看不見的裂縫，主要有3種：骨料與混凝土粘合面上的裂縫稱為附著裂縫；水泥石中自身的裂縫稱為水泥石裂縫；骨料本身的裂縫稱為骨料裂縫。

微細(xì)裂縫在混凝土結(jié)構(gòu)中的分布是不規(guī)則的，只有在某些特定條件下才會表現(xiàn)出來，因此常常不能引起重視，當(dāng)其呈現(xiàn)出使用功能的問題時(shí)，維修已很難進(jìn)行。

四、混凝土裂縫的限值

混凝土的裂縫雖然是不可避免的，其中的微裂縫更是混凝土本身的物理力學(xué)性質(zhì)決定的，但危害程度是可以控制的，危害程度的標(biāo)準(zhǔn)可以根據(jù)使用條件所決定。從結(jié)構(gòu)耐久性、承載力和正常使用要求來看，最嚴(yán)格的允許裂縫寬度為0.1mm；近年來，根據(jù)大量試驗(yàn)與泵送混凝土的經(jīng)驗(yàn)將其寬度放寬到0.2mm。當(dāng)結(jié)構(gòu)所處的環(huán)境正常，保護(hù)層厚度符合設(shè)計(jì)要求，無侵蝕介質(zhì)的條件下，鋼筋混凝土裂縫的限值可到0.4mm；濕氣及土中為0.3mm，海水及干濕交替中為0.14mm。沿受力鋼筋的順筋方向裂縫有害程度較高，必須處理。

五、混凝土工程中常見裂縫及預(yù)防

（一）干縮裂縫及預(yù)防

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：混凝土受外部條件的影響，表面水分損失過快，變形較大；內(nèi)部濕度變化較小變形較?。惠^大的表面干縮變形受到混凝土內(nèi)部約束，產(chǎn)生較大拉應(yīng)力而產(chǎn)生裂縫。相對濕度越低，水泥漿體干縮越大，干縮裂縫越易產(chǎn)生。干縮裂縫多為表面性的平行線狀或網(wǎng)狀淺細(xì)裂縫，寬度多在0.05～0.2mm，大體積混凝土中平面部位多見，較薄的梁板中多沿其短向分布。干縮裂縫通常會影響混凝土的抗?jié)B性，引起鋼筋的銹蝕，影響混凝土的耐久性，在水壓力的作用下會產(chǎn)生水力劈裂，影響混凝土的承載力等等?；炷粮煽s主要和混凝土的水灰比、水泥的成分、水泥的用量、集料的性質(zhì)和用量、外加劑的用量等有關(guān)。

主要預(yù)防措施：一是選用收縮量較小的水泥，一般采用中低熱水泥和粉煤灰水泥，降低水泥的用量。二是混凝土的干縮受水灰比的影響較大，水灰比越大，干縮越大，因此在混凝土配合比設(shè)計(jì)中，應(yīng)盡量控制好水灰比的選用，同時(shí)摻加合適的減水劑。三是嚴(yán)格控制混凝土攪拌和施工中的配合比，混凝土的用水量絕對不能大于配合比設(shè)計(jì)所給定的用水量。四是加強(qiáng)混凝土的早期養(yǎng)護(hù)，并適當(dāng)延長混凝土的養(yǎng)護(hù)時(shí)間。冬季施工時(shí)要適當(dāng)延長混凝土保溫覆蓋時(shí)間，并涂刷養(yǎng)護(hù)劑養(yǎng)護(hù)。五是在混凝土結(jié)構(gòu)中設(shè)置合適的收縮縫。

（二）塑性收縮裂縫及預(yù)防

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)，裂縫多呈現(xiàn)中間寬、兩端細(xì)且長短不一，互不連貫狀態(tài)。較短的裂縫一般長 20～30cm，較長的裂縫可達(dá) 2～3m，寬 1～5mm。主要原因?yàn)椋夯炷猎诮K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)血管中產(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。影響混凝土塑性收縮開裂的主要因素有水灰比、混凝土的凝結(jié)時(shí)間、環(huán)境溫度、風(fēng)速、相對濕度等等。

主要預(yù)防措施：一是選用干縮值較小，早期強(qiáng)度較高的硅酸鹽或普通硅酸鹽水泥。二是嚴(yán)格控制水灰比，摻加高效減水劑來增加混凝土的坍落度和和易性，減少水泥及水的用量。三是澆筑混凝土之前，將基層和模板澆水均勻濕透。四是及時(shí)覆蓋塑料薄膜或者潮濕草墊、麻片等，保持混凝土終凝前表面濕潤，或者在混凝土表面噴灑養(yǎng)護(hù)劑等進(jìn)行養(yǎng)護(hù)。五是在高溫和大風(fēng)天氣要設(shè)置遮陽和擋風(fēng)設(shè)施，及時(shí)養(yǎng)護(hù)。

（三）沉陷裂縫及預(yù)防

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)及浸水而造成不均勻的沉降；或者因?yàn)槟０鍎偠炔蛔?，模板支撐間距過大或支撐底部松動等導(dǎo)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。此類裂縫多為深進(jìn)或貫穿性裂縫，其走向與沉陷情況有關(guān)，一般沿與地面垂直或成30～45°方向發(fā)展，較大的沉陷裂縫，往往有一定的錯(cuò)位，裂縫寬度往往與沉降成正比關(guān)系。裂縫寬度受溫度變化的影響較小。地基變形穩(wěn)定之后，沉陷裂縫也基本趨于穩(wěn)定。

主要預(yù)防措施：一是對松軟土、填土地基上部結(jié)構(gòu)施工前應(yīng)進(jìn)行必要的夯實(shí)和加固。二是保證模板有足夠的強(qiáng)度和剛度，且支撐牢固，并使地基受力均勻。三是防止混凝土澆灌過程中地基被水浸泡。四是模板拆除的時(shí)間不能太早，且要注意拆模的先后次序。五是在凍土上搭設(shè)模板時(shí)要注意采取一定的預(yù)防措施。

（四）溫度裂縫及預(yù)防

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?；炷翝仓?，在硬化過程中，水泥水化產(chǎn)生大量的水化熱（當(dāng)水泥用量在350～550kg/m3，1m3混凝土將釋放出17500～27500kJ的熱量，從而使混凝土內(nèi)部溫度升達(dá)70℃左右甚至更高）。由于混凝土的體積較大，大量的水化熱聚積在混凝土內(nèi)部而不易散發(fā)，導(dǎo)致內(nèi)部溫度急劇上升，而混凝土表面散熱較快，這樣就形成內(nèi)外的較大溫差，較大的溫差造成內(nèi)部與外部熱脹冷縮的程度不同，使混凝土表面產(chǎn)生一定的拉應(yīng)力（實(shí)踐證明當(dāng)混凝土本身溫差達(dá)到25～26℃時(shí)，混凝土內(nèi)便會產(chǎn)生大致在10MPa左右的拉應(yīng)力）。當(dāng)拉應(yīng)力超過混凝土的抗拉強(qiáng)度極限時(shí)，混凝土表面就會產(chǎn)生裂縫，這種裂縫多發(fā)生在混凝土施工中后期。在混凝土的施工中當(dāng)溫差變化較大，或者是混凝土受到寒潮的襲擊等，會導(dǎo)致混凝土表面溫度急劇下降而產(chǎn)生收縮，表面收縮的混凝土受內(nèi)部混凝土的約束，將產(chǎn)生很大的拉應(yīng)力而產(chǎn)生裂縫，這種裂縫通常只在混凝土表面較淺的范圍內(nèi)產(chǎn)生。

溫度裂縫的走向通常無一定規(guī)律，大面積結(jié)構(gòu)裂縫通?？v橫交錯(cuò)；梁板類長度尺寸較大的結(jié)構(gòu)，裂縫多平行于短邊；深入和貫穿性的溫度裂縫一般與短邊方向平行或接近平行，裂縫沿著長邊分段出現(xiàn)，中間較密。裂縫寬度大小不一，受溫度變化影響較為明顯，冬季較寬，夏季較窄。高溫膨脹引起的混凝土溫度裂縫通常是中間粗兩端細(xì)，而冷縮裂縫的粗細(xì)變化不太明顯。此種裂縫的出現(xiàn)會引起鋼筋的銹蝕，混凝土的碳化，降低混凝土的抗凍融、抗疲勞及抗?jié)B能力等。

主要預(yù)防措施：盡量選用低熱或中熱水泥，如礦渣水泥、粉煤灰水泥等。減少水泥用量，將水泥用量盡量控制在450kg／m3以下。降低水灰比，一般混凝土的水灰比控制在0.6以下。改善骨料級配，摻加粉煤灰或高效減水劑等來減少水泥用量，降低水化熱。改善混凝土的攪拌加工工藝，在傳統(tǒng)的“三冷技術(shù)”的基礎(chǔ)上采用“二冷風(fēng)冷”新工藝，降低混凝土的澆筑溫度。在混凝土中摻加一定量的具有減水、增塑、緩凝等作用的外加劑，改善混凝土拌合物的流動性、保水性，降低水化熱，推遲熱峰的出現(xiàn)時(shí)間。高溫季節(jié)澆筑時(shí)可以采用搭設(shè)遮陽板等輔助措施控制混凝土的升溫，降低澆筑混凝土的溫度。大體積混凝土的溫度應(yīng)與結(jié)構(gòu)尺寸相關(guān)，混凝土結(jié)構(gòu)尺寸越大，溫度應(yīng)力越大，因此要合理安排施工工序，分層、分塊澆筑，以利于散熱，減小約束。在大體積混凝土內(nèi)部設(shè)置冷卻管道，通冷水或者冷氣冷卻，減小混凝土的內(nèi)外溫差。加強(qiáng)混凝土溫度的監(jiān)控，及時(shí)采取冷卻、保護(hù)措施，預(yù)留溫度收縮縫。為減小約束，澆筑混凝土前宜在基巖和老混凝土上鋪設(shè)5mm左右的砂墊層或使用瀝青等材料涂刷。為加強(qiáng)混凝土養(yǎng)護(hù)，混凝土澆筑后，應(yīng)及時(shí)用濕潤的草簾、麻片等覆蓋，并注意灑水養(yǎng)護(hù)，適當(dāng)延長養(yǎng)護(hù)時(shí)間，保證混凝土表面緩慢冷卻。在寒冷季節(jié)，混凝土表面應(yīng)設(shè)置保溫措施，以防止寒潮襲擊。混凝土中配置少量的鋼筋或者摻入纖維材料，將混凝土的溫度裂縫控制在一定范圍之內(nèi)。

（五）化學(xué)反應(yīng)引起的裂縫及預(yù)防

堿骨料反應(yīng)裂縫和鋼筋銹蝕引起的裂縫是鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中最常見的，是化學(xué)反應(yīng)而引起的裂縫。

混凝土拌和后產(chǎn)生一些堿性離子，這些離子與某些活性骨料產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，并吸收周圍環(huán)境中的水而體積增大，造成混凝土酥松、膨脹開裂。這種裂縫一般出現(xiàn)中混凝土結(jié)構(gòu)使用期間，一旦出現(xiàn)很難補(bǔ)救，因此應(yīng)在施工中采取有效措施進(jìn)行預(yù)防。主要的預(yù)防措施：一是選用堿活性小的砂石骨料。二是選用低堿水泥和低堿或無堿的外加劑。三是選用合適的摻和料抑制堿骨料反應(yīng)。

由于混凝土澆筑、振搗不良或者是鋼筋保護(hù)層較薄，有害物質(zhì)進(jìn)入混凝土，使鋼筋產(chǎn)生銹蝕，銹蝕的鋼筋體積膨脹，導(dǎo)致混凝土脹裂，此種類型的裂縫多為縱向裂縫，沿鋼筋的位置出現(xiàn)。通常的預(yù)防措施有：一是保證鋼筋保護(hù)層的厚度。二是混凝土級配要良好。三是混凝土澆筑要振搗密實(shí)。四是鋼筋表層涂刷防腐涂料。

（六）凍脹裂縫及預(yù)防

在冬季與水接觸的建筑常因凍脹作用而遭到破壞。如土壩上游護(hù)坡常因冰拔或冰推作用而破壞；混凝土建筑物的迎水面水位變化區(qū)常因凍融而破壞，表現(xiàn)為混凝土表面酥松剝落、強(qiáng)度降低；渠道建筑物的柱基甚至?xí)粌雒洶纹穑磺酪r砌混凝土板因凍脹產(chǎn)生裂縫、變形、錯(cuò)位。

凍脹裂縫的產(chǎn)生是由于混凝土內(nèi)部存在滲水孔隙，孔隙中又有水，這些水結(jié)冰時(shí)體積膨脹9%，產(chǎn)生膨脹力作用在孔隙或毛細(xì)管壁上。同時(shí)，混凝土在凍結(jié)過程中，還有可能出現(xiàn)過冷水在孔隙中遷移，在混凝土中產(chǎn)生滲透壓力，也作用在管壁上。這兩種壓力在混凝土凍結(jié)過程中出現(xiàn)，在融化中消失，如此周期性的作用，會使孔隙產(chǎn)生微裂縫，并逐漸擴(kuò)展增多，強(qiáng)度降低，混凝土表面開始剝落甚至整體破壞。

在渠道運(yùn)行過程中，一是混凝土本身還有微量的透水性；二是在混凝土板的伸縮縫處還可能會出現(xiàn)一些滲水現(xiàn)象；三是雨水從渠道壓頂后部可能會滲入混凝土板與土坡交界處等。冬季灌溉運(yùn)行時(shí)凍脹甚微，經(jīng)過長時(shí)間輸水而突然停水后，渠道水位線以下基本上呈飽和狀態(tài)，在沒有來得及下滲的情況下便固化了，這種固化將會形成強(qiáng)大的作用力而作用在混凝土板上，并以渠底作為支點(diǎn)，水面以下部分作為受力線（或面），致使混凝土板產(chǎn)生裂縫、變形、錯(cuò)位。

水工建筑物受冰害的主要部位有護(hù)坡、溢洪道閘門、輸水及泄水建筑物的進(jìn)水口閘門、攔柵及支架，以及進(jìn)口兩側(cè)的導(dǎo)墻等。除在結(jié)構(gòu)上采取防凍加強(qiáng)措施外，對已建工程可以采用以下防冰凍措施：

1.防止建筑物周邊結(jié)冰的措施

主要方法有加熱防凍法：具體為熱風(fēng)法、電熱法和蒸汽熱水法。

熱風(fēng)法是通過噴風(fēng)管上的大量小孔，將熱風(fēng)送到加熱部位，適用于閘門槽側(cè)邊、底部和背面。此法防凍效果好，維修容易，但設(shè)備費(fèi)用高，用電量大。

電熱法是用電熱管等電加熱器，直接或間接使物體加熱，優(yōu)點(diǎn)是設(shè)備簡單，加熱效果好，適用于閘槽側(cè)壁和底部，但易斷電，外露時(shí)易損壞。

蒸汽熱水法是用管道將熱水（汽）通至需要防凍部位，需要鍋爐及較長保溫管道，熱量損失大，費(fèi)用較高。

2.在結(jié)構(gòu)及管理上采用防護(hù)措施

在冰凍地區(qū)的護(hù)坡，應(yīng)有足夠的重量，砌筑整體性要好，且應(yīng)有較好的表面平整度。通常用混凝土板或石料較好，在選料時(shí)應(yīng)選抗凍性強(qiáng)的石料，施工時(shí)石料應(yīng)相互咬緊。護(hù)坡厚度，塊徑大小應(yīng)由抗凍計(jì)算確定或參考當(dāng)?shù)爻晒Φ慕?jīng)驗(yàn)?；炷涟鍓K的整體性差，重量較輕，厚度大小由冰情及風(fēng)浪條件確定，在寒冷地區(qū)一般應(yīng)＞20cm。

3.合理確定建筑物的位置和布置

取水建筑物進(jìn)水塔應(yīng)避免設(shè)在離壩較遠(yuǎn)的水庫中，并以豎井式結(jié)構(gòu)為宜，否則應(yīng)盡量貼近壩坡，加強(qiáng)結(jié)構(gòu)剛度。泄洪閘的位置盡量后移，使閘前有一定長度的引渠或喇叭口段。水工建筑物的防冰防凍害問題有許多地區(qū)和單位都在進(jìn)行探索，隨著工程管理工作的深入，將會有更多更好的經(jīng)驗(yàn)得到運(yùn)用和推廣。

六、裂縫處理

（一）表面修補(bǔ)法

表面修補(bǔ)法是一種簡單、常見的補(bǔ)修方法，它主要適用于穩(wěn)定和對結(jié)構(gòu)承載能力沒有影響的表面裂縫以及深進(jìn)裂縫的處理。通常的處理措施是在裂縫的表面涂抹水泥漿、環(huán)氧膠泥或在混凝土表面涂刷油漆、瀝青等防腐材料，在防護(hù)的同時(shí)為了防止混凝土受各種作用的影響繼續(xù)開裂，通常可以采用在裂縫的表面粘貼玻璃纖維布等措施。

（二）灌漿、嵌縫封堵法

灌漿法主要適用于對結(jié)構(gòu)整體性有影響或有防滲要求的混凝土裂縫的修補(bǔ)，它是利用壓力設(shè)備將膠結(jié)材料壓入混凝土的裂縫中，膠結(jié)材料硬化后與混凝土形成一個(gè)整體，從而起到封堵加固的目的。常用的膠結(jié)材料有水泥漿、環(huán)氧樹脂、甲基丙烯酸酯、聚氨酯等化學(xué)材料。

嵌縫法是裂縫封堵中最常用的一種方法，它通常是沿裂縫的鑿槽，在槽中嵌填塑性或剛性止水材料，以達(dá)到封閉裂縫的目的。常用的塑性材料有聚氯乙烯膠泥、塑料油膏、丁基橡膠等，常用的剛性止水材料為聚合物水泥砂漿。

（三）結(jié)構(gòu)加固法

當(dāng)裂縫影響到混凝土結(jié)構(gòu)的性能時(shí)，就要考慮采取加固法對混凝土進(jìn)行處理。結(jié)構(gòu)加固中常用的主要有以下幾種方法：加大混凝土結(jié)構(gòu)的截面面積，在構(gòu)件的角部外包型鋼、采用預(yù)應(yīng)力法加固、粘貼鋼板加固、增設(shè)支點(diǎn)加固以及噴射混凝土補(bǔ)強(qiáng)加固。

（四）混凝土置換法

混凝土置換法是處理嚴(yán)重?fù)p壞混凝土的一種有效方法，此方法是先將損壞的混凝土剔除，然后再置換入新的混凝土或其他材料。常用的置換材料有：普通混凝土或水泥砂漿、聚合物或改性聚合物混凝土或砂漿。

（五）電化學(xué)防護(hù)法

電化學(xué)防腐是利用施加電場在介質(zhì)中的電化學(xué)作用，改變混凝土或鋼筋混凝土所處的環(huán)境狀態(tài)，鈍化鋼筋，以達(dá)到防腐的目的。陰極防護(hù)法、氯鹽提取法、堿性復(fù)原法是化學(xué)防護(hù)法中常用而有效的3種方法。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是防護(hù)方法受環(huán)境因素影響較小，適用鋼筋、混凝土的長期防腐，既可用于已開裂結(jié)構(gòu)，也可用于新建結(jié)構(gòu)。

（六）仿生自愈合法

仿生自愈合法是一種新的裂縫處理方法，它模仿生物組織對受創(chuàng)傷部位自動分泌某種物質(zhì)，而使創(chuàng)傷部位得到愈合的機(jī)能；在混凝土的傳統(tǒng)組分中加入某些特殊組分（如含粘結(jié)劑的液芯纖維或膠囊），在混凝土內(nèi)部形成智能型仿生自愈合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，當(dāng)混凝土出現(xiàn)裂縫時(shí)分泌出部分液芯纖維可使裂縫重新愈合。