混凝土結構裂縫淺析與控制

韓德豐， 朱明華， 李 梅

1安陽市建筑工程質量檢測中心站（455000） 2安陽市財政投資評審中心（455000）

0 概述

我國城市建設發(fā)展迅猛，混凝土用量日益增多，但混凝土結構的質量通病——裂縫，卻一直沒能徹底解決。在工程建設過程以及交付使用階段,都存在著程度不同的裂縫現(xiàn)象，不僅引發(fā)施工企業(yè)與業(yè)主間的糾紛,還給工程質量留下了缺陷和隱患。

裂縫是混凝土建筑物最常見的病害之一,嚴重的裂縫不僅危害建筑物的整體性和穩(wěn)定性,而且還會產生大量的漏水，影響建筑物的正常使用。裂縫還會引起其他病害的發(fā)生與發(fā)展，如滲漏溶蝕、環(huán)境水侵蝕、凍融破壞、鋼筋銹蝕等。這些病害與裂縫形成惡性循環(huán),對混凝土建筑物的耐久性造成危害。

混凝土是多相復合材料，性能十分復雜，往往在硬化或使用過程中出現(xiàn)裂縫。裂縫由多種原因作用而引起，在裂縫對混凝土結構安全進行可靠性評價時，應以科學的態(tài)度，針對混凝土結構及裂縫產生機理、裂縫的形態(tài)進行分析，區(qū)分裂縫類型，正確判定其實際危害程度。只有通過深入的探索和研究，不斷總結實踐經驗，全面了解和掌握形成混凝土結構裂縫的內在規(guī)律，才能從設計、施工以及使用階段采取措施進行預防，尋找解決和逐步消除裂縫的有效途徑。

1 混凝土結構裂縫淺析

宏觀上,混凝土是由骨科和硬化水泥漿體兩種主要材料構成的不規(guī)則的三維實體結構，并且具有非均質、非線性和不連續(xù)性質；微觀上，由于上述性質的原因，決定了混凝土結構難以保持穩(wěn)定。同時環(huán)境溫度和濕度、固化時間等因素也影響其穩(wěn)定性。因此，混凝土在承受荷載前，就已經存在復雜的微觀應力、應變和裂縫；受荷后微觀裂縫將會發(fā)生更加劇烈的變化和擴展。

混凝土凝固過程中，由于水泥的水化作用，水泥漿逐漸變稠、硬化，并與粗骨料粘結成一體。在此過程，水泥漿失水后收縮變形遠大于骨料的收縮變形。因此，兩者之間形成的收縮差使粗骨料受壓、水泥漿受拉，從而產生應力場，這些應力場在截面上的合力為零，但局部應力可能很大，以致在骨料表面產生微觀裂縫。隨著收縮變形差值不斷增大，導致混凝土內部的微觀裂縫逐漸延伸和擴展,并互相連通成宏觀裂縫。

混凝土同樣具有熱脹冷縮的性質,其線膨脹系數(shù)一般為1.0×10-5/℃。當環(huán)境溫度發(fā)生變化，或是水泥水化熱使混凝土溫度發(fā)生變化時，混凝土結構就會產生溫度變形。當這種變形和約束共同作用產生的應力超過混凝土的極限抗拉強度時，裂縫也會隨之出現(xiàn)。

顯而易見，收縮(溫度)變形和約束是混凝土形成收縮裂縫的內在條件。當拉應力大于抗拉強度，或拉伸變形大于極限拉伸變形時，就會產生較大的裂縫。裂縫按深度不同，可分為表層裂縫、深層裂縫和貫穿裂縫；按裂縫開度變化可分為死縫（寬度和長度不再變化）、活縫（寬度隨外界環(huán)境和荷載條件變化而變化，長度不變或變化不大）和增長縫（寬度或長度隨時間而增長）；按產生原因可分為溫度裂縫、干縮裂縫、鋼筋銹蝕裂縫、超載裂縫、堿骨料反應裂縫、地基不均勻沉降裂縫等。

2 幾種典型裂縫的預防和控制

2.1 塑性裂縫

塑性裂縫出現(xiàn)在混凝土結構表面，裂縫較淺、互不貫通且形狀不規(guī)則。多發(fā)生于混凝土初凝前，常因水分蒸發(fā)而產生，屬于普通的干縮裂縫。

1）成因分析

①水泥的收縮率較大或水泥用量過多。

②混凝土澆筑后，表面沒有及時覆蓋，表面游離水分蒸發(fā)過快，體積急劇收縮。

③采用過量的細砂且混凝土的水灰比過大。

2）預防措施

①配制混凝土時，合理選用水泥，嚴格控制水灰比和水泥用量，石子粒徑應選用連續(xù)粒級，采用中粗砂。

②澆筑混凝土時應振搗密實，以減少混凝土的空隙率和收縮量。

③澆筑混凝土后，加強混凝土的保溫、保濕、養(yǎng)護，并及時對混凝土表面進行覆蓋。

④及時檢查，發(fā)現(xiàn)混凝土表面有細微裂縫，應及時進行抹壓封閉。

3）處理方案

由于此類裂縫僅出現(xiàn)于混凝土表面,對結構影響不大,故一般可用薄砂漿進行封閉處理。

2.2 干縮裂縫

置于未飽和空氣中的混凝土因水分散失而引起的體積縮小變形，稱為干縮。主要是水分在混凝土硬化后較長時間產生蒸發(fā)所致。干縮裂縫處在混凝土結構的表面，縫寬多在0.05mm～0.2mm之間，其走向縱橫交錯，沒有規(guī)律性。較薄的梁板構件裂縫多沿短邊方向分布;整體板塊則多發(fā)于截面變化處;大體積混凝土在平面位最為多見，有時側面也出現(xiàn)。由于溫度的擴散速度比干縮的擴散速度要快1000倍，所以在大體積混凝土內部基本上沒有干縮問題,預制構件常出現(xiàn)在箍筋位置。此類裂縫通常在混凝土露天養(yǎng)護完畢一段時間后，在表面或側面出現(xiàn)，并隨溫度、濕度變化而發(fā)展。

1）成因分析

①干縮擴散速度小，混凝土表面已干縮，而其內部不縮或收縮極小，此時表面的收縮變形，受到內部混凝土的約束而產生拉應力，致使表面裂縫。

②使用了收縮較大的水泥配制混凝土,同時采用了含泥量超標的細砂。

③混凝土過度振搗，造成石子沉積，表面形成水泥含量較多的浮漿層。④外加劑品種的影響,如氯鹽類外加劑常常會加大干縮。⑤施工過程中對混凝土表面的養(yǎng)護不當,加速了水分蒸發(fā)。

2）預防措施

①選用適宜的水泥，嚴格控制砂石含泥量。

②混凝土應適度振搗,并適時對混凝土表面進行抹壓處理，必要時在混凝土初凝前進行二次抹壓處理。

③加強早期養(yǎng)護，如噴灑養(yǎng)護液、覆蓋塑料薄膜以及蓄水養(yǎng)生等，并適當延長養(yǎng)護時間。

3）處理方案

①干縮裂縫多發(fā)生在表面，對結構影響不大，但會使鋼筋銹蝕，同時有損觀感?？捎娩摻z刷或其他工具對裂縫處進行毛化處理，并沖洗干凈，用1:1水泥砂漿壓實抹光并養(yǎng)護即可。

②正在施工的混凝土結構表面，可分兩次壓實抹平，并及時覆蓋塑料薄膜進行持續(xù)養(yǎng)護。

2.3 溫度裂縫

溫度裂縫是混凝土澆筑后因溫差作用而引起。尤其是大體積混凝土,澆筑后水泥水化熱使內部混凝土溫度快速增長，當內外溫差大于25℃，極易產生收縮裂縫。還有一種溫度裂縫是由于環(huán)境溫差引起的,如混凝土突受寒潮侵襲或夏天混凝土經陽光曝曬后突然下雨,都會使混凝土內部與表層產生很大溫差，使內部混凝土對表層混凝土起約束作用，導致溫度裂縫。此類裂縫常出現(xiàn)于梁、板結構且平行于短邊；超長構件裂縫分段出現(xiàn)，中部較密，端部則呈傾斜走向，其形狀多為兩端細、中間寬且大小不一，縫長隨時間發(fā)展逐步擴展。早期出現(xiàn)于混凝土終凝前,硬化后的裂縫則受構件尺寸、構造、約束、環(huán)境因素影響。

1）成因分析

①泵送混凝土，水灰比大且水泥含量高，在未分層且快速澆筑的情況下,混凝土內會聚集較高的水化熱和膨脹應力。

②整體澆筑的大體積混凝土，其中心水化熱高，外表面散熱快，受環(huán)境溫濕度下降影響，極易產生冷縮或約束型貫穿裂縫。

③強度等級較高的混凝土,常選用高強度等級水泥配制并摻加復合型外加劑（能大幅度提高混凝土的抗壓強度，但對抗拉強度效果并不明顯），在混凝土早期強度快速增長過程，遇外表溫度急劇下降且未能及時采取保溫措施時，將會導致冷縮裂縫產生。

④長期處在露天未進行封閉或防護的混凝土梁板結構，受陽光曝曬和低溫凍融浸害，大幅度溫差周期性交替作用，勢必加劇裂縫擴展和漫延。

2）預防措施

①優(yōu)化配合比設計,采用高效減水劑并摻加一定量活性摻合料(高性能粉煤灰、優(yōu)質礦粉等)。

②選用低水化熱水泥。

③采用級配良好、熱膨脹系數(shù)小的骨料，嚴格控制含泥量，如石灰?guī)r骨料混凝土熱膨脹系數(shù)為（5～6）×10-6/℃，而砂巖骨料混凝土熱膨脹系數(shù)為（10～12）×10-6/℃，同樣溫度降低1℃，砂巖骨料混凝土溫度變形比石灰?guī)r骨料混凝土的溫度變形大1倍。

④根據(jù)不同施工季節(jié)，嚴格控制混凝土的入模溫度、適度振搗并及時進行有效養(yǎng)護,豎向構件脫模后應及時涂刷養(yǎng)生液，冬季施工采用蓄熱養(yǎng)護法，嚴格控制構件內外溫差。

⑤大體積混凝土，盡可能設置脹縮縫(后澆、膨脹帶)，實施分段澆筑,并對其截面尺寸突變、應力集中部位進行處理。

3）處理方案

①對0.05～0.3mm之間的無害裂縫，可涂兩遍環(huán)氧類漿材或環(huán)氧玻璃絲布（玻璃鋼）。

②對0.3～0.5mm之間已穩(wěn)定的裂縫,采用化學類漿液（環(huán)氧類、丙凝、甲基丙烯酸酯類等）或水泥壓力灌漿法，進行灌漿補縫；條件允許時，也可涂涮“水泥基滲透結晶型防水材料”，進行裂縫自愈合處理。

③當縫寬超過0.5mm且被確認為有害裂縫時，必須通過設計部門進行結構驗算，以確定是否進行結構補強。

[1] 趙國藩.高等鋼筋混凝土結構學[M].北京:中國電力出版社,1999

[2] 陳本沛.混凝土結構理論和應用研究的理論與發(fā)展[M].大連理工大學出版社,1994

[3] 黃國興.混凝土建筑物修補材料及應用[M].中國電力出版社,2009