簡(jiǎn)述混凝土裂縫原因及預(yù)防措施

合肥水泥研究設(shè)計(jì)院 鄒 沁 張媛媛

簡(jiǎn)述混凝土裂縫原因及預(yù)防措施

合肥水泥研究設(shè)計(jì)院 鄒 沁 張媛媛

鋼筋混凝土是一種砂石骨料、水泥、水及其他外加材料混合而形成的非均質(zhì)脆性材料，在其微觀相組成之間主要結(jié)合力是范德華力。因此其抗拉強(qiáng)度遠(yuǎn)低于抗壓強(qiáng)度。當(dāng)混凝土內(nèi)部產(chǎn)生拉應(yīng)力超過(guò)其抗拉強(qiáng)度時(shí)，就產(chǎn)生裂縫。混凝土裂縫是混凝土工程一種很普遍的現(xiàn)象，現(xiàn)就裂縫產(chǎn)生的原因以及如何控制混凝土裂縫做簡(jiǎn)單介紹。

混凝土裂縫 原因 預(yù)防

一、概述

鋼筋混凝土是一種砂石骨料、水泥、水及其他外加材料混合而形成的非均質(zhì)脆性材料，在其微觀相組成之間主要結(jié)合力是范德華力。因此其抗拉強(qiáng)度遠(yuǎn)低于抗壓強(qiáng)度。當(dāng)混凝土內(nèi)部產(chǎn)生拉應(yīng)力超過(guò)其抗拉強(qiáng)度時(shí)，就產(chǎn)生裂縫。因此混凝土開(kāi)裂的條件就是在約束變形產(chǎn)生的拉應(yīng)力超過(guò)混凝土極限抗拉強(qiáng)度，也就是說(shuō)必須同時(shí)考慮三個(gè)條件：變形的大小、約束的程度、當(dāng)時(shí)混凝土抗拉強(qiáng)度。不受約束的自由變形不會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力；抗拉強(qiáng)度足以抵抗所產(chǎn)生的拉應(yīng)力時(shí)則不會(huì)開(kāi)裂。所產(chǎn)生的應(yīng)力大小和當(dāng)時(shí)的彈性模量有關(guān)，和能夠松弛應(yīng)力的徐變有關(guān)；是否引起開(kāi)裂還和混凝土的抗拉強(qiáng)度有關(guān)。

《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50010-2002允許一般混凝土結(jié)構(gòu)有一定的裂縫存在，但不能超過(guò)規(guī)定的最大裂縫寬度限值。當(dāng)混凝土裂縫寬度超過(guò)規(guī)定的限值后，外部各種有害物質(zhì)、氣體開(kāi)始向內(nèi)部滲透、侵蝕、碳化作用也將跟隨裂縫很快的滲入到混凝土內(nèi)部。鋼筋在氧氣和水分作用下開(kāi)始發(fā)生銹蝕。鋼筋被銹蝕后所產(chǎn)生的鐵銹體積比原體積要增加許多，其外側(cè)混凝土受到鋼筋膨脹的擠壓作用后，其產(chǎn)生垂直于徑向脹壓力，當(dāng)超過(guò)混凝土的拉應(yīng)力后，就會(huì)在混凝土的保護(hù)層上引發(fā)沿鋼筋的縱向裂縫?；炷恋牧芽p的擴(kuò)展或有新裂縫的出現(xiàn)，將會(huì)加速混凝土的碳化合侵蝕物質(zhì)的介入。鋼筋腐蝕程度加劇，這又將進(jìn)一步混凝土的開(kāi)裂，使混凝土結(jié)構(gòu)的承載能力下降，耐久性降低。

二、混凝土裂縫的類(lèi)型

混凝土的裂縫按產(chǎn)生的時(shí)間可分為硬化前裂縫、硬化過(guò)程裂縫和完成硬化后裂縫。

按裂縫產(chǎn)生的原因?qū)⒒炷亮芽p分為兩大類(lèi)：

1. 結(jié)構(gòu)性裂縫——由荷載、作用引起的裂縫。

2. 非結(jié)構(gòu)性裂縫——由變形變化引起的裂縫，包括溫度、濕度、收縮和膨脹、不均勻沉降等因素引起的裂縫。

（1）混凝土收縮主要有塑性收縮、干燥收縮和溫差收縮。

塑性收縮主要指在混凝土硬化之前，處于塑性狀態(tài)，硬化初期主要是水泥、石在水化凝固硬化過(guò)程中產(chǎn)生的變化。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，兩段細(xì)且長(zhǎng)短不一，互不連貫狀態(tài)。其產(chǎn)生的主要原因?yàn)椋夯炷猎诮K凝前強(qiáng)度很小，受高溫或較大風(fēng)力影響，混凝土表面失水過(guò)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(wú)法抵抗其本身的收縮，因此產(chǎn)生龜裂。

現(xiàn)澆鋼筋混凝土板硬化過(guò)程中，由于水分蒸發(fā)體積逐漸縮小，將產(chǎn)生收縮，但板的四周受到梁、柱、墻體等約束，不能自由伸展。而當(dāng)混凝土的收縮引起的約束應(yīng)力超過(guò)一定程度時(shí)，就會(huì)引起現(xiàn)澆板的開(kāi)裂，開(kāi)裂部位通常是應(yīng)力相對(duì)集中處，所以板的收縮裂縫絕大多數(shù)產(chǎn)生在樓板的拐角處，其走向與板對(duì)角線相垂直。

干燥收縮主要是由于水泥、石的脫水收縮。砂石不僅多不收縮，而且還可抑制水泥、石收縮而減少混凝土的收縮。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。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，相對(duì)濕度越低，水泥漿體干縮越大，干縮裂縫越易產(chǎn)生。干縮裂縫多為表面的平行線狀或網(wǎng)狀淺細(xì)裂縫，干縮裂縫通常會(huì)影響混凝土抗?jié)B性，引起鋼筋的銹蝕影響混凝土耐久性等。

水泥在水化過(guò)程中產(chǎn)生大量的熱量，這是混凝土內(nèi)部升溫的主要熱量來(lái)源，水化熱聚集在結(jié)構(gòu)內(nèi)部不易散失，引起混凝土內(nèi)部急劇升溫，隨著混凝土工齡期的增長(zhǎng)，其強(qiáng)度相應(yīng)提高，對(duì)混凝土內(nèi)部降溫收縮變形的約束越來(lái)越強(qiáng)，以致產(chǎn)生很大的溫度應(yīng)力，當(dāng)溫度應(yīng)力大于混凝土極限抗拉強(qiáng)度時(shí)，即產(chǎn)生溫度裂縫。溫度裂縫多發(fā)生在大體積混凝土表面或溫差變化較大的地區(qū)的混凝土中。溫度裂縫的走向通常無(wú)一定規(guī)律。

大體積混凝土結(jié)構(gòu)裂縫縱橫交錯(cuò)；梁板類(lèi)長(zhǎng)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(zhǎng)邊分段出現(xiàn)，中間較密。大體積混凝土結(jié)構(gòu)一般要求一次性整體澆筑。澆筑后，水泥因水化引起水化，由于混凝土體積大，聚集在內(nèi)部水泥水化熱不宜散發(fā)，混凝土內(nèi)部溫度將顯著升高，而其表面則散熱較快，形成較大的溫差，使混凝土內(nèi)部產(chǎn)生壓應(yīng)力，表面產(chǎn)生拉應(yīng)力。此時(shí)，混凝土齡期短，抗拉強(qiáng)度低。當(dāng)溫差產(chǎn)生的表面抗拉應(yīng)力超多混凝土極限抗拉強(qiáng)度，則會(huì)在混凝土表面產(chǎn)生裂縫。

現(xiàn)澆鋼筋混凝土板在混凝土硬化期間水泥將放出大量的水化熱，內(nèi)部溫度不斷上升，在混凝土表面引起張拉應(yīng)力。后期降溫過(guò)程中，由于受到框架梁、柱、墻的約束又會(huì)在混凝土內(nèi)部出現(xiàn)拉應(yīng)力。氣溫的降低也會(huì)在混凝土的表面引起較大的拉應(yīng)力，特別是屋面板，由于直接與室外接觸（盡管屋面也做了保溫層），其產(chǎn)生裂縫的概率要大于樓面板。當(dāng)溫度應(yīng)力的拉應(yīng)力超過(guò)混凝土抗拉極限能力時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)裂縫。

（2）化學(xué)反應(yīng)引起的裂縫。

混凝土攪拌后會(huì)產(chǎn)生堿性離子，這些離子與某些活性骨料產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)并吸收周?chē)h(huán)境中的水而體積增大，造成混凝土膨脹開(kāi)裂。這種裂縫一般出現(xiàn)在混凝土使用期間。

（3）沉降裂縫。

沉降裂縫是由于結(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導(dǎo)致?；蛘咭?yàn)槟０鍎偠炔蛔?、模板支承間距過(guò)大或支承底部松松導(dǎo)致。特別是在冬季，模板支承在凍土上，凍土凍化后產(chǎn)生不均勻沉降，致使混凝土結(jié)構(gòu)產(chǎn)生裂縫。

三、預(yù)防措施

1. 材料選用。應(yīng)選用水化熱較低的水泥，嚴(yán)禁使用安定性不合格的水泥。粗骨料：宜用表面粗糙、質(zhì)地堅(jiān)硬的石料、級(jí)配良好、空隙率小、無(wú)堿性反應(yīng)；有害物質(zhì)及黏土含量不超過(guò)規(guī)定。細(xì)骨料：宜用顆粒較粗、空隙較小、含泥較低的中砂。外摻加料：宜采用減水劑等外加劑，以改善混凝土工作性能，降低用水量，減少收縮。

2. 配料。配合比設(shè)計(jì)：應(yīng)采用低水灰比、低用水量，以減少水泥用量。配制混凝土?xí)r計(jì)量應(yīng)準(zhǔn)確，要嚴(yán)格控制水灰比和水泥用量，攪拌均勻，離析的混凝土必須重新攪勻后，方可澆筑。

3. 配筋。鋼筋等級(jí)、規(guī)格、數(shù)量的改變、代用，必須滿(mǎn)足《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50010-2002第8.1條相關(guān)要求。以低強(qiáng)度鋼筋代換高強(qiáng)度等級(jí)鋼筋后，裂縫寬度有所減小。相同等級(jí)鋼筋代換時(shí)，若代換鋼筋直徑大于原鋼筋直徑，則需要加大代換鋼筋的面積以滿(mǎn)足裂縫寬度的要求。鋼筋的位置要正確，保護(hù)層過(guò)大或過(guò)小都可能導(dǎo)致混凝土開(kāi)裂，鋼筋間距過(guò)大，易引起鋼筋之間的混凝土開(kāi)裂。

4. 模板工程。模板構(gòu)造要合理，以防止模板各種干凈的變形不協(xié)調(diào)而導(dǎo)致混凝土開(kāi)裂。模板和支架要有足夠的剛度，防止在施工荷載作用下，模板變形過(guò)大造成開(kāi)裂。合理把握拆模板時(shí)機(jī)，拆模時(shí)間不能過(guò)早，應(yīng)保證早齡期混凝土不損壞或不開(kāi)裂，但也不能太晚，盡可能不要錯(cuò)過(guò)混凝土水化熱峰值。

5. 混凝土澆筑?；炷翝仓r(shí)應(yīng)防止離析現(xiàn)象，振搗應(yīng)均勻、適度。加強(qiáng)混凝土早期養(yǎng)護(hù)，并適度延長(zhǎng)養(yǎng)護(hù)時(shí)間內(nèi)，在氣溫高、濕度低或風(fēng)速大的條件下，更應(yīng)及早進(jìn)行噴水養(yǎng)護(hù)，在澆水養(yǎng)護(hù)有困難時(shí)，或者不能保證其充分濕潤(rùn)時(shí)，可采用覆蓋保濕材料等方法。

6. 工程設(shè)計(jì)。建筑平面選型時(shí)在滿(mǎn)足使用功能的前提下，力求簡(jiǎn)單，平面復(fù)雜的建筑物，容易產(chǎn)生扭曲等附加應(yīng)力而造成墻體及樓板開(kāi)裂。合理布置縱橫墻，縱墻開(kāi)洞應(yīng)盡可能小。減少地基的不均勻沉降，除了前述的措施外，在基礎(chǔ)設(shè)計(jì)中可以采取調(diào)整基礎(chǔ)的埋深，不同的地基強(qiáng)度和采用不同墊層厚度等方法來(lái)調(diào)整地基的不均勻變形。正確的設(shè)置沉降縫。沉降縫位置和縫寬的選定應(yīng)合適，構(gòu)造要合理，可以和其結(jié)構(gòu)縫合并設(shè)置。

7. 當(dāng)混凝土裂縫較寬時(shí)，會(huì)影響結(jié)構(gòu)的抗?jié)B性能，導(dǎo)致水分及有害物質(zhì)滲入，誘發(fā)鋼筋銹蝕或加速混凝土的自然老化，從而降低工程結(jié)構(gòu)的承載力、使用功能和耐久性。此時(shí)可以對(duì)混凝土表面進(jìn)行防水處理，從而防止潮氣入侵。例如硅烷溶液時(shí)混凝土表面防水材料中一種應(yīng)用較為廣泛的防水劑。經(jīng)硅烷防水劑處理過(guò)的基材具有良好的斥水效應(yīng)，能有效阻止水分侵入。同時(shí)，由于斥水型防水劑沒(méi)有封閉基材毛細(xì)管通道，不妨礙水氣由里向外擴(kuò)散，使基材具有良好的透氣性。

8. 改善基礎(chǔ)邊界條件，增設(shè)滑動(dòng)層，降低外約束力。當(dāng)基礎(chǔ)混凝土澆筑在基巖或混凝土上時(shí)，其降溫過(guò)程中因混凝土的冷縮受到基巖或老混凝土處部約束引起的拉應(yīng)力，要大于其升溫中因膨脹受到基巖或老混凝土外部約束的壓應(yīng)力，混凝土降溫的幅度越大，基底的約束程度越大，因此引發(fā)的收縮拉應(yīng)力及裂縫可能性越大。

四、結(jié)語(yǔ)

裂縫是混凝土結(jié)構(gòu)中普遍存在的一種現(xiàn)象，它的出現(xiàn)不僅會(huì)降低建筑物的抗?jié)B能力，影響建筑物的使用功能，而且會(huì)引起鋼筋的銹蝕，混凝土的碳化，降低構(gòu)件的耐久性，影響建筑物的承載力。裂縫控制要重視工程設(shè)計(jì)、材料選用、施工、混凝土養(yǎng)護(hù)等各個(gè)環(huán)節(jié)，強(qiáng)調(diào)過(guò)程管理。其中裂縫控制限制環(huán)境中侵蝕性介質(zhì)入侵混凝土結(jié)構(gòu)的第一道防線，控制裂縫尤其是早期裂縫，對(duì)保證混凝土結(jié)構(gòu)耐久性有重要意義。

[1]《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》GB 50010-2002

[2]陳志源,李啟令.土木工程材料[M].武漢工業(yè)大學(xué)出版社,2009