混凝土結(jié)構(gòu)裂縫的成因與控制方法

賈東誼

（南陽(yáng)市建筑設(shè)計(jì)研究院，河南 南陽(yáng) 473000）

1 前言

混凝土結(jié)構(gòu)裂縫可以引起滲漏，引起持久強(qiáng)度的降低，如保護(hù)層剝落、鋼筋腐蝕、混凝土碳化等，影響結(jié)構(gòu)物的承載能力與結(jié)構(gòu)的耐久性 。因此，對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)裂縫的成因進(jìn)行分析，采取合理有效的防治措施，具有十分重要的意義。

2 混凝土裂縫種類(lèi)及成因分析

2.1 外荷載引起的裂縫

結(jié)構(gòu)物在實(shí)際使用過(guò)程中承受各種外荷載的作用，在一定條件下會(huì)使結(jié)構(gòu)物產(chǎn)生裂縫。這些裂縫又可分為幾種：①由外荷載的直接應(yīng)力，即按常規(guī)計(jì)算的主要應(yīng)力引起的裂縫；②由外荷載作用，結(jié)構(gòu)次應(yīng)力引起的裂縫。因?yàn)樵S多結(jié)構(gòu)物的實(shí)際工作狀態(tài)同常規(guī)計(jì)算模型有出入，例如屋架按鉸接節(jié)點(diǎn)計(jì)算，但實(shí)際混凝土屋架節(jié)點(diǎn)卻有顯著的彎矩和切力，它們時(shí)常引起節(jié)點(diǎn)裂縫，此處的彎矩和切力稱(chēng)為次應(yīng)力；③一些常規(guī)不計(jì)算的外荷載應(yīng)力，實(shí)際也會(huì)引起結(jié)構(gòu)裂縫。

2.2 溫度裂縫

當(dāng)物體的溫度發(fā)生變化時(shí)，物體將由于膨脹產(chǎn)生線應(yīng)變?chǔ)罷，其中為材料的線膨脹系數(shù)，表示彈性體內(nèi)部任意點(diǎn)的溫度改變值。在平面問(wèn)題中它是坐標(biāo)及時(shí)問(wèn)的函數(shù)。如果物體各個(gè)部分的熱變形不受任何約束，則雖然有變形卻不會(huì)引起應(yīng)力。但是如果物體各個(gè)部分溫度不均勻，或物體受到一定的約束，熱變形不能自由進(jìn)行，就將產(chǎn)生應(yīng)力。這種由于溫度變化引起的應(yīng)力稱(chēng)為“溫度應(yīng)力”。在大體積混凝土中，溫度應(yīng)力是最常見(jiàn)的引起裂縫的原因，而溫差是產(chǎn)生溫度應(yīng)力的根本原因。

2.3 收縮裂縫

混凝土的硬化過(guò)程常常伴隨著其體積的變化。最大的變化是當(dāng)混凝土在大氣中或濕度不足的介質(zhì)中硬化時(shí)所產(chǎn)生的體積減小。這種變形被稱(chēng)為混凝土的收縮。當(dāng)混凝土在水中或在潮濕條件下硬化時(shí)，其體積不一定會(huì)減小，甚至?xí)杂信蛎洝?/p>

混凝土的收縮是由于在其硬化過(guò)程中的物理化學(xué)反應(yīng)以及混凝土的濕度變化所引起的?？偟氖湛s變形是由幾種收縮變形疊加形成的，其中收縮值較大的有濕度變形、化學(xué)變形及碳化變形，它們分別被稱(chēng)為干縮、化學(xué)收縮和碳化收縮。

混凝土中含有大量空隙、粗孔和毛細(xì)孔，這些孔隙中存在水分，水分的活動(dòng)影響到混凝土的一系列性質(zhì)，特別是產(chǎn)生“濕度變形”的性質(zhì)對(duì)裂縫控制有重要影響?；炷林械乃钟谢瘜W(xué)結(jié)合水、物理一化學(xué)結(jié)合水和物理力學(xué)結(jié)合水三種。當(dāng)混凝土承受干燥作用時(shí)，首先是大空隙及粗毛細(xì)孔中的自由水分因物理力學(xué)結(jié)合遭到破壞而蒸發(fā)，這種失水過(guò)程不至于引起收縮變形。進(jìn)一步的干燥作用使得細(xì)孔及微毛細(xì)孔中的水產(chǎn)生毛細(xì)壓力，水泥石承受這種壓力后產(chǎn)生壓縮變形而收縮，即“毛細(xì)收縮”。待毛細(xì)水蒸發(fā)以后，開(kāi)始進(jìn)一步蒸發(fā)物理一化學(xué)結(jié)合的吸附水，首先蒸發(fā)晶格間水分，其次蒸發(fā)分子層中的吸附水，這些水分的蒸發(fā)引起顯著的水泥石收縮，即“吸附收縮”。毛細(xì)收縮和吸附收縮都屬于干縮。

化學(xué)收縮是由于水泥石新生成物的體積比參加反應(yīng)的物質(zhì)所占據(jù)的體積小引起的。這種收縮發(fā)生于水泥與水的劇烈反應(yīng)階段，它對(duì)試件外形尺寸影響不大，主要改變材料的孔隙結(jié)構(gòu)，減少水所占據(jù)的孔隙，產(chǎn)生氣孔。這種收縮一般發(fā)生于混凝土的硬化階段。

當(dāng)混凝土在應(yīng)力狀態(tài)下，由于水的作用，混凝土中的氫氧化鈣和空氣中的二氧化碳?xì)怏w產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，由此引起碳化收縮，這也是一種在一定條件下產(chǎn)生的物理——化學(xué)過(guò)程。

2.4 塑性裂縫

塑性裂縫是混凝土硬化以前形成的裂縫，塑性裂縫根據(jù)成因的原理分為塑性沉降裂縫和塑性收縮裂縫。塑性沉降裂縫是混凝土硬化前因骨料等比重大的顆粒下沉，豎向體積縮小而產(chǎn)生的塑性變形裂縫；塑性收縮裂縫是指澆筑后還處于塑性狀態(tài)的混凝土因風(fēng)吹日曬，表面失水過(guò)快，產(chǎn)生急劇的體積收縮而出現(xiàn)的裂縫。這兩種裂縫經(jīng)常共生，很難區(qū)別，故統(tǒng)稱(chēng)為塑性裂縫。

2.4.1 塑性收縮裂縫

塑性收縮是硬化前的新拌混凝土在凝結(jié)過(guò)程中因表面水分蒸發(fā)而引起的收縮裂縫，常見(jiàn)于澆筑后混凝土構(gòu)件的外露表面，尤其是大塊板面。塑性裂縫多發(fā)生在澆筑后1～2h或數(shù)小時(shí)，在表面最終抹平、壓光和開(kāi)始養(yǎng)護(hù)之前。當(dāng)新澆混凝土表面的水分蒸發(fā)速度高于混凝土內(nèi)部從下至上泌水速度，表面就會(huì)失水干縮，這種收縮受到表面以下混凝土的約束，于是在表面形成塑性開(kāi)裂，在氣溫高、濕度低和有風(fēng)的環(huán)境條件下，混凝土表面的水分蒸發(fā)快，最容易出現(xiàn)塑性開(kāi)裂，一旦混凝土表面失去含水的光澤，裂縫就會(huì)突然出現(xiàn)。

2.4.2 塑性沉降裂縫

在新拌混凝土中，骨料顆粒懸浮在一定稠度的水泥漿體中，漿體的重量密度較低，所以骨料在漿體中有下沉趨勢(shì)，而漿體中的水泥顆粒又遠(yuǎn)重于水，使得新拌混凝土中的水分向上轉(zhuǎn)移，即發(fā)生“沉降”與“泌水”現(xiàn)象。泌水使混凝土的多余水分減少，有利于提高硬化后的混凝土強(qiáng)度，但是泌水和沉降所帶來(lái)的害處更大。

3 混凝土裂縫的控制措施

3.1 有關(guān)材料和配合比方面的措施

3.1.1 水泥。宜用硅酸鹽水泥、普通硅酸鹽水泥或礦渣硅酸鹽水泥，對(duì)大體積混凝土宜采用中熱硅酸鹽水泥、低熱硅酸鹽水泥、低熱礦渣硅酸鹽水泥。水泥溫度≤60℃。

3.1.2 骨料。砂、石骨料應(yīng)符合《普混凝土及用砂質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)及檢驗(yàn)方法》(普通混凝土用碎石或卵石質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)及檢驗(yàn)方法》及其他國(guó)家現(xiàn)行有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。優(yōu)選潔凈、級(jí)配良好的中砂和級(jí)配良好、孔隙率較小的粗骨料。骨料的含堿量、含泥量和硫酸鹽含量不應(yīng)超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，骨料宜堆放于棚內(nèi)，防止太陽(yáng)直曬或雨雪淋濕，以免影響混凝土拌和物溫度或水膠比。

3.1.3 礦物摻料。各種摻料均應(yīng)符合有關(guān)技術(shù)要求。如粉煤灰摻量不宜超過(guò)水泥用量的30%，礦渣粉不宜超過(guò)水泥用量的50%等。

3.1.4 外加劑。選用外加劑前，先做水泥適應(yīng)性及實(shí)際效果試驗(yàn)，并按(混凝土外加劑應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》的規(guī)定施工。

3.2 有關(guān)施工方面的措施

首先制定施工組織設(shè)計(jì)、相關(guān)的技術(shù)方案和質(zhì)量控制措施，進(jìn)行技術(shù)交底；其次在各道工序各個(gè)環(huán)節(jié)配置具備相應(yīng)技能的熟練人員，按計(jì)劃進(jìn)行施工。

3.2.1 模板的安裝及拆除。模板應(yīng)具有足夠的承載力、剛度和穩(wěn)定性，能可靠承受澆筑混凝土的自重、側(cè)壓力、施工中產(chǎn)生的荷載。模板安裝須緊密，不漏漿、不滲水，確保鋼筋保護(hù)層厚度(配置墊塊或定位器)。模板及其支架拆除時(shí)混凝土結(jié)構(gòu)可能尚未形成設(shè)計(jì)要求的受力體系，必要時(shí)應(yīng)加設(shè)臨時(shí)支撐。

底模及支架拆除時(shí)的混凝土強(qiáng)度應(yīng)符合設(shè)計(jì)要求，否則過(guò)早拆除支撐底模板，使混凝土結(jié)構(gòu)過(guò)早承受荷載，將導(dǎo)致混凝土在受拉區(qū)出現(xiàn)不能愈合的裂縫。

3.2.2 混凝土的拌制。施工中，應(yīng)盡量采用拌和站集中拌和，電子稱(chēng)嚴(yán)格控制配合比、水灰比，掌握拌和時(shí)間，拌制的混凝土應(yīng)均勻，色澤一致，無(wú)離析、泌水現(xiàn)象。

3.2.3 混凝土的運(yùn)輸。運(yùn)輸混凝土?xí)r，要保持混凝土拌和物的均勻性，不應(yīng)產(chǎn)生分層離析現(xiàn)象，運(yùn)送容器應(yīng)不漏漿，內(nèi)壁光滑平整，具有防曬、防風(fēng)、防雨雪的功能，快速運(yùn)輸，保證混凝土連續(xù)性。運(yùn)至澆筑地點(diǎn)，有離析時(shí)，應(yīng)進(jìn)行二次攪拌，攪拌時(shí)間由試驗(yàn)室確定，嚴(yán)禁向混凝土中任意加水。由攪拌、運(yùn)輸?shù)綕仓四?，?dāng)氣溫不高于25℃時(shí)，持續(xù)時(shí)間不宜大于90mm；當(dāng)氣溫高于25℃時(shí)，持續(xù)時(shí)間不宜大于60mm；混凝土中摻外加劑時(shí)，持續(xù)時(shí)間由試驗(yàn)室確定。

3.2.4 混凝土的澆筑。對(duì)現(xiàn)場(chǎng)澆筑的混凝土要進(jìn)行監(jiān)控，檢查運(yùn)抵現(xiàn)場(chǎng)的混凝土坍落度，不能滿足要求時(shí)，由試驗(yàn)確定調(diào)整坍落度，嚴(yán)禁隨意加水。澆筑時(shí)要保證鋼筋、模板、定位筋、埋設(shè)物周?chē)澳０鍍?nèi)各角落振搗密實(shí)，不得漏漿，不能過(guò)振，更不能用振搗器拖趕混凝土。分層澆筑時(shí)，注意上下層混凝土一體化，在下一層混凝土澆筑前將上一層混凝土澆筑完畢，澆筑上層混凝土?xí)r，將振搗器插入下一層混凝土5cm左右以便形成整體。

3.2.5 混凝土養(yǎng)護(hù)。養(yǎng)護(hù)是防止混凝土產(chǎn)生裂縫的重要措施及關(guān)鍵步驟，必須充分重視，并制定養(yǎng)護(hù)方案，派專(zhuān)人負(fù)責(zé)?；炷翝仓戤?，在混凝土凝結(jié)后立即進(jìn)行妥善保溫、保濕養(yǎng)護(hù)，避免急劇干燥、溫度急劇變化、振動(dòng)以及人為擾動(dòng)。澆筑后采用覆蓋、灑水、噴霧或用薄膜保濕養(yǎng)護(hù)措施。

4 結(jié)束語(yǔ)

總之，在常見(jiàn)的混凝土裂縫中，大多數(shù)發(fā)生在施工階段或出現(xiàn)在工程正式交付使用以前，因此施工過(guò)程中對(duì)于混凝土原材料到施工工藝、養(yǎng)護(hù)等每一步的控制都是非常重要的。

[1]王鐵龍.工程結(jié)構(gòu)裂縫控制[M].北京中國(guó)建筑工業(yè)出版社.