鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)裂縫產(chǎn)生機(jī)理及其控制

閆宏生

(包頭鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院，內(nèi)蒙古包頭 014040)

鋼筋混凝土材料因具備承載能力高、耐久性好、施工方便、成本低廉等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于民用建筑、鐵路、公路、機(jī)場(chǎng)、水利等各類建設(shè)工程之中。然而在施工和使用過(guò)程中，經(jīng)常會(huì)在結(jié)構(gòu)物表面出現(xiàn)不同形式、不同程度的裂縫，它已成為廣大工程技術(shù)人員十分關(guān)注的熱點(diǎn)問(wèn)題。這是因?yàn)樵诮Y(jié)構(gòu)物表面、內(nèi)部出現(xiàn)裂縫后，不僅會(huì)影響這些構(gòu)筑物的施工質(zhì)量，還會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)物表面保護(hù)層脫落，引起混凝土的碳化反應(yīng)以及鋼筋出現(xiàn)銹蝕現(xiàn)象，降低結(jié)構(gòu)物的強(qiáng)度、使用性能和耐久性。所以，對(duì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)產(chǎn)生開裂的機(jī)理進(jìn)行深入研究，并提出相應(yīng)控制措施，在實(shí)際工程中具有十分重要的理論價(jià)值和實(shí)踐意義。

1 引起鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)出現(xiàn)裂縫的機(jī)理

致使鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)物產(chǎn)生裂縫的機(jī)理很多，既有材料自身因素，也有外部環(huán)境作用影響，具體體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:

1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

(1)構(gòu)件承載力不足。由于結(jié)構(gòu)物中各受力構(gòu)件受力分析不清晰、內(nèi)力和配筋計(jì)算失誤，導(dǎo)致主要受力構(gòu)件在荷載作用下因承載力不足而產(chǎn)生開裂。如鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)中的框架梁，可因縱向受力鋼筋配置數(shù)量較少而在梁跨中下側(cè)部位產(chǎn)生豎向裂縫;也可因箍筋數(shù)量配置數(shù)量過(guò)少而在支座附近產(chǎn)生斜向裂縫。

(2)在構(gòu)件受力分析中忽略約束性質(zhì)，沒(méi)有充分考慮構(gòu)件的收縮變形，結(jié)構(gòu)剛性過(guò)大，致使混凝土結(jié)構(gòu)物表面產(chǎn)生開裂。例如受多邊約束的鋼筋混凝土現(xiàn)澆板，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中如果沒(méi)有采取積極有效的阻裂措施，可以因現(xiàn)澆板收縮變形過(guò)大而在現(xiàn)澆板表面出現(xiàn)垂直于長(zhǎng)邊約束的裂縫。

(3)在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中因構(gòu)造鋼筋設(shè)置數(shù)量較少，沒(méi)有很好發(fā)揮構(gòu)造鋼筋的抗裂作用而導(dǎo)致構(gòu)件內(nèi)部出現(xiàn)裂縫。如鋼筋混凝土現(xiàn)澆板，可因構(gòu)造鋼筋設(shè)置不合理而在板角上表面產(chǎn)生裂縫。

(4)設(shè)計(jì)中未能充分考慮基礎(chǔ)不均勻沉降。當(dāng)結(jié)構(gòu)物的形式、整體剛度、地基土質(zhì)等存在差異時(shí)，會(huì)因基礎(chǔ)產(chǎn)生不均勻沉降量而在結(jié)構(gòu)內(nèi)部產(chǎn)生一定的附加應(yīng)力。如果基礎(chǔ)構(gòu)件受力鋼筋數(shù)量較少，則導(dǎo)致上部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生開裂。

(5)材料性能未得到充分發(fā)揮。由于設(shè)計(jì)人員在混凝土的工程應(yīng)用方面存在“混凝土強(qiáng)度等級(jí)越高，抗裂性能越好”的錯(cuò)誤認(rèn)識(shí)，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中盲目使用高強(qiáng)度等級(jí)混凝土，致使水泥用量增加，增大了混凝土的收縮量，提高了混凝土結(jié)構(gòu)物產(chǎn)生開裂的機(jī)率。

1.2 施工工藝

1.2.1 原材料選用不合理。眾所周知，鋼筋混凝土是一種復(fù)合材料，如果鋼筋混凝土原材料選用不合理，可以在鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部或表面出現(xiàn)裂縫，影響施工質(zhì)量。

(1)水泥的選用 為加快施工進(jìn)度、縮短工程建設(shè)時(shí)間，在施工時(shí)往往選用高強(qiáng)度等級(jí)水泥或增加水泥用量，而使鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)產(chǎn)生開裂。眾所周知，水泥強(qiáng)度等級(jí)越高，水泥礦物組成中C3A、C3S含量越高，加快了水泥的水化速度。在較短時(shí)間內(nèi)因過(guò)大的水化熱而使結(jié)構(gòu)物內(nèi)部與外表面之間存在較大的溫差，產(chǎn)生較大的溫度應(yīng)力，從而導(dǎo)致鋼筋混凝土在施工過(guò)程中出現(xiàn)裂縫。水泥用量的加大，提高了鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部產(chǎn)生裂縫的概率。

(2)骨料的選用 骨料粒徑的大小、顆粒形狀及級(jí)配的優(yōu)劣，都對(duì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的開裂有著一定程度的影響。骨料級(jí)配質(zhì)量降低，可在骨料之間形成較多的孔隙，用以填充孔隙的水泥漿數(shù)量增多，致使混凝土收縮量增大，引起鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)開裂。骨料粒徑小，單位體積混凝土水泥用量及用水量增多，收縮量增大。骨料中泥塊含量與石粉含量的提高，混凝土硬化時(shí)容易在水泥石與骨料表面之間形成微小裂縫，導(dǎo)致鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)產(chǎn)生開裂。

(3)外加劑的使用 在鋼筋混凝土中摻入外加劑，不僅能夠改善混凝土的各項(xiàng)技術(shù)性能，還可以取得良好的經(jīng)濟(jì)效益。然而外加劑使用不當(dāng)時(shí)，也容易在鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部出現(xiàn)裂縫。當(dāng)高效減水劑摻量過(guò)大時(shí)，容易在施工過(guò)程中出現(xiàn)泌水現(xiàn)象，加快裂縫的形成。

1.2.2 水膠比(W/B)不能得到嚴(yán)格控制 鋼筋混凝土澆筑過(guò)程中水膠比不能得到嚴(yán)格控制，施工人員為便于施工操作，存在隨意加水的現(xiàn)象，使得混凝土拌合物水膠比過(guò)大，導(dǎo)致混凝土在凝結(jié)硬化過(guò)程中，因自由水分的蒸發(fā)，增加混凝土的干縮量，從而引起鋼筋混凝土出現(xiàn)開裂。另外，水膠比過(guò)大還可以使混凝土在施工澆筑過(guò)程中產(chǎn)生離析分層現(xiàn)象，硬化后在鋼筋混凝土內(nèi)部形成裂縫。

1.2.3 混凝土施工工藝不能嚴(yán)格執(zhí)行國(guó)家規(guī)范 部分施工單位在混凝土施工操作時(shí)不能嚴(yán)格執(zhí)行國(guó)家規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)，導(dǎo)致鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)產(chǎn)生開裂。如混凝土在施工操作時(shí)，往往會(huì)因混凝土澆筑速度過(guò)快、澆筑順序不當(dāng)、漏振或過(guò)振、混凝土保護(hù)層厚度過(guò)大或過(guò)小、模板移動(dòng)、過(guò)早拆除模板等現(xiàn)象的存在而使混凝土內(nèi)部產(chǎn)生微小裂縫;也會(huì)因施工人員腳踩受力鋼筋使其位置下移，減小了現(xiàn)澆板的有效截面高度，導(dǎo)致現(xiàn)澆板承載能力不足，在板頂處沿支座邊緣產(chǎn)生裂縫，降低工程質(zhì)量。

1.3 鋼筋代換

在施工現(xiàn)場(chǎng)時(shí)常會(huì)遇到受力構(gòu)件中受力鋼筋的等級(jí)或規(guī)格與設(shè)計(jì)要求不符而需要進(jìn)行鋼筋代換，如用直徑為28mm的粗鋼筋替代直徑為20mm的細(xì)鋼筋，或用HPB300鋼筋替代HRB335鋼筋。鋼筋經(jīng)代換后，如果施工技術(shù)人員未及時(shí)進(jìn)行構(gòu)件裂縫寬度驗(yàn)算，則容易在鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)表面產(chǎn)生開裂。

1.4 混凝土養(yǎng)護(hù)

混凝土在澆筑過(guò)程中往往會(huì)因養(yǎng)護(hù)技術(shù)措施不得當(dāng)、養(yǎng)護(hù)時(shí)間不充足而產(chǎn)生溫度收縮和干燥收縮。這些收縮相互作用，致使鋼筋混凝土構(gòu)件于養(yǎng)護(hù)初期在其內(nèi)部或表面形成裂縫。

1.4.1 干燥收縮 混凝土在硬化時(shí)水泥石可因自由水的蒸發(fā)受到一定的壓力作用。在這種壓力作用下，混凝土結(jié)構(gòu)往往會(huì)產(chǎn)生一定的收縮。由于鋼筋混凝土構(gòu)筑物的表面與內(nèi)部水分蒸發(fā)速度不同，產(chǎn)生的收縮量存在差異，致使鋼筋混凝土構(gòu)筑物表面產(chǎn)生的收縮變形會(huì)因受到混凝土內(nèi)部的約束作用而產(chǎn)生拉應(yīng)力。當(dāng)混凝土內(nèi)部拉應(yīng)力σt高于混凝土抗拉強(qiáng)度f(wàn)t時(shí)，可使鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)表面產(chǎn)生開裂。

相關(guān)資料表明:混凝土干燥收縮量大小與環(huán)境相對(duì)濕度、環(huán)境溫度、混凝土強(qiáng)度等級(jí)等因素有關(guān)。鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的收縮量εs(d)可用式(1)計(jì)算[1]。

式中εs(d)——鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)任意時(shí)期的收縮量;α1——混凝土養(yǎng)護(hù)方法影響系數(shù);α2——混凝土強(qiáng)度等級(jí)影響系數(shù);α3——鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件截面尺寸影響系數(shù);α4——相對(duì)濕度影響系數(shù);d——混凝土的硬化齡期。

1.4.2 溫度收縮 橋梁、堤壩等大體積混凝土結(jié)構(gòu)物在施工、使用過(guò)程中，存在結(jié)構(gòu)物表面散熱較快而內(nèi)部散熱較慢現(xiàn)象，致使大體積混凝土結(jié)構(gòu)物內(nèi)外表面之間產(chǎn)生較大溫差。當(dāng)混凝土抗拉強(qiáng)度低于因溫差而產(chǎn)生的溫度應(yīng)力時(shí)，很容易在結(jié)構(gòu)物內(nèi)部形成裂縫。

混凝土結(jié)構(gòu)溫度應(yīng)力σ(t，x)的變化可用式(2)表示[1]。

式中σ(t，x)——混凝土結(jié)構(gòu)截面上任意一點(diǎn)由于溫度變化而產(chǎn)生的應(yīng)力值;H(t，τ)——混凝土應(yīng)力松弛系數(shù);α——混凝土線膨脹系數(shù);x——鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)物截面上任意一點(diǎn)至截面中心的距離;Ec——混凝土彈性模量;h——鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)物截面厚度;μ——混凝土泊松比;△t——鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)外表面之間的溫差。

大量研究資料表明:鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)物內(nèi)外表面之間的溫差高于30℃時(shí)，混凝土內(nèi)部的溫度應(yīng)力σ(t)即高于混凝土抗拉強(qiáng)度，即可在結(jié)構(gòu)物內(nèi)部產(chǎn)生裂縫。

2 鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)裂縫控制

基于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)產(chǎn)生裂縫機(jī)理的分析，應(yīng)從以下幾方面采取必要的技術(shù)措施，將鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)裂縫控制在最小范圍內(nèi)。

2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面

(1)合理設(shè)置構(gòu)造鋼筋[2]。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)設(shè)置一定數(shù)量的構(gòu)造鋼筋，充分發(fā)揮構(gòu)造鋼筋的抗裂作用。如在調(diào)整鋼筋混凝土現(xiàn)澆板板周邊約束的同時(shí)，應(yīng)設(shè)置必要的構(gòu)造鋼筋，構(gòu)造鋼筋的數(shù)量、伸入構(gòu)件內(nèi)部的長(zhǎng)度均應(yīng)滿足規(guī)范要求，優(yōu)先選用細(xì)鋼筋，以防止因約束應(yīng)力的加大而導(dǎo)致涵洞頂板表面開裂。

(2)采用合理的結(jié)構(gòu)形式，合理設(shè)置“加強(qiáng)帶”及伸縮縫，力爭(zhēng)做到“三縫合一”。

2.2 原材料選擇

(1)根據(jù)工程特點(diǎn)、具體要求合理選用水泥品種，優(yōu)先選用水化熱低、收縮量較小的粉煤灰硅酸鹽水泥、普通硅酸鹽水泥。

(2)優(yōu)化混凝土配合比設(shè)計(jì)。在滿足混凝土強(qiáng)度、耐久性和施工工藝的前提下，降低單位體積混凝土水泥用量和用水量，并且砂率不宜過(guò)大。

(3)選用級(jí)配優(yōu)良、泥塊含量和石粉含量低、粒徑較大的砂石材料，用以降低單位體積混凝土用水量和水泥用量，減少混凝土收縮量，避免混凝土開裂。

(4)摻入適量纖維材料和外加劑。摻入適量合成纖維、玻璃纖維及鋼纖維等纖維材料可以顯著提高混凝土的抗裂性能和抗拉強(qiáng)度，消除因混凝土的早期收縮而產(chǎn)生的裂縫;摻加引氣型減水劑，通過(guò)引入的氣泡提高混凝土的抗裂性能，減少裂縫的形成。

2.3 施工方面

(1)嚴(yán)格控制水膠比。文獻(xiàn)[1]的研究結(jié)果顯示“當(dāng)單位體積混凝土用水量增加50%時(shí)，干燥收縮變形量將增加1倍，致使鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)開裂;必要時(shí)可采用雙摻技術(shù)(即摻加高效減水劑和礦物超細(xì)粉)，以減少混凝土收縮量，避免混凝土開裂”。

(2)應(yīng)加強(qiáng)鋼筋工程的質(zhì)量驗(yàn)收，在施工現(xiàn)場(chǎng)注意檢查鋼筋的直徑、間距、鋼筋錨固長(zhǎng)度、上下層鋼筋之間的距離、混凝土保護(hù)層厚度等是否符合設(shè)計(jì)要求。

(3)加強(qiáng)養(yǎng)護(hù)，確保澆水養(yǎng)護(hù)時(shí)間符合規(guī)范要求。同時(shí)，還應(yīng)采取必要的技術(shù)措施(如“外保內(nèi)降”)，控制混凝土養(yǎng)護(hù)溫度，降低鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)物內(nèi)外溫差，避免因存在較大溫差而使鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)開裂。

(4)降低混凝土拌合物的拌合溫度及澆筑溫度。

(5)控制混凝土澆筑速度，采用二次振搗和多次摸壓工藝。

(6)模板應(yīng)具有足夠的剛度和堅(jiān)固、可靠的支撐，盡量推遲拆模時(shí)間。嚴(yán)禁在混凝土未達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度之前強(qiáng)行拆除模板，更不得過(guò)早上施工人員、堆放施工材料和器具。

(7)合理運(yùn)用混凝土補(bǔ)償收縮技術(shù)。要充分考慮不同品種、不同摻量的膨脹劑所起的膨脹效果，膨脹劑的最佳摻量必須通過(guò)試驗(yàn)確定。

(8)采用商品混凝土?xí)r，嚴(yán)禁在混凝土泵送過(guò)程中加水。因?yàn)榇藭r(shí)加入的水均為游離狀，在混凝土凝結(jié)硬化過(guò)程中，大部分游離水不參與水泥的水化反應(yīng)，水膠比增大，可使混凝土結(jié)構(gòu)產(chǎn)生開裂的機(jī)率大大增加。

2.4 鋼筋代換應(yīng)合理

鋼筋代換時(shí)應(yīng)充分了解結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)意圖和被代換材料的性能，嚴(yán)格遵守《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》中各項(xiàng)規(guī)定，以保證構(gòu)件的承載力要求。鋼筋經(jīng)代換后，應(yīng)及時(shí)進(jìn)行受力構(gòu)件裂縫寬度的驗(yàn)算。凡重要受力構(gòu)件中的受力鋼筋需要進(jìn)行代換，必須征得設(shè)計(jì)單位同意方可進(jìn)行。

2.5 其他

對(duì)于裂縫控制較為嚴(yán)格的構(gòu)件，為充分利用預(yù)應(yīng)力混凝土抗裂性能好的特點(diǎn)，可優(yōu)先采用預(yù)應(yīng)力混凝土。鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)出現(xiàn)裂縫后，應(yīng)結(jié)合裂縫的性質(zhì)、寬度和長(zhǎng)度，采取表面修補(bǔ)、壓力灌漿封堵[3]、碳纖維布(CFRP)加固[4]、混凝土置換、外包鋼加固、仿生自愈合等技術(shù)措施進(jìn)行處理。

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)裂縫產(chǎn)生的機(jī)理分析可知，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)裂縫的產(chǎn)生是各種因素共同作用的結(jié)果。我們應(yīng)認(rèn)真分析鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)開裂機(jī)理，根據(jù)不同情況采取相應(yīng)的技術(shù)措施，盡可能對(duì)裂縫的擴(kuò)展進(jìn)行有效控制，以保證鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)物的耐久性及安全性。

[1]王鐵夢(mèng).工程結(jié)構(gòu)裂縫控制[M].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，1997

[2]劉德平.建筑物常見裂縫原因分析及防治措施[D].上海:同濟(jì)大學(xué)，2007

[3]劉群.房屋維修與管理[M].北京:高等教育出版社，2003

[4]陳紹元.結(jié)構(gòu)檢測(cè)中的鋼筋混凝土裂縫評(píng)定與處理[J].武漢工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2006，18(6):1－4