大體積混凝土裂縫產(chǎn)生的主要原因及處理方法

劉 勇

（泰州市第二監(jiān)理工程有限公司， 江蘇 泰州 225300）

1 大體積混凝土裂縫產(chǎn)生的主要原因

1.1 水泥水化熱

一般來說，水泥的水化過程可以分為三個階段：第一階段，在初始時刻，水泥顆粒和水接觸并反應，放熱率很快，但是由于石膏的存在，在水泥粒子的表面會形成一層鈍化模，使放熱率降低；第二階段，水泥水化熱釋放率最快，水泥顆粒也隨之增長很快；第三階段，水泥的水化產(chǎn)物在水泥粒子的表面堆積的厚度逐漸增厚，水泥的水化放熱率逐漸降低，這個時候的反應由擴散控制。在水化的初期，水泥粒子之間為彼此分離的，不存在強度；在水泥粒子不斷水化增長的過程中，水泥粒子之間的接觸面積逐漸增大。這一微觀現(xiàn)象的宏觀表現(xiàn)即為水泥強度的增長。隨著粒子之間的接觸面積的增大，水泥的抗壓強度和彈性模量也增大。

大體積混凝土在高溫狀態(tài)下，水泥水化的產(chǎn)物的孔隙率要大于常溫狀態(tài)，可能會影響水泥粒子和骨料的黏結(jié)，影響混凝土的強度。而大體積混凝土結(jié)構(gòu)物的斷面一般較厚，水泥放出的熱量聚集在結(jié)構(gòu)物內(nèi)部不易散發(fā)。通過實測，水泥水化熱引起的溫升，一般在 30℃，甚至更高。它在 1 d～3 d放出的熱量是總熱量的一半?；炷羶?nèi)部的最高溫度多數(shù)出現(xiàn)在澆筑后的 3 d～5 d 之間，當混凝土內(nèi)部與表面溫差過大時就會產(chǎn)生溫度應力和溫度變形。

溫度應力與溫差成正比；溫差越大，溫度應力也越大。當這種溫度應力超過混凝土內(nèi)外的約束力時，就會產(chǎn)生裂縫。而混凝土內(nèi)部的溫度與混凝土厚度及水泥用量有關(guān)：混凝土越厚、水泥用量越大，混凝土內(nèi)部的溫度則越高，所形成的溫度應力越大。溫度應力與混凝土結(jié)構(gòu)的尺寸有關(guān)。在一定尺寸范圍內(nèi)，混凝土結(jié)構(gòu)尺寸越大，溫度應力也越大。當混凝土的抗拉強度不足以抵抗這種拉應力時，便開始出現(xiàn)溫度裂縫。

1.2 收縮裂縫

混凝土在空氣中硬結(jié)時體積減小的現(xiàn)象稱為混凝土收縮?；炷猎诓皇芡饬Φ那闆r下的這種自發(fā)變形，受到外部約束時，將在混凝土中產(chǎn)生拉應力，使得混凝土開裂。在硬化初期主要是水泥石在水化凝固結(jié)硬過程中產(chǎn)生的體積變化，混凝土水化作用產(chǎn)生的體積變形，稱為“自身體積變形”。該變形主要取決于膠凝材料的性質(zhì)。對于普通水泥混凝土來說，大多數(shù)為收縮變形，少數(shù)為膨脹變形。后期主要是混凝土內(nèi)部自由水分蒸發(fā)而引起的干縮變形?；炷林?0% 的水分蒸發(fā)，約 20% 的水分是水泥硬化所必須的。

對于普通水泥混凝土，由于大部分屬于收縮的自身體積變形，數(shù)量級較小，一般在計算中忽略不計。如前指出，在混凝土中尚有 80% 的游離水分需要蒸發(fā)。多余水分的蒸發(fā)會引起混凝土體積的收縮。這種收縮變形不受約束條件的影響。若有約束，其最大的原因，可能是內(nèi)部孔隙水蒸發(fā)變化時引起的毛細管引力。收縮在很大程度上是有逆現(xiàn)象的。如果混凝土收縮后，再處于水飽和狀態(tài)，還可以復膨脹并幾乎達到原有的體積。干濕交替將引起混凝土體積的交替變化，這對混凝土是很不利的。此外，影響混凝土收縮的因素很多，主要是：水泥品種和混合襯料、混凝土的配合成分、化學外加劑以及施工工藝，特別是養(yǎng)護條件等。

混凝土收縮裂縫的特點是：大部分屬表面裂縫，裂縫寬度較細且縱橫交錯，成龜裂狀，形狀無規(guī)則。影響混凝土產(chǎn)生收縮裂縫的主要因素有：水泥品種、標號及用量。礦渣水泥、快硬水泥、低熱水泥混凝土的收縮性較高，普通水泥、火山灰水泥、礬土水泥混凝土收縮性較低。水泥標號越低、單位體積用量越大、細度磨數(shù)越大，則混凝土收縮越大，且收縮時間越長。為了提高混凝土的強度，施工時經(jīng)常采用增加水泥用量的做法，結(jié)果收縮應力明顯加大。骨料品種中石英、石灰?guī)r、白云巖、花崗巖、長石等吸水率較小、收縮性較低，而砂巖、板巖、角閃巖等吸水率較大、收縮性較高；骨料粒徑大則收縮小，含水量大則收縮大。水灰比：用水量越大，水灰比越高，混凝土收縮則越大。外摻劑：外摻劑保水性越好，則混凝土收縮越小。養(yǎng)護方法：良好的養(yǎng)護可加速混凝土的水化反應，獲得較高的混凝土強度。養(yǎng)護時保持濕度越高、氣溫越低、養(yǎng)護時間越長，則混凝土收縮越小。蒸汽養(yǎng)護方式比自然養(yǎng)護方式的混凝土收縮要小。外界環(huán)境：大氣中濕度小、空氣干燥、溫度高、風速大，則混凝土水分蒸發(fā)快，混凝土收縮越快。振搗方式及時間：機械振搗方式比手工搗固方式的混凝土收縮性要?。徽駬v時間短、振搗不密實，則形成混凝土強度不足或不均勻；時間過長，造成分層，粗骨料沉入底層，細骨料留在上層，強度不均勻，上層易發(fā)生收縮裂縫。對于溫度和收縮引起的裂縫，增配構(gòu)造鋼筋可明顯提高混凝土的抗裂性，尤其是薄壁結(jié)構(gòu)。構(gòu)造上配筋宜優(yōu)先采用小直徑鋼筋、小間距布置，全截面構(gòu)造配筋率不宜低于 0.3%。根據(jù)產(chǎn)生收縮裂縫的原因，有針對性地避免和減少施工中的裂縫對工程質(zhì)量的影響，是混凝土工程應重要關(guān)注點。

1.3 外界氣溫引起的裂縫

混凝土內(nèi)外部溫差過大產(chǎn)生的裂縫的主要原因是：水泥水化熱引起的混凝土內(nèi)部和混凝土表面的溫差過大，溫度變化大，在混凝土內(nèi)部產(chǎn)生拉應力，產(chǎn)生溫度脹縮裂縫。特別是大體積混凝土更易發(fā)生此類裂縫。大體積混凝土澆筑后數(shù)日內(nèi)容易出現(xiàn)等距離的直線形裂縫，有表面的也有貫通的。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熱。由于混凝土體積大，聚集在內(nèi)部的水泥水化熱不易散發(fā)，混凝土內(nèi)部溫度將顯著升高；而其表面則散熱較快，形成了較大的溫度差，使混凝土內(nèi)部產(chǎn)生壓應力，表面產(chǎn)生拉應力。混凝土齡期短，抗拉強度很低。當溫差產(chǎn)生的表面抗拉應力超過混凝土極限抗拉強度，則會在混凝土表面產(chǎn)生裂縫。

大體積混凝土在施工階段，常受外界氣溫變化的影響?；炷羶?nèi)部的溫度是由澆筑溫度、水泥水化熱的絕熱溫度和結(jié)構(gòu)的散熱溫度等各種溫度疊加之和組成。外界氣溫越高，混凝土的澆筑溫度也越高。當氣溫下降特別是驟降，會大大增加外層混凝土內(nèi)部的溫度和梯度，因而會造成溫差和溫度應力。極其容易引發(fā)混凝土的開裂。因此控制混凝土表面溫度與外界氣溫溫差，也是防止裂縫的重要一環(huán)。

2 大體積混凝土裂縫的處理方法

2.1 表面修補法

表面修補法適用于漿材難以灌入的細而淺的裂縫、深度未達到鋼筋表面的發(fā)絲裂縫、不漏水的縫、不伸縮的裂縫以及不再活動的裂縫，用以恢復構(gòu)件表面的美觀，提高耐久性。常用的是沿混凝土裂縫表面鋪設(shè)薄膜材料。一般可用環(huán)氧類樹脂或樹脂浸漬玻璃布。

表面修補法有以下幾種方式。一是混凝土表面出現(xiàn)數(shù)量較多的表面裂縫時，采用手工或機械噴涂方法，將修補材料涂覆于混凝土表面，起到表面封閉作用。涂膜厚度在 0.3 mm～2.5 mm 之間，厚度大則適應裂縫變化的能力強。二是增加整體頊層：混凝土表面裂縫數(shù)量較多，分布面較廣時，常采用增加一層水泥砂漿或細石混凝土整體面層的方法處理。多數(shù)情況下，整體面層內(nèi)應配置雙向鋼絲網(wǎng)。有條件時，宜采用噴射法施工水泥砂漿或混凝土整體面層。

進行補修設(shè)計時，應考慮到以下幾點。一是除了根據(jù)是否需要修補的判斷結(jié)果設(shè)定修補范圍及規(guī)模外，還應按需要再度調(diào)查現(xiàn)場。二是掌握開裂原因、開裂狀況、建筑物的重要性及環(huán)境條件。為了明確規(guī)定修補目的及恢復目標，考慮環(huán)境條件，選定最適于修補的修補材料、修補工法及修補時間。利用混凝土表層微細獨立裂縫(裂縫寬度 ω≤0.2 mm)或網(wǎng)狀裂紋的毛細作用吸收修補膠液，封閉裂縫通道。

對樓板和其他需要防滲的部位，尚應在混凝土表面粘貼纖維復合材料以增強封護作用。常用的方法為涂覆法，增加整體面層，壓抹環(huán)氧膠泥，環(huán)氧漿液粘玻璃絲布，表面縫合等。當混凝土表面出現(xiàn)數(shù)量較多的表面裂縫時，采用手工或機械噴涂方法，將修補材料涂覆于混凝土表面，起到表面封閉作用。涂膜厚度在 0.3 mm～2.5 mm 之間，厚度大則適應裂縫變化的能力強。選用修補材料時，應考慮使用條件(室內(nèi)、室外、環(huán)境溫濕度變化，介質(zhì)腐蝕情況)以及裂縫活動等情況。例如，要求耐磨的地坪可選用環(huán)氧瀝青涂料、聚氨酯涂料、聚氨酯瀝青涂料等剛性涂料；不穩(wěn)定的裂縫修補可選用聚氨酯彈性體，橡膠型丙烯酸酯涂料等彈性涂料。當混凝土表面裂縫數(shù)量較多、分布面較廣時，常采用增加一層水泥砂漿或細石混凝土整體面層的方法處理。

2.2 填充法

填充法是沿裂縫開鑿 U 型或 V 型槽之后，嵌填修補材料以達到恢復防水性、耐久性、結(jié)構(gòu)整體性和補強加固的目的。此方法適用于修補數(shù)量少的寬大裂縫(＞5 mm)、深度較淺的裂縫(裂縫深度 h 小于結(jié)構(gòu)厚度 H 的一半)、鋼筋腐蝕生銹的裂縫和仍在發(fā)展的活動性裂縫。

2.3 結(jié)構(gòu)補強法

如果裂縫影響到結(jié)構(gòu)安全，就要考慮采取加固法對混凝土結(jié)構(gòu)進行處理。結(jié)構(gòu)加固中常用的主要有：圍套加固法、鋼箍加固法、粘貼加固法等結(jié)構(gòu)補強法。

(1)圍套加固法。在周圍尺寸允許的情況下，在結(jié)構(gòu)外部一側(cè)或數(shù)側(cè)外包鋼筋混凝土圍套，以增加鋼筋和截面，提高承載力；對構(gòu)件裂縫嚴重但尚未破碎裂透或一側(cè)破裂的，鑿去裂縫部位鋼筋保護層，外包 1 層鋼絲網(wǎng)；對大型設(shè)備基礎(chǔ)一般采用增設(shè)鋼板箍帶、增加環(huán)向抗拉強度的方法處理。

(2)鋼箍加固法。在結(jié)構(gòu)裂縫部位四周加 U 型螺栓或型鋼套箍將構(gòu)件箍緊，以防止裂逢擴大，提高結(jié)構(gòu)的剛度及承載力。加固時應使鋼套箍與混凝土表面緊密接觸，以保證共同工作。

(3)粘貼加固法。將鋼板或型鋼用改性環(huán)氧樹脂和粘結(jié)劑，粘結(jié)到構(gòu)件混凝土裂縫部位表面，使鋼板或型鋼與混凝土連成整體共同工作。粘結(jié)前，鋼材表面要進行噴砂除銹，混凝土應刷凈干燥。粘結(jié)層厚度為 1 mm～4 mm。

2.4 灌漿法

采用化學灌漿是修補混凝土裂縫行之有效的方法之一。高壓化學灌漿堵漏技術(shù)就是利用灌漿機產(chǎn)生的持續(xù)高壓，將由化學材料配制的漿液，通過鉆孔埋設(shè)灌漿嘴，使用壓力將其注入結(jié)構(gòu)裂縫中，使其擴散、凝固，并將縫中的水完全擠走，將縫隙完全填充滿，達到止水的目的。常用于修補較深的混凝土結(jié)構(gòu)裂縫。

將水泥或化學漿液灌入混凝土縫內(nèi)，使用擴散，固化。固化后的漿液具有較高的粘結(jié)強度，與混凝土能較好地粘結(jié)，從而增強了構(gòu)件的整體性，使構(gòu)件恢復使用功能，提高耐久性，達到堵漏防銹補強的目的。用于結(jié)構(gòu)修補的化學漿液主要有兩類。一類是環(huán)氧樹脂漿；另一類是甲基丙烯酸甲酷液。用于防滲堵漏的化學漿液主要有：水玻璃、丙烯酞胺、聚氨酯、丙烯酸鹽等。這些不溶物可充填縫隙，使之不透水并增加強度。

化學灌漿堵漏是混凝土裂縫修復的一種有效的施工方法，在水利水電、隧洞、市政、工業(yè)與民用建筑等領(lǐng)域應用廣泛。

3 結(jié) 語

綜上所述，引起混凝土裂縫的原因是錯綜復雜的。了解大型混凝土裂縫的原因和處理方法，對提高工程質(zhì)量具有十分重要的意義。通過對影響混凝土裂縫各因素的分析，針對裂縫產(chǎn)生的主要原因，區(qū)別裂縫的類型，選擇最合理的修補方法，使之施工方便和經(jīng)濟高效。廣大技術(shù)人員和管理人員都應重視混凝土質(zhì)量通病，力爭把混凝土質(zhì)量通病降低到最低水平。