混凝土裂縫成因和施工防裂方法

【摘 要】混凝土裂縫現(xiàn)象是一個困擾工程結(jié)構(gòu)耐久性和安全性的老問題，也是一個長期來受各方關(guān)注的技術(shù)難題。施工期和初運行期的裂縫現(xiàn)狀在工程界在總體上至今仍然處于“無壩不裂”的局面，廣泛地困擾工程的施工和建設(shè)質(zhì)量；但是在學(xué)術(shù)界就工程成功應(yīng)用層面而言，這一問題已經(jīng)得到很好的解決，研究成果達到推廣應(yīng)用的成熟度。

【關(guān)鍵詞】混凝土裂縫；成因；防裂方法

引言

近年來學(xué)術(shù)界對混凝土裂縫成因和施工防裂方法研究有了突破性進展，很多工程直接在科研成果指導(dǎo)下施工，在總體上沒有出現(xiàn)結(jié)構(gòu)性裂縫，甚至有些很有規(guī)模、結(jié)構(gòu)特點突出且在高溫或嚴寒期施工的工程也完全沒有出現(xiàn)裂縫，有些采用的還是高熱量、高性能、自生體積變形大、脆硬和坍落度大的泵送混凝土。

一、混凝土施工中的裂縫成因

由于混凝土結(jié)構(gòu)造價低、施工方便等特點在現(xiàn)代道路。橋梁工程建設(shè)中已經(jīng)占據(jù)了非常重要的地位。不論是鐵路工程、公路工程還是其它工程建設(shè)，鋼筋混凝土的應(yīng)用可以說是無處不在。但目前混凝土結(jié)構(gòu)物裂縫問題在混凝土工程建設(shè)中帶有一定普遍性。而混凝土結(jié)構(gòu)的破壞和建筑物的倒塌，大多也都是基于從這些結(jié)構(gòu)裂縫的擴展開始而引起的。而從近代建筑結(jié)構(gòu)專業(yè)基于混凝土工作的理論研究及工程實踐證明，混凝土結(jié)構(gòu)裂縫是不可避免的，只要確保將裂縫及其有害程度控制在一定范圍之內(nèi)，就能確?；炷两Y(jié)構(gòu)不會受到破壞并確保混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性和安全性。混凝土結(jié)構(gòu)裂縫的成因復(fù)雜而繁多，甚至多種因素相互影響，就其產(chǎn)生的原因，大致可劃分如下幾種：

（一）溫度與收縮變化引起的裂縫?；炷辆哂袩崦浝淇s性質(zhì)，當外部環(huán)境或結(jié)構(gòu)內(nèi)部溫度發(fā)生變化，混凝土將發(fā)生變形，若變形遭到約束，則在結(jié)構(gòu)內(nèi)將產(chǎn)生應(yīng)力，當應(yīng)力超過混凝土抗拉強度時即產(chǎn)生溫度裂縫。在某些大跨徑橋梁中，溫度應(yīng)力可以達到甚至超出活載應(yīng)力。溫度裂縫區(qū)別其它裂縫最主要特征是將隨溫度變化而擴張或合攏。

（二）地基礎(chǔ)變形引起的裂縫。由于基礎(chǔ)豎向不均勻沉降或水平方向位移，使結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生附加應(yīng)力，超出混凝土結(jié)構(gòu)的抗拉能力，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)開裂。若混凝土自生體積變形足夠大或結(jié)構(gòu)尺寸足夠長且“基礎(chǔ)”約束能力大，則單自生體積收縮變形也會產(chǎn)生降溫期裂縫的出現(xiàn)。上述裂縫在墻體中常被稱為“上不到頂，下不著底”、“中間寬，兩頭尖”的“棗核形”裂縫。

（三）鋼筋銹蝕引起的裂縫。由于混凝土質(zhì)量較差或保護層厚度不足，混凝土保護層受二氧化碳侵蝕炭化至鋼筋表面，使鋼筋周圍混凝土堿度降低，或由于氯化物介入，鋼筋周圍氯離子含量較高，均可引起鋼筋表面氧化膜破壞，鋼筋中鐵離子與侵入到混凝土中的氧氣和水分發(fā)生銹蝕反應(yīng)，其銹蝕物氫氧化鐵體積比原來增長約2～4倍，從而對周圍混凝土產(chǎn)生膨脹應(yīng)力，導(dǎo)致保護層混凝土開裂、剝離，沿鋼筋縱向產(chǎn)生裂縫，并有銹跡滲到混凝土表面。由于銹蝕，使得鋼筋有效斷面面積減小，鋼筋與混凝土握裹力削弱，結(jié)構(gòu)承載力下降，并將誘發(fā)其它形式的裂縫，加劇鋼筋銹蝕，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞。

（四）凍脹引起的裂縫。大氣氣溫低于零度時，吸水飽和的混凝土出現(xiàn)冰凍，游離的水轉(zhuǎn)變成冰，體積膨脹9%，因而混凝土產(chǎn)生膨脹應(yīng)力；同時混凝土凝膠孔中的過冷水（結(jié)冰溫度在-78度以下）在微觀結(jié)構(gòu)中遷移和重分布引起滲透壓，使混凝土中膨脹力加大，混凝土強度降低，并導(dǎo)致裂縫出現(xiàn)。尤其是混凝土初凝時受凍最嚴重，成齡后混凝土強度損失可達30%～50%。冬季施工時對預(yù)應(yīng)力孔道灌漿后若不采取保溫措施也可能發(fā)生沿管道方向的凍脹裂縫。溫度低于零度和混凝土吸水飽和是發(fā)生凍脹破壞的必要條件。

（五）施工材料質(zhì)量及工藝引起的裂縫?；炷林饕伤唷⑸?、骨料、拌和水及外加劑組成。配置混凝土所采用材料質(zhì)量不合格，可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)出現(xiàn)裂縫。在混凝土結(jié)構(gòu)澆筑、構(gòu)件制作、起模、運輸、堆放、拼裝及吊裝過程中，若施工工藝不合理、施工質(zhì)量低劣，容易產(chǎn)生縱向的、橫向的、斜向的、豎向的、水平的、表面的、深進的和貫穿的各種裂縫，特別是細長薄壁結(jié)構(gòu)更容易出現(xiàn)。

二、混凝土施工防裂方法

（一）施工反饋工法。混凝土溫度場和應(yīng)力場仿真計算受諸多因素影響，其中之一是混凝土材料特性參數(shù)的變化。各工程所采用混凝土的導(dǎo)溫系數(shù)α、導(dǎo)熱系數(shù)λ、表面散熱系數(shù)β和絕熱溫升變化規(guī)律是不同的，且與成熟度有關(guān)。為使溫度和應(yīng)力的仿真計算能更好地反映實際情況，需要進行實驗和依據(jù)實驗結(jié)果并聯(lián)用數(shù)值計算反演不同工程措施和環(huán)境條件下的各項熱學(xué)參數(shù)。因問題的復(fù)雜性，施工期還需進行1：1模型的原位觀測與反演。

（二）施工反饋分析。在得到符合實際情況的熱學(xué)或力學(xué)特性參數(shù)后，再對即將或后續(xù)施工的混凝土進行防裂方法的計算分析，提出或改進防裂方法與措施。基于這種動態(tài)準實時跟蹤性反饋研究的施工方法稱為施工反饋工法，降低尤其是防止重復(fù)性裂縫的出現(xiàn)。模擬現(xiàn)場混凝土的施工情況，在工程現(xiàn)場澆筑一邊長約1.0m的混凝土立方體試件，表面用鋼模板等不同種類的模板及表面可能施工用保溫方法。在試件典型部位埋設(shè)溫度探頭，澆筑后按要求對各溫度探頭進行觀測，同時也記錄試件周圍環(huán)境溫度，進而進行反演分析。

（三）施工動態(tài)跟蹤觀測與施工反饋分析。在混凝土溫度與應(yīng)力的仿真計算中，混凝土熱學(xué)特性參數(shù)的確定對計算結(jié)果的可靠性和準確度具有十分重要的影響。這些參數(shù)通常通過經(jīng)驗公式或試驗得到，但因問題的復(fù)雜性試驗條件往往仍然會和施工現(xiàn)場實際情況有較大出入，且施工過程中始終會存在許多事先不可預(yù)測的隨機情況，它們均會直接影響施工前所確定的防裂方法的實際效果和可靠性。為了盡可能克服這些缺陷，最好的辦法就是對施工現(xiàn)場實際情況進行動態(tài)跟蹤觀測，在第一時間準實時性地實現(xiàn)反演分析和施工反饋研究，針對施工中所出現(xiàn)和遇到的實際情況，動態(tài)調(diào)整和完善現(xiàn)場的施工防裂方法，實現(xiàn)施工反饋研究和工法。

三、總結(jié)

以上對橋梁混凝土的施工溫度與裂縫之間的關(guān)系進行的理論和橋梁工程實踐中關(guān)于裂縫形成及控制措施的初步探討，對于工程實踐中有效預(yù)防和改善橋梁混凝土裂縫產(chǎn)生及其進行早期的有效控制和處理具有現(xiàn)實的可參考依據(jù)。從而將橋梁施工中混凝土裂縫完全控制在充許的范圍之內(nèi)。

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