混凝土裂縫產(chǎn)生成因分析及預(yù)防控制措施

薛黎明

【摘要】混凝土自問世以來，與鋼材、木材一起，并稱為建筑業(yè)三大主材，在現(xiàn)代建筑結(jié)構(gòu)中得到了廣泛應(yīng)用。但是由于混凝土本身的特點，混凝土裂縫一直困擾著工程技術(shù)人員。本文從混凝土裂縫產(chǎn)生的原因，重點從材料選用，施工控制兩個方面對混凝土裂縫進行探討。

【關(guān)鍵詞】 混凝土裂縫；材料；施工控制措施

1 成因分析

混凝土的裂縫是不可避免的，其微觀裂縫是本身物理力學(xué)性質(zhì)決定的，但它的有害程度是可以控制的，有害程度的標(biāo)準(zhǔn)是根據(jù)使用條件決定的。目前世界各國的規(guī)定不完全一致，但大致相同。如從結(jié)構(gòu)耐久性要求、承載力要求及正常使用要求，最嚴(yán)格的允許裂縫寬度為0.1mm。近年來，許多國家已根據(jù)大量試驗與泵送混凝土的經(jīng)驗將其放寬到0.2mm。當(dāng)結(jié)構(gòu)所處的環(huán)境正常，保護層厚度滿足設(shè)計要求，無侵蝕介質(zhì)，鋼筋混凝土裂縫寬度可放寬至0.4mm；在濕氣及土中為0.3mm；在海水及干濕交替中為0.15mm。沿鋼筋的順筋裂縫有害程度高，必須處理。

對鋼筋混凝土裂縫的控制主要分為2點：首先是裂縫寬度計算，根據(jù)國內(nèi)外的設(shè)計規(guī)范及對裂縫寬度的相應(yīng)規(guī)定和有關(guān)的試驗資料得知，鋼筋混凝土裂縫的最大寬度應(yīng)控制在以下范圍以內(nèi)（對于有防滲要求、侵蝕嚴(yán)重的環(huán)境，混凝土的最大裂縫寬度應(yīng)控制在0.1～0.2毫米；對無防滲要求、有輕微侵蝕的環(huán)境，混凝土的最大裂縫控制寬度為0.2～0.3毫米，對無防滲要求、無輕微侵蝕的環(huán)境，混凝土的最大裂縫控制寬度為0.3～0.4毫米）。裂縫寬度的主要計算依據(jù)包括（以理論為基礎(chǔ)的試驗回歸方法為半經(jīng)驗半理論方法；以混凝土回縮形成的表面裂縫的無滑移理論和以混凝土和鋼筋相對滑移導(dǎo)致裂縫的粘結(jié)滑移理論）。其次是達(dá)到使用極限狀態(tài)界限的臨界裂縫寬度的限值。

根據(jù)裂縫形成的種類，主要可以分為溫度裂縫、干縮裂縫、不均勻沉降裂縫、堿集料反應(yīng)裂縫等。

溫度裂縫：由于混凝土本身具有熱脹冷縮的性質(zhì)，在混凝土澆筑完成后硬化期間，構(gòu)件內(nèi)部水化熱釋放溫度較高，構(gòu)件表面散熱較快，溫度較低。內(nèi)外溫差導(dǎo)致在構(gòu)件內(nèi)部溫度形成壓應(yīng)力，構(gòu)件表面形成拉應(yīng)力，當(dāng)超過混凝土的抗拉強度時就容易在構(gòu)件表面開裂，形成裂縫。

干縮裂縫：在混凝土澆筑完成及養(yǎng)護過程中，由于表面水泥漿水分的散失比較快，形變明顯，而內(nèi)部水分散失比較慢，發(fā)生不明顯形變。在相對濕度低，水泥干縮發(fā)生較快時發(fā)生不可逆干縮，產(chǎn)生干縮裂縫。

不均勻沉降裂縫：結(jié)構(gòu)地基松軟、土質(zhì)不均勻等會造成不均勻沉降。凍土區(qū)（我國東北及青藏高原一帶）在凍土化凍后也會發(fā)生不均勻沉降，會使混凝土結(jié)構(gòu)出現(xiàn)裂縫。

堿集料反應(yīng)裂縫：混凝土中的堿性離子與混凝土內(nèi)部部分活性骨料發(fā)生的堿集料化學(xué)反應(yīng)，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)大量失水，使混凝土出現(xiàn)酥松、膨脹，進而產(chǎn)生裂縫。這種裂縫一旦出現(xiàn)，很難有辦法進行補救，所以在混凝土結(jié)構(gòu)中屬于危害比較大的裂縫類型。

2 材料選用

對混凝土裂縫的預(yù)防要加強原材料的控制力度，杜絕不合格材料對混凝土的不利影響。

2.1 水泥

盡量選用中熱及低水化熱水泥，根據(jù)水泥水化理論，應(yīng)盡量避免使用鋁酸三鈣的含量過高的水泥，降低早期水化熱，有利于混凝土裂縫的產(chǎn)生及延展。硅酸鹽水泥熟料中鋁酸三鈣的化學(xué)減縮量最大，是硅酸二鈣的3倍，鐵鋁酸四鈣的5倍。[4]同時由于過高的鋁酸三鈣含量將導(dǎo)致新拌混凝土坍落度損失過快，不利于施工。水泥的細(xì)度對混凝土的水化熱也有所影響， 過大或過小都不利， 水泥細(xì)度越細(xì)，比表面積就越大，與水接觸面越大，反應(yīng)速度就越快，水化熱就越大，對溫度裂縫控制不利?，F(xiàn)今配置混凝土的水泥細(xì)度一般在3 00～ 4 00cm2/g。

2.2 粗細(xì)集料

粗細(xì)集料的選擇應(yīng)選擇潔凈的，含泥量低的集料?；炷馏w系中，砂和碎石中的泥及泥塊往往是最薄弱的組分，含泥量超標(biāo)會使混凝土收縮增大，混凝土裂縫易從此最薄弱部位開始。因此從原材控制角度需進行嚴(yán)格控制其含量。同時混凝土在滿足工藝的條件下，盡量使用較低砂率，可降低混凝土的裂縫的產(chǎn)生的機率。細(xì)集料不能使用海砂，海砂氯離子超標(biāo)，易引起鋼筋混凝土的銹蝕，從而引起混凝土的開裂。

2.3粉煤灰

粉煤灰是燃燒煤粉后收集到的灰粒，亦稱飛灰，其化學(xué)成分主要是SiO2（45～65%）、Al2O3（20～35%）及Fe2O3（5～10%）和CaO（5%）等，粉煤灰摻入混凝土后，可改善混凝土的和易性。影響混凝土和易性的因素主要包含骨料的形狀、級配、漿體的水灰比、體積及骨料間的孔隙率。在混凝土中加入粉煤灰后可以使?jié){體的體積增大，骨料之間的空隙被漿體充填，由于骨料顆粒被漿體包裹，使其表面也變得潤滑，這樣就增強了拌合物的可塑性和粘聚性。在混凝土中加入粉煤灰后，就減少了骨料之間的摩擦阻力，使拌合物的和易性增強。同時粉煤灰可以減少混凝土的用水量，補償細(xì)骨料中的細(xì)屑，阻礙漿體的泌水渠道，降低混凝土的泌水率，減少混凝土強度增長期收縮裂縫。同時在混凝土中摻入粉煤灰由于減少了水泥的用量可以降低水化熱。若按重量計用粉煤灰取代30%的水泥時，可使因水化熱導(dǎo)致的絕熱溫升降低15%左右。眾所周知，溫度升高時水泥水化速率會顯著加快，研究表明：與20℃相比，30℃時硅酸鹽水泥的水化速率要加快1倍。粉煤灰混凝土可減少水泥的水化熱，減少結(jié)構(gòu)物由于溫度而造成的裂縫。對于鋼筋混凝土，粉煤灰摻量越大，鋼筋銹蝕敏感性增加。粉煤灰摻量過大可導(dǎo)致混凝土堿度降低，使鋼筋保護層碳化，進而對混凝土中鋼筋銹蝕產(chǎn)生影響，混凝土裂縫易從銹蝕鋼筋處誘發(fā)。

2.4礦粉

礦粉是將水淬?；郀t礦渣經(jīng)過粉磨達(dá)到規(guī)定細(xì)度的一種具有潛在活性的礦物摻合料，是一種新興的建筑材料。表面積可達(dá)400㎝2/g以上，具有顆粒超細(xì)，活性較大的特點。 礦粉用作混凝土的摻合料能改善提高混凝土的綜合性能。其作用表現(xiàn)在（1）改善膠凝材料物理級配。由于礦粉的細(xì)度比水泥顆粒還細(xì)，這樣礦粉就起到填充水泥顆粒之間的空隙的作用。通過采用礦粉充填水泥之間空隙，水泥顆粒充填細(xì)骨料之間的空隙，細(xì)骨料充填粗骨料之間的空隙，可以降低混凝土拌合物的最大孔徑尺寸和骨料之間的孔隙率，形成連續(xù)級配的顆粒堆積體系和密實的充填結(jié)構(gòu)，使混凝土的抗裂性大大提升。礦粉在混凝土水泥漿中的能夠產(chǎn)生微集料效應(yīng)，使水泥水化時亦能得以充分發(fā)揮，提高水泥水化產(chǎn)物的均勻性分布，從而提高混凝土后期強度。（2）對Cl-的物理吸附作用。礦粉混凝土水化時能產(chǎn)生較多的C-S-H凝膠，而它會吸附一部分Cl-從而阻止其向混凝土內(nèi)部滲透。因此它能改善混凝土抗氯離子滲透性能，避免海水環(huán)境對混凝土的侵蝕，從而導(dǎo)致裂縫的產(chǎn)生。（3）減少水泥初期水化物的相互連接。在混凝土中性能較弱的部分集中在水泥漿體與集料間的界面層，主要是Ca（OH）2含量的問題。減少Ca（OH）2晶體尺寸，不僅能有利于混凝土力學(xué)性能的提高，還有利于耐久性的改善。礦粉在水泥初期水化產(chǎn)物的連接，具有一定減水作用和改善混凝土坍落度的經(jīng)時損失。

2.5外加劑

外加劑在混凝土中被稱為第五組分。在混凝土配合比設(shè)計中，可以顯著降低單方混凝土用水量，從而降低水灰比，提高混凝土工作性和耐久性。同時外加劑宜使用復(fù)合型外加劑，外加劑經(jīng)現(xiàn)場試驗加入緩凝組分降低早期混凝土水化熱，調(diào)節(jié)水泥水化速度，延緩?fù)坪笏嗨疅岱逯怠?/p>

3 施工控制措施

3.1 及時切縫

橋面護欄混凝土易出現(xiàn)較多豎向裂紋，影響橋面護欄混凝土的美觀。護欄混凝土以設(shè)計混凝土坍落度低限為控制標(biāo)準(zhǔn)，以降低混凝土護欄頂面振搗出漿引起的護欄頂面因混凝土表面失水造成的收縮裂縫。護欄混凝土澆筑前，務(wù)必做好澆筑前的準(zhǔn)備工作，避免混凝土攪拌出站后因現(xiàn)場準(zhǔn)備工作不足造成混凝土等待時間延長的情況?；炷翝仓瓿珊?，應(yīng)及時的進行切縫工序，以降低箱梁（或T梁）混凝土與新澆筑護欄混凝土由于混凝土的收縮系數(shù)不一致而產(chǎn)生的自下而上的應(yīng)力裂縫的產(chǎn)生及延展。切縫深度滿足施工要求，切縫應(yīng)到達(dá)橋面系預(yù)制箱梁（或T梁）混凝土頂面面板止?；炷翝仓瓿珊箜斆媸彰娼Y(jié)束后，及時進行構(gòu)件的養(yǎng)生工作。因護欄混凝土應(yīng)力裂縫主要出現(xiàn)在混凝土強度形成的早期，故應(yīng)特別重視護欄混凝土的早期養(yǎng)生工作。

3.2 埋設(shè)冷卻水管

在大體積混凝土結(jié)構(gòu)施工過程中，如承臺應(yīng)在結(jié)構(gòu)物內(nèi)埋設(shè)冷卻水管，由于大體積混凝土的水泥水化熱產(chǎn)生很高的熱量，集中在混凝土的內(nèi)部，并且不容易很快散失，就會使內(nèi)部溫度高于混凝土的表面溫度，形成溫度應(yīng)力，如果這種應(yīng)力大于混凝土的極限抗壓強度，就會產(chǎn)生溫度裂縫。因此，大體積混凝土施工最突出的問題就是對混凝土的溫度進行控制?；炷两Y(jié)構(gòu)中心溫度與表面溫度之間、混凝土表面溫度與室外最低氣溫之間差值應(yīng)小于20℃。[2]必須處理或解決由于水泥產(chǎn)生的水化熱所引起的混凝土體積變化，以便最大限度地減少混凝土裂縫。同時加強對冷卻水管的出水溫度監(jiān)控。

3.3 加強養(yǎng)護

根據(jù)不同的環(huán)境條件，選用不同的養(yǎng)護方式進行混凝土構(gòu)件的養(yǎng)生。一般構(gòu)件養(yǎng)護期不少于7天，若混凝土采用雙摻法和復(fù)合緩凝減水外加劑時，宜相應(yīng)延長砼養(yǎng)護期。在嚴(yán)寒地區(qū)，要在混凝土表面敷設(shè)土工布及草簾等保溫措施，使混凝土表面有緩慢的散熱過程，避免形成混凝土內(nèi)外巨大溫度梯度，導(dǎo)致溫度裂縫的產(chǎn)生。在炎熱地區(qū)，應(yīng)覆蓋土工布并灑水養(yǎng)生，保持砼構(gòu)件表面濕潤狀態(tài)，避免形成干濕循環(huán)。

3.4 鋼筋配筋及聚丙烯纖維的摻入

結(jié)構(gòu)平面布置和豎向布置宜規(guī)則，剛度分布均勻，避免尺寸和剛度的突變，在結(jié)構(gòu)薄弱部位，應(yīng)力集中易開裂，在此部位應(yīng)進行適當(dāng)?shù)募訌姡用芊植冀?。[1]在混凝土表層布設(shè)抗裂鋼筋網(wǎng)片或增加鋼筋的配筋率，減小鋼筋的直徑而縮小配筋間距等方法，均能有效降低鋼筋混凝土出現(xiàn)裂縫的概率。擇優(yōu)選擇摻入聚丙烯纖維，纖維長度小于粗集料最大粒徑的2/3，以利于亂向的均勻分布，對阻滯混凝土裂縫產(chǎn)生有一定的輔助效果。[3]

3.5 隔倉及分層分段澆筑

大體積砼的溫度應(yīng)力與結(jié)構(gòu)尺寸相關(guān)，結(jié)構(gòu)尺寸越大，溫度應(yīng)力越大，合理安排施工工序，采取隔倉澆筑分層分段及后澆帶施工等多種措施，避免砼強度形成期水化熱集中釋放導(dǎo)致砼構(gòu)件開裂。

3.6 箱梁預(yù)應(yīng)力張拉控制

橋梁上部結(jié)構(gòu)大多采用預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，其最易出現(xiàn)箱梁腹部沿波紋管和鋼絞線底板呈45°斜裂縫，極大可能是該區(qū)域預(yù)應(yīng)力張拉后，該部位混凝土主拉應(yīng)力超過了該處的預(yù)應(yīng)力索和普通鋼筋的抗剪力及混凝土的抗拉強度。由于預(yù)應(yīng)力索張拉時，索管及其周邊混凝土受到較集中的壓應(yīng)力，由于柏松效應(yīng)導(dǎo)致索管及其周邊混凝土受到索管徑向的巨大張力，如保護層混凝土不足以抵抗拉應(yīng)力，則會在其最薄弱處開裂。應(yīng)嚴(yán)格執(zhí)行預(yù)應(yīng)力張拉程序，根據(jù)同條件養(yǎng)護試塊強度控制混凝土拆模及張拉時間，避免拆模過早或預(yù)應(yīng)力過張造成混凝土構(gòu)件開裂。

3.7 優(yōu)化混凝土配合比設(shè)計

配合比設(shè)計在滿足強度的同時，重點側(cè)重混凝土耐久性。在混凝土設(shè)計中盡量采用較低水灰比，控制單位用水量，摻入礦物摻合料，提倡雙摻，使用高效聚羧酸減水劑，選用優(yōu)質(zhì)原材料，控制原材料中有害物質(zhì)的含量，控制混凝中堿含量。從多角度多維度進行混凝土配合比的設(shè)計優(yōu)化。

3.7 地基處理及施工模板加固

基礎(chǔ)混凝土澆筑前，檢測地基基礎(chǔ)的地基承載力與地基的均勻性，如遇軟弱地基采取換填、化學(xué)注漿等多種方式保證地基穩(wěn)定。在新老構(gòu)造物連接處設(shè)置沉降縫。同時在施工中，模板要有足夠的剛度和強度，并支撐可靠?？捎行П苊庖虻鼗痪鶆虺两祵?dǎo)致的裂縫產(chǎn)生。

4 裂縫處理

對小于0.2mm的微裂縫，可用水泥漿或滲透性防水劑涂抹裂縫表面進行簡單的處理即可達(dá)到封閉裂縫的效果。

對寬度大于0.3mm深度較大的裂縫，可采取化學(xué)注漿的方式通過壓力注漿設(shè)備灌入裂縫深處，恢復(fù)結(jié)構(gòu)整體性。工藝流程如下：鑿槽→埋設(shè)注漿嘴→封縫→密封檢查→漿液配置→灌漿→封孔→質(zhì)量檢查。重點控制亞壓漿設(shè)備灌入壓力，灌入后待漿液初凝不滲漏方可。

對寬度大于0.5mm的寬大裂縫或鋼筋銹蝕裂縫，沿裂縫刻V型或U型槽，嵌填修補材料，恢復(fù)結(jié)構(gòu)整體性。工藝流程如下：鑿槽→基層處理（清理砼表面，鋼筋除銹）→涂刷結(jié)合劑（環(huán)氧樹脂漿液）→嵌填修補材料→面層處理。材料可選用環(huán)氧樹脂、環(huán)氧砂漿、聚合物水泥砂漿、聚氯乙烯膠泥或瀝青油膏等嵌填材料[4]。

小結(jié)

混凝土裂縫是項技術(shù)難題，長期困擾工程技術(shù)人員。本文通過對混凝土裂縫產(chǎn)生的成因進行分析，從原材料，施工控制兩方面提出相應(yīng)的解決方案，同時對混凝土裂縫處理進行了闡述，對混凝土裂縫預(yù)防及處理工作具有一定的指導(dǎo)意義。

參考文獻

[1] 陳俊名.談混凝土裂縫的產(chǎn)生機理與防治及處理方法. 山西建筑， 2015.02。

[2] 李群.淺談混凝土裂縫防治技術(shù).四川建材，2014.02。

[3] 劉建武.混凝土裂縫產(chǎn)生的成因與控制措施.水運工程，2006.01。

[4] 朱耀臺，詹樹林.混凝土裂縫成因與防治措施研究.材料科學(xué)與工程學(xué)報，2003.10.