混凝土裂縫的形成機(jī)制與防護(hù)措施

石寶存，李成，張士萍，榮飛亞，彭振康

（南京工程學(xué)院建筑工程學(xué)院，江蘇 南京 211167）

0 引言

混凝土開裂一直是工程中一個(gè)不可避免的問題，混凝土裂縫以各種形式存在于建筑物中。隨著建筑質(zhì)量要求的不斷提高，人們對(duì)于建筑安全意識(shí)的廣泛關(guān)注，處理混凝土裂縫問題已變成了一種勢(shì)在必行的趨勢(shì)?；炷磷鳛榻ㄖ牧系闹匾M成部分，如果可以解決混凝土的開裂問題，延長(zhǎng)混凝土建筑的使用壽命，提高混凝土材料的承受能力、耐久性及抗?jié)B能力，對(duì)于保護(hù)人民的生命和財(cái)產(chǎn)安全具有極大意義和社會(huì)價(jià)值。

1 混凝土裂縫

在建筑工程上，根據(jù)混凝土裂縫形成原因、時(shí)間、因素、方式或者位置等條件對(duì)混凝土裂縫都有著不同的分類，而其中根據(jù)裂縫形成的時(shí)間可以分為凝結(jié)過程中形成的裂縫和澆筑完成后形成的裂縫兩大類。

1.1 骨料引發(fā)的裂縫

骨料是對(duì)用于拌制混凝土的砂、碎石或礫石的總稱。骨料在混凝土建筑物中以顆粒狀松散性分布的形式起著骨架支撐和填充的作用。作為建筑物中的主要原材料，其粒徑大小，強(qiáng)度以及成分比例等都影響著裂縫的形成。其中根據(jù)粒徑的大小可將骨料分為粗骨料和細(xì)骨料。粗骨料也稱為石，是指粒徑大于4.75 mm的骨料。常用的粗骨料有天然巖石或巖石經(jīng)過破碎篩分而得的碎石以及由自由風(fēng)化，水流沖擊，洗刷，搬動(dòng)，分選最后堆積而成的卵石。相對(duì)來(lái)說(shuō)碎石強(qiáng)度大，能夠在混凝土中起到良好的抗裂性，一定程度上增強(qiáng)混凝土建筑的強(qiáng)度。

未加載荷之前就出現(xiàn)的微裂紋是由粗骨料引發(fā)的，混凝土在凝結(jié)硬化過程中其內(nèi)部就出現(xiàn)了微裂紋，而微裂紋在承重面受到載荷的作用下不斷延伸使得裂縫變大導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)破壞。主要表現(xiàn)在粗骨料可以限制混凝土的收縮，使其收縮比水泥砂漿的收縮小得多，從而導(dǎo)致混凝土的內(nèi)應(yīng)力增大，造成微裂紋。而粗骨料引發(fā)裂縫主要是它的阻擋作用，當(dāng)混凝土受到載荷微裂紋擴(kuò)展到粗骨料時(shí)，由于粗骨料的強(qiáng)度較大，無(wú)法通過，就繞過粗骨料，因此裂縫可能獲取更多的能量。

1.2 凝結(jié)硬化過程形成的裂縫

在混凝土澆筑初期，混凝土內(nèi)部由于水泥水化熱產(chǎn)生的溫度應(yīng)力導(dǎo)致混凝土出現(xiàn)裂縫。此類裂縫主要分為表面裂縫、深層裂縫以及貫穿裂縫。

1.2.1 表面裂縫

混凝土凝結(jié)過程中，水泥水化熱的產(chǎn)生使混凝土內(nèi)部的溫度急劇上升，隨著溫度的提高，混凝土外部的熱量需向著大氣散發(fā)，維持表面恒溫。但混凝土內(nèi)部熱量不易向外界散發(fā)，內(nèi)部溫度急劇上升，導(dǎo)致混凝土溫度梯度的出現(xiàn)。由于混凝土表面失水干縮遠(yuǎn)強(qiáng)于內(nèi)部，則混凝土內(nèi)外產(chǎn)生壓應(yīng)力和拉應(yīng)力，形成扭轉(zhuǎn)應(yīng)力，當(dāng)扭轉(zhuǎn)應(yīng)力超過混凝土極限抗拉強(qiáng)度時(shí)，混凝土就會(huì)產(chǎn)生裂縫。雖然混凝土表面裂縫不屬于結(jié)構(gòu)裂縫，但在混凝土收縮過程中，由于表面裂縫截面已被削弱，很容易產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，可導(dǎo)致混凝土進(jìn)一步開裂。

該裂縫防護(hù)措施有：

使用合理比例的原材料，降低混凝土收縮；

提高施工技術(shù)，嚴(yán)格管控施工過程；

對(duì)混凝土裂縫進(jìn)行灌膠凝材料或者灌漿填充。

1.2.2 深層裂縫

深層裂縫是在基礎(chǔ)約束范圍內(nèi)的混凝土產(chǎn)生溫度梯度后形成的。在混凝土建筑物中危害最大的是由于結(jié)構(gòu)面斷開的裂縫。如果無(wú)法避免基底結(jié)合區(qū)的表面裂紋，則應(yīng)盡量防止裂縫向深部擴(kuò)展。這樣既可以防止溫度梯度的形成，也可以很好地控制裂縫發(fā)展。

該裂縫的防護(hù)措施有：

保溫，減少混凝土表面溫度散發(fā)，防止混凝土內(nèi)外部形成溫度梯度；

加隔層，在基底結(jié)合區(qū)與混凝土深部之間加隔層，防止裂縫向深部發(fā)展；

對(duì)已出現(xiàn)的微小裂縫進(jìn)行灌漿處理。

1.2.3 貫穿裂縫

在混凝土澆筑初期，混凝土還處于塑性狀態(tài)，加熱階段時(shí)彈性模量很小，變形引起的應(yīng)力也很小，所以溫度應(yīng)力一般可以忽略?；炷翝仓欢螘r(shí)間后，水泥水化熱已被釋放，混凝土從最高溫度逐漸降低冷卻，由于冷卻，再加上過量水分蒸發(fā)在混凝土體積收縮引起的變形，都受到混凝土結(jié)構(gòu)邊界條件的約束，發(fā)生不自由變形，導(dǎo)致混凝土的整個(gè)截面都極容易產(chǎn)生裂縫。

該裂縫的防護(hù)措施有：

控制混凝土水化熱以及減少地基或者墊層的約束，防止溫差過大而引起溫度裂縫，最后導(dǎo)致形成貫穿裂縫；

嚴(yán)格控制混凝土用料，加強(qiáng)混凝土早期養(yǎng)護(hù)，適當(dāng)增加養(yǎng)護(hù)時(shí)間；

保證混凝土施工工藝以及施工材料的質(zhì)量，提高混凝土基礎(chǔ)質(zhì)量。

1.3 澆筑后期產(chǎn)生的裂縫

澆筑后的裂縫會(huì)經(jīng)歷不同的環(huán)境，在不同的環(huán)境中會(huì)形成不同的混凝土裂縫，在循環(huán)荷載作用下出現(xiàn)的裂縫，可大致歸總為橫向裂縫、縱向裂縫、網(wǎng)狀裂縫、反射裂縫這四種裂縫形式。

1.3.1 橫向裂縫

該裂縫與路的中心線大致垂直，但其寬度卻不同。較長(zhǎng)的裂縫可以直穿整個(gè)路面，較短的裂縫就在路面一部分開裂。半剛性基層的橫向裂縫可以分為因溫度變化而形成的溫縮裂縫和因含水量發(fā)生變化而形成的干縮裂縫。

產(chǎn)生的原因主要有：

施工縫處理不恰當(dāng)，導(dǎo)致不同部位結(jié)合不緊密，從而導(dǎo)致橫向裂縫;

半剛性基層由于水泥用量、施工質(zhì)量等因素產(chǎn)生的路面收縮裂縫也是導(dǎo)致橫向裂縫的一個(gè)原因；澆筑的瀝青質(zhì)量沒有達(dá)到相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，導(dǎo)致瀝青混凝土面層溫度疲勞應(yīng)力大于混凝土抗拉強(qiáng)度，導(dǎo)致橫向裂縫。

該裂縫的防護(hù)措施有：

使用性價(jià)比高的原材料以及控制配合比;

施工過程中，嚴(yán)格按照制定計(jì)劃與安排進(jìn)行;

加強(qiáng)收縮裂縫管控以及加強(qiáng)軟基處理;

控制混凝土承受載荷。

1.3.2 縱向裂縫

該裂縫的特征是一條與道路中心線大致平行的裂縫，有時(shí)會(huì)有一個(gè)小的分支縫。根據(jù)裂紋寬度和斷裂邊緣的破壞情況，可將其受到的損傷分為輕、重兩級(jí)。

裂縫產(chǎn)生的原因：

在冷接縫蔓延前后的場(chǎng)地或處理不符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，組合不接近或關(guān)閉；

縱向溝槽回填土壓實(shí)質(zhì)量差而發(fā)生沉降;

拓寬道路中新老路面的沉降不同；

因基礎(chǔ)不穩(wěn)定，在行車荷載與水溫的作用下，產(chǎn)生塑性變形，或者由于基層材料安定性不好（如鋼渣結(jié)構(gòu)層）產(chǎn)生膨脹，導(dǎo)致各種形式的開裂。

該裂縫的防護(hù)措施有：

施工按照規(guī)定嚴(yán)格執(zhí)行;

加強(qiáng)下部以及整體混凝土的強(qiáng)度;

混凝土前后路面鋪攤機(jī)械化，防止結(jié)合不緊密。

1.3.3 網(wǎng)狀裂縫

裂縫縱橫交錯(cuò)，將路面分成很多小塊。裂縫寬在1 mm以上，裂縫間距在40 mm以下，裂縫面積在1 m2以上。它會(huì)使路面松垮和凹槽，極大影響路面的安全程度。

網(wǎng)狀裂縫產(chǎn)生的原因：

在縱橫裂縫出現(xiàn)后，繼續(xù)延伸，經(jīng)過冰水侵蝕之后形成；

路面結(jié)構(gòu)中含有強(qiáng)度較低的夾層，受壓破碎松動(dòng)導(dǎo)致穩(wěn)定性降低，形成網(wǎng)狀裂縫；

剛被破壞就形成了網(wǎng)狀裂縫，外加混凝土強(qiáng)度較低，受到載荷時(shí)裂縫延四周擴(kuò)散，從而形成網(wǎng)狀裂縫。

該裂縫的防護(hù)措施有:

避免砂漿、冰水或者各類油對(duì)混凝土表面層的污染；按照各種混凝土驗(yàn)收規(guī)范選定合適的原材料和混合料；路面結(jié)構(gòu)中盡量避免基層中存在脆裂以及松散現(xiàn)象；

在原材料，施工工藝等方面提高基層的強(qiáng)度。

1.3.4 反射裂縫

在開裂的瀝青混凝土路面或者有接縫的水泥面上鋪一層新的瀝青混凝土，但一定時(shí)間后會(huì)在相同位置出現(xiàn)同樣的路面狀況。這就是國(guó)外對(duì)于反射裂縫的大致描述。但對(duì)于半剛性基層瀝青路面來(lái)說(shuō)，反射裂縫特指的是由于半剛性基層在溫度變化之下會(huì)產(chǎn)生收縮開裂，在載荷作用下，裂縫沿著已經(jīng)開裂的半剛性基層向外擴(kuò)展，也就形成了反射裂縫。反射裂縫無(wú)論是有怎樣不同的描述，它都是在開裂的基礎(chǔ)之上，經(jīng)過溫度，含水量，載荷等影響因素之下引發(fā)的瀝青面層裂縫。

反射裂縫產(chǎn)生的原因：

下部基礎(chǔ)施工完，沒有及時(shí)繼續(xù)施工，受到空氣的影響導(dǎo)致開裂;

路面地面的拉應(yīng)力超過瀝青混凝土極限強(qiáng)度而形成了反射裂縫;

半剛性基層產(chǎn)生的干縮裂縫和低溫收縮裂縫在載荷和混凝土溫度分布不均勻的反復(fù)作用下延伸到面層所形成的反射裂縫;

該裂縫的防護(hù)措施有：

在基層鋪筑后，嚴(yán)格執(zhí)行施工要求，盡快竣工；

在面層與下部基礎(chǔ)之間設(shè)置隔離層或者構(gòu)件應(yīng)力夾層；

對(duì)舊面板加筑，防止下部基礎(chǔ)的反射；

改善半剛性基層產(chǎn)生的干縮以及收縮性質(zhì)。

2 結(jié)語(yǔ)

混凝土開裂一直是工程上不可避免的問題。而混凝土建筑物裂縫形成的因素有很多，本文是根據(jù)混凝土凝結(jié)時(shí)間對(duì)裂縫進(jìn)行分類，將其分為凝結(jié)硬化時(shí)的表面裂縫、深層裂縫和貫穿裂縫以及凝結(jié)硬化后產(chǎn)生的橫向裂縫、縱向裂縫、網(wǎng)狀裂縫和反射裂縫。這些裂縫的形成都受到人為因素、環(huán)境因素以及自身因素不同程度的影響。通過對(duì)這些原因的研究提出相應(yīng)的防護(hù)措施，在一定程度上防止混凝土裂縫的形成以及擴(kuò)散，延長(zhǎng)混凝土建筑物的使用壽命，具有較大的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。