合肥水泥研究設(shè)計(jì)院 鄒 沁 張媛媛

簡述混凝土裂縫原因及預(yù)防措施

合肥水泥研究設(shè)計(jì)院 鄒 沁 張媛媛

鋼筋混凝土是一種砂石骨料、水泥、水及其他外加材料混合而形成的非均質(zhì)脆性材料，在其微觀相組成之間主要結(jié)合力是范德華力。因此其抗拉強(qiáng)度遠(yuǎn)低于抗壓強(qiáng)度。當(dāng)混凝土內(nèi)部產(chǎn)生拉應(yīng)力超過其抗拉強(qiáng)度時(shí)，就產(chǎn)生裂縫?；炷亮芽p是混凝土工程一種很普遍的現(xiàn)象，現(xiàn)就裂縫產(chǎn)生的原因以及如何控制混凝土裂縫做簡單介紹。

混凝土裂縫 原因 預(yù)防

一、概述

鋼筋混凝土是一種砂石骨料、水泥、水及其他外加材料混合而形成的非均質(zhì)脆性材料，在其微觀相組成之間主要結(jié)合力是范德華力。因此其抗拉強(qiáng)度遠(yuǎn)低于抗壓強(qiáng)度。當(dāng)混凝土內(nèi)部產(chǎn)生拉應(yīng)力超過其抗拉強(qiáng)度時(shí)，就產(chǎn)生裂縫。因此混凝土開裂的條件就是在約束變形產(chǎn)生的拉應(yīng)力超過混凝土極限抗拉強(qiáng)度，也就是說必須同時(shí)考慮三個(gè)條件：變形的大小、約束的程度、當(dāng)時(shí)混凝土抗拉強(qiáng)度。不受約束的自由變形不會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力；抗拉強(qiáng)度足以抵抗所產(chǎn)生的拉應(yīng)力時(shí)則不會(huì)開裂。所產(chǎn)生的應(yīng)力大小和當(dāng)時(shí)的彈性模量有關(guān)，和能夠松弛應(yīng)力的徐變有關(guān)；是否引起開裂還和混凝土的抗拉強(qiáng)度有關(guān)。

《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50010-2002允許一般混凝土結(jié)構(gòu)有一定的裂縫存在，但不能超過規(guī)定的最大裂縫寬度限值。當(dāng)混凝土裂縫寬度超過規(guī)定的限值后，外部各種有害物質(zhì)、氣體開始向內(nèi)部滲透、侵蝕、碳化作用也將跟隨裂縫很快的滲入到混凝土內(nèi)部。鋼筋在氧氣和水分作用下開始發(fā)生銹蝕。鋼筋被銹蝕后所產(chǎn)生的鐵銹體積比原體積要增加許多，其外側(cè)混凝土受到鋼筋膨脹的擠壓作用后，其產(chǎn)生垂直于徑向脹壓力，當(dāng)超過混凝土的拉應(yīng)力后，就會(huì)在混凝土的保護(hù)層上引發(fā)沿鋼筋的縱向裂縫。混凝土的裂縫的擴(kuò)展或有新裂縫的出現(xiàn)，將會(huì)加速混凝土的碳化合侵蝕物質(zhì)的介入。鋼筋腐蝕程度加劇，這又將進(jìn)一步混凝土的開裂，使混凝土結(jié)構(gòu)的承載能力下降，耐久性降低。

二、混凝土裂縫的類型

混凝土的裂縫按產(chǎn)生的時(shí)間可分為硬化前裂縫、硬化過程裂縫和完成硬化后裂縫。

按裂縫產(chǎn)生的原因?qū)⒒炷亮芽p分為兩大類：

1. 結(jié)構(gòu)性裂縫——由荷載、作用引起的裂縫。

2. 非結(jié)構(gòu)性裂縫——由變形變化引起的裂縫，包括溫度、濕度、收縮和膨脹、不均勻沉降等因素引起的裂縫。

（1）混凝土收縮主要有塑性收縮、干燥收縮和溫差收縮。

塑性收縮主要指在混凝土硬化之前，處于塑性狀態(tài)，硬化初期主要是水泥、石在水化凝固硬化過程中產(chǎn)生的變化。塑性收縮是指混凝土在凝結(jié)之前，表面因失水較快而產(chǎn)生的收縮。塑性收縮裂縫一般在干熱或大風(fēng)天氣出現(xiàn)，裂縫多呈中間寬，兩段細(xì)且長短不一，互不連貫狀態(tài)。其產(chǎn)生的主要原因?yàn)椋夯炷猎诮K凝前強(qiáng)度很小，受高溫或較大風(fēng)力影響，混凝土表面失水過快，造成毛細(xì)血管中產(chǎn)生較大的負(fù)壓而使混凝土體積急劇收縮，而此時(shí)混凝土的強(qiáng)度又無法抵抗其本身的收縮，因此產(chǎn)生龜裂。

現(xiàn)澆鋼筋混凝土板硬化過程中，由于水分蒸發(fā)體積逐漸縮小，將產(chǎn)生收縮，但板的四周受到梁、柱、墻體等約束，不能自由伸展。而當(dāng)混凝土的收縮引起的約束應(yīng)力超過一定程度時(shí)，就會(huì)引起現(xiàn)澆板的開裂，開裂部位通常是應(yīng)力相對集中處，所以板的收縮裂縫絕大多數(shù)產(chǎn)生在樓板的拐角處，其走向與板對角線相垂直。

干燥收縮主要是由于水泥、石的脫水收縮。砂石不僅多不收縮，而且還可抑制水泥、石收縮而減少混凝土的收縮。干縮裂縫多出現(xiàn)在混凝土養(yǎng)護(hù)結(jié)束后的一段時(shí)間或是混凝土澆筑完畢后的一周左右。干縮裂縫的產(chǎn)生主要是由于混凝土內(nèi)外水分蒸發(fā)程度不同而導(dǎo)致變形不同的結(jié)果，相對濕度越低，水泥漿體干縮越大，干縮裂縫越易產(chǎn)生。干縮裂縫多為表面的平行線狀或網(wǎng)狀淺細(xì)裂縫，干縮裂縫通常會(huì)影響混凝土抗?jié)B性，引起鋼筋的銹蝕影響混凝土耐久性等。

水泥在水化過程中產(chǎn)生大量的熱量，這是混凝土內(nèi)部升溫的主要熱量來源，水化熱聚集在結(jié)構(gòu)內(nèi)部不易散失，引起混凝土內(nèi)部急劇升溫，隨著混凝土工齡期的增長，其強(qiáng)度相應(yīng)提高，對混凝土內(nèi)部降溫收縮變形的約束越來越強(qiáng)，以致產(chǎn)生很大的溫度應(yīng)力，當(dāng)溫度應(yīng)力大于混凝土極限抗拉強(qiáng)度時(shí)，即產(chǎn)生溫度裂縫。溫度裂縫多發(fā)生在大體積混凝土表面或溫差變化較大的地區(qū)的混凝土中。溫度裂縫的走向通常無一定規(guī)律。

大體積混凝土結(jié)構(gòu)裂縫縱橫交錯(cuò)；梁板類長度尺寸較大的結(jié)構(gòu)，裂縫多平行于短邊；深入和貫穿性的溫度裂縫一般與短邊方向平行或接近平行，裂縫沿著長邊分段出現(xiàn)，中間較密。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，由于混凝土體積大，聚集在內(nèi)部水泥水化熱不宜散發(fā)，混凝土內(nèi)部溫度將顯著升高，而其表面則散熱較快，形成較大的溫差，使混凝土內(nèi)部產(chǎn)生壓應(yīng)力，表面產(chǎn)生拉應(yīng)力。此時(shí)，混凝土齡期短，抗拉強(qiáng)度低。當(dāng)溫差產(chǎn)生的表面抗拉應(yīng)力超多混凝土極限抗拉強(qiáng)度，則會(huì)在混凝土表面產(chǎn)生裂縫。

現(xiàn)澆鋼筋混凝土板在混凝土硬化期間水泥將放出大量的水化熱，內(nèi)部溫度不斷上升，在混凝土表面引起張拉應(yīng)力。后期降溫過程中，由于受到框架梁、柱、墻的約束又會(huì)在混凝土內(nèi)部出現(xiàn)拉應(yīng)力。氣溫的降低也會(huì)在混凝土的表面引起較大的拉應(yīng)力，特別是屋面板，由于直接與室外接觸（盡管屋面也做了保溫層），其產(chǎn)生裂縫的概率要大于樓面板。當(dāng)溫度應(yīng)力的拉應(yīng)力超過混凝土抗拉極限能力時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)裂縫。

（2）化學(xué)反應(yīng)引起的裂縫。

混凝土攪拌后會(huì)產(chǎn)生堿性離子，這些離子與某些活性骨料產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)并吸收周圍環(huán)境中的水而體積增大，造成混凝土膨脹開裂。這種裂縫一般出現(xiàn)在混凝土使用期間。

（3）沉降裂縫。

沉降裂縫是由于結(jié)構(gòu)地基土質(zhì)不勻、松軟，或回填土不實(shí)或浸水而造成不均勻沉降導(dǎo)致?；蛘咭?yàn)槟０鍎偠炔蛔?、模板支承間距過大或支承底部松松導(dǎo)致。特別是在冬季，模板支承在凍土上，凍土凍化后產(chǎn)生不均勻沉降，致使混凝土結(jié)構(gòu)產(chǎn)生裂縫。

三、預(yù)防措施

1. 材料選用。應(yīng)選用水化熱較低的水泥，嚴(yán)禁使用安定性不合格的水泥。粗骨料：宜用表面粗糙、質(zhì)地堅(jiān)硬的石料、級配良好、空隙率小、無堿性反應(yīng)；有害物質(zhì)及黏土含量不超過規(guī)定。細(xì)骨料：宜用顆粒較粗、空隙較小、含泥較低的中砂。外摻加料：宜采用減水劑等外加劑，以改善混凝土工作性能，降低用水量，減少收縮。

2. 配料。配合比設(shè)計(jì)：應(yīng)采用低水灰比、低用水量，以減少水泥用量。配制混凝土?xí)r計(jì)量應(yīng)準(zhǔn)確，要嚴(yán)格控制水灰比和水泥用量，攪拌均勻，離析的混凝土必須重新攪勻后，方可澆筑。

3. 配筋。鋼筋等級、規(guī)格、數(shù)量的改變、代用，必須滿足《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50010-2002第8.1條相關(guān)要求。以低強(qiáng)度鋼筋代換高強(qiáng)度等級鋼筋后，裂縫寬度有所減小。相同等級鋼筋代換時(shí)，若代換鋼筋直徑大于原鋼筋直徑，則需要加大代換鋼筋的面積以滿足裂縫寬度的要求。鋼筋的位置要正確，保護(hù)層過大或過小都可能導(dǎo)致混凝土開裂，鋼筋間距過大，易引起鋼筋之間的混凝土開裂。

4. 模板工程。模板構(gòu)造要合理，以防止模板各種干凈的變形不協(xié)調(diào)而導(dǎo)致混凝土開裂。模板和支架要有足夠的剛度，防止在施工荷載作用下，模板變形過大造成開裂。合理把握拆模板時(shí)機(jī)，拆模時(shí)間不能過早，應(yīng)保證早齡期混凝土不損壞或不開裂，但也不能太晚，盡可能不要錯(cuò)過混凝土水化熱峰值。

5. 混凝土澆筑?；炷翝仓r(shí)應(yīng)防止離析現(xiàn)象，振搗應(yīng)均勻、適度。加強(qiáng)混凝土早期養(yǎng)護(hù)，并適度延長養(yǎng)護(hù)時(shí)間內(nèi)，在氣溫高、濕度低或風(fēng)速大的條件下，更應(yīng)及早進(jìn)行噴水養(yǎng)護(hù)，在澆水養(yǎng)護(hù)有困難時(shí)，或者不能保證其充分濕潤時(shí)，可采用覆蓋保濕材料等方法。

6. 工程設(shè)計(jì)。建筑平面選型時(shí)在滿足使用功能的前提下，力求簡單，平面復(fù)雜的建筑物，容易產(chǎn)生扭曲等附加應(yīng)力而造成墻體及樓板開裂。合理布置縱橫墻，縱墻開洞應(yīng)盡可能小。減少地基的不均勻沉降，除了前述的措施外，在基礎(chǔ)設(shè)計(jì)中可以采取調(diào)整基礎(chǔ)的埋深，不同的地基強(qiáng)度和采用不同墊層厚度等方法來調(diào)整地基的不均勻變形。正確的設(shè)置沉降縫。沉降縫位置和縫寬的選定應(yīng)合適，構(gòu)造要合理，可以和其結(jié)構(gòu)縫合并設(shè)置。

7. 當(dāng)混凝土裂縫較寬時(shí)，會(huì)影響結(jié)構(gòu)的抗?jié)B性能，導(dǎo)致水分及有害物質(zhì)滲入，誘發(fā)鋼筋銹蝕或加速混凝土的自然老化，從而降低工程結(jié)構(gòu)的承載力、使用功能和耐久性。此時(shí)可以對混凝土表面進(jìn)行防水處理，從而防止潮氣入侵。例如硅烷溶液時(shí)混凝土表面防水材料中一種應(yīng)用較為廣泛的防水劑。經(jīng)硅烷防水劑處理過的基材具有良好的斥水效應(yīng)，能有效阻止水分侵入。同時(shí)，由于斥水型防水劑沒有封閉基材毛細(xì)管通道，不妨礙水氣由里向外擴(kuò)散，使基材具有良好的透氣性。

8. 改善基礎(chǔ)邊界條件，增設(shè)滑動(dòng)層，降低外約束力。當(dāng)基礎(chǔ)混凝土澆筑在基巖或混凝土上時(shí)，其降溫過程中因混凝土的冷縮受到基巖或老混凝土處部約束引起的拉應(yīng)力，要大于其升溫中因膨脹受到基巖或老混凝土外部約束的壓應(yīng)力，混凝土降溫的幅度越大，基底的約束程度越大，因此引發(fā)的收縮拉應(yīng)力及裂縫可能性越大。

四、結(jié)語

裂縫是混凝土結(jié)構(gòu)中普遍存在的一種現(xiàn)象，它的出現(xiàn)不僅會(huì)降低建筑物的抗?jié)B能力，影響建筑物的使用功能，而且會(huì)引起鋼筋的銹蝕，混凝土的碳化，降低構(gòu)件的耐久性，影響建筑物的承載力。裂縫控制要重視工程設(shè)計(jì)、材料選用、施工、混凝土養(yǎng)護(hù)等各個(gè)環(huán)節(jié)，強(qiáng)調(diào)過程管理。其中裂縫控制限制環(huán)境中侵蝕性介質(zhì)入侵混凝土結(jié)構(gòu)的第一道防線，控制裂縫尤其是早期裂縫，對保證混凝土結(jié)構(gòu)耐久性有重要意義。

[1]《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》GB 50010-2002

[2]陳志源,李啟令.土木工程材料[M].武漢工業(yè)大學(xué)出版社,2009