仇黨見(jiàn) 胡鵬 文志遙 王玉東 苗福海

中國(guó)建筑第四工程局有限公司，中國(guó)·廣東 廣州 510000

1 引言

大體積混凝土結(jié)構(gòu)中，由于結(jié)構(gòu)截面大，水泥用量多，水泥水化所釋放的水化熱會(huì)產(chǎn)生較大的溫度變化和收縮作用，由此形成的溫度收縮應(yīng)力是導(dǎo)致鋼筋混凝土產(chǎn)生裂縫的主要原因。這種裂縫有表面裂縫和貫通裂縫兩種。

①表面裂縫是由于混凝土表面和內(nèi)部的散熱條件不同，溫度外低內(nèi)高，形成了溫度梯度，使混凝土內(nèi)部產(chǎn)生壓應(yīng)力，表面產(chǎn)生拉應(yīng)力，表面的拉應(yīng)力超過(guò)混凝土抗拉強(qiáng)度而引起的。

②貫通裂縫是由于大體積混凝土在強(qiáng)度發(fā)展到一定程度，混凝土逐漸降溫，這個(gè)降溫差引起的變形加上混凝土失水引起的體積收縮變形，受到地基和其他結(jié)構(gòu)邊界條件的約束時(shí)引起的拉應(yīng)力，超過(guò)混凝土抗拉強(qiáng)度時(shí)所可能產(chǎn)生的貫通整個(gè)截面的裂縫。這兩種裂縫不同程度上，都屬有害裂縫。

論文就混凝土裂縫產(chǎn)生的原因進(jìn)行剖析，并對(duì)不同原因產(chǎn)生的裂縫使用不同的措施進(jìn)行處理，達(dá)到加固補(bǔ)強(qiáng)，延長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的使用壽命。

2 裂縫產(chǎn)生的原因分析

由于混凝土早期收縮較大，其中原因主要有約30%～60%礦物細(xì)摻合料替代水泥，約1%～2%高效減水劑摻量和水膠比約為0.25～0.40；這些因素改善了混凝土的微觀結(jié)構(gòu)，給混凝土帶來(lái)許多優(yōu)良特性的同時(shí)，但其負(fù)面效應(yīng)最突出的是混凝土收縮裂縫幾率增多?；炷恋氖湛s，主要是干燥收縮、溫度收縮、塑性收縮、化學(xué)收縮和自收縮。

混凝土出現(xiàn)裂紋的時(shí)間可以作為判斷裂紋原因的參考：塑性收縮裂紋大約在澆筑后幾小時(shí)到十幾小時(shí)出現(xiàn)；溫度收縮裂紋大約在澆筑后2～10d 出現(xiàn)；自收縮主要發(fā)生在混凝土凝結(jié)硬化后的幾天到幾十天；干燥收縮裂紋出現(xiàn)在接近1年齡期內(nèi)[1]。

從裂縫產(chǎn)生的不同時(shí)間段，可將發(fā)生原因分為內(nèi)在因素、外部環(huán)境、施工過(guò)程等因素。

3 內(nèi)在因素產(chǎn)生的裂縫

混凝土收縮裂縫的特點(diǎn)是大部分屬表面裂縫，裂縫寬度較細(xì)，且縱橫交錯(cuò)，成龜裂狀，形狀沒(méi)有任何規(guī)律。在實(shí)際工程中，混凝土因收縮所引起的裂縫是最常見(jiàn)的。

3.1 塑性收縮

發(fā)生在施工過(guò)程中、混凝土澆筑后4～5h 左右，此時(shí)水泥水化反應(yīng)激烈，分子鏈逐漸形成，出現(xiàn)泌水和水分急劇蒸發(fā)，混凝土失水收縮，同時(shí)骨料因自重下沉，因此時(shí)混凝土尚未硬化，稱為塑性收縮。為減小混凝土塑性收縮，施工時(shí)應(yīng)控制水灰比，避免過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的攪拌，下料不宜太快，振搗要密實(shí)，豎向變截面處宜分層澆筑。

3.2 縮水收縮（干縮）

混凝土結(jié)硬以后，隨著表層水分逐步蒸發(fā)，濕度逐步降低，混凝土體積減小，稱為縮水收縮（干縮）?；炷劣不笫湛s主要就是縮水收縮。例如，配筋率較大的構(gòu)件（超過(guò)3%），鋼筋對(duì)混凝土收縮的約束比較明顯，混凝土表面容易出現(xiàn)龜裂裂紋。

3.3 自生收縮

自生收縮是混凝土在硬化過(guò)程中，水泥與水發(fā)生水化反應(yīng)，這種收縮與外界濕度無(wú)關(guān)，且可以是正的（即收縮，如普通硅酸鹽水泥混凝土），也可以是負(fù)的（即膨脹，如礦渣水泥混凝土與粉煤灰水泥混凝土）。

3.4 炭化收縮

大氣中的二氧化碳與水泥的水化物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)引起的收縮變形。炭化收縮只有在濕度50%左右才能發(fā)生，且隨二氧化碳的濃度的增加而加快。炭化收縮一般不做計(jì)算。

4 外部環(huán)境引起的裂縫

混凝土具有熱脹冷縮性質(zhì)，當(dāng)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(dāng)應(yīng)力超過(guò)混凝土抗拉強(qiáng)度時(shí)即產(chǎn)生溫度裂縫。

4.1 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(kāi)裂。

4.2 鋼筋銹蝕引起的裂縫

由于混凝土質(zhì)量較差或保護(hù)層厚度不足，混凝土保護(hù)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(lái)增長(zhǎng)約2～4 倍，從而對(duì)周圍混凝土產(chǎn)生膨脹應(yīng)力，導(dǎo)致保護(hù)層混凝土開(kāi)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)其他形式的裂縫，加劇鋼筋銹蝕，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞[2]。

要防止鋼筋銹蝕，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)根據(jù)規(guī)范要求控制裂縫寬度、采用足夠的保護(hù)層厚度（當(dāng)然保護(hù)層亦不能太厚，否則構(gòu)件有效高度減小，受力時(shí)將加大裂縫寬度）；施工時(shí)應(yīng)控制混凝土的水灰比，加強(qiáng)振搗，保證混凝土的密實(shí)性，防止氧氣侵入，同時(shí)嚴(yán)格控制含氯鹽的外加劑用量，沿海地區(qū)或其他存在腐蝕性強(qiáng)的空氣、地下水地區(qū)尤其應(yīng)慎重。

4.3 凍脹引起的裂縫

大氣氣溫低于零度時(shí)，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(shí)混凝土凝膠孔中的過(guò)冷水在微觀結(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(qiáng)度降低，并導(dǎo)致裂縫出現(xiàn)。

4.4 施工材料質(zhì)量引起的裂縫

混凝土主要由水泥、砂、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。

5 施工過(guò)程引起的裂縫

5.1 施工中的荷載

混凝土在常規(guī)靜、動(dòng)荷載及次應(yīng)力下產(chǎn)生的裂縫稱荷載裂縫，荷載裂縫特征依荷載不同而異呈現(xiàn)不同的特點(diǎn)。這類裂縫多出現(xiàn)在受拉區(qū)、受剪區(qū)或振動(dòng)嚴(yán)重部位。但必須指出，如果受壓區(qū)出現(xiàn)起皮或有沿受壓方向的短裂縫，往往是結(jié)構(gòu)達(dá)到承載力極限的標(biāo)志，是結(jié)構(gòu)破壞的前兆，其原因往往是截面尺寸偏小。

5.2 施工工藝質(zhì)量引起的裂縫

在混凝土結(jié)構(gòu)澆筑、構(gòu)件制作、起模、運(yùn)輸、堆放、拼裝及吊裝過(guò)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(jìn)的和貫穿的各種裂縫，特別是細(xì)長(zhǎng)薄壁結(jié)構(gòu)更容易出現(xiàn)。裂縫出現(xiàn)的部位和走向、裂縫寬度因產(chǎn)生的原因而異

6 裂縫有害、無(wú)害裂縫判別標(biāo)準(zhǔn)

原則上和安全有關(guān)的鋼筋混凝土不允許出現(xiàn)裂縫，但是由于各種原因不可避免的產(chǎn)生各種裂縫，為了明確當(dāng)混凝土出現(xiàn)裂縫時(shí)如何判別其是否有害、無(wú)害？控制標(biāo)準(zhǔn)可以參考表1。

表1 控制標(biāo)準(zhǔn)

7 混凝土裂縫的處理方法

7.1 表面修復(fù)

常用的方法有壓實(shí)抹平，涂抹環(huán)氧粘結(jié)劑，噴涂水泥砂漿或細(xì)石混凝土，壓抹環(huán)氧膠泥，環(huán)氧樹(shù)脂粘貼下班絲布，增加整體面層，鋼錨栓縫合等。表面涂抹和表面貼補(bǔ)法表面涂抹適用范圍是漿材難以灌入的細(xì)而淺的裂縫，深度未達(dá)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(dòng)的裂縫

7.2 局部修復(fù)法

常用的方法有充填法、預(yù)應(yīng)力法，部分鑿除重新澆筑混凝土等。用修補(bǔ)材料直接填充裂縫，一般用來(lái)修補(bǔ)較寬的裂縫，作業(yè)簡(jiǎn)單，費(fèi)用低。

7.3 減少結(jié)構(gòu)內(nèi)力

常用的方法有卸荷或控制荷載，設(shè)置卸荷結(jié)構(gòu)，增設(shè)支點(diǎn)或支撐。改簡(jiǎn)支梁為連續(xù)梁等。

7.4 結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)

常用的方法有增加鋼筋，加厚板，外包鋼筋混凝土，外包鋼，粘貼鋼板，預(yù)應(yīng)力補(bǔ)強(qiáng)體系等。因超荷載產(chǎn)生的裂縫、裂縫長(zhǎng)時(shí)間不處理導(dǎo)致的混凝土耐久性降低、火災(zāi)造成的裂縫等影響結(jié)構(gòu)強(qiáng)度可采取結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)法。包括斷面補(bǔ)強(qiáng)法、錨固補(bǔ)強(qiáng)法、預(yù)應(yīng)力法等混凝土裂縫處理效果的檢查包括修補(bǔ)材料試驗(yàn)；鉆心取樣試驗(yàn)[3]；壓水試驗(yàn)；壓氣試驗(yàn)等。

7.5 混凝土置換法

混凝土置換法是處理嚴(yán)重?fù)p壞混凝土的一種有效方法，此方法是先將損壞的混凝土剔除，然后再置換入新的混凝土或其他材料。常用的置換材料有：普通混凝土或水泥砂漿、聚合物或改性聚合物混凝土或砂漿。

7.6 電化學(xué)防護(hù)法

電化學(xué)防腐是利用施加電場(chǎng)在介質(zhì)中的電化學(xué)作用，改變混凝土或鋼筋混凝土所處的環(huán)境狀態(tài)，鈍化鋼筋，以達(dá)到防腐的目的。陰極防護(hù)法、氯鹽提取法、堿性復(fù)原法是化學(xué)防護(hù)法中常用而有效的三種方法。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是防護(hù)方法受環(huán)境因素的影響較小，適用鋼筋、混凝土的長(zhǎng)期防腐，既可用于已裂結(jié)構(gòu)也可用于新建結(jié)構(gòu)。

7.7 灌漿法

灌漿法分為水泥灌漿和化學(xué)灌漿法，主要施工工藝主要有：

①鉆孔：采用風(fēng)鉆鉆孔，孔深應(yīng)穿過(guò)裂縫面0.5m 以上，當(dāng)鉆孔有兩排或兩排以上時(shí)，宜交叉或呈梅花形布置。

②沖洗：鉆孔完畢后，應(yīng)用水沖洗，按豎向排列自上而下逐孔進(jìn)行。

③密封：縫面沖洗凈后，在裂縫表面用1 ∶1～2 水泥砂漿或環(huán)氧膠泥涂抹。

④埋管：一般用?19-38 的鋼管作灌漿管，安裝前在鋼管外壁用生膠帶纏緊，然后旋入孔中，孔中管壁周圍的空隙用水泥砂漿或硫磺砂漿封堵，以防冒漿或灌漿管沖孔中脫出。

⑤試壓：用0.1～0.2MPa 壓力水作滲水試驗(yàn)，采取灌漿孔壓水，排水孔排水的方法檢查裂縫和管路暢通情況，然后關(guān)閉排氣孔檢查止?jié){堵漏效果，并濕潤(rùn)縫面，以利粘結(jié)。

⑥灌漿：合格的經(jīng)設(shè)計(jì)批準(zhǔn)使用的填縫用注射性水泥，水泥凈將水灰比為0.4，灌漿壓力0.3～0.5MPa。在整條裂縫處理完畢后，孔內(nèi)應(yīng)充滿凈漿，并填入凈砂用棒搗實(shí)。

7.8 仿生自愈合法

仿生自愈合法是一種新的裂縫處理方法，它模仿生物組織對(duì)受創(chuàng)傷部位自動(dòng)分泌某種物質(zhì)，而使創(chuàng)傷部位得到愈合的機(jī)能，在混凝土的傳統(tǒng)組分中加入某些特殊組分（如含黏結(jié)劑的液芯纖維或膠囊），在混凝土內(nèi)部形成智能型仿生自愈合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，當(dāng)混凝土出現(xiàn)裂縫時(shí)分泌出部分液芯纖維可使裂縫重新愈合。

8 結(jié)語(yǔ)

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，降低材料的耐久性，影響建筑物的承載能力，因此嚴(yán)格按規(guī)程、規(guī)范要求施工，嚴(yán)把質(zhì)量關(guān)，防患于未來(lái)，盡可能地降低混凝土裂縫的出現(xiàn)；對(duì)混凝土裂縫進(jìn)行認(rèn)真區(qū)別對(duì)待，采用合理的方法進(jìn)行處理，并在施工中采取各種有效的預(yù)防措施來(lái)預(yù)防裂縫的出現(xiàn)和發(fā)展，保證建筑物和構(gòu)件安全、穩(wěn)定地工作。