簡述混凝土裂縫原因及預防措施

合肥水泥研究設計院 鄒 沁 張媛媛

簡述混凝土裂縫原因及預防措施

合肥水泥研究設計院 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脆性材料，在其微觀相組成之間主要結合力是范德華力。因此其抗拉強度遠低于抗壓強度。當混凝土內部產生拉應力超過其抗拉強度時，就產生裂縫。混凝土裂縫是混凝土工程一種很普遍的現(xiàn)象，現(xiàn)就裂縫產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脆性材料，在其微觀相組成之間主要結合力是范德華力。因此其抗拉強度遠低于抗壓強度。當混凝土內部產生拉應力超過其抗拉強度時，就產生裂縫。因此混凝土開裂的條件就是在約束變形產生的拉應力超過混凝土極限抗拉強度，也就是說必須同時考慮三個條件：變形的大小、約束的程度、當時混凝土抗拉強度。不受約束的自由變形不會產生應力；抗拉強度足以抵抗所產生的拉應力時則不會開裂。所產生的應力大小和當時的彈性模量有關，和能夠松弛應力的徐變有關；是否引起開裂還和混凝土的抗拉強度有關。

《混凝土結構設計規(guī)范》GB50010-2002允許一般混凝土結構有一定的裂縫存在，但不能超過規(guī)定的最大裂縫寬度限值。當混凝土裂縫寬度超過規(guī)定的限值后，外部各種有害物質、氣體開始向內部滲透、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。鋼筋被銹蝕后所產生的鐵銹體積比原體積要增加許多，其外側混凝土受到鋼筋膨脹的擠壓作用后，其產生垂直于徑向脹壓力，當超過混凝土的拉應力后，就會在混凝土的保護層上引發(fā)沿鋼筋的縱向裂縫。混凝土的裂縫的擴展或有新裂縫的出現(xiàn)，將會加速混凝土的碳化合侵蝕物質的介入。鋼筋腐蝕程度加劇，這又將進一步混凝土的開裂，使混凝土結構的承載能力下降，耐久性降低。

二、混凝土裂縫的類型

混凝土的裂縫按產生的時間可分為硬化前裂縫、硬化過程裂縫和完成硬化后裂縫。

按裂縫產生的原因將混凝土裂縫分為兩大類：

1. 結構性裂縫——由荷載、作用引起的裂縫。

2. 非結構性裂縫——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生的變化。塑性收縮是指混凝土在凝結之前，表面因失水較快而產生的收縮。塑性收縮裂縫一般在干熱或大風天氣出現(xiàn)，裂縫多呈中間寬，兩段細且長短不一，互不連貫狀態(tài)。其產生的主要原因為：混凝土在終凝前強度很小，受高溫或較大風力影響，混凝土表面失水過快，造成毛細血管中產生較大的負壓而使混凝土體積急劇收縮，而此時混凝土的強度又無法抵抗其本身的收縮，因此產生龜裂。

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。而當混凝土的收縮引起的約束應力超過一定程度時，就會引起現(xiàn)澆板的開裂，開裂部位通常是應力相對集中處，所以板的收縮裂縫絕大多數(shù)產生在樓板的拐角處，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)護結束后的一段時間或是混凝土澆筑完畢后的一周左右。干縮裂縫的產生主要是由于混凝土內外水分蒸發(fā)程度不同而導致變形不同的結果，相對濕度越低，水泥漿體干縮越大，干縮裂縫越易產生。干縮裂縫多為表面的平行線狀或網(wǎng)狀淺細裂縫，干縮裂縫通常會影響混凝土抗?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生大量的熱量，這是混凝土內部升溫的主要熱量來源，水化熱聚集在結構內部不易散失，引起混凝土內部急劇升溫，隨著混凝土工齡期的增長，其強度相應提高，對混凝土內部降溫收縮變形的約束越來越強，以致產生很大的溫度應力，當溫度應力大于混凝土極限抗拉強度時，即產生溫度裂縫。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。

大體積混凝土結構裂縫縱橫交錯；梁板類長度尺寸較大的結構，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。大體積混凝土結構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，聚集在內部水泥水化熱不宜散發(fā)，混凝土內部溫度將顯著升高，而其表面則散熱較快，形成較大的溫差，使混凝土內部產生壓應力，表面產生拉應力。此時，混凝土齡期短，抗拉強度低。當溫差產生的表面抗拉應力超多混凝土極限抗拉強度，則會在混凝土表面產生裂縫。

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，內部溫度不斷上升，在混凝土表面引起張拉應力。后期降溫過程中，由于受到框架梁、柱、墻的約束又會在混凝土內部出現(xiàn)拉應力。氣溫的降低也會在混凝土的表面引起較大的拉應力，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），其產生裂縫的概率要大于樓面板。當溫度應力的拉應力超過混凝土抗拉極限能力時，就會出現(xiàn)裂縫。

（2）化學反應引起的裂縫。

混凝土攪拌后會產生堿性離子，這些離子與某些活性骨料產生化學反應并吸收周圍環(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。

沉降裂縫是由于結構地基土質不勻、松軟，或回填土不實或浸水而造成不均勻沉降導致。或者因為模板剛度不足、模板支承間距過大或支承底部松松導致。特別是在冬季，模板支承在凍土上，凍土凍化后產生不均勻沉降，致使混凝土結構產生裂縫。

三、預防措施

1. 材料選用。應選用水化熱較低的水泥，嚴禁使用安定性不合格的水泥。粗骨料：宜用表面粗糙、質地堅硬的石料、級配良好、空隙率小、無堿性反應；有害物質及黏土含量不超過規(guī)定。細骨料：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。配合比設計：應采用低水灰比、低用水量，以減少水泥用量。配制混凝土時計量應準確，要嚴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《混凝土結構設計規(guī)范》GB50010-2002第8.1條相關要求。以低強度鋼筋代換高強度等級鋼筋后，裂縫寬度有所減小。相同等級鋼筋代換時，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，保護層過大或過小都可能導致混凝土開裂，鋼筋間距過大，易引起鋼筋之間的混凝土開裂。

4. 模板工程。模板構造要合理，以防止模板各種干凈的變形不協(xié)調而導致混凝土開裂。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。合理把握拆模板時機，拆模時間不能過早，應保證早齡期混凝土不損壞或不開裂，但也不能太晚，盡可能不要錯過混凝土水化熱峰值。

5. 混凝土澆筑。混凝土澆筑時應防止離析現(xiàn)象，振搗應均勻、適度。加強混凝土早期養(yǎng)護，并適度延長養(yǎng)護時間內，在氣溫高、濕度低或風速大的條件下，更應及早進行噴水養(yǎng)護，在澆水養(yǎng)護有困難時，或者不能保證其充分濕潤時，可采用覆蓋保濕材料等方法。

6. 工程設計。建筑平面選型時在滿足使用功能的前提下，力求簡單，平面復雜的建筑物，容易產生扭曲等附加應力而造成墻體及樓板開裂。合理布置縱橫墻，縱墻開洞應盡可能小。減少地基的不均勻沉降，除了前述的措施外，在基礎設計中可以采取調整基礎的埋深，不同的地基強度和采用不同墊層厚度等方法來調整地基的不均勻變形。正確的設置沉降縫。沉降縫位置和縫寬的選定應合適，構造要合理，可以和其結構縫合并設置。

7. 當混凝土裂縫較寬時，會影響結構的抗?jié)B性能，導致水分及有害物質滲入，誘發(fā)鋼筋銹蝕或加速混凝土的自然老化，從而降低工程結構的承載力、使用功能和耐久性。此時可以對混凝土表面進行防水處理，從而防止潮氣入侵。例如硅烷溶液時混凝土表面防水材料中一種應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，能有效阻止水分侵入。同時，由于斥水型防水劑沒有封閉基材毛細管通道，不妨礙水氣由里向外擴散，使基材具有良好的透氣性。

8. 改善基礎邊界條件，增設滑動層，降低外約束力。當基礎混凝土澆筑在基巖或混凝土上時，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)的收縮拉應力及裂縫可能性越大。

四、結語

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

[1]《混凝土結構設計規(guī)范》GB 50010-2002

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