從結(jié)構(gòu)外觀分析混凝土裂縫產(chǎn)生的原因

馮英杰 王曉琴

(西北民族大學(xué)土木工程學(xué)院，甘肅蘭州 730124)

0 引言

混凝土作為明顯的脆性材料，其非彈性響應(yīng)十分復(fù)雜，主要原因就在于這種非勻質(zhì)性材料組織先天性缺陷，其內(nèi)部存在孔洞、微裂縫、分層等細(xì)觀構(gòu)造。當(dāng)受到溫度變化、干濕變化、荷載作用、結(jié)構(gòu)損傷等因素影響時(shí)，易產(chǎn)生明顯的表面裂縫，表面裂縫使混凝土結(jié)構(gòu)外觀損傷，加劇混凝土碳化、鋼筋銹蝕，降低結(jié)構(gòu)的剛度和強(qiáng)度，進(jìn)而影響混凝土結(jié)構(gòu)的安全性、使用性和耐久性。

許多研究證明，混凝土的表面開(kāi)裂大多是內(nèi)部微裂縫逐漸擴(kuò)展的結(jié)果，破壞已是裂縫發(fā)展的最后階段。通過(guò)研究混凝土結(jié)構(gòu)的幾何損傷特征、裂縫擴(kuò)展趨勢(shì)，了解裂縫對(duì)耐久性的影響，判斷裂縫的性質(zhì)，進(jìn)而建立相應(yīng)的防裂和提高耐久性的措施，在工程實(shí)際中具有重要意義。

對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)中廣泛存在的裂縫如何進(jìn)行簡(jiǎn)單、快速、準(zhǔn)確的識(shí)別，已經(jīng)成為工程技術(shù)人員探索的技術(shù)方向。目前，辨別混凝土結(jié)構(gòu)裂縫常用的方法有:1)直接和間接觀察:通過(guò)裂縫出現(xiàn)的位置、時(shí)間、特征判斷裂縫的性質(zhì)及產(chǎn)生的原因，采用各種技術(shù)儀器，如X射線、超聲波等對(duì)局部結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢測(cè);2)無(wú)損和有損測(cè)試:從結(jié)構(gòu)中鉆芯取樣進(jìn)行觀察測(cè)試，也可以從設(shè)計(jì)圖紙、施工和維護(hù)記錄中獲得信息，發(fā)現(xiàn)是否存在設(shè)計(jì)計(jì)算的錯(cuò)誤和施工維護(hù)的不當(dāng)?shù)取?/p>

許多新理論、新方法引入的核心思想是其必須與結(jié)構(gòu)損傷的特征因子相結(jié)合，通過(guò)對(duì)結(jié)構(gòu)損傷因子的提取進(jìn)而判斷結(jié)構(gòu)的損傷程度，過(guò)程復(fù)雜。而混凝土結(jié)構(gòu)的損傷最直觀信息即是表觀損傷，即表觀裂縫的出現(xiàn)、發(fā)展和變化，裂縫作為混凝土結(jié)構(gòu)損傷的一個(gè)重要特征表象，已經(jīng)成為研究混凝土結(jié)構(gòu)健康狀況的重要對(duì)象之一，它也已經(jīng)成為混凝土結(jié)構(gòu)損傷的重要判斷依據(jù)。因此對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)的表面裂縫進(jìn)行識(shí)別、分析混凝土裂縫的成因，以便采取有效的預(yù)防措施是非常必要的。

1 常見(jiàn)裂縫產(chǎn)生的原因及外觀形態(tài)

1．1 非作用效應(yīng)引起的裂縫

1．1．1 塑性收縮裂縫

塑性收縮裂縫是在混凝土初凝后由于早期失水過(guò)快，造成毛細(xì)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)度較低無(wú)法抵抗其本身收縮產(chǎn)生的拉應(yīng)力，在收縮應(yīng)力作用下導(dǎo)致開(kāi)裂。干縮裂縫形狀常見(jiàn)的有兩種:一種是表面多呈不規(guī)則的網(wǎng)狀，這種裂縫發(fā)生在混凝土終凝前，如發(fā)現(xiàn)較早，及時(shí)抹實(shí)養(yǎng)護(hù)，可以消失;另一種是中間寬，兩側(cè)細(xì)且長(zhǎng)短不一，互不連貫，有時(shí)出現(xiàn)在兩根鋼筋之間，并與鋼筋平行。如僅由于干縮造成的裂縫，其長(zhǎng)度與寬度均較小，一般長(zhǎng)20 cm～30 cm。當(dāng)干縮與溫差等原因疊加而形成裂縫時(shí)，其長(zhǎng)度與寬度有時(shí)較大，較長(zhǎng)的裂縫可達(dá)2 m～3 m，寬1 mm～5 mm這種類型裂縫多發(fā)生在氣溫較高，大風(fēng)干燥的環(huán)境中。如:1978年夏季，云南某機(jī)場(chǎng)托機(jī)道混凝土施工過(guò)程中出現(xiàn)的處于混凝土初凝到終凝期間的大量不規(guī)則裂縫。

1．1．2 水泥水化熱引起的溫度裂縫

水泥是混凝土的重要組分，水泥遇水發(fā)生水化反應(yīng)，放出熱量，使混凝土內(nèi)部溫度迅速升高，發(fā)生膨脹變形，當(dāng)變形受到約束時(shí)，則產(chǎn)生溫度應(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。尤其在大體積混凝土施工中，由于混凝土體積較大，內(nèi)部產(chǎn)生的水化熱不易散發(fā)，以至于內(nèi)部溫度驟升，內(nèi)外形成較大溫差。如果混凝土施工過(guò)程中環(huán)境溫差變化大，或者是混凝土受到寒潮襲擊，則導(dǎo)致混凝土表面溫度迅速下降，裂縫極易產(chǎn)生。混凝土溫度裂縫的走向通常無(wú)一定規(guī)律，大面積結(jié)構(gòu)(如橋面鋪裝)裂縫常縱橫交錯(cuò);裂縫通常只在混凝土表面較淺的范圍內(nèi)產(chǎn)生。梁板類長(zhǎng)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(zhǎng)邊分段出現(xiàn)，中間較密。裂縫寬度大小不一，受溫度變化影響較為明顯，冬季較寬，夏季較窄。由于水泥的水化熱大部分在水化早期(7 d)內(nèi)放出，因此由水化熱引起的裂縫大多出現(xiàn)在混凝土澆筑完成后兩周內(nèi)。

1．1．3 鋼筋銹蝕引起的裂縫

混凝土的結(jié)構(gòu)環(huán)境類別分為五類，不同的環(huán)境引起鋼筋銹蝕的機(jī)理不同，見(jiàn)表1。

表1 混凝土結(jié)構(gòu)環(huán)境類別與鋼筋銹蝕機(jī)理

顯然構(gòu)件所處環(huán)境條件越差，越容易引起鋼筋銹蝕。而導(dǎo)致鋼筋銹蝕的根本原因還是由于混凝土保護(hù)層被碳化或破壞。當(dāng)保護(hù)層厚度不夠或密實(shí)性較差時(shí)，混凝土保護(hù)層受二氧化碳侵蝕碳化至鋼筋表面，使鋼筋周?chē)炷翂A度降低，或者由于保護(hù)層被破壞氯化物侵入，破壞鋼筋表面的鈍化膜。鋼筋中鐵離子與侵入混凝土中的氧氣和水發(fā)生反應(yīng)，生成的氫氧化鐵體積比原來(lái)增大約2倍～4倍，當(dāng)此變形受到周?chē)炷良s束時(shí)則產(chǎn)生膨脹應(yīng)力，在膨脹應(yīng)力大于混凝土抗拉強(qiáng)度時(shí)混凝土保護(hù)層開(kāi)裂。裂縫通常沿鋼筋縱向產(chǎn)生，嚴(yán)重時(shí)有銹跡滲到混凝土表面，此種先銹后裂的縱向裂縫，一旦發(fā)生，便嚴(yán)重惡化，導(dǎo)致保護(hù)層混凝土成片脫落甚至鋼筋銹斷，如圖1所示。

1．2 作用效應(yīng)引起的裂縫

1．2．1 不均勻沉陷裂縫

不均勻沉陷裂縫一般在建筑物下部出現(xiàn)較多，由于基礎(chǔ)產(chǎn)生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，當(dāng)其超過(guò)混凝土結(jié)構(gòu)的抗拉強(qiáng)度時(shí)，結(jié)構(gòu)開(kāi)裂。通常裂縫寬度較大，多為橫向或斜45°貫通性裂縫(見(jiàn)圖2)。裂縫位置多在沉降曲率較大的位置出現(xiàn)。裂縫的形狀一般都是一端寬，一端細(xì)。裂縫尺寸大小變化較多，在地基接近剪切破壞或出現(xiàn)較大沉降差時(shí)，裂縫尺寸可能較大。大多數(shù)出現(xiàn)在房屋建成后不久，也有少數(shù)工程在施工中明顯開(kāi)裂，嚴(yán)重的甚至無(wú)法繼續(xù)施工。隨著時(shí)間及地基變形的發(fā)展，裂縫也會(huì)發(fā)生變化，如裂縫尺寸加大，數(shù)量增多，當(dāng)?shù)鼗€(wěn)定后，裂縫不再擴(kuò)展。

圖1 鋼筋混凝土縱梁底部嚴(yán)重銹裂

圖2 基礎(chǔ)沉降引起的裂縫

1．2．2 荷載作用引起的裂縫

結(jié)構(gòu)受到外荷載作用引起裂縫。這種裂縫一般是與受力鋼筋以一定角度相交的橫向、斜向裂縫。

受彎構(gòu)件常見(jiàn)的有垂直裂縫和斜裂縫兩類。在梁、板構(gòu)件彎矩最大的截面或斷面突然削弱處(如主筋切斷處附近)(見(jiàn)圖3)，從受拉區(qū)邊緣開(kāi)始出現(xiàn)與受拉方向垂直的裂縫，并逐漸向中和軸方向發(fā)展。采用螺紋鋼筋時(shí)，裂縫間可見(jiàn)較短的次裂縫。當(dāng)結(jié)構(gòu)配筋較少時(shí)，裂縫少而寬;斜裂縫通常發(fā)生在剪力最大的部位，如梁支座附近，多數(shù)是剪力與彎矩共同作用而造成。裂縫由下部開(kāi)始，一般沿45°方向向跨中上方伸展(見(jiàn)圖4)。

圖3 彎矩作用引起梁體垂直裂縫

圖4 剪壓作用引起梁體斜裂縫

軸心受壓構(gòu)件一般不出現(xiàn)裂縫，若出現(xiàn)則裂縫表現(xiàn)為平行于受力方向的短而密的平行裂縫，表示受壓區(qū)混凝土壓裂，預(yù)示結(jié)構(gòu)開(kāi)始破壞。小偏心受壓構(gòu)件和受拉區(qū)配筋較多的大偏心受壓構(gòu)件的裂縫和破壞情況，與軸心受壓構(gòu)件相似。大偏心受壓且受拉區(qū)配筋不多的構(gòu)件，類似于受彎構(gòu)件。

軸心受拉構(gòu)件在荷載不大時(shí)，混凝土將產(chǎn)生裂縫，其特征是沿正截面開(kāi)始，和鋼筋拉力作用線相垂直，各縫間距近似相等。沖切構(gòu)件裂縫，例如柱下基礎(chǔ)底板，從柱的周邊開(kāi)始沿45°斜面拉裂，形成沖切面。

扭彎構(gòu)件裂縫，鋼筋混凝土構(gòu)件受扭彎時(shí)，構(gòu)件內(nèi)產(chǎn)生近于裂縫方向常與短邊平行;當(dāng)板有橫肋時(shí)，裂縫多與橫肋相垂直，常見(jiàn)的裂縫寬度是0．15 mm～0．5 mm。

1．2．3 溫度作用引起的裂縫

結(jié)構(gòu)使用期間，受到高溫?zé)嵩吹挠绊懀^大的溫差造成混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)外不均勻的熱脹冷縮變形，從而使混凝土表面產(chǎn)生一定的拉應(yīng)力。當(dāng)拉應(yīng)力超過(guò)混凝土的抗拉強(qiáng)度時(shí)，混凝土表面就會(huì)開(kāi)裂。例如某廠鼓風(fēng)爐車(chē)間，梁上出現(xiàn)了很多橫向裂縫，其寬度為0．1 mm～0．8 mm，經(jīng)檢測(cè)發(fā)現(xiàn)在鼓風(fēng)爐周?chē)屠淠飨碌幕炷亮罕砻鏈囟纫堰_(dá)80℃～97℃;再如鋼筋混凝土煙囪受熱后較易產(chǎn)生裂縫，常見(jiàn)的豎向裂縫與水平裂縫。根據(jù)裂縫形成的時(shí)間，可將裂縫分為投產(chǎn)使用前和投產(chǎn)使用后兩種情況。前者裂縫較淺，一般裂至內(nèi)、外表面下2 cm～3 cm到10余厘米，寬度大多在0．2 mm～2 mm左右。長(zhǎng)期高溫作用下，鋼筋混凝土煙囪的裂縫，有時(shí)豎縫可達(dá)數(shù)10 m長(zhǎng)，水平裂縫一般為1/5～1/2周長(zhǎng)，有時(shí)貫通全圓周。

2 結(jié)語(yǔ)

混凝土結(jié)構(gòu)通常在復(fù)雜的環(huán)境下使用，受到內(nèi)部和外界各種因素的共同作用，幾種類型的裂縫同時(shí)存在，其開(kāi)裂形式也是多種機(jī)理共同作用的結(jié)果，故在裂縫成因判斷工作中應(yīng)綜合考慮各方面因素。結(jié)合裂縫前期調(diào)查工作，利用裂縫特征準(zhǔn)確判斷裂縫形成原因。

［1］呂春蘭．大體積混凝土施工裂縫的預(yù)防［J］．科技情報(bào)開(kāi)發(fā)與經(jīng)濟(jì)，2004(7):15-17．

［2］馬海潮，許明輝．混凝土結(jié)構(gòu)裂縫產(chǎn)生的原因和預(yù)防措施［J］．黑龍江科技信息，2007(6):95-98．

［3］林 彬．淺談大體積混凝土裂縫在施工中的預(yù)防措施［J］．科技信息，2007(7):78-81．

［4］岳志巖．混凝土裂縫的預(yù)防和處理［J］．黑龍江科技信息，2007(6):55-57．

［5］陳小青．鋼筋砼箱涵施工裂縫的預(yù)防［J］．桂林工學(xué)院學(xué)報(bào)，2002(1):8-10．

［6］孫 凱．淺析鋼筋砼結(jié)構(gòu)的裂縫［J］．甘肅科技，2004(3):9-11．

［7］李 先．鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)開(kāi)裂原因分析及預(yù)防［J］．科技資訊，2005(23):112-113．

［8］陳廣成，張守斌，柏章朋．混凝土懸臂挑檐板裂縫的原因及預(yù)防措施［J］．科技資訊，2007(18):23-25．