淺談鋼筋混凝土結構的裂縫

許衍彬

（華北水利水電大學土木與交通學院，河南鄭州450000）

1 前言

鋼筋與混凝土之所以能夠協調工作，主要是因為兩者的粘結力和相近的溫度膨脹系數。盡管如此，鋼筋混凝土構件在正常使用下是帶裂縫工作的。在裂縫出現前，受拉區混凝土與鋼筋共同受力，沿著長度方向二者應力保持均等，但在裂縫出現后，受拉區混凝土退出工作，應力釋放后向兩邊彈性回縮，裂縫處應力全由鋼筋承擔，導致裂縫處鋼筋應力與應變突增。裂縫寬度過大，會造成鋼筋銹蝕和裂縫發展的惡性循環，并且造成保護層剝落。裂縫雖然不可避免，但其危害程度是可以通過措施來降低的。

2 荷載裂縫

（1）荷載作用造成的裂縫稱為荷載裂縫或結構性裂縫，包括正截面裂縫和斜截面裂縫。一般來說，正截面裂縫由截面正應力引起，包括彎矩、軸向拉壓力或者偏心拉壓力等荷載產生的正應力，而斜截面裂縫由剪力或者扭矩產生的剪應力引起。當縱向受力鋼筋與混凝土的粘結遭到破壞，還會出現沿著鋼筋的粘結裂縫與撕裂裂縫。

（2）荷載作用下裂縫寬度的影響因素：

①縱向受拉鋼筋的等效直徑。鋼筋等效直徑與鋼筋的直徑和表面形狀有關。采用細而密的鋼筋，能夠增大鋼筋的總外表面積，增大粘結力，并且通過粘結力將鋼筋的拉力擴散到混凝土上去，有效約束混凝土收縮的區域，使裂縫分散，減小裂縫寬度。同時，配置與混凝土粘結力較好的變形鋼筋，也能減小裂縫寬度。

②混凝土保護層厚度。混凝土保護層可以將鋼筋與外部酸性環境進行隔離，防止鋼筋的銹蝕。但是，混凝土保護層厚度越厚，混凝土外表面離受拉鋼筋距離就越遠，鋼筋對裂縫擴張的約束作用就越小，因此，裂縫寬度就越大。

③配筋率。混凝土達極限拉應變開裂時，鋼筋的應力還很小，遠小于其屈服強度。因此鋼筋對防止混凝土開裂不能起很大作用。但是，一旦混凝土開裂，縱向受拉鋼筋相對于有效受拉混凝土截面面積的配筋率對裂縫寬度的影響很大。

④荷載性質。反復荷載，動力荷載以及長期作用荷載作用下，裂縫的擴張得到量與質的積累，因此裂縫寬度會增加。

3 溫度裂縫

（1）水泥水化反應釋放大量的水化熱，導致混凝土構件溫度急劇上升，然而混凝土內部散熱慢，表層散熱快，形成較大的溫度梯度，造成內部膨脹比外部大得多，當構件表層拉應力大于混凝土的抗拉強度時，便會產生裂縫。溫度裂縫主要發生在混凝土構件表面，因為溫度梯度在表面較大，在內部較小。裂縫寬度會隨著溫度變化而變化，溫度升高其擴張，溫度降低其合攏。

（2）預防溫度裂縫的措施：

①抑制外表面的散熱，降低溫度梯度。a.保證模板周轉率的情況下，延緩拆模時間，使混凝土表面散熱慢一些，降低溫差；b.拆模后，對混凝土表面采取保溫措施(如覆蓋草席)。

②降低水化反應水化熱。a.選擇合理水泥。采用硅酸二鈣和鋁酸三鈣含量較少的中低熱水泥、礦渣水泥；b.大體積混凝土工程，以冰塊代替水，降低混凝土入模溫度；c.保證混凝土和易性和強度情況下，適當降低水灰比和混凝土單位體積水泥用量，并適當提高粉煤灰和礦渣的含量；d.限制當天混凝土澆筑厚度，并適當減緩澆筑速度。

4 收縮裂縫

4.1 分類

（1）干燥收縮裂縫。混凝土澆筑后一段時間，如果暴露在不飽和空氣中，毛細孔吸附水便會蒸發。然而，表層水分蒸發快，內部水分蒸發慢，導致表面收縮大、內部收縮小的不均勻收縮。此時表層混凝土收縮受到內部混凝土的約束，產生拉應力導致開裂。

（2）塑性收縮裂縫。混凝土成型后最初幾小時，彈性模量很低。如果暴露在高溫下，水分會不斷蒸發，毛細負壓產生收縮力，引起表面開裂。此外，由于混凝土原材料上存在密度、形狀的差異，水灰比不穩定，澆筑過程中容易分層離析，水泥漿上浮，粗骨料下沉，當骨料沉降受鋼筋阻擋時，便會引起剪切開裂。

（3）自身收縮裂縫。水化反應過程中，反應生成物和反應物在密度上有區別。隨著水化反應的進行，水泥漿的體積會發生收縮或者膨脹，一般普通水泥產生收縮，而礦渣硅酸鹽水泥和粉煤灰硅酸鹽水泥產生膨脹。

（4）碳化收縮裂縫。混凝土成型后期，空氣中二氧化碳與水化產物氫氧化鈣發生反應，生成比較堅硬的碳酸鈣，同時生成游離態的水分蒸發掉，引起表層混凝土的收縮，但內部混凝土未能碳化或者碳化程度不深，體積不變，因此表層混凝土的收縮受到內部混凝土的約束，產生拉應力，導致開裂。

4.2 影響收縮裂縫的因素

(1)水灰比與砂率。水灰比如果太大，保水性和粘聚性不足，同時水蒸發后留下的空隙很大，就會導致混凝土收縮大。砂率如果太小，石子周圍不能形成砂漿潤滑層，砂漿不足以包裹石子表面和填充空隙，也會導致收縮增大。

(2)骨料。①骨料種類。采用吸水率較小的骨料如石灰巖，花崗巖等能顯著降低混凝土的收縮；采用有棱角，表面粗糙的碎石，能提高混凝土的粘結力，間接降低混凝土的收縮。②骨料粒徑。骨料粒徑大，總表面積就小，需要的包裹水泥就越少。③骨料級配。骨料級配良好，空隙率小，密實度高，增大了混凝土強度同時減少了水泥用量。

(3)水泥品種。礦渣硅酸鹽水泥、火山灰質硅酸鹽水泥和快硬水泥干縮都比較大，粉煤灰水泥、普通硅酸鹽水泥收縮性較小。此外，水泥標號越低，磨細度越大，收縮就越大。

(4)外加劑。減水劑降低了水灰比，減少水泥的用量，以此降低混凝土收縮。緩凝劑可以使水化反應變慢，使水化物更均勻，減小干縮。

[1]梁興文.混凝土結構設計原理[M]北京:中國建筑工業出版社.

[2]黃軍生.鋼筋混凝土橋梁裂縫成因綜述.中交第二公路勘察設計研究院.

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