混凝土結構物裂縫的成因分析與控制措施

管明亮 管山湖

（作者單位：管明亮，新疆卓越工程項目管理有限公司；管山湖，中交二公局東萌工程有限公司）

混凝土結構物表面出現裂縫首先影響觀感，帶來心理不安全感。當裂縫的寬度超過規定值，裂縫的深度和長度足夠大時，將會使結構的鋼筋保護層遭受破壞，導致鋼筋銹蝕，鋼筋銹蝕后產生體積膨脹又會進一步使混凝土結構裂縫擴大，如此發生惡性循環的后果將使混凝土結構逐漸喪失設計使用功能，喪失其承載能力，最終破壞。

本文就混凝土結構物裂縫的成因分析與控制措施，淺談心得體會，并結合工程實例，和大家共同學習探討。

一、混凝土裂縫現狀

當前，混凝土結構物裂縫比較常見，問題比較突出，這與混凝土結構的材料和施工工藝關系很大：

1.混凝土結構的改變。目前混凝土預制結構用得偏少，而現澆結構大量使用，其變形全部在施工現場完成，難以避免產生裂縫。隨著大型設施和高層建筑的出現，會更多采用超長、超厚及超靜定結構設計，并且隨著混凝土強度等級的提高，以及結構物體積的增大，其剛度也大大加大了。

2.混凝土強度等級提高。以前C40以上的混凝土稱為高強，目前C60以上才定義為高強，高強混凝土雖然減少了結構斷面，但是卻因為膠凝材料（水泥等）用量的提高和材料脆性的增大而增加了結構開裂的可能性。

3.水泥性能改變。目前的水泥新標準提高了水泥強度，水泥廠生產過程中從配料上增加了C3S和C3A的比例，并采用助磨劑等手段提高了水泥的粉磨細度，這些生產工藝措施和手段直接后果是提高了水泥的水化熱及收縮率，造成混凝土結構更容易產生溫度裂縫和收縮裂縫。

4.摻合料及外加劑的廣泛應用。摻合料及外加劑品種的多樣化，新型化，促進混凝土技術進步，使混凝土性能改善，也同時發生施工現場認識不足，使用不當而產生結構裂縫。

5.施工工藝的改變。施工現場普遍采用大流動性混凝土加快了施工進度，減輕了工人勞動強度，但同時引起膠凝材料用量、單方用水量和砂率的提高，由此增加了混凝土結構開裂的可能。

二、混凝土裂縫的分類

依據混凝土結構裂縫產生的原因，可將其分為三大類：荷載裂縫、變形裂縫、其他物理或化學變化產生的裂縫。荷載裂縫是由于混凝土結構承受各種荷載后產生的裂縫。變形裂縫是因為環境溫度、濕度變化，或混凝土結構內部溫、濕度或水分變化使其變形而產生的裂縫，包括塑性裂縫、溫度裂縫、干燥收縮裂縫、自收縮裂縫及碳化收縮裂縫等。其他物理或化學變化產生的裂縫，包括碳化收縮裂縫、堿-骨料反應裂縫、鋼筋銹蝕裂縫等。

三、混凝土結構裂縫產生的原因

認識混凝土結構裂縫產生的原因極為重要，只有掌握了裂縫產生的原因，才能采取防止出現有害裂縫的有效措施，或相適應的治理方法。裂縫產生的原因比較復雜，與結構設計、荷載狀況、混凝土水化過程、周圍環境條件及施工方法都有關系，同一結構的裂縫有時會發現幾種原因，因此需要不斷提高認識、分析把握，抓住裂縫的主要原因有針對性地進行分析。

1.荷載裂縫產生原因

混凝土結構承受荷載后，在截面變化處或在相鄰的兩種結構之間容易產生應力集中，并在交界處產生裂縫，如廠房的高跨與低跨之間或建筑物的凸出部分等。同時，兩種結構之間由于受力和約束情況不同也容易產生裂縫，如墻柱之間或梁柱之間等部位。由于地基不均勻沉降產生的裂縫更為常見，特別是淺基礎，如緊鄰的荷載不同的建筑結構間因各自沉降量差異產生裂縫，而樁基礎因其沉降量較小情況要好一些。

2.變形裂縫產生原因

變形裂縫是由于各種因素產生混凝土膨脹或收縮導致的，引起混凝土膨脹或收縮的因素有：因溫度變化的熱脹冷縮，混凝土水化時自身的收縮，水分蒸發后的塑性收縮或干燥收縮，以及混凝土碳化形成的碳化收縮。混凝土是一種脆性材料，并且不勻質，抗拉強度很低，當其收縮達到一定程度，收縮應力大于抗拉強度時混凝土就會產生開裂變形。以下主要講述各種收縮裂縫產生的原因。

（1）塑性收縮裂縫。塑性收縮裂縫是混凝土成型后處于塑性狀態時產生的裂縫。混凝土成型后由于骨料同膠凝材料、水的密度不相同，重力作用下，引起粗細骨料下沉，而水泥漿則上浮，同時產生泌水，結果造成沿垂直方向混凝土出現分層，最上面是泌水，其后是水泥漿，下面則是粗細骨料。當外界環境比較干燥的情況下，混凝土里的水分快速蒸發，隨著失水混凝土體積收縮，因其上層多是砂漿，收縮更加強烈，而此時混凝土正處于塑性階段，因沒有強度無法抵抗收縮應力，就產生了塑性收縮裂縫。

若混凝土結構沿垂直方向厚度較大，會沿垂直方向收縮，引起混凝土的沉降。沉降過程中，靠近鋼筋、預埋件和模板的混凝土受到周邊物質的約束，產生混凝土不均勻沉降，就在鋼筋等約束物周圍出現了裂縫（也稱為沉降收縮裂縫）。

由此可見，用水量及水泥用量很大時，混凝土將產生較多泌水，這是出現塑性收縮的內在因素。混凝土所處環境干燥、風速較大或混凝土未及時養護是產生塑性收縮的外在因素。

（2）溫度裂縫。混凝土結構體積厚大，由于內外溫度梯度較大，里表熱脹冷縮不一致，就容易產生溫度裂縫，而有的混凝土結構體積雖然并不厚大，但其里表溫差過大也會產生裂縫。混凝土成型后，膠凝材料的水化熱使內部溫度升高，因為混凝土導熱系數較小，導致混凝土由內向外產生了溫度梯度。混凝土結構內部在成型后20-40h升溫達到最高，然后開始降溫，當混凝土內部升溫過高或外部降溫過快時便會因里表脹縮不一致而產生開裂。

四、裂縫特征

產生混凝土結構裂縫的原因很復雜，可能多種原因并存，這就給分析裂縫成因造成了困難。但是，也有一些裂縫具有明顯的特征，如裂縫發生的時間、走向、部位及裂縫形式等，以下列出四種裂縫的特征。

1.塑性收縮裂縫

（1）出現部位：多發生于豎向尺寸較大的混凝土結構上表面或側面。

（2）出現時間：混凝土澆筑后終凝前，約在澆筑后4-15h。

（3）裂縫走向：混凝土上表面裂縫不規則，無固定方向。長形混凝土結構，上表面多產生垂直于長方向的橫向裂縫，而在鋼筋及預埋件旁或靠近模板處多發生沉降收縮裂縫。

2.溫度裂縫

（1）出現部位：產生較大溫度差的地方，如大體積混凝土表面，混凝土墻也會出現，無固定部位。

（2）出現時間：一般出現在混凝土內部升溫至最高，然后溫度開始下降時，約在澆筑后2-7d。

（3）裂縫走向：無固定走向，裂縫一般內寬外窄。

3.荷載裂縫

（1）出現部位：多出現在混凝土結構尺寸變化處，承受荷載不同的兩結構連接處，結構類型不同的兩結構連接處。由于地基不均勻沉降而引起的沉降裂縫多發生在結構薄弱部位。

（2）出現時間：受荷后較長時間，而因地基沉降產生的裂縫可持續若干年。

（3）裂縫走向：一般是沿荷載方向，如梁端的剪切斜裂縫，梁底的橫向裂縫等。

五、裂縫診斷與控制

裂縫是多因素綜合作用形成的，不能使用單一措施實現裂縫的有效控制，必須采用綜合的方法對裂縫進行控制。依據混凝土結構情況、施工方式方法和外界環境條件，有針對性地分析可能出現裂縫的原因，設計適合的控制程序，通過混凝土結構設計控制、原材料及配合比源頭控制和施工過程控制措施綜合地控制裂縫，達到不產生有害裂縫的目的。

首先進行裂縫分析，裂縫分析的依據是：

1.結構設計情況：結構類型、尺寸、混凝土強度等級、配筋情況及其他性能要求。

2.施工方法：混凝土和易性要求、混凝土的供應方式、水平及垂直運輸方法、澆筑程序、養護方法等。

3.環境條件：氣溫、濕度、風速、雨量及天氣預報等。

比如，依據混凝土裂縫形成的時間。如果時間少于10h，則該裂縫可被定義為塑性裂縫，可能由表層水分的過度蒸發、約束或由于泌水沉降等原因引起。如果時間超過10h，但不到28h（尤其是該裂縫發生在早晨澆筑時），則很可能是熱收縮裂縫。如果時間超過2d（終止濕養護后），則可歸于干縮裂縫。

六、結合實例，分析處置

某項目大橋腹板裂縫

某項目大橋主跨布置為（100+100）米的T型剛構橋，雙向6車道設計，箱梁截面為單箱單室，預應力設置縱向、橫向、豎向三向設計，預應力張拉順序：先縱向后橫向、豎向。豎向預應力滯后縱向預應力3個節段張拉。縱向預應力鋼束分為頂板束（T束）、腹板下彎束（W束）、邊跨底板束（DB束）、邊跨合龍段頂板合龍束（LB束）及預留束（Y束）五類。施工過程中，箱梁C55懸澆掛籃施工混凝土腹板處出現裂縫。

裂縫出現在梁段腹板張拉完W束后，在W束附近出現1或2道裂縫，裂縫長度1-2m，裂縫寬度0.01mm-0.03mm，沿腹板下彎束波紋管道對稱布置，裂縫有長有短。

建設單位組織相關單位、部門及專家，就該大橋懸澆箱梁腹板裂縫情況進行了察看，并召開研討會，形成一致意見。

1.裂縫成因分析：

（1）張拉時混凝土齡期對裂縫產生有一定影響：因裂縫均出現在縱向預應力下彎索（W索）附近，且大部分位于下彎索下方，根據裂縫分布及混凝土相關試驗數據統計分析，張拉時混凝土齡期不足對裂縫產生一定影響。

（2）寬箱效應不便于裂縫控制：本橋為寬箱梁，箱寬底板達8米，梁體較重，縱向預應力的張拉施工控制應力為5273.1kN，較大的張拉力使錨固區域混凝土的受力比較集中，錨下箍筋及構造筋不足或定位不準，易導致裂縫產生。

（3）混凝土的施工質量、養生及波紋管的定位情況，對裂縫的產生也有一定影響。

2.對已出現裂縫的處理措施：

（1）對于縫寬小于0.15mm的裂縫采用封閉處理；對于縫寬大于0.15mm的裂縫采用壓力注漿處理。

（2）要求項目辦督促承包人委托具有相應資質和施工經驗的單位進行裂縫自治。參建各方要加強過程監管，確保自治施工質量及效果，同時對所有裂縫要定期進行監測，并保存好相關治理監測資料。

3.為了避免后續施工再次產生裂縫，請相關參建單位采取以下措施進行控制。

（1）加強施工過程控制，確保措施到位：

①縱向預應力的張拉時間，在確保混凝土強度和彈性模量均滿足設計及規范要求的同時，應保證張拉時齡期滿足省交通建設工程質量監督局的相關要求。

②加強混凝土原材料、配合比及施工過程控制，確保混凝土施工質量。

③加強混凝土的養護工作（尤其是腹板混凝土），采取覆蓋養生，并及時灑水保持混凝土養護濕度滿足設計要求，確保混凝土施工質量。

④加強波紋管的定位控制，確保定位牢固和定位精度。

⑤箱梁的豎向預應力在縱向預應力張拉前，提前張拉50%，以控制裂縫的產生，并在縱向預應力張拉后，按照設計要求進行二次補張。

（2）設計單位要加強過程服務和技術指導，進一步優化設計方案：

①請設計單位進一步驗算，合理控制縱向預應力。

②進一步完善波紋管定位筋，減小腹板受力不均，有利于控制裂縫的產生，并確保設計方案具有較強操作性和可控性。

③在根部節段下彎索（W索）處設置防裂鋼筋網片，位置可適當向下彎索下側偏移。

④為了改善低板索的受力狀態，除了加強底板預應力管道定位外，建議在底板索徑向力較大的位置考慮設置加勁肋。

通過施工相關各方的共同努力，集思廣議，采取控制手段，進行措施細化，在后期施工中，未發現腹板裂縫。

結合混凝土橋面鋪裝發現較多裂縫之現象，查閱并咨詢相關信息資料，通過調整現場施工工藝，避開白天氣溫較高的時段，采用傍晚或夜間施工；優化微調混凝土施工配合比，通過摻加粉煤灰，適當減少膠材總量，適當增加自由水分，提高混凝土和易性；及時進行二次收面工藝，加強混凝土養護措施，較為滿意地解決該問題。

七、結語

針對施工現場混凝土裂縫的具體情況，運用正確的分析方法，采取綜合性控制措施，可起到較為理想的改善效果。