混凝土裂縫主要分類及防治概述

賴日飛

（縉云縣九州混凝土有限公司，浙江 麗水 321400）

0 前言

混凝土作為一種多相材料，通過膠凝材料水化生成的膠凝礦物相將砂石等骨料膠結成為堅硬的固體。相比金屬材料和高分子材料，混凝土具有強度高、可模性強、耐久性好等諸多優點，但也存在脆性大、拉伸強度低等缺點。混凝土易受自身原材料質量波動影響，同時在溫度和濕度變化以及惡劣的服役環境下均易出現微裂紋，當這些微裂紋逐漸發展就會形成有害裂縫，對混凝土結構耐久性造成危害，從而縮短工程主體的使用壽命。

根據裂縫形成的主要起因，混凝土裂縫可以分為溫度裂縫、收縮裂縫及塑性裂縫[1]，裂縫的發展是由表及里的過程，細小的裂紋通過荷載或者環境劣化不斷擴展，進而成為有害裂縫。本文對混凝土裂縫的主要成因進行分析，對混凝土裂縫提出預防和修復的舉措，希望為混凝土開裂防治提供有效參考。

1 混凝土裂縫的主要分類

1.1 溫度裂縫

溫度對水泥水化速率產生影響，能夠調控水泥水化進程，當周圍養護溫度升高或者使用熱水泥時，水泥水化放熱加快[2]，出現溫度峰值的時間縮短，使得混凝土出現內部缺陷增多，從而引起體積穩定性不良。混凝土內外溫差過大是引起混凝土開裂的主要原因，當混凝土澆筑內部溫度和混凝土表面溫差超過 25℃，或者混凝土表面溫度與環境溫差大于 20℃ 時，溫度拉應力超過混凝土內部的約束力，就會產生混凝土初期微裂紋，隨著裂紋的擴展極易形成貫穿性的裂縫。溫度裂縫一般無固定走向，根據不同部位而異。梁板類一般與其短邊平行，大面積的構件一般裂縫相互交錯，對混凝土結構危害較大[3]。

1.2 塑性裂縫

塑性裂縫多發生在混凝土澆筑初期，發生在硬化前，此時混凝土尚處于塑性階段，混凝土表面失水速率較快，形成較強的拉應力，而混凝土尚未硬化形成強度，混凝土無法有效抵抗變形而出現塑性裂縫。引起塑性裂縫的因素較多，水泥和礦物摻合料細度和品類、水膠比以及外加劑帶來的超緩凝問題都可能成為混凝土塑性開裂的誘因。曾國東等[4]人發現礦物摻合料加入后能夠降低混凝土早期塑性開裂風險，其中加入 15%～20% 左右的粉煤灰可以使開裂面積大幅下降，適宜摻量的花崗巖石粉可以有效降低混凝土早期開裂風險。水泥用量越高，出現塑性開裂的概率越大，因此高強度等級混凝土相比低強度等級混凝土更容易出現塑性開裂。同時，水膠比過大、外加劑中緩凝劑用量過多也會導致混凝土塑性收縮加大。此外由于骨料和砂漿質量不均，出現骨料下沉或者受到鋼筋擾動出現塑性沉降，也會造成混凝土塑性開裂。

1.3 收縮裂縫

混凝土受到自身水泥水化及周圍環境的影響，可能出現塑性收縮、干燥收縮、化學收縮和碳化收縮。其中干燥收縮是引起混凝土收縮開裂的主要原因[5]，當混凝土表面和大氣中存在濕度差或者溫度差就容易出現拉應力，從而使得混凝土內部失水加快，當混凝土養護不良或者未及時抹面時就會出現混凝土表面微裂紋，繼續發展會形成混凝土有害裂縫。水膠比過大、水泥過細以及砂石含泥量過高等都會加劇混凝土養護不良條件下的開裂。雷萬康[6]研究了熱水泥對混凝土性能的影響，研究發現水泥溫度提高增加了水泥早期水化熱，混凝土早期強度提高，但也增加了混凝土早期開裂風險。袁杰 等[7]研究了砂含泥和骨料含粉對混凝土收縮的影響，砂中含泥和骨料含粉均對混凝土收縮帶來不利影響，這使得混凝土體積穩定性減弱，混凝土開裂風險增加。當前優質砂石資源短缺，機制砂和劣質骨料的應用加大了工程開裂風險[8]，其中骨料含泥量超標會引起混凝土失水過快，混凝土受到干燥收縮和碳化收縮開裂的概率增加。

2 混凝土裂縫的防治

2.1 嚴格控制原材料質量

混凝土作為多組分材料，膠凝材料、砂石骨料、拌合水質量好壞都會對混凝土裂縫控制帶來一定影響。水泥作為主要的膠凝材料，主要起到膠結砂石的作用。影響水泥質量的因素有礦物組成、粉磨細度以及水泥堿含量等，其中 C3A 含量高的水泥早期水化較快，需要較多的石膏調節凝結時間，在使用過程中會造成混凝土坍落度損失過快，與外加劑適應性減弱，在澆筑后混凝土開裂的風險增加。粉煤灰、礦粉等傳統礦物摻合料的使用降低了水泥用量，同時改善混凝土和易性，降低水泥早期水化熱，并保證混凝土長期強度和耐久性，但礦物摻合料的使用也會使混凝土早期強度下降，混凝土結構過早拆模后就會出現荷載裂縫。近年來，隨著資源短缺及國家節能減排政策的實施，天然砂資源逐漸退出日常商品混凝土生產，取而代之的是機制砂的大范圍應用，甚至全機砂也已經在高強高性能混凝土生產中得以應用，機制砂中含泥量、含粉量、細度模數等都會對混凝土性能產生影響，進而增加了混凝土質量波動風險。

2.2 做好結構防裂

混凝土裂縫的控制需要貫徹全過程控制，即從基礎地質勘察、結構設計、施工及混凝土選用及后期養護等各個環節進行規范管理。合理的結構設計是降低混凝土裂縫的重要環節，主要從伸縮縫的設置、混凝土強度等級選用以及合理的鋼筋布置等開展，混凝土結構在溫度變化或者收縮時，由于體積變形過大從而會導致開裂，而收縮縫的設置恰好可以減少混凝土收縮對結構實體的傷害。設計人員要根據工程實際，參考結構跨度及不同部位，設置適當寬度和長度的伸縮縫，在部分薄弱區域，可以通過加入纖維、加厚板面、增加配筋等方式進行增強抗裂設計[9]，此外人們往往將設置后澆帶、加強帶等方法配合使用，綜合抗裂。

高等級混凝土的使用為設計人員降低墻體厚度、增加建筑物的有效利用空間提供了可能，因此設計人員往往選擇提高混凝土強度等級來確保結構的強度和承載能力。但高強度等級混凝土意味著較高的膠材用量、較低的水膠比，這使得混凝土早期集中放熱量大、水化溫升快，易造成混凝土出現溫度應力而出現開裂。因此，設計人員本著適用、經濟、安全的角度合理選用混凝土等級，減少材料浪費，降低混凝土水化開裂風險。

合理選用鋼筋配制有利于防止混凝土開裂。在梁、柱等的鋼筋配制中，應適當增加縱向受力鋼筋條數，以分散集中應力；在鋼筋代換時，要考慮所替換的鋼筋類型及面積是否有利于結構抗裂。

2.3 做好施工現場養護

混凝土良好的工作性能可以保證施工的順利進行，后續良好的養護有利于混凝土強度發展和耐久性，也有利于混凝土裂縫的防控。養護的目的就是保證混凝土內部水分供應，確保水泥持續水化和周圍環境溫度和濕度差值不至于產生應力破壞。在夏季時澆水養護可以保持混凝土表面濕潤，降低混凝土表面溫度，減低混凝土內部應力集中；冬季通過覆蓋棉氈等保溫措施可以降低內外溫差，避免混凝土遭受凍害，減少混凝土由于溫度應力而引起的內部裂縫。由于混凝土裂縫是由表及里的破壞過程，降低混凝土表面微裂紋數量，通過良好的養護可以達到微細裂紋自愈合的目的。夏露等[10]通過試驗研究了減縮劑養護、養護劑養護和土工布養護 3 種養護方式對綜合管廊混凝土抗裂性能的影響，結果發現減縮劑可以推遲混凝土初始開裂時間，裂縫寬度可以降低 70%，同時開裂面積相比土工布養護減少 46%，這說明適當的養護可以提高混凝土的抗裂效果。蔣睿[11]研究表明，隨著混凝土強度等級提高，整個體系對養護條件的要求越苛刻，尤其是大流動性和高性能混凝土的發展，使得現場養護愈發重要。

2.4 混凝土裂縫防治新技術

隨著科技的蓬勃發展，人們也在不斷探索混凝土開裂防治技術，比如施工工法創新、新修復材料等，為混凝土裂縫防治提供了有益探索。

首先，混凝土配合比設計有了新理念，注重前期開裂設計，在保證混凝土工作性能和強度的情況下，盡量降低水泥用量，提高礦物摻合料的用量，從而降低混凝土溫升，減少溫度裂縫的發生概率。對于大體積混凝土，尤其是水利水電、核電等重大工程，冰水攪拌、骨料風冷技術以及低熱水泥混凝土配制技術等的應用降低了水泥水化放熱速率，混凝土內部溫升峰值削弱。中國長江三峽集團烏東德水電站就在世界上創新使用低熱水泥鑄就無裂大壩。

近年來關于自修復材料的研究如火如荼，其原理在于通過加入自修復膠囊或者微型顆粒的材料，通過自身反應或者與水泥基材反應，修復混凝土細小裂縫。Dry Carolyn 教授[12]以空心玻璃纖維代替微膠囊，并以縮醛高分子材料作為修復材料，注入空心玻璃纖維中，當混凝土出現裂縫時可以使得玻璃纖維破壞，流出的修復材料通過沉淀填補縫隙，達到修復的效果。國內的江沈陽等人[13]采用環氧樹脂包裹硅酸鈉并覆蓋細沙制作成功硅酸鈉修復劑，通過試驗制備了自愈合混凝土。此外新型灌漿材料的發展也為混凝土的后續修補提供了可能。

3 結語

混凝土裂縫的產生往往是多方面的，混凝土原材料、施工質量、現場養護以及設計因素等都可能引起混凝土裂縫。混凝土裂縫的發展是由表及里、由小到大的發展過程，因此控制混凝土早期微裂縫的發展顯得尤為必要，防止無害裂縫擴展為有害裂縫，有害裂縫繼續擴展。防治混凝土裂縫，依靠各環節控制也要注重新技術研究，盡最大努力降低有害裂縫的產生，維護混凝土結構安全。