混凝土常見裂縫的成因及裂縫控制措施

宋海濤

摘要：我國建筑業(yè)發(fā)展十分迅速，目前建筑業(yè)進(jìn)入了空前繁榮時(shí)期?；炷帘粡V泛的使用，而混凝土構(gòu)件出現(xiàn)裂縫影響建筑物的裝飾效果和使用壽命，所以我們應(yīng)該合理地控制建筑物的裂縫?；炷亮芽p的合理控制對(duì)保證建筑工程質(zhì)量、提高結(jié)構(gòu)物的耐久性能具有特別重要的意義。

關(guān)鍵詞：混凝土 裂縫 控制

一混凝土常見裂縫的成因

1收縮裂縫

收縮裂縫是由濕度變化引起的,它占混凝土非結(jié)構(gòu)性裂縫中的主要部分。我們知道,混凝土是以水泥為主要膠結(jié)材料,以天然砂、石為骨料加水?dāng)嚢?經(jīng)過澆筑成型、凝結(jié)硬化形成的人工石材。在施工中,為保證其和易性,往往加入比水泥水化作用所需的水分多 4～5 倍的水。多出的這些水分以游離態(tài)形式存在,并在硬化過程中逐步蒸發(fā),從而在混凝土內(nèi)部形成大量毛細(xì)孔、空隙甚至孔洞,造成混凝土體積收縮。此外,混凝土硬化過程中水化作用和碳化作用也會(huì)引起混凝土體積收縮。根據(jù)相關(guān)試驗(yàn)測(cè)定,混凝土最終收縮量約為0.04%～0.06%?？梢?收縮是混凝土固有的物理特性,一般來說,水灰比越大、水泥強(qiáng)度越高、骨料越少、環(huán)境溫度越高、表面失水越大 ,則其收縮值越大 ,也越易產(chǎn)生收縮裂縫。根據(jù)收縮裂縫的形成機(jī)理與形成時(shí)間,工程中常見的收縮裂縫主要有塑性收縮裂縫、沉降收縮裂縫和干燥收縮裂縫三類，此外，還有自身收縮(化學(xué)減縮)裂縫和碳化收縮裂縫。

1.1塑性收縮裂縫：塑性收縮裂縫發(fā)生在混凝土塑性階段,終凝之前。其形成主要原因是混凝土漿體中水份流向表面并迅速蒸發(fā),隨著失水的增加,毛細(xì)負(fù)壓產(chǎn)生的收縮力使混凝土表面產(chǎn)生急劇的體積收縮。而此時(shí)混凝土強(qiáng)度尚未形成,從而致使混凝土構(gòu)件表面開裂 。這種裂縫多出現(xiàn)在干熱與刮風(fēng)天氣中,裂縫較淺,中間寬、兩端細(xì),長(zhǎng)短不一,且互不連貫。

1.2沉降收縮裂縫：沉降收縮裂縫約在混凝土澆筑后半小時(shí)發(fā)生,一直延續(xù)并在硬化時(shí)停止。其形成主要原因是漿體在澆搗后發(fā)生不均勻沉落,粗骨料下沉,水泥凈漿上浮,當(dāng)沉降受抑制(如鋼筋或預(yù)埋件的阻擋)時(shí)使混凝土因剪切而開裂。此外在表面形成的浮漿層也會(huì)因泌水而開裂。這種裂縫多出現(xiàn)在混凝土構(gòu)件表面,且沿主筋或箍筋通長(zhǎng)方向分布,中間寬兩端窄,是一種常見的早期裂縫,尤其在泵送施工中更常見。

1.3干燥收縮裂縫：干燥收縮裂縫在混凝土養(yǎng)護(hù)完以后才出現(xiàn)。其形成原因主要是由于混凝土硬化后,水分蒸發(fā)引起混凝土表面干縮,當(dāng)干縮變形受到混凝土內(nèi)部約束時(shí),產(chǎn)生較大的拉應(yīng)力使混凝土表面被拉裂。干縮裂縫一般產(chǎn)生在表面很淺的位置,多沿構(gòu)件短方向分布,呈平行線狀或網(wǎng)狀,嚴(yán)重時(shí)可貫穿整個(gè)構(gòu)件截面。

1.4自身收縮裂縫：自身收縮裂縫與外界濕度變化無關(guān),而是由于水泥熟料在水化反應(yīng)的過程中,反應(yīng)后生成物的平均密度變小而引起體系的體積收縮(稱為化學(xué)減縮)所致。主要是由于自由水轉(zhuǎn)化為水化產(chǎn)物的一部分,使它的比容降低1/4 (即0.25cm3/g)。因此,化學(xué)減縮量的大小取決于水泥水化產(chǎn)物中化學(xué)結(jié)合水量的多少。

1.5碳化收縮裂縫：碳化收縮裂縫是碳化作用所產(chǎn)生的游離態(tài)水蒸發(fā),引起水泥漿體的收縮所致。碳化作用是指大氣中的CO2在有水的條件下與水化產(chǎn)物作用生成CaCO3、鋁膠、硅膠以及游離態(tài)水,這部分水蒸發(fā)引起混凝土體積收縮 (稱為碳化收縮),其實(shí)質(zhì)是碳酸對(duì)水泥石的腐蝕作用。一般水泥水化產(chǎn)物的堿度與空氣中CO2濃度越高且濕度適中(50%左右)時(shí),越容易發(fā)生碳化作用。因此,這種裂縫容易出現(xiàn)在干濕交替的環(huán)境下,而干燥或水飽和環(huán)境下不易出現(xiàn)；而且由于裂縫處析出的碳化產(chǎn)物將形成凝膠,阻止CO2進(jìn)入,故一般僅發(fā)生在構(gòu)件表面。

2溫度裂縫

溫度裂縫是由于混凝土內(nèi)外溫度差或季節(jié)溫度變化過大而形成的。在混凝土澆筑過程中,水泥的水化反應(yīng)將放出大量的熱(一般每克水泥可放出 502J熱量),使混凝土內(nèi)部溫度升高并在一定齡期出現(xiàn)溫峰,之后溫度下降。由于混凝土內(nèi)部散熱慢，而表面散熱較快,必將在其內(nèi)外形成一定的溫差,為協(xié)調(diào)溫度變形,混凝土表面將產(chǎn)生拉應(yīng)力(即溫度應(yīng)力),當(dāng)超過混凝土抗拉強(qiáng)度后將使其開裂。這種裂縫多為貫穿性的,而且比較深,嚴(yán)重降低結(jié)構(gòu)的整體剛度；一般在工程施工結(jié)束幾個(gè)月后出現(xiàn)。此外,在混凝土養(yǎng)護(hù)期間,若受到寒流的侵襲,也會(huì)在混凝土表面引起裂縫,但相對(duì)比較淺,危害性也較小。

3.沉陷裂縫

沉陷裂縫是建筑物建成后各部分發(fā)生不均勻沉降而引起的,多為貫穿性的，其位置與沉陷方向一致。建筑物墻體的八字形或倒八字形的裂縫便是一種典型的沉陷裂縫。回填土未經(jīng)夯實(shí)處理,地層中含有軟弱下臥層,建筑物在使用過程中地基被水(雨水、生活用水等)長(zhǎng)期浸泡等原因，都將引起建筑物的不均勻沉降,從而開裂。另外在新建工程的地基施工中,若不做好必要的措施(如設(shè)擋土墻、地下連續(xù)墻)，防止土坡失穩(wěn)或地下水倒灌,會(huì)削弱相鄰老建筑物的地基承載力,從而導(dǎo)致建筑物沉陷開裂。在混凝土施工中,因模板剛度不足、支撐間距過大、過早拆模等因素,也會(huì)出現(xiàn)沉陷裂縫。沉陷裂縫往往嚴(yán)重影響建筑物的外觀,并危及結(jié)構(gòu)的耐久性。

二.混凝土常見裂縫控制措施

.1對(duì)收縮裂縫的防治可采取以下措施:

1.1 摻加高效減水劑、泵送劑以盡量降低用水量; 施工時(shí),下料不宜過快,并振搗密實(shí)。

1.2 對(duì)于早期收縮裂縫的防治,除加強(qiáng)早期養(yǎng)護(hù)外,宜在混凝土終凝前進(jìn)行二次抹壓,在材料上可摻加促凝劑,且宜采用早期強(qiáng)度高、保水性好的普通硅酸鹽水泥;對(duì)于干縮裂縫的防治,可以適當(dāng)延長(zhǎng)養(yǎng)護(hù)時(shí)間,材料上宜選用粉煤灰水泥或中低熱水泥等干縮率小的品種。

1.3 盡可能降低水泥用量,增大粗骨料的含量,且宜選用石灰?guī)r作為粗骨料,因?yàn)樗鼘?duì)收縮的抗裂性優(yōu)于安山巖和砂巖;應(yīng)嚴(yán)格控制骨料的含泥量,砂率不宜過大,骨料應(yīng)具有良好的級(jí)配。

1.4降低自身收縮裂縫的有效方法是盡量使用 C3A含量低的水泥,因?yàn)楣杷猁}水泥熟料中C3 A的化學(xué)減縮量最大,是 C2 S的 3倍,C4 AF的5倍。

1.5 防止碳化收縮裂縫關(guān)鍵是降低生成物的堿度,對(duì)新澆混凝土做好濕水養(yǎng)護(hù),而對(duì)使用當(dāng)中的混凝土結(jié)構(gòu)要盡量保持干燥,在 CO2等腐蝕性氣體含量高的環(huán)境下要做好防腐措施 。

1.6 混凝土澆筑抹光后要及時(shí)用潮濕的草墊或塑料薄膜覆蓋,風(fēng)季施工時(shí)應(yīng)設(shè)擋風(fēng)設(shè)施。

2對(duì)溫度裂縫的防治可采取以下措施:

2.1在材料方面：宜采用粉煤灰水泥或 C3 A 和 C3 S 含量低的低熱水泥, 盡量減少水泥用量, 可摻加緩凝高效減水劑;對(duì)大體積混凝土,可適當(dāng)摻入塊石; 在拌和水中摻冰屑并對(duì)骨料進(jìn)行噴水冷卻。

2.2 在施工方面：應(yīng)合理安排施工工序,改進(jìn)施工工藝,如澆筑大體積混凝土?xí)r,在混凝土中布設(shè)水管循環(huán)導(dǎo)熱或分塊分層澆筑;改善結(jié)構(gòu)約束條件,如較長(zhǎng)結(jié)構(gòu)要設(shè)溫度縫或后澆帶,在基巖上澆筑時(shí),要鋪50～100mm砂層以消除其嵌固作用。

2.3 在設(shè)計(jì)方面：主要是做好溫度應(yīng)力計(jì)算,根據(jù)可能產(chǎn)生的溫度應(yīng)力采取相應(yīng)的構(gòu)造措施,如適當(dāng)?shù)嘏渲脺囟蠕摻?分擔(dān)混凝土溫度應(yīng)力。

2.4 此外,尚需加強(qiáng)混凝土養(yǎng)護(hù),做好表面保溫措施 (如蓄水養(yǎng)護(hù)或覆蓋潮濕的草墊等),適當(dāng)延長(zhǎng)拆模時(shí)間,以使混凝土表面緩慢散熱;對(duì)于大體積混凝土,控制入模溫度,并進(jìn)行測(cè)溫跟蹤,控制混凝土內(nèi)外溫度差在25℃以內(nèi) 。

3對(duì)沉陷裂縫的防治可采取以下措施:

3.1 在基礎(chǔ)設(shè)計(jì)時(shí)確保持力層的承載力與地基的均勻受力,在層高不同的部位以及新老建筑物連接處設(shè)置沉降縫。

3.2 在施工中,模板要有足夠的強(qiáng)度和剛度,并支撐可靠;另外,注意施工順序,如先高層后低層,先主體后裙房。

3.3 施工前要做好地質(zhì)勘測(cè)工作,盡量選擇好的持力層,竣工后要避兔地基受到雨水等浸泡 。

4其他裂縫

除上述裂縫外,在結(jié)構(gòu)的施工過程還會(huì)出現(xiàn)各種形式的施工裂縫;在結(jié)構(gòu)使用過程中也會(huì)出現(xiàn)不同類型的腐蝕裂縫。

4.1施工裂縫：施工裂縫是由于施工中操作不當(dāng)或構(gòu)件本身的剛度不夠等因素引起的。如預(yù)應(yīng)力工程中,張拉不當(dāng)會(huì)使構(gòu)件因尚末形成強(qiáng)度或強(qiáng)度不足而開裂;模板工程中,若混凝土與模板粘結(jié)則拆?；蛱嵘０鍟r(shí)易將混凝土拉裂;吊裝工程中,會(huì)因構(gòu)件側(cè)向配筋少、剛度差或吊點(diǎn)不正確等因素而出現(xiàn)裂縫。防止這類裂縫的關(guān)鍵是嚴(yán)格按 照施工規(guī)范進(jìn)行 ,如預(yù)應(yīng)力張拉須在構(gòu)件強(qiáng)度達(dá)到75%以上時(shí)進(jìn)行,模板與混凝土間涂刷隔離劑,拆?；蚧龝r(shí),先均勻松動(dòng),再緩慢拆離或提升。

4.2 腐蝕裂縫：腐蝕裂縫是由于結(jié)構(gòu)長(zhǎng)期處于腐蝕性氣液的環(huán)境下引起的 ,它包括混凝土自身的腐蝕以及鋼筋的銹蝕。這類裂縫往往是由于混凝土不密實(shí)所導(dǎo)致的,它們通常與干縮裂縫、溫度裂縫等共同作用,導(dǎo)致裂縫不斷擴(kuò)展,最終削弱結(jié)構(gòu)的耐久性?？刂频拇胧┲饕亲龊没炷帘砻婕颁摻畹姆栏幚?出現(xiàn)裂縫,應(yīng)及時(shí)修補(bǔ)。此外,若混凝土骨料中存在堿活性成分、水泥中MgO含量過高(> 5 %)或UEA等膨脹劑摻量過多,則會(huì)因發(fā)生堿骨料反應(yīng)或MgO的水化反應(yīng),生成膨脹性的凝膠,造成混凝土膨脹開裂,形成的多為網(wǎng)狀或不規(guī)則裂縫。此類裂縫往往在結(jié)構(gòu)竣工幾年后才出現(xiàn),因?yàn)樯鲜龌瘜W(xué)反應(yīng)極為緩慢。防治的關(guān)鍵是消除或降低混凝土中此類物質(zhì)的存在。

三 裂縫的處理

混凝土結(jié)構(gòu)一旦開裂應(yīng)立即在鑒定的基礎(chǔ)上采取相應(yīng)的措施。目前,常用的修補(bǔ)方法有表面封閉法、壓力灌漿法及填堵法。

1表面封閉法

針對(duì)寬度小于0.2mm的微裂縫,可將聚合物水泥膏、彈性密封膠或滲透性防水劑涂刷于裂縫表面,以恢復(fù)其防水性和耐久性。該法施工簡(jiǎn)單,但僅適用于淺裂縫。

1.1 工藝流程:表面刷毛并沖洗→嵌補(bǔ)表面缺損 (可用環(huán)氧膠泥或乳膠水泥)→選材涂復(fù) 。

1.2施工要點(diǎn):①由于涂層較薄 ,應(yīng)選用粘結(jié)力強(qiáng)且不宜老化的材料;②對(duì)活動(dòng)裂縫,應(yīng)采用延伸率較大的彈性材料;③涂復(fù)均勻,不得有氣泡。

2 壓力灌漿法

針對(duì)寬度大于0.3mm 且深度較大的裂縫,可將化學(xué)灌漿材料 (如聚氨酯、環(huán)氧樹脂或水泥漿液)通過壓力灌漿設(shè)備注入到裂縫深處,以恢復(fù)結(jié)構(gòu)整體性、防水性及耐久性。

2.1 工藝流程:鑿槽→埋設(shè)漿嘴→封縫→密封檢查→配制漿液→灌漿→封孔→灌漿質(zhì)量檢查 。

2.2 施工要點(diǎn):①灌漿材料宜選用粘結(jié)力強(qiáng)、可灌性好的樹脂類材料,通常選用環(huán)氧樹脂; ②對(duì)于寬度大于2mm的特大裂縫可采用水泥類材料,對(duì)于活動(dòng)性裂縫宜采用經(jīng)稀釋的環(huán)氧樹脂或聚氨酯;③化學(xué)灌漿壓力控制在0.2～0.4MPa,水泥漿灌漿壓力控制在 0.4～0.8MPa ,增大壓力并不提高灌漿速度,也不利于灌漿效果;④灌漿后,待漿液初凝而不外滲時(shí),方可拆下灌漿嘴 (盒、管) 。

3填堵法

針對(duì)寬度大于0.5mm 的寬大裂縫或鋼筋銹蝕裂縫,可沿裂縫將混凝土鑿成“U”型或“V”型槽,然后嵌填修補(bǔ)材料,以恢復(fù)防水性、耐久性或部分恢復(fù)結(jié)構(gòu)整體性。

3.1 工藝流程:鑿槽→基層處理(混凝土去污、鋼筋除銹)→涂刷結(jié)合劑(環(huán)氧樹脂漿液)→嵌填修補(bǔ)材料→面層處理 。

3.2 施工要點(diǎn):①嵌填材料可視具體情況選用環(huán)氧樹脂、環(huán)氧砂漿、聚合物水泥砂漿、聚氯乙烯膠泥或?yàn)r青油膏;②對(duì)于銹蝕裂縫,先對(duì)鋼筋徹底除銹,再涂防銹涂料。

混凝土裂縫問題是項(xiàng)技術(shù)難題,長(zhǎng)期困擾工程界。隨著高早強(qiáng)型水泥的大量使用、商品混凝土泵送施工的大力推廣、混凝土強(qiáng)度等級(jí)的提高、大體積混凝土的涌現(xiàn),在取得成效的同時(shí)也使裂縫問題更為突出,甚至成為混 凝土質(zhì)量問題的焦點(diǎn)。而目前混凝土裂縫主要是收縮變形 和溫度變形所致 ,控制這些裂縫除了廣大工程建設(shè)人員在設(shè)計(jì)與施工方面采取相應(yīng)措施外,也需要科研人員盡快地研制出能減少水泥收縮和水化熱的高效材料,從而將裂縫問題降低到最小限度。