混凝土結構裂縫成因與防控及工程實踐應用

孫 健

(上海見智規(guī)劃建筑設計院有限公司，上海 200433)

0 引言

裂縫問題是混凝土工程中帶有一定普遍性的問題，混凝土結構從澆筑后開始，時刻存在著開裂的傾向。這是由于混凝土自身的特性(如勻質性較差、抗拉強度較低)及一些人為因素(如設計不周、施工粗糙)造成的。裂縫的出現(xiàn)，不僅影響美觀，還將對結構防水性、抗凍性、抗鋼筋銹蝕性及抗化學侵蝕性等耐久性能產生嚴重危害，影響建筑物的正常使用，有些裂縫則危及結構的安全，甚至造成建筑物的嚴重破壞和倒塌［1-3］。因此，如何正確“診斷”混凝土裂縫形成的原因并提出切實有效的“防治”方法，防止和減輕混凝土裂縫對建筑物的損害，是混凝土工程中需要解決的問題。

鑒于以上原因，本文從設計及施工等角度，對混凝土結構裂縫(本文主要探討“宏觀裂縫”，即寬度不小于0.05 mm的裂縫)成因進行了分析，重點討論了溫度裂縫、收縮裂縫和應力集中裂縫產生的機理和控制措施，并通過分析工程實例總結了施工經驗，為實際工程中混凝土結構裂縫的診斷及控制提供了參考。

1 混凝土裂縫成因與防控

混凝土結構產生裂縫的原因很多，主要有以下四類［4］:

1)荷載作用引起的裂縫，是指由恒載、活載、風載、雪載、吊車荷載等一種或幾種荷載作用引起的裂縫，包括由彎矩、軸心拉力、偏心拉(壓)力引起的正截面裂縫和由剪力、扭矩引起的斜裂縫;

2)約束變形引起的裂縫，包括溫度變化，混凝土收縮，基礎不均勻沉降，混凝土塑性塌落，鋼筋銹蝕，冰凍以及堿骨料化學反應引起的裂縫;

3)設計因素引起的裂縫，主要是指在設計過程中，由工程師對結構變形裂縫考慮不周，變形縫設置不當，忽略構造鋼筋的重要性和結構的約束性質等原因引起的裂縫;

4)施工因素引起的裂縫，主要是指在施工過程中，由施工材料不合格、施工方法不恰當、技術措施不到位等原因引起的結構裂縫。

從實際工程的情況來看，混凝土結構的裂縫主要由前兩種原因引起。據(jù)統(tǒng)計，約束變形引起的裂縫約占混凝土裂縫的80%，荷載作用引起的裂縫約占20%。本文著重對溫度裂縫、收縮裂縫(又分為塑性收縮裂縫和干縮裂縫)和應力集中裂縫的產生機理及控制措施進行探討［5，6］。

1.1 溫度裂縫

混凝土結構構件隨著溫度的變化會產生變形，即熱脹冷縮。當這種變形受到外界約束條件的限制不能自由發(fā)生時，就可能產生裂縫?；炷猎谟不^程中，產生大量的水化熱，內部溫度上升高散熱慢，外部散熱快，這種溫差將導致混凝土外部受拉，內部受壓，有可能引發(fā)從混凝土表面向內擴展的裂縫。這種裂縫一般為非貫通性裂縫，危害不大。后期降溫冷卻時，如果外部約束或內外降溫不均勻，內部就會出現(xiàn)拉應力，當應力超過混凝土抗拉強度時，便會產生裂縫。此種裂縫可發(fā)展成為貫通性裂縫，危害很大。此外，構件在使用中如果內外溫差較大，構件內的溫度梯度就較大，也可能引起裂縫。

因此可采取構造措施降低約束，如設置各種連接縫(伸縮縫，控制縫，后澆帶，施工縫)以及在約束界面上設置滑動層、緩沖層等。同時，還須進行合理的溫度控制，使因溫差而產生的拉應力小于同期混凝土抗拉強度標準值。

1.2 塑性收縮裂縫

混凝土塑性收縮裂縫指混凝土在澆筑后呈塑性狀態(tài)時因收縮所引發(fā)的裂縫。塑性收縮裂縫多發(fā)生于地板、樓板、橋板等的裸露面上。當氣溫較高、相對濕度較低或有強風吹時其固體質點間的毛細水蒸發(fā)減少很快，就會形成彎壓面產生較大的拉力，使處于可塑狀態(tài)的混凝土收縮。實測結果表明，通常當混凝土拌合物表面水分蒸發(fā)率超過0.5 kg/(m2·h)時，混凝土將產生急劇收縮，特別是大流動性混凝土，其塑性收縮應變值為200×10－4;中等流動性混凝土，其塑性收縮應變值為(60～100)×10－4。此外對于結構表面系數(shù)大且水灰比也比較大的薄壁構件，施工時未及時覆蓋導致混凝土表層失水過快、混凝土初凝前又未做收水及二次拉毛壓平措施時，也易產生塑性收縮裂縫。塑性收縮裂縫寬度一般在0.5 mm ～2.0 mm。

1.3 干縮裂縫

混凝土的干縮是由混凝土中水分的散失或濕度降低所引起的?；炷林忻毠芸紫?，在混凝土干燥過程中逐漸失水，毛細管也逐漸變形產生毛細壓力，導致混凝土產生體積收縮。當混凝土四周有約束存在時，混凝土內部將產生拉應力和拉應變，當其拉應力超過混凝土抗拉強度極限值或拉應變超過混凝土極限變形值時，混凝土就會產生干縮裂縫。

混凝土干縮裂縫，一般有兩種形狀:一種為不規(guī)則龜紋狀或放射狀裂縫;另一種為每隔一段距離出現(xiàn)一條裂縫。有時兩種裂縫同時在混凝土構件上出現(xiàn)。裂縫形狀主要與約束條件、配筋形式有關。對于表面積較大的板類鋼筋混凝土構件，多為上口大、下口小的楔形裂縫，其中對于厚度較薄的板(如厚度120 mm以下的板)，特別是采用泵送混凝土的，裂縫可能貫穿板厚。對于鋼筋混凝土梁式構件，多為兩頭小中間大的棗核形裂縫，其中在梁兩側面裂縫較重，梁底面和頂面裂縫較輕;裂縫高度多在梁高2/3以上，但裂縫深度較淺，輕者深度為混凝土保護層厚度，重者深度達30mm～100mm;裂縫寬度一般在0.1mm～0.5mm之間，嚴重者可達0.5 mm ～1.5 mm。

1.4 應力集中裂縫

混凝土結構應力集中裂縫多在主體結構建成后出現(xiàn)，主要分布在門窗洞口、平面或立面突出凹進以及結構洞口和結構剛度突變及集中荷載處。對于預應力混凝土結構，一般在張拉鋼筋錨固端產生局部壓應力集中處產生裂縫。因此，在這些位置應設置附加筋，以利于分散應力集中。

在門窗洞口的角部和平立面突出凹進的轉角處，斜向楔形狀裂縫居多。在結構洞口和結構剛度突變及集中荷載較大部位，易產生劈裂狀的裂縫。在預應力結構錨固端的局部承壓處，有時出現(xiàn)一條或數(shù)條裂縫，并呈放射狀。對于暴露在大氣中的混凝土結構，應力集中裂縫出現(xiàn)后，有時還會隨著大氣溫度的變化而變化。

2 工程實例分析

在三線鋼芯鍍鎳廠房工程，三層樓板的做法為:12 cm厚鋼筋混凝土承重樓板上貼一層TBL——無胎基自粘性橡膠瀝青防水卷材，再做一層4 cm～6 cm厚C20細石混凝土面層內配φ6@200雙向鋼筋，為了防腐、防滲漏，面層上再做一層7.5 mm厚自流平環(huán)氧工業(yè)地坪涂料。但是在做自流平工業(yè)地坪涂料前，4 cm～6 cm厚細石混凝土面層出現(xiàn)了裂縫，裂縫寬度為 0.5 mm ～1.0 mm，詳見圖1?？梢?，這些裂縫是每隔一段距離就出現(xiàn)一條，無規(guī)律性，在設置伸縮縫的位置未出現(xiàn)裂縫。

圖1 三線鋼芯鍍鎳廠房三層樓板裂縫圖

經過分析認為，4 cm～6 cm厚的鋼筋細石混凝土面層出現(xiàn)裂縫的原因有兩個:

1)從商品混凝土運到現(xiàn)場至澆搗細石混凝土面層完成，時間較長(約2 h)，天氣炎熱，水分蒸發(fā)量大，混凝土面層容易產生塑性收縮裂縫;

2)鋼筋細石混凝土面層澆搗完成后，保濕保養(yǎng)沒有做到位，細石混凝土面層因失水干燥，在硬化過程中引起體積收縮變形，這種體積變形受到約束時，又沒有及時做伸縮縫，細石混凝土內的應力得不到釋放，就容易產生干縮裂縫。

由于這些細石混凝土面層上的裂縫很不美觀，又有滲漏的可能，對它們進行了修補，方法如下:用切割機沿縫開鑿成“倒八形”，深1 cm;在開鑿的交叉縫內，刷滲透型水性環(huán)氧封閉底涂，以封閉混凝土毛細孔及細小裂縫;待12 h固化后，在交叉縫內填環(huán)氧彈性粒子，起到良好的修補粘連作用;待12 h固化后，用環(huán)氧稀膠泥整體批刮一道，以起到良好的封閉和固化作用，保證防滲效果。采取修補措施后，使用至今修補的裂縫處完好無損，說明修補是成功的。

對這種裂縫可采取以下防控措施:

1)較薄的鋼筋混凝土面層應分段施工，要控制每段的工作量，確保商品混凝土到現(xiàn)場至混凝土面層完成時間，特別是高溫季節(jié)，最好控制在1 h左右，防止混凝土塑性收縮裂縫產生;

2)混凝土面層完成后，保濕養(yǎng)護措施要到位、在混凝土終凝后用蓄水養(yǎng)護是一種經濟、可靠的保濕保溫養(yǎng)護方法，并及時做好伸縮縫，防止混凝土干縮裂縫產生。

3 結語

本文對混凝土結構裂縫的成因進行了分析，重點討論了溫度裂縫、收縮裂縫和應力集中裂縫產生的機理及防控，并根據(jù)工程實例對防控及治理措施進行了總結。希望此文能為實際工程中混凝土結構裂縫的診斷及控制提供參考。

［1］ 王鐵夢.建筑物的裂縫控制［M］.上海:上海科學技術出版社，1987.

［2］ 何星華，高小望.建筑工程裂縫防治指南［M］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2005.

［3］ 徐榮年，徐欣磊.工程結構裂縫控制——“王鐵夢法”用實例集［M］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2005.

［4］ 王鐵夢.工程結構裂縫［M］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2003.

［5］ 富文權，韓素芳.混凝土工程裂縫分析與控制［M］.北京:中國鐵道出版社，2002.

［6］ 趙國藩.鋼筋混凝土裂縫控制［M］.北京:海洋出版社，1994.