混凝土裂縫與預(yù)防研究

劉強

[摘要]混凝土是由砂石骨料、水泥、水及其他外加材料混合而形成的非均質(zhì)脆性材料。由于混凝土施工和本身變形、約束等一系列問題，硬化成型的混凝土中存在許多的微孔隙、氣穴和微裂縫，由于這些初始缺陷的存在使混凝土呈現(xiàn)出一些非均質(zhì)的特性。微裂縫通常是無害的，對混凝土的承重、防滲以及其他使用功能不直接產(chǎn)生危害。但是混凝土受荷載、溫差作用后，微裂縫會不斷地擴展和連通，最終形成肉眼可見的宏觀裂縫，也就是混凝土工程中常說的裂縫。文章主要分析混凝土裂縫與預(yù)防。

[關(guān)鍵詞]混凝土；裂縫；預(yù)防

[DOI]10.13939/j.cnki.zgsc.2016.34.186

1 前 言

由于裂縫的存在會使內(nèi)部的鋼筋等材料產(chǎn)生腐蝕，降低鋼筋混凝土材料承載能力、耐久性及抗?jié)B能力，影響建筑物的外觀、使用壽命和本身強度，嚴(yán)重者將會威脅到人們的生命和財產(chǎn)安全?，F(xiàn)代科學(xué)研究和大量的混凝土工程實踐證明，雖然混凝土工程中無法避免裂縫問題，但控制在一定的范圍內(nèi)是可以接受的。鋼筋混凝土規(guī)范也明確規(guī)定：在所處不同條件下，允許存在一定寬度的裂縫。但在施工過程中應(yīng)努力采取有效措施控制裂縫產(chǎn)生，盡可能不出現(xiàn)裂縫或減少裂縫的數(shù)量和寬度，尤其要盡量避免有害裂縫的出現(xiàn)，從而確保工程質(zhì)量。

混凝土裂縫產(chǎn)生的原因很多，大致可分為三類，一是因變形而引起的裂縫：如溫度變化、收縮、膨脹、不均勻沉陷等原因；二是有外載作用引起的裂縫；三是養(yǎng)護不當(dāng)和化學(xué)作用引起的裂縫等。在實際工程中要根據(jù)實際情況區(qū)別對待，并有針對性地解決裂縫產(chǎn)生問題。

2 混凝土工程中常見裂縫及預(yù)防

2.1 干縮裂縫及預(yù)防

干縮裂縫較廣地出現(xiàn)在養(yǎng)護結(jié)束后的一段時間或是混凝土澆筑完畢后的一周左右。水泥漿中水分的蒸發(fā)產(chǎn)生干縮，這種收縮是不可逆的。干縮裂縫的產(chǎn)生主要是由于混凝土內(nèi)外水分蒸發(fā)程度不同而導(dǎo)致變形不同的結(jié)果：混凝土受外部環(huán)境的影響，表面水分損失較快，變形較大，內(nèi)部濕度變化較小變形較小，較大的表面干縮變形受到混凝土內(nèi)部約束，產(chǎn)生較大拉應(yīng)力而產(chǎn)生裂縫。相對濕度越低，水泥漿體干縮越大，干縮裂縫越易產(chǎn)生。干縮裂縫為表面性平行線狀或網(wǎng)狀淺細(xì)裂縫，寬度多在0.05～0.2mm的較多，大體積混凝土中平面部位多見，較薄的梁板中多沿其短向分布。干縮裂縫會影響混凝土的抗?jié)B性，引起鋼筋的銹蝕影響混凝土的耐久性，在水壓力的作用下產(chǎn)生水力劈裂影響混凝土的承載力等。混凝土干縮主要和混凝土的水灰比、水泥的用量、水泥的成分、集料的性質(zhì)和用量、外加劑的用量等有關(guān)。

主要預(yù)防措施：一是混凝土的干縮受水灰比的影響較大，水灰比大，干縮性同樣也大，因此在混凝土配合比設(shè)計中應(yīng)控制好水灰比的選用，同時摻合適的減水劑；二是首選收縮量較小的水泥，采用中低熱水泥和粉煤灰水泥，降低水泥的用量；三是控制混凝土攪拌和施工中的配合比，混凝土的用水量應(yīng)小于配合比設(shè)計所給定的用水量；四是加強混凝土的早期養(yǎng)護，適當(dāng)延長混凝土的養(yǎng)護時間。冬季施工時適當(dāng)延長混凝土保溫覆蓋時間，并涂刷養(yǎng)護劑養(yǎng)護；五是在混凝土結(jié)構(gòu)中設(shè)置合適的收縮縫。

2.2 塑性收縮裂縫及預(yù)防

塑性收縮是指混凝土在凝結(jié)前，表面因失水較快而產(chǎn)生的收縮。塑性收縮裂縫一般在炎熱或大風(fēng)天氣出現(xiàn)，裂縫多呈兩端細(xì)、中間寬且長短不一，互不連貫狀態(tài)。較短的裂縫一般長20～30cm，較長的裂縫可達2～3m，寬1～5mm。產(chǎn)生的主要原因為：混凝土在終凝前無強度或強度很小，或者混凝土剛剛終凝而強度很小時，受干熱或大風(fēng)天氣的影響，混凝土表層失水過快，導(dǎo)致毛細(xì)管中產(chǎn)生較大的負(fù)壓使混凝土體積急劇收縮，此時混凝土的強度無法抵抗其本身收縮，因此產(chǎn)生龜裂。影響塑性收縮開裂的主要因素有水灰比、環(huán)境溫度、混凝土的凝結(jié)時間、風(fēng)速、相對濕度等。

主要預(yù)防措施：一是選用干縮值小且早期強度較高的硅酸鹽或普通硅酸鹽水泥；二是控制水灰比，摻加高效減水劑增加混凝土的坍落度和和易性，減少水泥和水的用量；三是澆筑混凝土之前，將模板和基層澆水均勻濕透；四是覆蓋塑料薄膜或者潮濕的草墊、麻片等進行保護，保持混凝土終凝前的表面濕潤度，或在混凝土表面噴灑養(yǎng)護劑等進行養(yǎng)護；五是盡量避開高溫和大風(fēng)天氣或要設(shè)置遮陽和擋風(fēng)設(shè)施，及時養(yǎng)護。

2.3 沉陷裂縫及預(yù)防

沉陷裂縫的產(chǎn)生是由結(jié)構(gòu)地基土質(zhì)不勻、松軟，或回填土不實或浸水而造成不均勻沉降所致；或因為模板剛度不足，模板支撐間距過大或支撐底部松動等導(dǎo)致，尤其是在冬季，模板支撐在凍土上，凍土化凍后產(chǎn)生不均勻沉降，導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)產(chǎn)生裂縫。沉陷裂縫多為深進或貫穿性裂縫，走向與沉陷情況有密切關(guān)系，一般沿與地面垂直或呈30°～45°角方向發(fā)展，較大的沉陷裂縫，往往有一定的錯位，且裂縫寬度與沉降量成正比關(guān)系。裂縫寬度受溫度變化影響較小。地基變形穩(wěn)定之后，沉陷裂縫也基本趨于穩(wěn)定。

主要預(yù)防措施：一是施工前應(yīng)該對松軟土、填土地基上部結(jié)構(gòu)進行必要的夯實和加固；二是確保模板有足夠的剛度和強度，且支撐牢固，使地基受力均勻；三是嚴(yán)防混凝土澆灌過程中地基被水浸泡；四是模板拆除時間不宜太早，注意拆模的先后次序；五是在凍土上搭設(shè)模板時需采取一定的預(yù)防措施。

2.4 溫度裂縫及預(yù)防

溫度裂縫較多發(fā)生在大體積混凝土表面或溫差變化較大地區(qū)的混凝土結(jié)構(gòu)中?；炷翝仓?，硬化過程中水泥水化產(chǎn)生大量的水化熱（當(dāng)水泥用量在350～550kg/m3，每立方米混凝土將釋放出17500～27500kJ的熱量，使混凝土內(nèi)部溫度升達70℃左右甚至更高）。由于混凝土的體積較大，大量的水化熱聚積在混凝土內(nèi)部而不易散發(fā)，內(nèi)部溫度急劇上升，而混凝土表面散熱較快，這樣就形成內(nèi)外較大溫差，較大的溫差導(dǎo)致內(nèi)外部熱脹冷縮的程度不同，使混凝土表面產(chǎn)生一定的拉應(yīng)力（實踐證明當(dāng)混凝土本身溫差達到25℃～26℃時，混凝土內(nèi)會產(chǎn)生大致在10MPa左右的拉應(yīng)力）。當(dāng)拉應(yīng)力超過混凝土的抗拉強度極限時，混凝土表面就會產(chǎn)生裂縫，較多發(fā)生在混凝土施工中后期。

溫度裂縫走向通常無規(guī)律，大面積結(jié)構(gòu)裂縫?？v橫交錯；梁板類長度尺寸較大的結(jié)構(gòu)，裂縫多平行于短邊；深入和貫穿性的溫度裂縫一般與短邊方向平行或接近平行，裂縫沿著長邊分段出現(xiàn)，中間較密。裂縫寬度大小不一，受溫度變化影響較為明顯，冬季寬，夏季窄。

主要預(yù)防措施：一是盡量選用低熱或中熱水泥，如礦渣水泥、粉煤灰水泥等；二是減少水泥用量，將水泥用量盡量控制在450kg/m3以下；三是降低水灰比，一般水灰比控制在0.6以下；四是改善骨料級配，摻加粉煤灰或高效減水劑來減少水泥用量，降低水化熱；五是改善混凝土的攪拌工藝，在“三冷技術(shù)”的基礎(chǔ)上采用“二次風(fēng)冷”新工藝，降低混凝土的澆筑溫度；六是在混凝土中摻加一些具有減水、增塑、緩凝等作用的外加劑，改善混凝土拌合物的流動性、保水性，降低水化熱，延遲熱峰出現(xiàn)時間；七是高溫季節(jié)采用搭設(shè)遮陽板等輔助措施控制混凝土的升溫，降低澆筑混凝土的溫度；八是合理安排施工工序，分層、分塊澆筑，以利于散熱，減小約束；九是在大體積混凝土內(nèi)部設(shè)置冷卻管道，通冷水或者冷氣冷卻，減小內(nèi)外溫差；十是加強混凝土溫度監(jiān)控，采取及時冷卻的保護性措施；十一是預(yù)留收縮縫；十二是減小約束，澆筑前在基巖和老混凝土上鋪設(shè)5mm左右的砂墊層或瀝青等材料涂刷；十三是加強養(yǎng)護，澆筑后用濕潤的草簾、麻片等覆蓋，并注意灑水養(yǎng)護，適當(dāng)延長養(yǎng)護時間，保證混凝土表面緩慢冷卻。

2.5 化學(xué)反應(yīng)引起的裂縫及預(yù)防

堿骨料反應(yīng)裂縫和鋼筋銹蝕引起的裂縫是鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中最常見的因化學(xué)反應(yīng)而引起的裂縫。

混凝土拌合后會產(chǎn)生一些堿性離子，離子與某些活性骨料產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)并吸收周圍環(huán)境中的水而體積增大，造成混凝土酥松、膨脹開裂。這種裂縫一般出現(xiàn)在混凝土結(jié)構(gòu)使用期間，一旦出現(xiàn)較難補救，因此應(yīng)在施工中采取有效措施進行預(yù)防。主要預(yù)防措施：一是砂石骨料盡量選用堿活性小的；二是選用低堿水泥和低堿或無堿的外加劑；三是選用合適的摻和料抑制堿骨料反應(yīng)。

由于澆筑過程中振搗不良或者是鋼筋保護層較薄，有害物質(zhì)滲入使鋼筋產(chǎn)生銹蝕，銹蝕的鋼筋體積膨脹，導(dǎo)致沿鋼筋的位置出現(xiàn)脹裂，此種類型的裂縫多為縱向裂縫。通常預(yù)防措施：一是保障鋼筋保護層的厚度；二是混凝土級配要良好；三是澆注過程要振搗密實；四是鋼筋表層涂刷防腐保護性涂料。

3 裂縫處理

裂縫的出現(xiàn)不僅影響結(jié)構(gòu)整體性和剛度，還會引發(fā)鋼筋的銹蝕、加速混凝土的碳化、降低混凝土的耐久性和抗疲勞、抗?jié)B能力。因此對裂縫的性質(zhì)和具體情況要區(qū)別對待、及時處理，以保證建筑物的安全性。

混凝土裂縫出現(xiàn)的修補措施主要有以下幾種方法：表面修補法，灌漿、嵌縫封堵法，結(jié)構(gòu)加固法，混凝土置換法，電化學(xué)防護法以及仿生自愈合法。

3.1 表面修補法

表面修補法是簡單、常見的易補的修補方法，主要適用于穩(wěn)定和對結(jié)構(gòu)承載能力沒有影響的表面裂縫以及深進裂縫的處理。通常的處理是在裂縫的表面涂抹水泥漿、環(huán)氧膠泥或在混凝土表面涂刷油漆、瀝青等防腐材料，為了防止混凝土受各種作用的影響繼續(xù)開裂，可采用在裂縫表面粘貼玻璃纖維布等措施。

3.2 灌漿、嵌縫封堵法

灌漿法主要適用于對結(jié)構(gòu)整體性有影響或?qū)τ蟹罎B混凝土裂縫的修補，利用壓力設(shè)備將膠結(jié)材料壓入出現(xiàn)裂縫中，膠結(jié)材料硬化后與混凝土形成一個整體，起到封堵加固目的。常用的膠結(jié)材料有水泥漿、環(huán)氧樹脂、甲基丙烯酸酯、聚氨酯等化學(xué)材料。

嵌縫法是裂縫封堵中最常用的方法，它是沿裂縫鑿槽，在槽中嵌填塑性或剛性止水材料，達到封閉裂縫的目的。

常用的塑性材料有聚氯乙烯膠泥、塑料油膏、丁基橡膠等；常用的剛性止水材料為聚合物水泥砂漿。

3.3 結(jié)構(gòu)加固法

當(dāng)裂縫影響到混凝土結(jié)構(gòu)的性能時，就需考慮采取加固法對產(chǎn)生裂縫進行處理。結(jié)構(gòu)加固中常用方法有：加大混凝土結(jié)構(gòu)的截面面積、在構(gòu)件的角部外包型鋼、采用預(yù)應(yīng)力法加固、粘貼鋼板加固、增設(shè)支點加固以及噴射混凝土補強加固。

3.4 混凝土置換法

混凝土置換法是處理嚴(yán)重?fù)p壞混凝土的一種有效方法，先將損壞的混凝土剔除，置換入新的混凝土或其他材料。常用置換材料有：普通混凝土或水泥砂漿、聚合物或改性聚合物混凝土或砂漿。

3.5 電化學(xué)防護法

電化學(xué)防腐是利用施加電場在介質(zhì)中的電化學(xué)作用，改變混凝土或鋼筋混凝土所處的環(huán)境狀態(tài)，以鈍化鋼筋達到防腐的目的。陰極防護法、氯鹽提取法、堿性復(fù)原法是化學(xué)防護法中常用有效的三種方法。這種方法的優(yōu)勢是受環(huán)境因素的影響較小，適用鋼筋、混凝土的長期防腐，既可用于已裂結(jié)構(gòu)也可用于新建結(jié)構(gòu)。

3.6 仿生自愈合法

仿生自愈合法是一種新的裂縫處理方法，模仿生物組織對受創(chuàng)傷部位自動分泌某種物質(zhì)，使創(chuàng)傷部位得到愈合的機能，在混凝土的傳統(tǒng)組分中加入特殊組分（如含黏結(jié)劑的液芯纖維或膠囊），在內(nèi)部形成智能型仿生自愈合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，當(dāng)混凝土出現(xiàn)裂縫時分泌出部分液芯纖維可使裂縫重新愈合。

4 結(jié) 論

裂縫是混凝土結(jié)構(gòu)中普遍存在的一種現(xiàn)象，它的出現(xiàn)不僅降低建筑物的抗?jié)B能力，影響建筑物的使用功能，而且會引發(fā)鋼筋的銹蝕，混凝土的碳化，降低材料的耐久性，影響建筑物的承載能力、使用壽命和本身強度，要對混凝土裂縫進行認(rèn)真研究、區(qū)別對待，采用合理的方法進行補救處理，并在施工過程中采取各種有效預(yù)防措施來防范裂縫的出現(xiàn)和發(fā)展，從而確保工程質(zhì)量，保證建筑物和構(gòu)件安全、穩(wěn)定地工作。