鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)裂縫成因及防治措施

馮立勇，舒必仁，鄧翀

（1. 中交二航武漢港灣新材料有限公司，湖北 武漢 430040；2. 海工結(jié)構(gòu)新材料及維護(hù)加固技術(shù)湖北省重點實驗室，湖北 武漢 430040）

0 引言

鋼筋混凝土以其力學(xué)性能、可模性、整體性及耐久性等諸多優(yōu)點，已經(jīng)成為建筑行業(yè)用途最廣泛的結(jié)構(gòu)材料。且隨鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的設(shè)計理論逐步完善、施工技術(shù)及經(jīng)驗日益成熟，在今后相當(dāng)長的時間內(nèi)，鋼筋混凝土仍將作為建筑結(jié)構(gòu)的主要承重體系。鋼筋混凝土裂縫作為其自身缺陷的一種，對混凝土的耐久性及結(jié)構(gòu)的營運安全性危害極大?；炷亮芽p的存在形成了混凝土的內(nèi)部通道，增大了結(jié)構(gòu)的滲透性，有利于空氣中的有害氣體或物質(zhì)滲入，從而導(dǎo)致鋼筋銹蝕、混凝土過早破壞，同時深層裂縫和貫穿性裂縫更是破壞了結(jié)構(gòu)的整體性，改變了設(shè)計的應(yīng)力狀態(tài)和結(jié)構(gòu)物的受力條件，可能使結(jié)構(gòu)物的局部或整體發(fā)生破壞，直接影響建筑物安全。裂縫作為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)最常見的一種質(zhì)量通病，一直備受建筑行業(yè)及相關(guān)人士關(guān)注。故正確分析鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)裂縫成因，并據(jù)此提出有效的預(yù)防措施，杜絕結(jié)構(gòu)有害裂縫、盡量減少表面裂縫，對保證結(jié)構(gòu)的整體性和正常使用具有重要意義。

1 裂縫的分類[1]

1.1 按照產(chǎn)生原因分類

（1）荷載作用下的裂縫（結(jié)構(gòu)性裂縫約 10%）；（2）變形作用下的裂縫（非結(jié)構(gòu)性裂縫約 80%）；（3）混合作用（荷載與變形共同作用）下的裂縫（約5%～10%）；（4）堿骨料反應(yīng)；（5）質(zhì)量力（慣性力）引起的裂縫。

1.2 按裂縫有害程度分類

（1）有害裂縫指的是貫穿性縱深和淺層的裂縫（達(dá)到受力鋼筋位置），對有抗?jié)B、防腐蝕以及防輻射等特別要求的有害裂縫寬度要依據(jù)生產(chǎn)要求進(jìn)行規(guī)定。（2）無害裂縫。微觀裂縫、表面裂縫和裂縫寬度小于規(guī)范允許寬度的宏觀裂縫。針對表層裂縫大于允許寬度，長度短，影響使用功能者，仍然要按照輕度有害裂縫進(jìn)行處理。

2 鋼筋混凝土裂縫產(chǎn)生的原因

2.1 混凝土收縮[2~6]

收縮裂縫起因于混凝土的自由收縮變形受到約束，而在無約束條件下，混凝土收縮本身并不會引起開裂?；炷两Y(jié)構(gòu)自澆筑、硬化至后期運行階段，收縮可分為塑性沉降、自收縮、化學(xué)收縮、溫度收縮及干燥收縮等。對普通混凝土而言，其收縮的主要形式是干燥收縮，而高性能混凝土，不容忽視的則是自收縮問題。正確區(qū)分不同的收縮類型，有助于我們采取必要的措施，對混凝土的開裂問題進(jìn)行提前預(yù)防或減輕其開裂程度。

2.1.1 塑性沉降

在混凝土剛攪拌完成后，骨料顆粒在具有一定稠度的漿體中懸浮，而漿體的密度又相對較低，水灰比為0.6，漿體的密度僅為骨料的二分之一，因此，漿體中的骨料會出現(xiàn)下沉現(xiàn)象，且內(nèi)部的水泥顆粒密度又比水大得多，導(dǎo)致剛攪拌完的混凝土內(nèi)的水分被擠壓到上層，即發(fā)生“沉降”與“泌水”現(xiàn)象。泌水減少了混凝土內(nèi)的多余水份，對混凝土硬化后的強(qiáng)度提升起到較大幫助。然而沉降與泌水的危害相對更大。水份的上移及骨料的沉降會導(dǎo)致鋼筋的水平線下側(cè)出現(xiàn)空隙并造成水份的積聚，易產(chǎn)生銹蝕；水份的上移還會導(dǎo)致粗骨料底部有水份殘留，使得骨料與漿體間的界面更加薄弱，并逐漸產(chǎn)生空隙（見圖 1），對混凝土的抗凍及抗?jié)B性產(chǎn)生較大的影響；在沉降顆粒碰觸到水平螺栓或鋼筋時，抑或與側(cè)面的模板產(chǎn)生摩擦遇到阻力時，就會被攔截產(chǎn)生沉降差，最終導(dǎo)致混凝土頂部出現(xiàn)塑性沉降裂縫。

2.1.2 自生收縮

自干燥指的是混凝土密封后其內(nèi)部的相對濕度由于水泥的不斷水化而逐漸降低。就高性能混凝土而言，因為其水膠比例非常低，強(qiáng)度發(fā)展較快而快速消耗了內(nèi)部的自由水，使得其孔系內(nèi)的相對濕度不超過 80%。另外，高性能混凝土有著更為緊密的結(jié)構(gòu)，外部水份很難進(jìn)入其中，在該狀況下就出現(xiàn)了自收縮現(xiàn)象。相關(guān)研究數(shù)據(jù)顯示，水膠比例在 0.4 左右，兩個月齡期的混凝土，其自收縮是 1×10-4；水膠比為 0.3 的高性能混凝土的自收縮為 2×10-4；水膠比為 0.17 的高性能混凝土的自收縮為 8×10-4。在總收縮內(nèi)，高性能混凝土的自收縮幾乎與干收縮相等。越低的水膠比例，越細(xì)的摻合料，就會出現(xiàn)比例越大的自收縮。在高性能混凝土開始出現(xiàn)自收縮且水化率最高的幾天時間里，混凝土表面失水，濕度降低會使其表面出現(xiàn)裂縫，其后導(dǎo)致內(nèi)部出現(xiàn)微裂，如果混凝土再因為受到約束發(fā)生變形，就會再次出現(xiàn)收縮裂縫。

圖1 塑性沉降造成的鋼筋底部空隙

2.1.3 化學(xué)收縮

化學(xué)收縮也就是我們通常所說的水化產(chǎn)物收縮，不管何種凝膠材料，都存在水化后減縮的現(xiàn)象，這是因為水化反應(yīng)前和水化反應(yīng)后，材料的平均密度出現(xiàn)了差異。水泥水化反應(yīng)主要生成 C-S-H 凝膠，其體積比水域水泥的總體積要小，也就是增加了固相體積的同時，減小了水—水泥的絕對體積。多數(shù)的硅酸鹽水泥在水化反應(yīng)完全后，體積都會有 7%～9% 的減小。在水泥徹底硬化前，固相體積的增加是對之前水占據(jù)空間的填充，增加水泥的密實程度，減縮其宏觀體積；在硬化完全后，體積保持不變，但水—水泥體系則會在反應(yīng)減縮后產(chǎn)生孔隙。所以，水泥硬化完全前，該減縮過程不會對混凝土的性質(zhì)產(chǎn)生影響，但硬化完全后，會基于不同的水灰比產(chǎn)生數(shù)量不等的孔隙，進(jìn)而對混凝土的性質(zhì)產(chǎn)生較大影響?；瘜W(xué)收縮與水泥的組成有關(guān)，C3A 的含量越大收縮越大。在摻加一些細(xì)料時，細(xì)料的活性和減縮過程密切相關(guān)，越高的活性就會導(dǎo)致越大的化學(xué)收縮。

2.1.4 干燥收縮

干燥收縮指的是在停止養(yǎng)護(hù)混凝土后，在空氣不飽和的環(huán)境中因為凝膠孔及毛細(xì)孔中吸附水的減少所產(chǎn)生的收縮，且這種收縮是不可逆的。越低的相對濕度，就會導(dǎo)致越嚴(yán)重的水泥干縮。水泥的內(nèi)部孔隙和干燥收縮之間有著較大的關(guān)聯(lián)，水泥的水化反應(yīng)產(chǎn)物主要是碳—硫—氫凝膠及大量的微孔（被水填充），這些微孔內(nèi)有一定量的水化反應(yīng)殘留的水。在干燥的混凝土中，水的蒸發(fā)速率會大于混凝土中水份外泌的速率，所以，表層的水減少，且伴隨蒸發(fā)過程的持續(xù)，水份減少開始由外到內(nèi)發(fā)展，凝膠孔及毛細(xì)孔內(nèi)的水份也開始蒸發(fā)。水份流失使得毛細(xì)孔內(nèi)出現(xiàn)負(fù)壓，孔壁出現(xiàn)拉應(yīng)力，進(jìn)而導(dǎo)致了水泥的收縮現(xiàn)象。

2.1.5 溫度收縮

混凝土在硬化過程中水泥水化產(chǎn)生水化熱，并通過邊界把部分熱量向四周傳遞。硬化初期，水泥水化速度快，放出的熱量大于散熱量，使混凝土升溫，在大體積混凝土內(nèi)部可高達(dá) 80℃以上，其必須達(dá)到環(huán)境溫度才可以趨于穩(wěn)定，因此，在較長的時間內(nèi)（最少是驗收前），混凝土出現(xiàn)的溫差主要包括兩個部分：一個是混凝土結(jié)構(gòu)本身內(nèi)部與表面的溫差；一個是其與外界環(huán)境之間的溫差。溫應(yīng)力出現(xiàn)的主要原因就是溫差的存在，越大的溫差就會產(chǎn)生越大的收縮應(yīng)力，在收縮應(yīng)力超過一定值時，混凝土就會出現(xiàn)開裂?；跍夭钏鶎?dǎo)致的混凝土收縮通常稱作溫度收縮。

2.2 基礎(chǔ)不均勻沉降

由于基礎(chǔ)豎向不均勻沉降或水平方向位移，使結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生附加應(yīng)力，超出鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的抗拉能力，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)開裂。裂縫定向與沉降情況有關(guān)，一般表現(xiàn)為垂直或是 30～40 度角度方向發(fā)展?；A(chǔ)不均勻沉降的主要原因有：地質(zhì)勘察精度不夠、試驗資料不準(zhǔn)；地基地質(zhì)差異太大；結(jié)構(gòu)荷載差異太大；結(jié)構(gòu)建成以后，原有地基條件變化等。

2.3 荷載裂縫

荷載裂縫指鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)在常規(guī)靜、動荷載及次應(yīng)力下產(chǎn)生的裂縫，這種裂縫多出現(xiàn)在結(jié)構(gòu)的受拉部位、剪拉區(qū)或有嚴(yán)重振動的部位。歸納起來主要有直接應(yīng)力裂縫、次應(yīng)力裂縫兩種。直接應(yīng)力裂縫是指外荷載引起的直接應(yīng)力產(chǎn)生的裂縫，次應(yīng)力裂縫是指由外荷載引起的次生應(yīng)力產(chǎn)生的裂縫。裂縫產(chǎn)生的原因有：（1）在設(shè)計外荷載的影響下，因為內(nèi)結(jié)構(gòu)物的真實工作情況和常規(guī)運算之間存在一定差異或者計算過程中沒有將其考慮在內(nèi)，導(dǎo)致在一些位置出現(xiàn)次應(yīng)力使得結(jié)構(gòu)開裂。（2）局部應(yīng)力集中，在結(jié)構(gòu)中通常需鑿槽、開洞以及設(shè)置牛腿等，在常規(guī)運算中很難使用精確的圖式完成模擬計算，通常依據(jù)經(jīng)驗對受力鋼筋進(jìn)行設(shè)置。

2.4 鋼筋銹蝕[7]

在混凝土裂縫類型中，鋼筋銹蝕是較為常見的一類，鋼筋混凝土中鋼筋會被外界銹蝕，其銹蝕產(chǎn)物的體積約為原來的 2～4 倍，隨著鋼筋銹蝕程度不斷加劇，鋼筋周圍的混凝土產(chǎn)生受拉應(yīng)力，即銹脹力。當(dāng)受拉應(yīng)力達(dá)到混凝土抗拉強(qiáng)度時，混凝土保護(hù)層開始開裂，隨著銹蝕程度的加劇，裂縫會向表面擴(kuò)展，最后貫通保護(hù)層，嚴(yán)重影響混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性。此類裂縫稱為侵蝕性介質(zhì)到鋼筋表層的通道，所以加快鋼筋的銹蝕。如果不采用有效措施，那么鋼筋銹蝕將會不斷發(fā)展直到保護(hù)層剝落。圖2 為鋼筋混凝土銹蝕脹裂的過程。

圖2 鋼筋混凝土銹蝕脹裂過程

3 裂縫控制的綜合技術(shù)措施[8,9]

裂縫是鋼混結(jié)構(gòu)中廣泛存在的一類現(xiàn)象，導(dǎo)致混凝土出現(xiàn)裂縫的原因比較復(fù)雜，事實上每條裂縫的出現(xiàn)都是受到多種因素的共同作用，故施工過程中應(yīng)從設(shè)計、材料、配合比、施工及環(huán)境、管理等各方面綜合考慮，統(tǒng)籌處理。

3.1 材料方面

選用的各種材料均應(yīng)符合國家現(xiàn)行規(guī)范和有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，骨料應(yīng)優(yōu)選潔凈、級配良好的中砂和級配良好、空隙率較小的粗骨料，砂石的含泥量對于混凝土的抗拉強(qiáng)度與收縮影響很大，應(yīng)嚴(yán)格控制。為了降低混凝土的早期溫升，大體積混凝土應(yīng)優(yōu)選中、低熱水泥，同時摻加緩凝型高效減水劑。

3.2 配合比方面

優(yōu)良的配合比是預(yù)防混凝土開裂的關(guān)鍵，應(yīng)通過不斷優(yōu)化配合比配制高抗裂、低溫升、低收縮的混凝土。在滿足施工要求的條件下，盡量采用較小的坍落度和較小的砂率?？刂苹炷羻挝挥盟浚盟坎灰舜笥?70kg/m3。對于大體積混凝土，應(yīng)盡量降低膠凝材料用量及水泥用量，以降低混凝土的溫升。為提高混凝土抗拉強(qiáng)度，混凝土可適量摻加纖維。

3.3 施工工藝方面

模板與支架的穩(wěn)定性、剛性及承載力要足夠強(qiáng)，安裝模板時要保證其不滲漿、不漏水且結(jié)構(gòu)緊密，拆除支架和底模時要保證混凝土質(zhì)量可以滿足要求。當(dāng)運送到現(xiàn)場的混凝土不符合施工需求時，不得隨意加水，可在試驗后對其坍落度進(jìn)行合理調(diào)整。施工時要特別注意混凝土的養(yǎng)護(hù)，比如：保證其相對濕度、溫度等。冬天施工時要保證混凝土不被凍壞。因為混凝土容易出現(xiàn)收縮現(xiàn)象，因此在灌漿后的 3～4 小時要再次進(jìn)行壓實作業(yè)。

3.4 設(shè)計方面

設(shè)計時既要分析承載能力，更要對形變問題引起足夠的重視。結(jié)合結(jié)構(gòu)布置圖，盡量減少混凝土受到的約束。強(qiáng)度等級要合理選擇，在對溫度收縮力進(jìn)行嚴(yán)謹(jǐn)計算后采取必要的應(yīng)對措施。普通混凝土有著較好的韌性、較低的收縮和水化熱，而高性能混凝土有著較高的強(qiáng)度，較大的密度，但也有著較大的脆性、較高的收縮度及水化熱。在工況允許的情況下，應(yīng)基于實際條件選擇合理的技術(shù)手段，比如降低水泥的使用量，加大摻合料的比例，延長混凝土的養(yǎng)護(hù)時間等。

4 結(jié)語

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)產(chǎn)生裂縫的原因繁多，影響因素復(fù)雜，混凝土約束條件下的收縮變形、基礎(chǔ)不均勻沉降、荷載作用及鋼筋銹蝕等都將導(dǎo)致鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)產(chǎn)生裂縫。保證完全不出現(xiàn)裂縫是較難實現(xiàn)的，但應(yīng)從材料、混凝土配合比、施工工藝及設(shè)計方面著手，盡最大努力預(yù)防結(jié)構(gòu)裂縫的產(chǎn)生，并采取相應(yīng)的措施，從而確保結(jié)構(gòu)的耐久性及使用安全性。