淺談結(jié)構(gòu)混凝土裂縫控制及其處治

【摘要】混凝土裂縫在混凝土結(jié)構(gòu)中不僅會降低建筑物的抗?jié)B能力，引起鋼筋的銹蝕，而且還會降低混凝土的耐久性，影響建筑物安全。分析混凝土裂縫形成原因，控制混凝土裂縫發(fā)展，避免或減輕混凝土裂縫，以提高混凝土耐久性，確保結(jié)構(gòu)物安全。 

　　【關(guān)鍵詞】混凝土；裂縫；控制；處治 

　　0.引言 

　　混凝土是由砂石骨料、水泥、水及其他外摻材料拌合而形成的非均質(zhì)脆性材料。在混凝土中存在微裂縫是混凝土材料本身固有的物理性質(zhì)，裂縫在混凝土結(jié)構(gòu)中難以避免，在一定的范圍內(nèi)是可以接受的。但是，混凝土裂縫的存在和發(fā)展通常會使結(jié)構(gòu)內(nèi)部的鋼筋等材料產(chǎn)生腐蝕，降低結(jié)構(gòu)構(gòu)件的承載能力、抗?jié)B能力及耐久性，影響建筑物的外觀和使用壽命，嚴重的甚至威脅到結(jié)構(gòu)的安全。不少工程事故就是由于裂縫的不斷發(fā)展所致。隨著結(jié)構(gòu)工程向大型化、復雜化方向發(fā)展，結(jié)構(gòu)的裂縫問題越來越引起人們的重視。 

　　1.混凝土裂縫的種類及特征 

　�。�1）塑沉裂縫：順鋼筋方向表面開裂。（2）干縮裂縫：表面開裂，縫寬和長度都很小，形似龜紋。（3）溫度裂縫：由于產(chǎn)生原因不同，可能出現(xiàn)在表面、深層或貫穿裂縫。裂縫寬度大小不一，受溫度變化影響大，但每條裂縫變化不大。鋼筋混凝土深層或貫穿裂縫一般與主筋平行。對結(jié)構(gòu)安全危害較大。（4）應力裂縫：裂縫走向與主筋方向接近垂直，裂縫寬度較大，且沿長度和深度方向有明顯變化。（5）化學作用裂縫：因鋼筋銹蝕引起膨脹的特征為順筋開裂。 

　　1.1塑性沉降裂縫。 

　　塑性收縮是指混凝土在凝結(jié)之前，表面因失水較快而產(chǎn)生的收縮。一般發(fā)生在混凝土澆筑后1小時前后，隨著混凝土結(jié)硬而逐漸停止。一般來說6-7小時收縮值最大，其收縮量可達1%左右。10-24h內(nèi)體積暫時不變化，以后由于干縮，體積繼續(xù)縮小，造成混凝土體積進一步收縮。它發(fā)生在混凝土終凝之前的塑性階段，也稱為塑性收縮。因此時混凝土的強度又無法抵抗其本身收縮，故在混凝土表面出現(xiàn)龜裂，屬表面裂縫。塑性收縮裂縫不同于結(jié)硬后混凝土的收縮裂縫，塑沉裂縫不受混凝土中鋼筋的影響。防止塑沉裂縫，可采取以下措施： 

　�。�1）在混凝土澆筑后，尤其是尚未出現(xiàn)析水之前，不受強風吹拂或烈日暴曬。（2）在混凝土澆筑后，尤其是空氣濕度較低時盡早養(yǎng)護。（3）在混凝土澆筑前，對基層進行灑水。（4）在混凝土澆筑后3-4h進行混凝土拌合物二次振搗或二次抹面。 

　　1.2 混凝土干燥收縮裂縫 

　　所謂混凝土干縮就是指混凝土在硬化過程中由于自身的水化反應和溫度應力作用下產(chǎn)生的體積收縮，容易產(chǎn)生裂縫，造成混凝土強度和耐久性下降 ， 水泥漿中水分的蒸發(fā)會產(chǎn)生干縮，且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，表面干縮變形受到混凝土內(nèi)部約束，從而產(chǎn)生較大的拉應力引起裂縫。干縮裂縫多為表面性的平行線狀或網(wǎng)狀淺細裂縫。干縮裂縫通常會影響混凝土的抗?jié)B性，引起鋼筋的銹蝕，影響混凝土的耐久性�；炷�土干縮主要和混凝土的水灰比、水泥的成分、水泥的用量、集料的性質(zhì)和用量、外加劑的用量等有關(guān)。干燥收縮是由毛細水的損失而引起的硬化混凝土的收縮。這種收縮使拉應力增加，可使混凝土在未承受任何載荷之前便出現(xiàn)裂紋。水泥用量越多，水泥石含量越多，干燥收縮越大。水泥的細度越大，混凝土的用水量越多，干燥收縮越大。高標號水泥的細度往往較大，故使用高標號水泥的混凝土干燥收縮較大。使用火山灰質(zhì)硅酸鹽水泥時，混凝土的干燥收縮較大；而使用粉煤灰硅酸鹽水泥時，混凝土的干燥收縮較小。骨料的規(guī)格與質(zhì)量，骨料的粒徑越大，級配越好，則水與水泥用量越少，混凝土的干燥收縮越小。骨料的含泥量及泥塊含量越少，水與水泥用量越少，混凝土的干燥收縮越小。針、片狀骨料含量越少，混凝土的干燥收縮越小。水灰比越大，混凝土內(nèi)的毛細孔隙數(shù)量越多，混凝土的干燥收縮越大。干燥收縮受混凝土配合比、攪拌方式、養(yǎng)護時的濕度條件、干燥環(huán)境和構(gòu)件尺寸等因素影響�；炷�土的配合比中用水量影響最大。一般用水量每增加1%，混凝土的干縮率增加2%～3%。干燥收縮程度還與環(huán)境相對濕度、溫度和空氣流通狀況有關(guān)。 

　　1.3 混凝土自生收縮裂縫 

　　自生收縮與干燥收縮一樣，是由于水的遷移而引起。但它不是由于水向外蒸發(fā)散失，而是因為水泥水化時消耗水分造成凝膠孔的液面下降，使混凝土的相對濕度降低，體積減小。低水灰比的高性能混凝土，早期強度較高的發(fā)展率使自由水消耗較快，便開始產(chǎn)生自生收縮。濕度梯度首先引發(fā)表面裂縫，隨后引發(fā)內(nèi)部微裂縫，若混凝土變形受到約束，則進一步產(chǎn)生收縮裂縫。這是高強度混凝土容易開裂的主要原因之一。水泥水化后，產(chǎn)生膠體和晶體，在一般情況下，膠體多于晶體。膠體在干濕作用下會產(chǎn)生很大的體積變化，而晶體一般不受干濕變化的影響�？梢娔z體的數(shù)量和性質(zhì)在很大程度上決定水泥在水化干燥時的收縮值。水泥中C2S可產(chǎn)生很多的膠體，C3S可產(chǎn)生膠體較少。因此，水泥中C2S含量大的水泥自縮性大，C3S含量大的水泥自縮性小。此外，水泥中C3A在水化時需水量大，水中養(yǎng)護時膨脹值大，干燥時則收縮大，C3S含量大的水泥自縮性亦大。快硬硅酸鹽水泥和抗硫酸鹽水泥分別由于C3A和C2S 含量較高而自縮值較大。 可見自收縮是由自干燥或混凝土內(nèi)部相對濕度降低引起的收縮，是混凝土在恒溫絕濕條件下，由于水泥水化作用引起的混凝土宏觀體積減少的現(xiàn)象。即未水化的水泥與水發(fā)生化學反應時，生成物的體積小于前兩者總和的現(xiàn)象�；炷�土因干燥產(chǎn)生體積變化的同時發(fā)生自收縮。混凝土自收縮的產(chǎn)生，主要是由于水泥硬化體空隙中的相對濕度低，發(fā)生自干燥。 

　　1.4混凝土塑性收縮裂縫 

　　塑性收縮是指混凝土在凝結(jié)之前，表面因失水較快而產(chǎn)生的收縮�；炷�土初凝之前出現(xiàn)泌水和水份急劇蒸發(fā)，引起失水收縮。它發(fā)生在混凝土終凝之前的塑性階段，故稱為塑性收縮。因此時混凝土的強度又無法抵抗其本身收縮，故在混凝土表面出現(xiàn)龜裂，屬表面裂縫。塑性收縮裂縫不同于結(jié)硬后混凝土的收縮裂縫，塑性收縮裂縫不受混凝土中鋼筋的影響。加強養(yǎng)護、減少蒸發(fā)是防止塑性收縮裂縫的有效措施。 　　鋼筋混凝土構(gòu)件中鋼筋的存在，約束了混凝土的自由收縮，使混凝土產(chǎn)生拉應力，配筋率較大的構(gòu)件、薄壁構(gòu)件以及暴露在戶外的構(gòu)件，最容易產(chǎn)生收縮裂縫。配筋并不能防止收縮裂縫，而只能使裂縫分散成許多間距較密的細小裂縫。 

　　1.5混凝土溫差收縮產(chǎn)生的裂縫 

　　溫度裂縫多發(fā)生在大體積混凝土表面或溫差變化較大環(huán)境的混凝土結(jié)構(gòu)中�；炷�土澆筑后，在硬化過程中，水泥水化產(chǎn)生大量的水化熱，可使混凝土內(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)，導致內(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)外的較大溫差，較大的溫差造成內(nèi)部與外部熱脹冷縮的程度不同，使混凝土表面產(chǎn)生一定的拉應力。當拉應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，這種裂縫多發(fā)生在混凝土施工中后期。 

　　選用低熱或中熱水泥（如礦渣水泥、粉煤灰水泥等）、減少水泥用量（將水泥用量盡量控制在450kg/m3以下）、降低水灰比（一般混凝土的水灰比控制在0.6以下）、選擇合理的混凝土配合比、加強混凝土養(yǎng)護是防止混凝土溫度收縮裂縫的有效措施。 

　　1.6 混凝土堿-集料反應 

　　堿-集料反應（AAR）是混凝土中的堿與集料中的活性組分之間發(fā)生的膨脹性化學反應，堿-集料反應是混凝土原材料中的水泥、外加劑、混合材料和水中的堿（Na2O或K2O）與骨料中的活性成分反應，具有較嚴重的破壞作用。AAR按活性組分類型可分為堿-硅酸反應（ASR）、堿-碳酸鹽反應（ACR）、和堿硅酸鹽反應。堿-集料反應反應由于水泥中有較高堿性，OH-使活性二氧化硅發(fā)生水解形成堿-二氧化硅凝膠，水被凝膠吸附，使體積增大。AAR反應多在混凝土澆筑幾個月或幾年后發(fā)生，混凝土遭到破壞。在混凝土澆筑成型后若干年（數(shù)年至二、三十年）逐漸反應，反應生成物吸水膨脹使混凝土產(chǎn)生內(nèi)部應力， 膨脹開裂、導致混凝土失去設(shè)計性能。由于活性骨料經(jīng)攪拌后大體上呈均勻分布。所以一旦 發(fā)生堿骨料反應、混凝土內(nèi)各部分均產(chǎn)生膨脹應力，將混凝土自身脹裂、發(fā)展嚴重的只能拆除，無法補救，因而被稱為混凝土的癌癥。 

　　2.提高混凝土抗裂性措施 

　　抗裂性是指混凝土抵抗干縮變形或溫度而發(fā)生裂縫的能力。這些變形所引起的拉應力超過混凝土抗拉極限強度時就會發(fā)生裂縫。變形量超過混凝土的極限拉伸應變值混凝土就會發(fā)生裂縫。因此，混凝土的極限拉伸應變值或抗拉極限強度越大時，它的抗裂性就越高。為提高混凝土抗裂性，一般可采取下列措施： 

　　（1）當混凝土抗拉極限強度越大或彈性模量較低時，極限拉伸值較大，而彈性模量則隨著強度的提高而增大（實際上是混凝土強度增長率遠比其彈性模量增長率高）。所以混凝土的極限拉伸值是隨著強度的增長而有所增長的。故提高混凝土的強度時其抗裂性也可提高。 

　�。�2）在混凝土水灰比不變條件下，水泥漿和砂漿含量較多時，其極限拉伸值也較大。因此，采用最大粒徑較小的石料時水泥漿和砂漿的含量較多，混凝土極限極限拉伸值可得到提高，并且超過抗壓強度的提高百分率。 

　�。�3）采用碎石配制混凝土比卵石可提高極限拉伸值30%；采用輕質(zhì)凝灰?guī)r或陶粒配制混凝土比普通混凝土其極限拉伸值可提高2-3倍；但采用石灰石、碎石配制混凝土抗拉強度高但極限拉伸值較低，主要由于石灰石彈性模量較大。 

　�。�4）采用鐵鋁酸四鈣含量高而鋁酸三鈣含量低的水泥，或采用早期強度較低、后期強度增長率較高的水泥，其其極限拉伸值較大。但高鋁水泥極限拉伸值最小，抗拉強度也低。 

　�。�5）摻用紙漿廢液減水劑時可提高極限拉伸值40%。 

　�。�6）在混凝土受拉區(qū)布置鋼筋極限拉伸值可成倍提高。 

　　（7）充分保濕或水中養(yǎng)護可使混凝土極限拉伸值得到提高，抗裂也相應得到提高，約比處于干燥狀態(tài)提高極限拉伸值30%。 

　　3.混凝土裂縫的處治 

　　3.1表面修補：適用對承載力沒有影響的表面裂縫的處理、大面積細微裂縫防滲的處理。 

　　（1）表面涂抹水泥砂漿：鑿毛裂縫附近混凝土或?qū)⒘芽p鑿成凹槽，清除碎屑并灑水濕潤，先刷一層水泥凈漿，在涂抹水泥砂漿，并用鐵抹壓密抹光，然后保濕養(yǎng)護。（2）表面涂抹環(huán)氧樹脂膠泥：用鋼絲刷、毛刷將裂縫處清除干凈，油污可用二甲苯擦洗，如表面潮濕應用噴燈烤干燥、預熱，以保證環(huán)氧樹脂膠泥與混凝土粘結(jié)。若基層難以干燥，則采用環(huán)氧煤焦油膠泥涂抹。（3）表面涂刷油漆、瀝青：涂刷前混凝土表面應干燥。（4）表面鑿槽嵌補：沿混凝土裂縫鑿一條V型或U型深槽，槽內(nèi)嵌水泥砂漿或環(huán)氧膠泥、聚氧乙烯膠泥、瀝青油膏等，表層做砂漿保護層。U型深槽用于滲水裂縫的治理，V型槽用于一般裂縫的治理。 

　　3.2局部修復：常用方法有充填法、預應力法、部分鑿除重新澆筑混凝土法。 

　　3.3化學灌漿：可灌入縫寬<0.5mm的裂縫或較大的溫縮裂縫。 

　　3.4水泥壓力灌漿法：適用縫寬>0.5mm的穩(wěn)定裂縫。 

　　3.5結(jié)構(gòu)補強：外包鋼筋混凝土、增加板厚、粘貼鋼板、增設(shè)預應力補強體系。 

　　3.6減小結(jié)構(gòu)內(nèi)力：卸載或控制荷載，增設(shè)支撐，改簡支為連續(xù)梁。 

　　3.7其他方法：改變結(jié)構(gòu)方案，加強整體剛度。 

　　參考文獻 

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