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      混凝土結構的裂縫成因及控制方法簡介
      發布時間:2014-07-15
      1 引言
        近年來,我國基礎建設得到迅猛發展,各地興建了大量的混凝土建筑。在建筑物的建造和使用過程中,有關因出現裂縫而影響工程質量甚至導致結構垮塌的報道屢見不鮮;炷灵_裂可以說是“常發病”和“多發病”,經常困擾著工程技術人員。其實,如果采取一定的設計和施工措施,很多裂縫是可以克服和控制的。為了進一步加強對混凝土結構裂縫的認識,盡量避免工程中出現危害較大的裂縫,本文盡可能對混凝土、裂縫的種類和產生的原因作較全面的分析,并總結出一系列的控制方法,以方便設計、施工單位參考,達到防范于未然的作用。
      2 混凝土結構裂縫種類和成因
        實際上,混凝土結構裂縫的成因復雜而繁多,甚至多種因素相互影響,但每一條裂縫均有其產生的一種或幾種主要原因,比如:溫度和濕度的變化,混凝土的脆性和不均勻性,以及結構不合理,原材料不合格(如堿骨料反應),模板變形,基礎不均勻沉降等。混凝土結構裂縫的種類,就其產生的原因,大致可劃分如下幾種:
      2.1 荷載引起的裂縫
        混凝土結構在常規靜、動荷載及次應力下產生的裂縫稱荷載裂縫,歸納起來主要有直接應力裂縫、次應力裂縫兩種。
      2.1.1 直接應力裂縫是指外荷載引起的直接應力產生的裂縫。裂縫產生的原因有:
        1、設計計算階段,結構計算時不計算或部分漏算;計算模型不合理;結構受力假設與實際受力不符;荷載少算或漏算;內力與配筋計算錯誤;結構安全系數不夠。結構設計時不考慮施工的可能性;設計斷面不足;鋼筋設置偏少或布置錯誤;結構剛度不足;構造處理不當;設計圖紙交代不清等。
        2、施工階段,不加限制地堆放施工機具、材料;不了解預制構件受力特點,隨意翻身、起吊、運輸、安裝;不按設計圖紙施工,擅自更改結構施工順序,改變結構受力模式;不對結構做機器振動下的疲勞強度驗算等。
        3、 使用階段,超出設計載荷的重型機械搬運安置過程中的接觸、撞擊;發生大風、大雪、地震、爆炸等。
      2.1.2 次應力裂縫是指由外荷載引起的次生應力產生裂縫。裂縫產生的原因有:
        1、在設計外荷載作用下,由于結構物的實際工作狀態同常規計算有出入或計算不考慮,從而在某些部位引起次應力導致結構開裂。例如兩鉸拱橋拱腳設計時常采用布置“X”形鋼筋、同時削減該處斷面尺寸的辦法設計鉸,理論計算該處不會存在彎矩,但實際該鉸仍然能夠抗彎,以至出現裂縫而導致鋼筋銹蝕。
        2、結構中經常需要鑿槽、開洞、設置牛腿等,在常規計算中難以用準確的圖式進行模擬計算,一般根據經驗設置受力鋼筋。研究表明,受力構件挖孔后,力流將產生繞射現象,在孔洞附近密集,產生巨大的應力集中。在長跨預應力連續梁中,經常在跨內根據截面內力需要截斷鋼束,設置錨頭,而在錨固斷面附近經?梢钥吹搅芽p。因此,若處理不當,在這些結構的轉角處或構件形狀突變處、受力鋼筋截斷處容易出現裂縫。
        實際工程中,次應力裂縫是產生荷載裂縫的最常見原因。次應力裂縫多屬張拉、劈裂、剪切性質。次應力裂縫也是由荷載引起,僅是按常規一般不計算,但隨著現代計算手段的不斷完善,次應力裂縫也是可以做到合理驗算的。例如現在對預應力、徐變等產生的二次應力,不少平面桿系有限元程序均可正確計算,但在40年前卻比較困難。在設計上,應注意避免結構突變(或斷面突變),當不能回避時,應做局部處理,如轉角處做圓角,突變處做成漸變過渡,同時加強構造配筋,轉角處增配斜向鋼筋,對于較大孔洞有條件時可在周邊設置護邊角鋼。
      2.1.3 荷載裂縫分類及其特征
         荷載裂縫特征依荷載不同而異呈現不同的特點。這類裂縫多出現在受拉區、受剪區或振動嚴重部位。但必須指出,如果受壓區出現起皮或有沿受壓方向的短裂縫,往往是結構達到承載力極限的標志,是結構破壞的前兆,其原因往往是截面尺寸偏小。根據結構不同受力方式,產生的裂縫特征如下:
        1、中心受拉。裂縫貫穿構件橫截面,間距大體相等,且垂直于受力方向。采用螺紋鋼筋時,裂縫之間出現位于鋼筋附近的次裂縫。
        2、中心受壓。沿構件出現平行于受力方向的短而密的平行裂縫。
        3、受彎。彎矩最大截面附近從受拉區邊沿開始出現與受拉方向垂直的裂縫,并逐漸向中和軸方向發展。采用螺紋鋼筋時,裂縫間可見較短的次裂縫。當結構配筋較少時,裂縫少而寬,結構可能發生脆性破壞。
        4、大偏心受壓。大偏心受壓和受拉區配筋較少的小偏心受壓構件,類似于受彎構件。
        5、小偏心受壓。小偏心受壓和受拉區配筋較多的大偏心受壓構件,類似于中心受壓構件。
        6、受剪。當箍筋太密時發生斜壓破壞,沿梁端腹部出現大于45°方向的斜裂縫;當箍筋適當時發生剪壓破壞,沿梁端中下部出現約45°方向相互平行的斜裂縫。
        7、受扭。構件一側腹部先出現多條約45°方向斜裂縫,并向相鄰面以螺旋方向展開。
        8、受沖切。沿柱頭板內四側發生約45°方向斜面拉裂,形成沖切面。
        9、局部受壓。在局部受壓區出現與壓力方向大致平行的多條短裂縫
      2.2 溫度變化引起的裂縫
        混凝土硬化期間水泥放出大量水化熱,內部溫度不斷上升,在表面引起拉應力。后期在降溫過程中,由于受到基礎或原有混凝上的約束,又會在混凝土內部出現拉應力。氣溫的降低也會在混凝土表面引起很大的拉應力,有時溫度應力可超過其它外荷載所引起的應力,當這些拉應力超出混凝土的抗裂能力時即會出現裂縫。因此掌握溫度應力的變化規律對于進行合理的結構設計和施工極為重要。溫度裂縫區別其它裂縫最主要特征是將隨溫度變化而擴張或合攏。
      2.3 收縮引起的裂縫
        在實際工程中,混凝土因收縮所引起的裂縫是最常見的。在混凝土收縮種類中,塑性收縮和縮水收縮(干縮)是發生混凝土體積變形的主要原因,另外還有自生收縮和炭化收縮。
         塑性收縮: 發生在施工過程中、混凝土澆筑后4~5小時左右,此時水泥水化反應激烈,分子鏈逐漸形成,出現泌水和水分急劇蒸發,混凝土失水收縮,同時骨料因自重下沉,因此時混凝土尚未硬化,稱為塑性收縮。塑性收縮所產生量級很大,可達1%左右。在骨料下沉過程中若受到鋼筋阻擋,便形成沿鋼筋方向的裂縫。在構件豎向變截面處如T梁、箱梁腹板與頂底板交接處,因硬化前沉實不均勻將發生表面的順腹板方向裂縫。為減小混凝土塑性收縮,施工時應控制水灰比,避免過長時間的攪拌,下料不宜太快,振搗要密實,豎向變截面處宜分層澆筑。
        縮水收縮(干縮): 混凝土結硬以后,隨著表層水分逐步蒸發,濕度逐步降低,混凝土體積減小,稱為縮水收縮(干縮)。因混凝土表層水分損失快,內部損失慢,因此產生表面收縮大、內部收縮小的不均勻收縮,表面收縮變形受到內部混凝土的約束,致使表面混凝土承受拉力,當表面混凝土承受拉力超過其抗拉強度時,便產生收縮裂縫;炷劣不笫湛s主要就是縮水收縮。如配筋率較大的構件(超過3%),鋼筋對混凝土收縮的約束比較明顯,混凝土表面容易出現龜裂裂紋。
        自生收縮: 自生收縮是混凝土在硬化過程中,水泥與水發生水化反應,這種收縮與外界濕度無關,且可以是正的(即收縮,如普通硅酸鹽水泥混凝土),也可以是負的(即膨脹,如礦渣水泥混凝土與粉煤灰水泥混凝土)。
        炭化收縮: 大氣中的二氧化碳與水泥的水化物發生化學反應引起的收縮變形。炭化收縮只有在濕度50%左右才能發生,且隨二氧化碳的濃度的增加而加快。炭化收縮一般不做計算。
      2.4 鋼筋銹蝕引起的裂縫
        由于混凝土質量較差或保護層厚度不足,混凝土保護層受二氧化碳侵蝕炭化至鋼筋表面,使鋼筋周圍混凝土堿度降低,或由于氯化物介入,鋼筋周圍氯離子含量較高,均可引起鋼筋表面氧化膜破壞,鋼筋中鐵離子與侵入到混凝土中的氧氣和水分發生銹蝕反應,其銹蝕物氫氧化鐵體積比原來增長約2~4倍,從而對周圍混凝土產生膨脹應力,導致保護層混凝土開裂、剝離,沿鋼筋縱向產生裂縫,并有銹跡滲到混凝土表面。由于銹蝕,使得鋼筋有效斷面面積減小,鋼筋與混凝土握裹力削弱,結構承載力下降,并將誘發其它形式的裂縫,加劇鋼筋銹蝕,導致結構破壞。
        要防止鋼筋銹蝕,設計時應根據規范要求控制裂縫寬度、采用足夠的保護層厚度(當然保護層亦不能太厚,否則構件有效高度減小,受力時將加大裂縫寬度);施工時應控制混凝土的水灰比,加強振搗,保證混凝土的密實性,防止氧氣侵入,同時嚴格控制含氯鹽的外加劑用量,沿海地區或其它存在腐蝕性強的空氣、地下水地區尤其應慎重。
      2.5 凍脹引起的裂縫
        大氣氣溫低于零度時,吸水飽和的混凝土出現冰凍,游離的水轉變成冰,體積膨脹9%,因而混凝土產生膨脹應力;同時混凝土凝膠孔中的過冷水(結冰溫度在-78度以下)在微觀結構中遷移和重分布引起滲透壓,使混凝土中膨脹力加大,混凝土強度降低,并導致裂縫出現。尤其是混凝土初凝時受凍最嚴重,成齡后混凝土強度損失可達30%~50%。冬季施工時對預應力孔道灌漿后若不采取保溫措施也可能發生沿管道方向的凍脹裂縫。
        溫度低于零度和混凝土吸水飽和是發生凍脹破壞的必要條件。當混凝土中骨料空隙多、吸水性強;骨料中含泥土等雜質過多;混凝土水灰比偏大、振搗不密實;養護不力使混凝土早期受凍等,均可能導致混凝土凍脹裂縫。冬季施工時,采用電氣加熱法、暖棚法、地下蓄熱法、蒸汽加熱法養護以及在混凝土拌和水中摻入防凍劑(但氯鹽不宜使用),可保證混凝土在低溫或負溫條件下硬化。

      2.6 材料質量引起的裂縫
        混凝土主要由水泥、砂、骨料、拌和水及外加劑組成。配置混凝土所采用材料質量不合格,可能導致結構出現裂縫。
      1、水泥
         a)、水泥安定性不合格,水泥中游離的氧化鈣含量超標。氧化鈣在凝結過程中水化很慢,在水泥混凝土凝結后仍然繼續起水化作用,可破壞已硬化的水泥石,使混凝土抗拉強度下降。
        b)、水泥出廠時強度不足,水泥受潮或過期,使混凝土強度不足,從而導致混凝土開裂。
        c)、當水泥含堿量較高(例如超過0.6 %),同時又使用含有堿活性的骨料,可能導致堿骨料反應。
      2、砂、石骨料
        a)、砂石的粒徑、級配、雜質含量。
        b)、砂石粒徑太小、級配不良、空隙率大,將導致水泥和拌和水用量加大,影響混凝土的強度,使混凝土收縮加大。砂石中云母的含量較高,將削弱水泥與骨料的粘結力,降低混凝土強度。砂石中含泥量高,不僅將造成水泥和拌和水用量加大,而且還降低混凝土強度和抗凍性、抗滲性。砂石中有機質和輕物質過多,將延緩水泥的硬化過程,降低混凝土強度。砂石中硫化物可與水泥中的鋁酸三鈣發生化學反應,體積膨脹2.5倍。
      3 、拌和水及外加劑
        拌和水或外加劑中氯化物等雜質含量較高時對鋼筋銹蝕有較大影響。采用海水或含堿泉水拌制混凝土,或采用含堿的外加劑,可能對堿骨料反應有影響。
      2.7 施工質量引起的裂縫
        在混凝土結構澆筑、構件制作、起模、運輸、堆放、拼裝及吊裝過程中,若施工工藝不合理、施工質量低劣,容易產生縱向的、橫向的、斜向的、豎向的、水平的、表面的、深進的和貫穿的各種裂縫,特別是細長薄壁結構更容易出現。裂縫出現的部位和走向、裂縫寬度因產生的原因而異,比較典型常見的有:
        1、混凝土保護層過厚,或亂踩已綁扎的上層鋼筋,使承受負彎矩的受力筋保護層加厚,導致構件的有效高度減小,形成與受力鋼筋垂直方向的裂縫。
        2、混凝土振搗不密實、不均勻,出現蜂窩、麻面、空洞,導致鋼筋銹蝕或其它荷載裂縫的起源點。
        3、混凝土澆筑過快,混凝土流動性較低,在硬化前因混凝土沉實不足,硬化后沉實過大,容易在澆筑數小時后發生裂縫,既塑性收縮裂縫。
        4、混凝土攪拌、運輸時間過長,使水分蒸發過多,引起混凝土塌落度過低,使得在混凝土體積上出現不規則的收縮裂縫。
        5、混凝土初期養護時急劇干燥,使得混凝土與大氣接觸的表面上出現不規則的 收縮裂縫。
        6、用泵送混凝土施工時,為保證混凝土的流動性,增加水和水泥用量,或因其它原因加大了水灰比,導致混凝土凝結硬化時收縮量增加,使得混凝土體積上出現不規則裂縫。
        7、混凝土分層或分段澆筑時,接頭部位處理不好,易在新舊混凝土和施工縫之間出現裂縫。如混凝土分層澆筑時,后澆混凝土因停電、下雨等原因未能在前澆混凝土初凝前澆筑,引起層面之間的水平裂縫;采用分段現澆時,先澆混凝土接觸面鑿毛、清洗不好,新舊混凝土之間粘結力小,或后澆混凝土養護不到位,導致混凝土收縮而引起裂縫。
        8、混凝土早期受凍,使構件表面出現裂紋,或局部剝落,或脫模后出現空鼓現象。
        9、施工時模板剛度不足,在澆筑混凝土時,由于側向壓力的作用使得模板變形,產生與模板變形一致的裂縫。
        10、施工時拆模過早,混凝土強度不足,使得構件在自重或施工荷載作用下產生裂縫。
        11、施工前對支架壓實不足或支架剛度不足,澆筑混凝土后支架不均勻下沉,導致混凝土出現裂縫。
        12、裝配式結構,在構件運輸、堆放時,支承墊木不在一條垂直線上,或懸臂過長,或運輸過程中劇烈顛撞;吊裝時吊點位置不當,T梁等側向剛度較小的構件,側向無可靠的加固措施等,均可能產生裂縫。
        13、安裝順序不正確,對產生的后果認識不足,導致產生裂縫。如鋼筋混凝土連續梁滿堂支架現澆施工時,鋼筋混凝土墻式護欄若與主梁同時澆筑,拆架后墻式護欄往往產生裂縫;拆架后再澆筑護欄,則裂縫不易出現。
        14、施工質量控制差。任意套用混凝土配合比,水、砂石、水泥材料計量不準,結果造成混凝土強度不足和其他性能(和易性、密實度)下降,導致結構開裂
      3 裂縫的控制措施
      3.1 設計方面
      1.設計中的‘抗’與‘放’。
        在建筑設計中應處理好構件中‘抗’與‘放’的關系。所謂‘抗’就是處于約束狀態下的結構,沒有足夠的變形余地時,為防止裂縫所采取的有力措施,而所謂‘放’就是結構完全處于自由變形無約束狀態下,有足夠變形余地時所采取的措施。設計人員應靈活地運用‘抗一放’結合、或以‘抗’為主、或以‘放’為主的設計原則。來選擇結構方案和使用的材料。
        1.設計中應盡量避免結構斷面突變帶來的應力集中。如因結構或造型方面原因等而不得以時,應充分考慮采用加強措施。
        2.積極采用補償收縮混凝土技術:
        見的混凝土裂縫中,有相當部分都是由于混凝土收縮而造成的。要解決由于收縮而產生的裂縫,可在混凝土中摻用膨脹劑來補償混凝土的收縮,實踐證明,效果是很好的。
        3.重視對構造鋼筋的認識:
        在結構設計中,設計人員應重視對于構造鋼筋的配置,特別是于樓面、墻板等薄壁構件更應注意構造鋼筋的直徑和數量的選擇。
        4.對于大體積混凝土,建議在設計中考慮采用60天齡期混凝土強度值作為設計值,以減少混凝土單方用灰量,并積極采用各類行之有效的混凝土摻合料。
      3.2 材料選擇和混凝土配合比設計方面
      1.根據結構的要求選擇合適的混凝土強度等級及水泥品種、等級,盡量避免采用早強高的水泥。
        2.選用級配優良的砂、石原材料,含泥量應符合規范要求。
        3.積極采用摻合料和混凝土外加劑。摻合料和外加劑目標已作為混凝土的第五、六大組份,可以明顯地起到降低水泥用量、降低水化熱、改善混凝土的工作性能和降低混凝土成本的作用。
        4.正確掌握好混凝土補償收縮技術的運用方法。對膨脹劑應充發考慮到不同品種、不同摻量所起到的不同膨脹效果。應通過大量的試驗確定膨脹劑的最佳摻量。
        5.配合比設計人員應深入施工現場,依據施工現場的澆搗工藝、操作水平、構件截面等情況,合理選擇好混凝土的設計坍落度,針對現場的砂、石原材料質量情況及時調整施工配合比,協助現場搞好構件的養護工作。
      3.3 現場操作方面
        1.澆搗工作:澆搗時,振搗捧要快插慢拔,根據不同的混凝土坍落度正確掌握振搗時間,避免過振或漏振,應提倡采用二次振搗、二次抹面技術,以排除泌水、混凝土內部的水分和氣泡。
        2.混凝土養護:在混凝土裂縫的防治工作中,對新澆混凝土的早期養護工作尤為重要。以保證混凝土在早期盡可能少產生收縮。主要是控制好構件的濕潤養護,對于大體積混凝土,有條件時宜采用蓄水或流水養護。養護時間為14—28天。
        3.混凝土的降溫和保溫工作:對于厚大體積混凝土,施工時應充分考慮水泥水化熱問題。采取必要的降溫措施(埋設散熱孔、通水排熱等),避免水化熱高峰的集中出現、降低峰值。澆搗成型后,應采取必要的蓄水保溫措施,表面覆蓋薄膜、濕麻袋等進行養護,以防止由于混凝土內外溫差過大而引起的溫度裂縫。
        4.避免在雨中或大風中澆灌混凝土。
        5.對于地下結構混凝土,盡早回填土,對減少裂縫有利。
        6.夏季應注意混凝土的澆搗溫度,采用低溫人模、低溫養護,必要時經試驗可采用冰塊,以降低混凝土原材料的溫度。
      4 裂縫處理
        建筑物從建成到使用,牽涉到設計、施工、監理、運營管理等各個方面。由上述可知,設計疏漏、施工低劣、監理不力,均可能使混凝土結構出現裂縫。因此,嚴格按照國家有關規范、技術標準進行設計、施工和監理,是保證結構安全耐用的前提和基礎。在運營管理過程中,進一步加強巡查和管理,及時發現和處理問題,也是相當重要的一個環節;炷亮芽p的處理主要有以下方法:
        1.表面處理法:包括表面涂抹和表面貼補法
        表面涂抹適用范圍是漿材難以灌入的細而淺的裂縫,深度未達到鋼筋表面的發絲裂縫,不漏水的縫,不伸縮的裂縫以及不再活動的裂縫。表面貼補(土工膜或其它防水片)法適用于大面積漏水(蜂窩麻面等或不易確定具體漏水位置、變形縫)的防滲堵漏
        2.填充法
        用修補材料直接填充裂縫,一般用來修補較寬的裂縫(0.3mm),作業簡單,費用低。寬度小于0.3mm,深度較淺的裂縫、或是裂縫中有充填物,用灌漿法很難達到效果的裂縫、以及小規模裂縫的簡易處理可采取開V型槽,然后作填充處理。
        3.灌漿法    此法應用范圍廣,從細微裂縫到大裂縫均可適用,處理效果好。
        4.結構補強法
        因超荷載產生的裂縫、裂縫長時間不處理導致的混凝土耐久性降低、火災造成的裂縫等影響結構強度可采取結構補強法。包括斷面補強法、錨固補強法、預應力法等
      5 結語
        綜上所述,對于混凝土裂縫的控制是一個綜合性的問題,需要經過設計、監理、施工及使用方等多方面的配合。隨著當今我們對混凝土耐久性研究的不斷深入,材料科學的不斷發展和建筑技術水平的不斷提高,相信混凝土裂縫問題將會逐漸得以圓滿地解決。

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