混凝土裂缝原因分析及预防

正 文混凝土是一种由砂石骨料、水泥、水及其他外加材料混合而成的非均质脆性材料。在当今的整个社会的建设中，几乎不论什么样的建筑都采用钢筋混凝土结构，正是因为该建筑材料物美价廉，施工方便，承载力大，可装饰性强等特点，它日益受到人们的欢迎。但是，由于混凝土施工和本身变形、约束等一系列问题，硬化成型的混凝土中存在着众多的微孔隙、气穴和微裂缝，正是由于这些初始缺陷的存在才使混凝土呈现出一些非均质的特性。在使用混凝土的同时，如果对混凝土的性能了解不深入，那么往往在工程完毕后的十几天，一个月或者是更长一点的时间后，混凝土结构物一旦出现裂缝或者其他不良反映，就会给人们心理造成担忧和后怕。近代科学关于混凝土工作及大量的混凝土工程实践表明，混凝土在其硬化过程中由于水泥凝胶体体积缩小，在骨料界面上形成许多裂缝，也称为微裂缝。大量的研究证明微裂缝通常是一种无害裂缝，对混凝土的承重、防渗及其他一些使用功能不产生危害。但在混凝土受到荷载、温差等作用之后，这些微裂缝将会不断扩展和相互贯通，延伸到混凝土表面，形成我们肉眼可见的宏观裂缝，也就是混凝土工程中通常所说的裂缝，其宽度应在0.05mm以上。本文也主要是针对这种裂缝进行分析。一般来说混凝土建筑和构件都是带裂缝工作的，虽然裂缝是混凝土不可避免的一种材料特性，但裂缝的存在和发展通常会使混凝土内部的钢筋等材料发生腐蚀，降低钢筋混凝土材料的承载能力、耐久性及抗渗能力，不仅影响到建筑结构物的外表美观性，而且还直接影响其使用寿命，并威胁到人们的生命和财产安全。因此在工程实践中，必须采取有效的措施将混凝土裂缝所产生的危害程度控制在一定的有效范围之内。钢筋混凝土规范也明确规定：有些结构在所处的不同条件下，允许存在一定宽度的裂缝。但在施工中应尽量采取有效措施控制这样裂缝的产生，使得结构尽可能不出现裂缝或尽量减少裂缝的数量和宽度，尤其是要尽量避免有害裂缝的产生，从而确保工程质量。本文就主要针对混凝土裂缝形成的原因进行分析，并提出相应的预防措施。1.混凝土裂缝的分类及其原因分析混凝土结构中常见的裂缝从其产生的原因加以区分，可以分为两类：受力裂缝和非受力裂缝。1.1受力裂缝这类裂缝是混凝土结构承受荷载作用时在结构的某些部位所产生的拉应力超过了材料的抗拉强度而引起的，因此又称为“荷载裂缝”。除正常使用的预应力混凝土结构外，普通混凝土结构受力后均会产生受力裂缝。1.2非受力裂缝由于混凝土的体积收缩、温度变化、沉陷位移等非荷载因素作用在混凝土中引起约束应力而造成的裂缝称之为非受力裂缝，又称为“非荷载裂缝”。非受力裂缝一般为平行裂缝，往往贯穿载面，引起渗漏等影响使用功能的后果。同受力裂缝相比，这类裂缝更易为人们所发现，对结构物使用功能的影响也更大，而且有损结构的耐久性，同时也是引起建筑结构矛盾纠纷的主要原因。因此非受力裂缝的预防是混凝土结构中裂缝控制的主要方面。本文也将混凝土结构中的非受力裂缝作为主要的研究对象来加以分析。混凝土结构的非受力裂缝根据产生的具体原因不同还可以分为：塑性裂缝、温度应力裂缝、干燥收缩裂缝、自收缩裂缝以及其他原因引起的裂缝（主要有沉陷位移和化学作用所引起的裂缝）。1.2.1塑性裂缝混凝土硬化以前新拌混凝土的塑性裂缝，主要有：a）新拌混凝土在可塑状态下凝结收缩而产生的塑性收缩裂缝；b）可塑状态下新拌混凝土，其组成材料因受力下沉不均匀或下沉受阻而产生的塑性沉降裂缝；c）可塑状态下的混凝土因模板变形、支架下沉或受到施工过程中的扰动、 移动等原因而产生的其他塑性裂缝。这其中塑性收缩裂缝是较为常见的一种塑性裂缝。塑性收缩是指混凝土在凝结之前，表面因失水较快而产生的收缩。塑性收缩裂缝一般在干热或大风天气出现，裂缝多呈中间宽、两端细且长短不一，互不连贯状态。较短的裂缝一般长2030cm，较长的裂缝可达23，宽15mm。其产生的主要原因为：混凝土在终凝前几乎没有强度或强度很小，或者混凝土刚刚终凝而强度很小时，受高温或较大风力的影响，混凝土表面失水过快，造成毛细管中产生较大的负压而使混凝土体积急剧收缩，而此时混凝土的强度又无法抵抗其本身收缩，因此产生龟裂。影响混凝土塑性收缩开裂的主要因素有水灰比、混凝土的凝结时间、环境温度、风速、相对湿度等等。1.2.2温度裂缝温度裂缝多发生在大体积混凝土表面或温差变化较大地区的混凝土结构中。混凝土浇筑后,在硬化过程中,水泥水化产生大量的水化热，（当水泥用量在350550kg/m3，每立方米混凝土将释放出1750027500kJ的热量，从而使混凝土内部温度升达70左右甚至更高）。由于混凝土的体积较大，大量的水化热聚积在混凝土内部而不易散发，导致内部温度急剧上升，而混凝土表面散热较快，这样就形成内外的较大温差，较大的温差造成内部与外部热胀冷缩的程度不同，使混凝土表面产生一定的拉应力（实践证明当混凝土本身温差达到2526时，混凝土内便会产生大致在10MPa左右的拉应力）。当拉应力超过混凝土的抗拉强度极限时，混凝土表面就会产生裂缝，这种裂缝多发生在混凝土施工中后期。在混凝土的施工中当温差变化较大，或者是混凝土受到寒潮的袭击等，会导致混凝土表面温度急剧下降，而产生收缩，表面收缩的混凝土受内部混凝土的约束，将产生很大的拉应力而产生裂缝，这种裂缝通常只在混凝土表面较浅的范围内产生。 温度裂缝的走向通常无一定规律，大面积结构裂缝常纵横交错；梁板类长度尺寸较大的结构，裂缝多平行于短边；深入和贯穿性的温度裂缝一般与短边方向平行或接近平行，裂缝沿着长边分段出现，中间较密。裂缝宽度大小不一，受温度变化影响较为明显，冬季较宽，夏季较窄。高温膨胀引起的混凝土温度裂缝是通常中间粗两端细，而冷缩裂缝的粗细变化不太明显。此种裂缝的出现会引起钢筋的锈蚀，混凝土的碳化，降低混凝土的抗冻融、抗疲劳及抗渗能力等。1.2.3干燥收缩裂缝干燥收缩裂缝多出现在混凝土养护结束后的一段时间或是混凝土浇筑完毕后的一周左右。水泥浆中水分的蒸发会产生干缩，且这种收缩是不可逆的。干缩裂缝的产生主要是由于混凝土内外水分蒸发程度不同而导致变形不同的结果：混凝土受外部条件的影响，表面水分损失过快，变形较大，内部湿度变化较小变形较小，较大的表面干缩变形受到混凝土内部约束，产生较大拉应力而产生裂缝。相对湿度越低，水泥浆体干缩越大，干缩裂缝越易产生。干缩裂缝多为表面性的平行线状或网状浅细裂缝，宽度多在0.050.2mm之间，大体积混凝土中平面部位多见，较薄的梁板中多沿其短向分布。干缩裂缝通常会影响混凝土的抗渗性，引起钢筋的锈蚀影响混凝土的耐久性，在水压力的作用下会产生水力劈裂影响混凝土的承载力等等。混凝土干缩主要和混凝土的水灰比、水泥的成分、水泥的用量、集料的性质和用量、外加剂的用量等有关。1.2.4自收缩裂缝自生收缩是水泥水化作用引起的收缩， 并不属于干燥收缩。密封的混凝土内部相对湿度随水泥水化的进展而降低，称为自干燥。自干燥造成毛细孔中的水分不饱和而产生负压，因而引起混凝土的自生收缩。水泥水化本身造成体积膨胀，但如将参与水化反应的水的体积加在一起， 则水化前后水泥与水的总体积减少。在已硬化的水泥浆体中，未水化的水泥继续水化是产生自生收缩的主要原因。 自生收缩主要发生在混凝土硬化的早期， 一般认为混凝土在开始硬结后的几天或几周内可完成自生收缩。高水灰比的普通混凝土（OPC）由于毛细孔隙中贮存大量水分，自干燥引起的收缩压力较小，所以自生收缩值较低而不被注意。但是，低水灰比的高性能混凝土（HPC）则不同，早期强度较高的发展率会使自由水消耗较快，以至使孔体系中的相对湿度低于80%。而HPC结构致密，外界水泥很难渗入补充，在这种条件下开始产生自干收缩。研究表明，龄期2个月水胶比为0.4的HPC，自干收缩率为0.01%，水胶比为0.3的HPC，自干收缩率为0.02%。HPC的总收缩中干缩和自收缩几乎相等，水胶比越小自收缩所占比例越大。由此可知，HPC的收缩性与OPC完全不同，OPC以干缩为主，而HPC以自干收缩为主。问题的要害是：HPC自收缩过程开始于水化速率处于高潮阶段的头几天，湿度梯度首先引发表面裂缝，随后引发内部微裂缝，若混凝土变形受到约束，则进一步产生收缩裂缝。这是高标号混凝土容易开裂的主要原因之一。水灰比的变化对于干燥收缩和自生收缩的影响正相反，当水灰比降低时，混凝土的干燥收缩减小，而自生收缩增大。 如当水灰比大于0.5时，其自生收缩与干缩相比小得可以忽略不计。但是当水灰比小于0.35时，混凝土内相对湿度很快降到80%以下，自生收缩与干缩则接近各占一半；当水灰比低至0.17时，则自生收缩要占100%，而干缩为0，意味着即使在很干燥的环境中也没有水分向外蒸发，水灰比较小的高性能混凝土自收缩过程开始于水化速度处于高潮阶段的头几天，湿度梯度首先引发表面裂缝，随后引发内部裂缝，若混凝土变形受到约束，则进一步产生收缩裂缝， 这也是高强混凝土容易开裂的主要原因之一。1.2.5沉陷位移引起的裂缝沉陷裂缝的产生是由于结构地基土质不匀、松软，或回填土不实或浸水而造成不均匀沉降所致；或者因为模板刚度不足，模板支撑间距过大或支撑底部松动等导致，特别是在冬季，模板支撑在冻土上，冻土化冻后产生不均匀沉降，致使混凝土结构产生裂缝。此类裂缝多为深进或贯穿性裂缝，其走向与沉陷情况有关，一般沿与地面垂直或呈3045角方向发展，较大的沉陷裂缝，往往有一定的错位，裂缝宽度往往与沉降量成正比关系。裂缝宽度受温度变化的影响较小。地基变形稳定之后，沉陷裂缝也基本趋于稳定。1.2.6化学作用引起的裂缝碱骨料反应裂缝和钢筋锈蚀引起的裂缝是钢筋混凝土结构中最常见的由于化学反应而引起的裂缝。 碱骨料反应是指水化水泥中的碱性物质与骨料中可反应化学成分之间发生化学反应。一般来说有两类碱骨料反应：碱-碳反应：碱性物质与含有碳酸盐类物质的骨料（如白云石等）发生化学反应；另一类是碱-硅反应：碱性物质与含硅酸盐类物质的骨料（如蛋白石和硅酸石灰石等）发生化学反应。碱骨料反应的结果是在水泥骨料表面发生膨胀性断裂，从而导致混凝土结构开裂。这种裂缝一般出现中混凝土结构使用期间，一旦出现很难补救，因此应在施工中采取有效措施进行预防。 由于混凝土浇筑、振捣不良或者是钢筋保护层较薄，有害物质进入混凝土结构中就会使钢筋产生锈蚀。锈蚀是金属铁发生氧化的电化学过程，生成氧化铁。氧化铁的体积比金属铁大，因此钢筋锈蚀会导致混凝土开裂。而开裂又使得水、二氧化碳和盐更容易进入到混凝土结构内部，从而又加速了钢筋锈蚀的速度。 钢筋锈蚀需要水和氧气同时存在。当混凝土结构内部的相对湿度达到40%时，锈蚀就开始了，相对湿度达到70-80%时，锈蚀速度达到最大。当相对湿度超过70-80%或整个混凝土结构完全浸没在水里时，由于氧的供应量不足，因此锈蚀速度反而下降了。另一方面，氯离子的存在会加速锈蚀速度。 炭化反应主要是水泥中的石灰，大气中的二氧化碳和某些酸性物质，如二氧化硫和二氧化氮之间的反应。这个中性化反应的结果导致混凝土pH值的下降，使得钢筋表面的钝化膜逐步丧失而引发钢筋锈蚀。同时炭化反应也会加剧由于氯离子渗入而导致的锈蚀。锈蚀的钢筋体积膨胀，导致混凝土胀裂，此种类型的裂缝多为纵向裂缝，沿钢筋的位置出现。2.对混凝土工程中常见的裂缝的预防上文对混凝土结构裂缝的种类及其产生的原因进行了分析。因此在实际工程中要对这些裂缝区别对待，根据实际情况解决问题。下面就着重针对上述这几类裂缝提出一些预防的方案。2.1受力裂缝的控制控制受力裂缝的主要措施有：施加预应力造成混凝土的预压应力足以抵消其拉应力；增加配筋以降低钢筋的应力；采用粘结性较好的钢筋以减少钢筋与混凝土的应变差；采用细直径钢筋并在允许的条件下减少钢筋保护层的厚度等。2.2非受力裂缝的预防2.1.1塑性裂缝的预防控制混凝土结构塑性开裂主要是要控制混凝土的泌水量。因此对塑性收缩裂缝的主要预防措施有：一是选用干缩值较小，早期强度较高的硅酸盐或普通硅酸盐水泥；二是严格控制水灰比，掺加高效减水剂来增加混凝土的坍落度和和易性，减少水泥及水的用量；三是浇筑混凝土之前，将基层和模板浇水均匀湿透；四是及时覆盖塑料薄膜或者潮湿的草垫、麻片等，保持混凝土终凝前表面湿润，或者在混凝土表面喷洒养护剂等进行养护；五是在高温和大风天气要设置遮阳和挡风设施，及时养护。2.2.2温度裂缝的预防对温度裂缝的主要预防措施有：一是尽量选用低热或中热水泥，如矿渣水泥、粉煤灰水泥等；二是减少水泥用量,将水泥用量尽量控制在450kg/m3以下；三是降低水灰比，一般混凝土的水灰比控制在0.6以下；四是改善骨料级配，掺加粉煤灰或高效减水剂等来减少水泥用量,降低水化热；五是改善混凝土的搅拌加工工艺，在传统的三冷技术的基础上采用二次风冷新工艺，降低混凝土的浇筑温度；六是在混凝土中掺加一定量的具有减水、增塑、缓凝等作用的外加剂，改善混凝土拌合物的流动性、保水性，降低水化热，推迟热峰的出现时间；七是高温季节浇筑时可以采用搭设遮阳板等辅助措施控制混凝土的温升，降低浇筑混凝土的温度；八是大体积混凝土的温度应力与结构尺寸相关，混凝土结构尺寸越大，温度应力越大，因此要合理安排施工工序，分层、分块浇筑，以利于散热，减小约束；九是在大体积混凝土内部设置冷却管道，通冷水或者冷气冷却，减小混凝土的内外温差；十是加强混凝土温度的监控，及时采取冷却、保护措施；十一是预留温度收缩缝；十二是减小约束，浇筑混凝土前宜在基岩和老混凝土上铺设5mm左右的砂垫层或使用沥青等材料涂刷；十三是加强混凝土养护，混凝土浇筑后，及时用湿润的草帘、麻片等覆盖，并注意洒水养护，适当延长养护时间，保证混凝土表面缓慢冷却。在寒冷季节，混凝土表面应设置保温措施，以防止寒潮袭击；十四是混凝土中配置少量的钢筋或者掺入纤维材料将混凝土的温度裂缝控制在一定的范围之内。2.2.3干燥收缩裂缝的预防对干燥收缩裂缝的主要预防措施有：一是选用收缩量较小的水泥，一般采用中低热水泥和粉煤灰水泥，降低水泥的用量；二是混凝土的干缩受水灰比的影响较大，水灰比越大,干缩越大，因此在混凝土配合比设计中应尽量控制好水灰比的选用，同时掺加合适的减水剂；三是严格控制混凝土搅拌和施工中的配合比，混凝土的用水量绝对不能大于配合比设计所给定的用水量；四是加强混凝土的早期养护，并适当延长混凝土的养护时间。冬季施工时要适当延长混凝土保温覆盖时间，并涂刷养护剂养护；五是在混凝土结构中设置合适的收缩缝。2.2.4沉陷位移引起的裂缝的预防对沉陷位移引起的裂缝，其主要预防措施有：一是对松软土、填土地基在上部结构施工前应进行必要的夯实和加固；二是保证模板有足够的强度和刚度，且支撑牢固，并使地基受力均匀；三是防止混凝土浇灌过程中地基被水浸泡；四是模板拆除的时间不能太早，且要注意拆模的先后次序；五是在冻土上搭设模板时要注意采取一定的预防措施。2.2.5化学作用引起的裂缝的预防对由于碱骨料反应所引起的裂缝，主要的预防措施有：一是选用碱活性小的砂石骨料；二是选用低碱水泥和低碱或无碱的外加剂；三是选用合适的掺和料抑制碱骨料反应。对由于钢筋锈蚀所引起的裂缝，通常的预防措施有：一是保证钢筋保护层的厚度；二是混凝土级配要良好；三是混凝土浇注要振捣密实；四是钢筋表层涂刷防腐涂料。3.裂缝的处理根据上文所述裂缝的性质和具体情况我们要区别对待、及时处理，以保证建筑物的安全使用。混凝土裂缝的修补处理措施主要有以下一些方法：表面修补法，灌浆、嵌逢封堵法，结构加固法，混凝土置换法，电化学防护法以及仿生自愈合法。3.1表面修补法 表面修补法是一种简单、常见的修补方法，它主要适用于稳定和对结构承载能力没有影响的表面裂缝以及深进裂缝的处理。通常的处理措施是在裂缝的表面涂抹水泥浆、环氧胶泥或在混凝土表面涂刷油漆、沥青等防腐材料，在防护的同时为了防止混凝土受各种作用的影响继续开裂，通常可以采用在裂缝的表面粘贴玻璃纤维布等措施。3.2灌浆、嵌逢封堵法 灌浆法主要适用于对结构整体性有影响或有防渗要求的混凝土裂缝的修补，它是利用压力设备将胶结材料压入混凝土的裂缝中，胶结材料硬化后与混凝土形成一个整体，从而起到封堵加固的目的。常用的胶结材料有水泥浆、环氧树脂、甲基丙烯酸酯、聚氨酯等化学材料 嵌缝法是裂缝封堵中最常用的一种方法，它通常是沿裂缝凿槽，在槽中嵌填塑性或刚性止水材料，以达到封闭裂缝的目的。常用的塑性材料有聚氯乙烯胶泥、塑料油膏、丁基橡胶等等；常用的刚性止水材料为聚合物水泥砂浆。3.3结构加固法 当裂缝影响到混凝土结构的性能时，就要考虑采取加固法对混凝土结构进行处理。结构加固中常用的主要有以下几种方法：加大混凝土结构的截面面积，在构件的角部外包型钢、采用预应力法加固、粘贴钢板加固、增设支点加固以及喷射混凝土补强加固。3.4混凝土置换法 混凝土置换法是处理严重损坏混凝土的一种有效方法，此方法是先将损坏的混凝土剔除，然后再置换入新的混凝土或其他材料。常用的置换材料有：普通混凝土或水泥砂浆、聚合物或改性聚合物混凝土或砂浆。3.5电化学防护法 电化学防腐是利用施加电场在介质中的电化学作用，改变混凝土或钢筋混凝土所处的环境状