对混凝土结构产生裂缝的原因及预防措施的探讨

　　摘要：本文着重分析钢筋混凝土结构产生裂缝的各种原因，并根据大量工程实践和多方面的学术研究提出针对性的加固措施。

　　关键词：钢筋混凝土结构;裂缝;原因分析;预防措施

　　1概述

　　在现代化的社会建设中，钢筋混凝土构件的建筑物日渐成长, 以及商品混凝土的大量推广和混凝土强度等级的提高，结构裂缝出现的机率已成为一个普遍性的技术问题,在建筑工程施工过程中,轻则影响建筑结构美观和耐久性,重则危及建筑物安全和正常使用。它的出现不仅会降低建筑物的抗渗能力,影响建筑物的使用功能,而且会引起钢筋的锈蚀,混凝土的碳化,降低材料的耐久性,影响建筑物的承载能力,因此要对混凝土裂缝进行认真研究、区别对待,采用合理的方法进行处理,并在施工中采取各种有效的预防措施来预防裂缝的出现和发展,保证建筑物和构件安全、稳定地工作显得犹为重要，这也是笔者所要提及的关键所在。

　　2结构裂缝产生的原因及预防

　　结构裂缝产生的原因很复杂，根据国内外的调查资料，引起裂缝有两大类原因，一种由外荷载(如静、动荷载)的直接应力和结构次应力引起的裂缝，其机率约20%;一种是结构因温度、膨胀、收缩和不均匀沉降等因素由变形变化引起的裂缝，其机率约80%。裂缝发生与材料、设计、施工和维护有关，故作以下分析。

　　2.1材料缺陷

　　在变形裂缝中收缩裂缝占有80%的比例，从混凝土的性质来说大概有：

　　2.1.1自生收缩

　　密闭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。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以白干收缩为主。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，温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。

　　2.1.2干燥收缩

　　研究表明，水泥加水后变成水泥硬化体，其绝对体积减小。每l00克水泥水化后的化学减缩值为7～9ml，如混凝土水泥用量为35Okg/m3，则形成孔缝体积约25～30l/m3之巨。这是混凝土抗拉强度低和极限拉伸变形小的根本原因。研究表明，每lOOg水泥浆体可蒸发水约6ml，如混凝土水泥用量为350kg/m3，当混凝土在干燥条件下，则蒸发水量达2ll/m3。毛细孔缝中水逸出产生毛细压力，使混凝土产生“毛细收缩”。由此引起水泥砂浆的干缩值为0.1%～0.2%;混凝土的干缩值为0.04%～0.06%。而混凝土的极限拉伸值只有0.01%～0.02%，故易引起干缩裂缝，干燥收缩裂纹出现在接近1年龄期内。

　　2.1.3温差收缩

　　在混凝土硬化过程中，混凝土构筑物可能要承受各种温度和湿度及其它原因引起变形而产生应力裂缝，因为混凝土在内、外约束应力作用的情况下，混凝土构件的自约束应力是由于非线性的不均匀变形引起，它产生了局部裂缝，而混凝土构件(结构)在外部的约束应力由于结构与结构的相互约束，这种约束变形可能使混凝土构件(结构)产生贯穿性断裂和局部裂缝。

　　根据王铁梦教授的理论，在混凝土尤其是大体积混凝土浇捣完后，水泥已经开始水化，其混凝土内部的最高温度峰值可按以下经验公式计算，即：

　　T0=T+C·α

　　式中　T0——混凝土内部峰值温度(C°);

　　T——混凝土浇灌入模时的温度(C°);

　　C——每立方米混凝土水泥用量(kg/m3);

　　α——经验系数;当采用矿渣水泥、火山灰水泥、粉煤灰水泥时;α=0.1;当采用普通水泥时α=0.105。

　　当混凝土内部温度应力大于混凝土的拉应力时，混凝土结构将会出现裂缝，故在“混凝土结构工程施工及验收规范《GB50204——92》”中第4.5.3条明确规定，“对大体积混凝土的养护，应根据气候条件采取控温措施，并按需要测定浇筑后的混凝土表面和内部温度，将温差控制在设计要求的范围内;当设计无具体要求时，温差不宜超过25C°”。而在大体积混凝土施工中，往往设计上无明确的规定，只能靠施工的经验进行控制。

　　因为混凝土拌合物内的水泥在水化时，要产生大量的水化热，当混凝土内外温差超过一定的限度，先产生热涨，紧接着受外界低温度的影响，混凝土的拉应力大于混凝土的热涨应力时，便会产生由温度收缩裂缝。这种裂缝主要出现在大体积混凝土或在冬期施工的混凝土。

　　2.1.4塑性收缩

　　混凝土初凝之前出现泌水和水份急剧蒸发，引起失水收缩，此时骨料与水泥之间也产生不均匀的沉缩变形，它发生在混凝土终凝之前的塑性阶段，故称为塑性收缩。其收缩量可达1%左右。在混凝土表面上，特别在抹压不及时和养护不良的部位出现龟裂，宽度达l～2mm，属表面裂缝。水灰比过大，水泥用量大，外加剂保水性差，粗骨料少，振捣不良，环境温度高，表面失水大等都能导致混凝土塑性收缩而发生表面开裂现象。

　　以上是从水泥混凝土物理化学特性分析其各种收缩现象，早期塑性收缩会导致结构出现表面裂缝，混凝土进入硬化阶段后，混凝土水化热使结构产生温差收缩和干燥收缩(包括自干收缩)，这是诱发裂缝的主要原因。

　　2.2设计方面

　　2.2.1选用合理的设计模型及适宜的长度或体积。特别考虑温度变化和混凝土收缩对结构的影响。现行《混凝土结构设计规范》GB50011-2002中对此提出了几项具体措施：一是设置伸缩缝,对不同结构形式、外露环境有不同的要求。二是混凝土浇筑采用后浇带分段施工。这只能解决混凝土收缩应力问题,不能解决温度缝问题。三是采用专门的预加应力措施,以此抵消温度、收缩应力的影响。还有其它措施,如加强结构的薄弱环节,以提高其抗裂性能;采用可靠的滑动措施,以减小约束变形的摩擦阻力等。

　　2.2.2适当加强构造配筋,提高配筋率,尽量配置细而密的钢筋,以减少裂缝的宽度。在温度收缩应力较大的地方配置温度收缩钢筋。但对大体积混凝土,提高配筋率没有太大效果,因为其配筋率往往很低。

　　笔者认为，控制裂缝应该防患于未然，首先尽量预防有害裂缝，重点在防。我国混凝土结构工程向长大化、复杂化发展，混凝土设计强度等级向C40～C60发展，设计师多注重结构安全，而对变形裂缝控制考虑不周，这也是结构裂缝发生增多的原因之一。

　　2.3施工管理问题

　　混凝土配合比设计是否科学合理，水泥与外加剂是否相适应，砂石级配及其含泥量是否符合规范要求，混凝土坍落度控制是否合理，这些都影响到混凝土的质量及其收缩变形。

　　混凝土浇筑震捣不均匀密实，施工缝和细部处理马虎，会带来结构开裂的后患;过震则使浮浆过厚，抹压又不及时，则混凝土表面出现塑性裂缝，十分难看。边墙拆摸板过早(1～3d)，混凝土水化热正处于高峰，内外温差最大;混凝土易“感冒”开裂。混凝土养护十分重要，但许多施工单位忽视这一环节，尤其是墙体和柱梁的保温保湿养护不到位，容易产生收缩裂缝。某些露天构筑物尽管当地湿度很大，但由于吹风影响，加速了混凝土水分蒸发速度，亦即增加干缩速度，容易引起早期表面裂缝。这也许是夏季比秋冬季，南方比北方出现结构裂缝较多的原因。从已建工程调查中发现，底板养护较好，出现裂缝概率较低，而底板上外墙裂缝概率很高约占80%，这与保温保湿养护不足有很大关系。

　　除上述技术因素外，施工管理不严，赶进度，偷工减料，工人素质差，施工马虎等也是造成结构裂缝的人为因素。

　　2.4对维护缺乏认识

　　我们发现不少结构是在浇筑完3～6个月，甚至在l～2年内出现裂缝。除荷载问题外，主要是环境温度和风速引起的收缩变形所致。有些地下室不及时复土;上部结构不及时做好封闭;出人口长期敞开，屋面防水层破坏不及时修补等。这些与施工和业主对结构维护缺乏认识有关。钢筋混凝土结构与其他物件一样都存在“热胀冷缩”的特征，尤其超长结构更为明显，所以，应重视已浇结构的保温保湿维护工作。

　　3混凝土构件裂缝的处理

　　在现实工程实践中,裂缝是不可能避免的。对裂缝的处理,首先要分析其形成原因,是由设计、施工、材料还是其它因素引起的。混凝土构件的裂缝大致分三类。第一类是很细小的裂缝,或者说是规范所允许范围内的裂缝。这种裂缝一般不需要处理,第二类是超出规范允许范围内的,但并不影响结构安全问题的裂缝。这种裂缝一般需处理才能满足使用功能以及结构耐久性等,第三类是裂缝较大,影响到结构安全性的裂缝,这种裂缝的构件往往需要进行结构加固处理或拆除重建。处理方法大致两种,一是抹面处理,材料可为高强微膨胀砂浆,抗渗聚合物砂浆或用环氧玻璃封闭;二是压力灌浆法,材料可为水泥灌浆,水泥—水玻璃灌浆,环氧树脂以及现在所应用的一些化学聚合物等。

　　4结语

　　因为使用的混凝土是多种材料组成的一种混合体，且又是一种脆性材料，在受到温度、压力和外力的作用下，都有出现裂缝的可能性。笔者认为,查清引起混凝土裂缝产生的全部原因是解决裂缝这个“重症”的基础。只要我们全体混凝土工作者共同努力,先查清原因,后解决问题,裂缝问题最终总有一天会得到解决。相信我们在设计、施工和选材方面做好各项控制措施,防裂于未来,混凝土这种材料,必将更广泛的应用于工程实践,更好的服务于社会。

　　参考文献

　　[1] 王铁梦.工程结构裂缝控制[M].北京:中国建筑工业出版社,1999.

　　[2]建筑施工手册(第四版)缩印本中国建筑工业出版社出版、发行2003，北京。

　　[3] 混凝土结构设计规范GB 50010一2002.中国建筑工业出版社2002,北京。

　　[4]王昭元.水泥混凝土收缩裂缝问题成因分析(内部交流资料)

　　[5]普通混凝土拌合物性能试验方法标准GB/T 50080━2002中华人民共和国建设部2003。

　　[6]混凝土外加剂应用技术规范GB50119-2003中国建筑工业出版社出版、发行2003。

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