混凝土裂缝的成因及防治

□胥书亭（长葛市佛耳岗水库管理所）

一、引言

混凝土广泛应用于现代工程建设中，一个相当普遍的问题是混凝土出现裂缝，并且日趋增多，困扰着大批工程技术人员，也是迫切需要解决的技术难题。

二、混凝土裂缝产生的主要原因

混凝土裂缝产生的原因有很多，既有材料及构件本身的物理化学性能原因，也受施工环境条件、施工技术及管理、自然条件等多方面影响，一般分析来说较为常见的有以下几种：

一是外荷载引起的裂缝。这是最为普遍的一种，按照常规计算的主要应力引起的裂缝。

二是结构次应力引起的裂缝。这是由于结构的实际工作状态与计算假设模型的差异造成的。

三是变形应力引起的膨胀。这是由温度、收缩、不均匀沉降和冻胀等引起的结构变形，当变形受到约束时便产生应力，当应力超过混凝土抗拉强度时便产生裂缝。

四是混凝土施工浇筑过程中施工不当造成的裂缝，这也是理论受力分析之外最不可预测的因素，也是现场施工管理最主要的解决对象。

三、混凝土裂缝的分类

从表面效果来分，混凝土结构物的裂缝可分为可见裂缝（也称宏观裂缝）和微细裂缝。

宏观裂缝指肉眼可见的裂缝，其危害性表现的时间较早，一般情况下都能得到及时的解决。

微细裂缝指那些一般情况下肉眼看不见的裂缝，主要有3种：骨料与混凝土粘合面上的裂缝称为附着裂缝；水泥石中自身的裂缝称为水泥石裂缝；骨料本身的裂缝称为骨料裂缝。

微细裂缝在混凝土结构中的分布是不规则的，只有在某些特定条件下才会表现出来，因此常常不能引起重视，当其呈现出使用功能的问题时，维修已很难进行。

四、混凝土裂缝的限值

混凝土的裂缝虽然是不可避免的，其中的微裂缝更是混凝土本身的物理力学性质决定的，但危害程度是可以控制的，危害程度的标准可以根据使用条件所决定。从结构耐久性、承载力和正常使用要求来看，最严格的允许裂缝宽度为0.1mm；近年来，根据大量试验与泵送混凝土的经验将其宽度放宽到0.2mm。当结构所处的环境正常，保护层厚度符合设计要求，无侵蚀介质的条件下，钢筋混凝土裂缝的限值可到0.4mm；湿气及土中为0.3mm，海水及干湿交替中为0.14mm。沿受力钢筋的顺筋方向裂缝有害程度较高，必须处理。

五、混凝土工程中常见裂缝及预防

（一）干缩裂缝及预防

干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0.05～0.2mm，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。

主要预防措施：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。

（二）塑性收缩裂缝及预防

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，裂缝多呈现中间宽、两端细且长短不一，互不连贯状态。较短的裂缝一般长 20～30cm，较长的裂缝可达 2～3m，宽 1～5mm。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，造成毛细血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。

主要预防措施：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。

（三）沉陷裂缝及预防

沉陷裂缝的产生是由于结构地基土质不匀、松软，或回填土不实及浸水而造成不均匀的沉降；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成30～45°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。

主要预防措施：一是对松软土、填土地基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。

（四）温度裂缝及预防

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350～550kg/m3，1m3混凝土将释放出17500～27500kJ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25～26℃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，大面积结构裂缝通常纵横交错；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通常是中间粗两端细，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。

主要预防措施：尽量选用低热或中热水泥，如矿渣水泥、粉煤灰水泥等。减少水泥用量，将水泥用量尽量控制在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。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。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“二冷风冷”新工艺，降低混凝土的浇筑温度。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。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升温，降低浇筑混凝土的温度。大体积混凝土的温度应与结构尺寸相关，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。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。加强混凝土温度的监控，及时采取冷却、保护措施，预留温度收缩缝。为减小约束，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。为加强混凝土养护，混凝土浇筑后，应及时用湿润的草帘、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。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范围之内。

（五）化学反应引起的裂缝及预防

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，是化学反应而引起的裂缝。

混凝土拌和后产生一些碱性离子，这些离子与某些活性骨料产生化学反应，并吸收周围环境中的水而体积增大，造成混凝土酥松、膨胀开裂。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。主要的预防措施：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。

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，使钢筋产生锈蚀，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。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。三是混凝土浇筑要振捣密实。四是钢筋表层涂刷防腐涂料。

（六）冻胀裂缝及预防

在冬季与水接触的建筑常因冻胀作用而遭到破坏。如土坝上游护坡常因冰拔或冰推作用而破坏；混凝土建筑物的迎水面水位变化区常因冻融而破坏，表现为混凝土表面酥松剥落、强度降低；渠道建筑物的柱基甚至会被冻胀拔起；渠道衬砌混凝土板因冻胀产生裂缝、变形、错位。

冻胀裂缝的产生是由于混凝土内部存在渗水孔隙，孔隙中又有水，这些水结冰时体积膨胀9%，产生膨胀力作用在孔隙或毛细管壁上。同时，混凝土在冻结过程中，还有可能出现过冷水在孔隙中迁移，在混凝土中产生渗透压力，也作用在管壁上。这两种压力在混凝土冻结过程中出现，在融化中消失，如此周期性的作用，会使孔隙产生微裂缝，并逐渐扩展增多，强度降低，混凝土表面开始剥落甚至整体破坏。

在渠道运行过程中，一是混凝土本身还有微量的透水性；二是在混凝土板的伸缩缝处还可能会出现一些渗水现象；三是雨水从渠道压顶后部可能会渗入混凝土板与土坡交界处等。冬季灌溉运行时冻胀甚微，经过长时间输水而突然停水后，渠道水位线以下基本上呈饱和状态，在没有来得及下渗的情况下便固化了，这种固化将会形成强大的作用力而作用在混凝土板上，并以渠底作为支点，水面以下部分作为受力线（或面），致使混凝土板产生裂缝、变形、错位。

水工建筑物受冰害的主要部位有护坡、溢洪道闸门、输水及泄水建筑物的进水口闸门、拦栅及支架，以及进口两侧的导墙等。除在结构上采取防冻加强措施外，对已建工程可以采用以下防冰冻措施：

1.防止建筑物周边结冰的措施

主要方法有加热防冻法：具体为热风法、电热法和蒸汽热水法。

热风法是通过喷风管上的大量小孔，将热风送到加热部位，适用于闸门槽侧边、底部和背面。此法防冻效果好，维修容易，但设备费用高，用电量大。

电热法是用电热管等电加热器，直接或间接使物体加热，优点是设备简单，加热效果好，适用于闸槽侧壁和底部，但易断电，外露时易损坏。

蒸汽热水法是用管道将热水（汽）通至需要防冻部位，需要锅炉及较长保温管道，热量损失大，费用较高。

2.在结构及管理上采用防护措施

在冰冻地区的护坡，应有足够的重量，砌筑整体性要好，且应有较好的表面平整度。通常用混凝土板或石料较好，在选料时应选抗冻性强的石料，施工时石料应相互咬紧。护坡厚度，块径大小应由抗冻计算确定或参考当地成功的经验。混凝土板块的整体性差，重量较轻，厚度大小由冰情及风浪条件确定，在寒冷地区一般应＞20cm。

3.合理确定建筑物的位置和布置

取水建筑物进水塔应避免设在离坝较远的水库中，并以竖井式结构为宜，否则应尽量贴近坝坡，加强结构刚度。泄洪闸的位置尽量后移，使闸前有一定长度的引渠或喇叭口段。水工建筑物的防冰防冻害问题有许多地区和单位都在进行探索，随着工程管理工作的深入，将会有更多更好的经验得到运用和推广。

六、裂缝处理

（一）表面修补法

表面修补法是一种简单、常见的补修方法，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。

（二）灌浆、嵌缝封堵法

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，它通常是沿裂缝的凿槽，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，常用的刚性止水材料为聚合物水泥砂浆。

（三）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。

（四）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。

（五）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态，钝化钢筋，以达到防腐的目的。阴极防护法、氯盐提取法、碱性复原法是化学防护法中常用而有效的3种方法。这种方法的优点是防护方法受环境因素影响较小，适用钢筋、混凝土的长期防腐，既可用于已开裂结构，也可用于新建结构。

（六）仿生自愈合法

仿生自愈合法是一种新的裂缝处理方法，它模仿生物组织对受创伤部位自动分泌某种物质，而使创伤部位得到愈合的机能；在混凝土的传统组分中加入某些特殊组分（如含粘结剂的液芯纤维或胶囊），在混凝土内部形成智能型仿生自愈合神经网络系统，当混凝土出现裂缝时分泌出部分液芯纤维可使裂缝重新愈合。