混凝土建筑物产生裂缝的原因分析及预防控制措施

高小玲

(四川二滩建设咨询有限公司，四川成都 610051)

1 概述

混凝土为不均匀的脆性材料，抗裂能力较低。水泥混凝土易于开裂的本质在于其粒子与粒子之间仅存在弱物理键的相互作用，抗拉强度比抗压强度要小一个数量级，而其微结构的不均匀性以及在硬化早期因多方面原因造成的损伤、微裂缝和拉应力(自生变形、塑性变形、干湿变形和温度变形引起的拉应力超过混凝土的抗拉强度时就会发生裂缝)进一步使其易于开裂，且出现裂缝的时间和部位呈现随机性。近年来，混凝土施工产生裂缝的原因主要与使用高活性水泥、人工碎石骨料的缺陷、掺大量矿物细粉及混凝土生产中使用高效减水剂、混凝土配合比水灰比过低和混凝土施工过程控制不当有关。笔者就混凝土产生裂缝的原因进行了分析，并对预防控制措施进行了探讨。

2 混凝土建筑物产生裂缝的原因

2.1 原材料引起混凝土建筑物产生裂缝的原因

(1)高活性水泥的使用。近年来，各水泥厂家生产的水泥比表面积较小、水泥细度过细导致水泥活性过高，不利于混凝土抗裂性和耐久性。国家标准对不同品种水泥的比表面积的控制上限没有要求。由于水泥标准和试验方法的改变，有些水泥厂把水泥磨得很细，并在使用该类水泥拌制混凝土时用水量较大，水化反应过快，从而造成混凝土早期水化热过高，温升过快，早期强度过高(类似早强水泥)，弹性模量增加，同时自生变形、干缩变形、温度变形的速度、程度也大为提高，叠加产生的拉应力超过抗拉强度，最终导致混凝土产生裂缝。过细的水泥对高效减水剂的相容性也不利。

(2)骨料先天性的缺陷。近年来，由于建筑业的大发展及施工现场料源条件限制，大部分建筑物使用的都是由施工现场开采的岩石加工的骨料，有的骨料是具有潜在危害性反应的活性骨料，有的骨料强度过高，对水泥石的膨胀和收缩产生比较强的抑制作用，有些岩石加工的骨料粒形不好，类似针片状骨料含量高，而且表面裹粉较多，骨料吸水率较大，有些岩石加工的细骨料石粉含量高(高石粉含量会加速水泥水化，提高水泥的活性)，细度模数小，上述情况会使骨料比表面积和空隙率较大，所拌制的混凝土用水量较大，和易性较差，容易在颗粒下面形成空穴，以及由泌水形成空隙，从而不利于骨料与水泥石的粘结，导致水泥石及水泥石与骨料界面产生微裂缝，降低混凝土的强度。若要改善混凝土的施工性能，势必增加水泥用量，从而会使浆骨比增加，干缩加大;加之混凝土自生变形和温度变形叠加效应产生的拉应力过大使之产生裂缝。

(3)硅粉的使用。掺硅粉的混凝土因硅粉细度在2%左右(45μm方孔筛筛余)，较细，比表面积较大(20 000 m2/kg左右)，需水量比是几种矿物外加剂中最大的，从而导致用水量较大，混凝土拌和物较稠，浇筑后硅粉细粉和水化生成物又迅速填充毛细孔，阻碍泌水上升，因此混凝土表面更易产生早期塑性收缩开裂的现象;硅粉掺量越大，开裂现象越严重，如四川某水电站导流洞泵送混凝土施工早期掺10%硅粉，浇筑过程中发现振捣及收面困难，浇筑后水分蒸发过快而导致混凝土表面发白、浇筑几天后发生表面龟裂和贯穿性裂缝。经分析，硅粉掺量过高是导致混凝土早期开裂的主要原因。

(4)新型高效减水剂的使用。近年，混凝土大流动性和泵送混凝土施工是在使用混凝土新型高效减水剂的前提下实现的，此类混凝土的用水量少、水灰比小，因此，当混凝土表面水分蒸发速率大于泌水速率时，会发生局部的塑性收缩开裂。近年使用的聚羧酸类减水剂有更高的减水率，存在造成混凝土更大的早期收缩开裂倾向。新型减水剂与细度较小的水泥相容性不好，会导致混凝土拌和物的和易性变差，以及硬化后的混凝土抗裂性能变差。

2.2 配合比不科学引起混凝土裂缝产生的原因

(1)用水量过大。混凝土拌和物用水量过大或施工时采用较大的坍落度，浇筑后混凝土硬化前易沉降与泌水，拌和物中骨料下沉并在粗骨料下方形成水囊，混凝土硬化后抗弯、压、拉强度明显下降，尤其是在浇筑大流动性的高性能钢筋混凝土时此现象更加突出。某电站在导流洞边墙施工做缺陷处理时发现骨料分层，上层是砂浆、中间小石集聚，下层中石集聚较多，在一些大骨料、钢筋的下方有很微小的缝隙。在对导流洞底板混凝土采取钻芯、切割做试块进行混凝土的各项性能试验后证实了采用有这些现象存在的混凝土芯样制做的试块的抗压、拉强度及抗渗、抗冻性能下降。其原因是大流动性的混凝土拌和物浇筑后，骨料受重力作用下沉，其内部的一部分水上升至表面形成表面泌水，一部分水上升遇到骨料和钢筋受阻在其下面形成水囊，在混凝土硬化的过程中骨料和钢筋下方的部分水参与水化作用形成混凝土结石，部分水通过毛细通道迁移，在骨料和钢筋下方与混凝土形成小裂缝，其粘结力变弱，表面因泌水蒸发、混凝土沉降形成表面裂缝，使整体混凝土力学性能和耐久性能变差。

(2)水胶比过小及水泥用量过大。在相同用水量情况下，水胶比过小，混凝土拌合物体内自由水过少，拌合物较粘稠而不利于施工且不易振捣密实，同时，混凝土表面易出现塑性收缩开裂。混凝土中自由水量越少，同时，混凝土结构致密度增加导致由混凝土内部向外迁移用以补充表面蒸发散失的自由水量就越缺乏，从而使混凝土表面开裂越严重;此外，水胶比越小，混凝土的早期自身收缩越大也是其开裂性增加的一个原因。在相同水胶比的情况下，水泥用量越大，浆骨比增大引起干缩增大，同时造成混凝土早期水化热过高，温升过高过快，若养护不到位易导致混凝土产生裂缝。

(3)骨料级配及砂率影响:骨料最大粒径较大时，容易造成拌和物中骨料的离析，降低混凝土的均质性，而且粗骨料与水泥石的界面粘结是混凝土的薄弱环节，在一定荷载作用下，界面裂缝首先在较大粒径骨料的界面上产生，从而诱发混凝土的破坏。骨料级配不合理、砂率过小不能组成密实的骨架，砂率过大则易造成已浇混凝土表面产生浮浆现象而导致混凝土各种性能降低。

2.3 施工过程控制不当引起混凝土建筑物产生裂缝的原因

混凝土产生裂缝的原因比较复杂，有时是由多种原因而导致混凝土建筑物开裂。笔者针对近年来在施工现场发现的具体的问题，分析了建筑物产生裂缝的原因。

(1)混凝土拌和物的影响。配合比中各种材料称量精度低、拌合时间过短而使混凝土拌和物不均匀，运输过程过长及运输过程中发生漏浆、失水、过多温度回升、含气量和坍落度等均会使拌和物的温度、含气量、坍落度不能满足要求，出现拌和物流动性差或离析和泌水现象而使和易性变差，造成已浇混凝土密实度及强度、各种变形产生的拉应力不均匀，裂缝总是从密实度小、强度低及所受拉应力大的薄弱处形成，根据工程调查，裂缝的出现与混凝土的不均匀存在重要关系，σ值越大，裂缝就多。

(2)混凝土浇筑过程的施工工艺控制。混凝土入仓手段不当造成骨料分离、平仓振捣不均匀(漏振、过振、欠振)或入仓时混凝土拌和物已初凝及高温、低温季节仓面降温、保温保湿措施不当都会造成混凝土的开裂。

(3)混凝土浇筑后的养护及表面保护。混凝土浇筑完成时没有及时覆盖进行隔热保湿、保温或低温、气温骤降及气温日变幅较大、雨季、有风季节养护及表面保护不及时、不到位及混凝土处于干湿、冷热交替的环境中都易导致混凝土的开裂。如混凝土浇筑面受到风吹日晒，表面干燥过快，产生较大的收缩，其又受到内部混凝土的约束，在表面产生拉应力而开裂。近年来，拌制的混凝土普遍采用较小的水胶比，同时掺有高细度的硅灰、粉煤灰等掺合料，泌水量比较小，甚至不泌水，因此，在较小水分蒸发速率的环境下，塑性收缩裂缝依然有可能出现，这就意味着对水分蒸发速率的控制要求更为严格。混凝土表面的水分蒸发速率主要与相对湿度、空气温度、风速和太阳辐射等环境因素有关，因此，养护对防止水分蒸发意义重大。

3 预防混凝土建筑物产生裂缝的主要措施

混凝土是不均匀的致密体，一旦混凝土产生裂缝，将会导致混凝土耐久性降低并影响混凝土建筑物的美观和整体性，严重时会缩短工程的使用寿命甚至使其丧失使用功能。预防混凝土产生裂缝的主要措施有:优选原材料、采用新材料、优化设计、优化配合比、改进施工工艺、加强施工工程质量控制等。

3.1 根据工程特点及技术要求优选原材料并采用新材料

各种原材料在品质满足国家标准及行业标准的情况下，根据工程特点及技术要求，对各种原材料提出了更高的要求。

(1)水泥:对水泥的表面积提出上限要求，对水泥的碱含量(水泥中碱含量不但对活性骨料有影响，而且对水泥的凝结硬化和混凝土的开裂都有影响。在使用碱活性骨料的建筑物中，必须严格限制水泥中的碱含量)、强度波动范围、水化热、矿物成分、水泥到工地的温度提出技术要求。如对大体积混凝土，要对中热水泥中的C3A提出上限限制要求。因该成分发热量大，特别是在早期，需水量大，干缩大，体积稳定性差，对混凝土的抗裂十分不利。对中热水泥中的C4AF成分提出下限限制要求，因该成分对混凝土的抗折强度和抗冲磨性能有利并可增加水泥韧性，有利于混凝土的抗裂。

(2)粉煤灰及外加剂:对粉煤灰的等级、粉煤灰的碱含量、氧化钙含量等提出要求;对减水剂减水率、泌水率比、含气量、凝结时间差、总碱量等提出要求。配制高性能抗磨蚀的混凝土宜优先选用低收缩的聚羟酸盐等高效减水剂。

(3)骨料:混凝土的强度是由水泥石的强度、水泥石与骨料的界面粘结强度和骨料强度所决定的，混凝土一般采用骨料强度较高、粒形较好的人工碎石(接近球形或立方体)。在同等条件下，一般碎石混凝土比卵石混凝土的强度高，但选择碎石骨料的强度不易太高(要求为混凝土设计强度的2.5倍)，要改进砂石生产系统的工艺，使生产的粗骨料粒形方正，级配合理，中径筛筛余满足要求，并根据骨料原材的特性结合试验论证对砂细度模数，石粉含量提出合理的要求，严控砂的含水率。施工现场对砂子含水率的控制是影响混凝土质量的重要一环，含水率稳定是关键，应努力控制砂子中的含水率稳定≤6% 。

(4)膨胀剂及膨胀水泥:在掺有硅粉的高性能抗磨蚀混凝土中掺入补偿早期收缩的膨胀剂，对于大体积和抗裂要求较高的混凝土构筑物使用膨胀水泥(水泥生产过程中内掺或外掺氧化镁等)，赋予其适度的膨胀，钢筋约束膨胀产生压应力，主要用于补偿干缩与冷缩。补偿收缩混凝土在周围有约束的条件下产生侧向挤压力，使混凝土密实，该混凝土的耐久性优于普通混凝土。以硅酸盐水泥熟料为主要组分的补偿收缩混凝土由于碱度较高，钢筋在其中无锈蚀危险;碱度较低的补偿收缩混凝土若膨胀率较小，在限制条件下，密实性较好，锈蚀也较轻微。

(5)聚丙烯、改性聚丙烯纤维:在混凝土中掺入聚丙烯、聚乙烯、改性聚丙烯等纤维具有阻裂和增韧作用，有助于提高纤维混凝土的抗冲击性，不但可以防止塑性收缩裂缝，而且可以增强构件的抗弯承载力，改善结构延性。但前提有两个:一是纤维材料具有严格稳定的化学性质，既使在水泥水化时产生强烈的碱性物质也能安之若素，不发生任何变化;第二，纤维具有良好的自分散性，能够在正常混凝土制备所要求的搅拌时间之内完成在混凝土整体内无所不在的均匀性分散过程。

近年来大量的研究和应用实践证明，若在混凝土中掺加体积率为0.1% ～0.3%的聚丙烯纤维时，可使混凝土的塑性收缩减少12% ～25%。掺聚丙烯纤维能有效改善混凝土的早期自收缩而推迟裂缝产生的时间，且随着掺量提高，开裂时间延后，裂缝宽度减小。在对聚丙烯纤维表面进行处理后，可提高聚丙烯纤维与水泥基体的界面粘结强度，减小裂缝宽度的作用更显著，这与纤维表面的吸附水形成内养护有关。改性聚丙烯纤维长度为15～25 mm时抗裂效果比较理想。

3.2 根据工程特点及现场骨料的情况优化设计

(1)利用混凝土的后期强度。混凝土结构物一般从浇筑混凝土到开始承受荷载时间较长，如把强度设计龄期由28 d改为90 d，从而使配合比有了更大的优化空间，可进一步改善混凝土抗裂性能，特别是对钢筋较密的泵送混凝土，水泥用量多，一般温控很难过关，若强度设计龄期延长可降低混凝土的绝热温升，对温控十分有利。

(2)出机口拌和物的性能。在施工条件允许的情况下，尽量减小混凝土拌和物出机口的坍落度，在保持水灰比不变的情况下减小用水量及水泥用量，控制混凝土中的总碱量;对混凝土的含气量提出适当要求，减少混凝土脆性，增加韧性;对出机口温度提出严格的明确要求，降低水化温峰、抑制温度裂缝的发生。

(3)硬化混凝土的各项性能。对于体积大和抗裂要求较高的建筑物，要对强度等级、弹性模量、极限拉伸、自生体积变形、抗冻、抗渗等级等提出适当要求，以提高混凝土的综合抗裂能力。

(4)施工工艺。对于体积大和抗裂要求较高的建筑物，要对浇筑层厚高度、间歇时间、通水冷却方式、降温梯度等提出设计要求。

3.3 根据工程特点及技术要求优化施工配合比

将选定的配合比在施工现场做工艺性试验，并进一步优化，使用于施工的配合比经济、适用、科学。笔者从以下三个方面谈一谈施工配合比的优化。

(1)提高混凝土中粉煤灰的掺量。很多国家标准或规程都将粉煤灰掺量40%作为上限。近年来，多家试验单位通过多次试验已获得突破，要抑制混凝土变形开裂，需要提高混凝土中粉煤灰的掺量，经过试验论证是可行的。如四川某电站的碾压混凝土重力坝所用Ⅱ级粉煤灰的掺量已达50%，有些部位掺量已达65%。粉煤灰掺量是影响混凝土早期收缩变形的一个重要因素，大掺量粉煤灰混凝土早期收缩较小且具有良好的抗裂性。由于混凝土的收缩主要受水胶比或用水量的影响，加人粉煤灰后，优质粉煤灰由于其“滚珠轴承”的作用，可以改善混凝土拌和物的和易性并减少混凝土单位体积用水量，抑制混凝土的收缩，其收缩随粉煤灰含量的增加而减小。一方面，粉煤灰在水泥浆体中由于微集料效应及火山灰反应生成水化C一S一H凝胶，既填充了孔隙，也相应补偿了部分收缩。其次，大掺量粉煤灰混凝土可以减少自生变形，粉煤灰替代部分水泥，使水泥用量减少，同时也减少了水化反应总量，有利于降低混凝土自收缩。再者，大掺量粉煤灰混凝土可以抑制温度变形，掺粉煤灰有利于降低温峰值和温峰出现的时间。有试验论证粉煤灰掺量为10% ～50%时，3 d水化温升降低13.9% ～52.1% ，3 d水化热降低5.9% ～35.1%，水化温升减慢、温峰出现时间推迟 0.5 ～3.2 h。

(2)采用适当的水胶比和较低的用水量。在满足施工工作性要求的前题下，宜选用较小的用水量和较小的坍落度，在水胶比不变时，较小的用水量使得水泥用量也较小。在满足强度、耐久性及其它要求的前提下，应选用合适的水胶比，配制高性能抗磨蚀混凝土的水胶比应小于0.4，宜优先选用低收缩的聚羟酸盐等高效减水剂来减少混凝土的用水量。

(3)尽量减少单方混凝土的水泥用量，提高骨料含量。设计配合比时，在保证混凝土拌和物具有良好和易性的前提下，选用水量较小、拌和物密度较大所对应的砂率、选用最大粒径的骨料及最佳级配。骨料级配良好、砂率适当时，由于组成了密实的骨架，既使水泥用量较小，亦能使混凝土获得较高的强度。当骨料的品种一定时，单方混凝土中骨料用量越大，浆骨比越小，干缩也越小。

3.4 混凝土施工工艺及施工过程中的质量控制

(1)用膨胀剂补偿混凝土收缩。补偿收缩混凝土拌合物粘稠，无离析和泌水现象，宜于泵送施工。掺有硅粉的高性能抗磨蚀混凝土由于使用掺入膨胀剂而不泌水，凝结时间短，产生早期塑性收缩裂缝的倾向更显著，故抹面和修整的时间应提早，不宜过晚，并注意早期养护。膨胀剂在水泥水化过程中需要较多的水分，膨胀剂只有与水泥均匀混合，通过充分水化才能实现要求达到的膨胀率。在补偿收缩混凝土浇筑后，立即开始保湿养护，养护时间不少于14 d，以充分供应膨胀过程中需要的水分，否则，混凝土中的水分将很快蒸发，水泥不能充分水化，膨胀剂的作用也就不能充分发挥，膨胀剂中未反应的组分在混凝土使用期间，在合适的条件下会产生二次钙矾石而造成破坏。大体积混凝土其配筋以内的混凝土处于筋力的限制状态，补偿收缩混凝土对混凝土中心温度与表面温度之差的补偿很有效，而表面混凝土处于自由状态，对表面温度与环境温度之差的补偿作用有限，因此，对其表面必须进行蓄水养护，以减小混凝土温差应力，避免表面裂缝的产生。

(2)施工过程中的质量控制。

①施工过程中，严格按照混凝土施工配合比搅拌混凝土，确保混凝土的合理性。要严格控制混凝土的单位用水量;泵送混凝土在满足泵送和浇筑要求时，宜尽可能减少坍落度，掺加适量、质量良好的泵送剂和掺合料;混凝土搅拌时间要适当，保证拌合物的均匀性。要采取措施保证运输过程中混凝土不漏浆、不离析，防止坍落度、含气量损失过大、温度回升过快，保证混凝土施工性能良好。

②混凝土浇筑时，下料不宜太快，防止堆积或振捣不充分;严格按照操作规程进行混凝土振捣，必要时，可以在混凝土浇筑1～1.5 h后、混凝土尚未凝结之前对混凝土进行二次振捣，表面要压实抹光，对低水胶比的高强与高性能混凝土浇筑2 h后再次抹面可以很好地改善其抗裂性能。高温季节进行仓面喷雾，可以保证浇筑温度符合要求;混凝土振捣完毕，及时覆盖5 cm厚的保温被12～24 h进行隔热，揭开保温被后进行湿养护。大风天气采取缓凝或覆盖等措施减少因表层水分迅速蒸发形成的内外硬化不均匀造成的裂缝。混凝土要连续浇筑，层块间歇时间宜控制在5～14 d。按规定时间和顺序进行拆模，冬季或遇到降温天气和气温日变幅大的季节要延迟拆模时间，已拆模的要及时覆盖棉被或粘贴聚苯乙烯板、泡沫塑料进行表面保护。体积大和抗裂要求较高的建筑物对浇筑层间歇时间、通水冷却温度、时间及降温梯度等按设计要求严格控制。

(3)混凝土的养护措施。

防止混凝土裂缝的产生要加强对混凝土的养护(包括延长养护时间)和表面保护。为了保证水泥的水化过程能正常进行，获得质量良好的混凝土，混凝土在成型后必须在适宜的温、湿环境中进行养护，早期养护的温、湿度适宜对混凝土强度的发展、抑制混凝土收缩非常有利。对于掺粉煤灰和掺硅粉的混凝土，裂缝的发生及发展主要发生在l d前，因此，须在初凝前开始覆盖养护。此外，在工程实际中，由于种种原因而不能确保在养护期间做到完全的保湿，可先喷涂养护剂后再覆盖塑料保护膜进行密封养护。

4 结语

引起混凝土建筑物产生裂缝的因素较多，原因较复杂，往往是多种原因综合产生叠加效应导致混凝土建筑物产生裂缝，因此，在混凝土施工过程中，应从建筑物设计、原材料、配合比、施工过程全方位、全过程的采取防裂措施，包括采用新材料、引用新技术、改进施工工艺、加强施工全过程质量控制等措施防止混凝土开裂，以保证混凝土建筑物的使用寿命、使用功能满足设计要求并安全高效的运行。