混凝土结构裂缝成因与防控及工程实践应用

2013-08-22孙健

山西建筑 2013年13期

孙健

(上海见智规划建筑设计院有限公司，上海 200433)

0 引言

裂缝问题是混凝土工程中带有一定普遍性的问题，混凝土结构从浇筑后开始，时刻存在着开裂的倾向。这是由于混凝土自身的特性(如匀质性较差、抗拉强度较低)及一些人为因素(如设计不周、施工粗糙)造成的。裂缝的出现，不仅影响美观，还将对结构防水性、抗冻性、抗钢筋锈蚀性及抗化学侵蚀性等耐久性能产生严重危害，影响建筑物的正常使用，有些裂缝则危及结构的安全，甚至造成建筑物的严重破坏和倒塌［1-3］。因此，如何正确“诊断”混凝土裂缝形成的原因并提出切实有效的“防治”方法，防止和减轻混凝土裂缝对建筑物的损害，是混凝土工程中需要解决的问题。

鉴于以上原因，本文从设计及施工等角度，对混凝土结构裂缝(本文主要探讨“宏观裂缝”，即宽度不小于0.05 mm的裂缝)成因进行了分析，重点讨论了温度裂缝、收缩裂缝和应力集中裂缝产生的机理和控制措施，并通过分析工程实例总结了施工经验，为实际工程中混凝土结构裂缝的诊断及控制提供了参考。

1 混凝土裂缝成因与防控

混凝土结构产生裂缝的原因很多，主要有以下四类［4］:

1)荷载作用引起的裂缝，是指由恒载、活载、风载、雪载、吊车荷载等一种或几种荷载作用引起的裂缝，包括由弯矩、轴心拉力、偏心拉(压)力引起的正截面裂缝和由剪力、扭矩引起的斜裂缝;

2)约束变形引起的裂缝，包括温度变化，混凝土收缩，基础不均匀沉降，混凝土塑性塌落，钢筋锈蚀，冰冻以及碱骨料化学反应引起的裂缝;

3)设计因素引起的裂缝，主要是指在设计过程中，由工程师对结构变形裂缝考虑不周，变形缝设置不当，忽略构造钢筋的重要性和结构的约束性质等原因引起的裂缝;

4)施工因素引起的裂缝，主要是指在施工过程中，由施工材料不合格、施工方法不恰当、技术措施不到位等原因引起的结构裂缝。

从实际工程的情况来看，混凝土结构的裂缝主要由前两种原因引起。据统计，约束变形引起的裂缝约占混凝土裂缝的80%，荷载作用引起的裂缝约占20%。本文着重对温度裂缝、收缩裂缝(又分为塑性收缩裂缝和干缩裂缝)和应力集中裂缝的产生机理及控制措施进行探讨［5，6］。

1.1 温度裂缝

混凝土结构构件随着温度的变化会产生变形，即热胀冷缩。当这种变形受到外界约束条件的限制不能自由发生时，就可能产生裂缝。混凝土在硬化过程中，产生大量的水化热，内部温度上升高散热慢，外部散热快，这种温差将导致混凝土外部受拉，内部受压，有可能引发从混凝土表面向内扩展的裂缝。这种裂缝一般为非贯通性裂缝，危害不大。后期降温冷却时，如果外部约束或内外降温不均匀，内部就会出现拉应力，当应力超过混凝土抗拉强度时，便会产生裂缝。此种裂缝可发展成为贯通性裂缝，危害很大。此外，构件在使用中如果内外温差较大，构件内的温度梯度就较大，也可能引起裂缝。

因此可采取构造措施降低约束，如设置各种连接缝(伸缩缝，控制缝，后浇带，施工缝)以及在约束界面上设置滑动层、缓冲层等。同时，还须进行合理的温度控制，使因温差而产生的拉应力小于同期混凝土抗拉强度标准值。

1.2 塑性收缩裂缝

混凝土塑性收缩裂缝指混凝土在浇筑后呈塑性状态时因收缩所引发的裂缝。塑性收缩裂缝多发生于地板、楼板、桥板等的裸露面上。当气温较高、相对湿度较低或有强风吹时其固体质点间的毛细水蒸发减少很快，就会形成弯压面产生较大的拉力，使处于可塑状态的混凝土收缩。实测结果表明，通常当混凝土拌合物表面水分蒸发率超过0.5 kg/(m2·h)时，混凝土将产生急剧收缩，特别是大流动性混凝土，其塑性收缩应变值为200×10－4;中等流动性混凝土，其塑性收缩应变值为(60～100)×10－4。此外对于结构表面系数大且水灰比也比较大的薄壁构件，施工时未及时覆盖导致混凝土表层失水过快、混凝土初凝前又未做收水及二次拉毛压平措施时，也易产生塑性收缩裂缝。塑性收缩裂缝宽度一般在0.5 mm ～2.0 mm。

1.3 干缩裂缝

混凝土的干缩是由混凝土中水分的散失或湿度降低所引起的。混凝土中毛细管孔隙，在混凝土干燥过程中逐渐失水，毛细管也逐渐变形产生毛细压力，导致混凝土产生体积收缩。当混凝土四周有约束存在时，混凝土内部将产生拉应力和拉应变，当其拉应力超过混凝土抗拉强度极限值或拉应变超过混凝土极限变形值时，混凝土就会产生干缩裂缝。

混凝土干缩裂缝，一般有两种形状:一种为不规则龟纹状或放射状裂缝;另一种为每隔一段距离出现一条裂缝。有时两种裂缝同时在混凝土构件上出现。裂缝形状主要与约束条件、配筋形式有关。对于表面积较大的板类钢筋混凝土构件，多为上口大、下口小的楔形裂缝，其中对于厚度较薄的板(如厚度120 mm以下的板)，特别是采用泵送混凝土的，裂缝可能贯穿板厚。对于钢筋混凝土梁式构件，多为两头小中间大的枣核形裂缝，其中在梁两侧面裂缝较重，梁底面和顶面裂缝较轻;裂缝高度多在梁高2/3以上，但裂缝深度较浅，轻者深度为混凝土保护层厚度，重者深度达30mm～100mm;裂缝宽度一般在0.1mm～0.5mm之间，严重者可达0.5 mm ～1.5 mm。

1.4 应力集中裂缝

混凝土结构应力集中裂缝多在主体结构建成后出现，主要分布在门窗洞口、平面或立面突出凹进以及结构洞口和结构刚度突变及集中荷载处。对于预应力混凝土结构，一般在张拉钢筋锚固端产生局部压应力集中处产生裂缝。因此，在这些位置应设置附加筋，以利于分散应力集中。

在门窗洞口的角部和平立面突出凹进的转角处，斜向楔形状裂缝居多。在结构洞口和结构刚度突变及集中荷载较大部位，易产生劈裂状的裂缝。在预应力结构锚固端的局部承压处，有时出现一条或数条裂缝，并呈放射状。对于暴露在大气中的混凝土结构，应力集中裂缝出现后，有时还会随着大气温度的变化而变化。

2 工程实例分析

在三线钢芯镀镍厂房工程，三层楼板的做法为:12 cm厚钢筋混凝土承重楼板上贴一层TBL——无胎基自粘性橡胶沥青防水卷材，再做一层4 cm～6 cm厚C20细石混凝土面层内配φ6@200双向钢筋，为了防腐、防渗漏，面层上再做一层7.5 mm厚自流平环氧工业地坪涂料。但是在做自流平工业地坪涂料前，4 cm～6 cm厚细石混凝土面层出现了裂缝，裂缝宽度为 0.5 mm ～1.0 mm，详见图1。可见，这些裂缝是每隔一段距离就出现一条，无规律性，在设置伸缩缝的位置未出现裂缝。

图1 三线钢芯镀镍厂房三层楼板裂缝图

经过分析认为，4 cm～6 cm厚的钢筋细石混凝土面层出现裂缝的原因有两个:

1)从商品混凝土运到现场至浇捣细石混凝土面层完成，时间较长(约2 h)，天气炎热，水分蒸发量大，混凝土面层容易产生塑性收缩裂缝;

2)钢筋细石混凝土面层浇捣完成后，保湿保养没有做到位，细石混凝土面层因失水干燥，在硬化过程中引起体积收缩变形，这种体积变形受到约束时，又没有及时做伸缩缝，细石混凝土内的应力得不到释放，就容易产生干缩裂缝。

由于这些细石混凝土面层上的裂缝很不美观，又有渗漏的可能，对它们进行了修补，方法如下:用切割机沿缝开凿成“倒八形”，深1 cm;在开凿的交叉缝内，刷渗透型水性环氧封闭底涂，以封闭混凝土毛细孔及细小裂缝;待12 h固化后，在交叉缝内填环氧弹性粒子，起到良好的修补粘连作用;待12 h固化后，用环氧稀胶泥整体批刮一道，以起到良好的封闭和固化作用，保证防渗效果。采取修补措施后，使用至今修补的裂缝处完好无损，说明修补是成功的。

对这种裂缝可采取以下防控措施:

1)较薄的钢筋混凝土面层应分段施工，要控制每段的工作量，确保商品混凝土到现场至混凝土面层完成时间，特别是高温季节，最好控制在1 h左右，防止混凝土塑性收缩裂缝产生;

2)混凝土面层完成后，保湿养护措施要到位、在混凝土终凝后用蓄水养护是一种经济、可靠的保湿保温养护方法，并及时做好伸缩缝，防止混凝土干缩裂缝产生。