从结构外观分析混凝土裂缝产生的原因

2013-11-06冯英杰王晓琴

山西建筑 2013年2期

冯英杰王晓琴

(西北民族大学土木工程学院，甘肃兰州 730124)

0 引言

混凝土作为明显的脆性材料，其非弹性响应十分复杂，主要原因就在于这种非匀质性材料组织先天性缺陷，其内部存在孔洞、微裂缝、分层等细观构造。当受到温度变化、干湿变化、荷载作用、结构损伤等因素影响时，易产生明显的表面裂缝，表面裂缝使混凝土结构外观损伤，加剧混凝土碳化、钢筋锈蚀，降低结构的刚度和强度，进而影响混凝土结构的安全性、使用性和耐久性。

许多研究证明，混凝土的表面开裂大多是内部微裂缝逐渐扩展的结果，破坏已是裂缝发展的最后阶段。通过研究混凝土结构的几何损伤特征、裂缝扩展趋势，了解裂缝对耐久性的影响，判断裂缝的性质，进而建立相应的防裂和提高耐久性的措施，在工程实际中具有重要意义。

对混凝土结构中广泛存在的裂缝如何进行简单、快速、准确的识别，已经成为工程技术人员探索的技术方向。目前，辨别混凝土结构裂缝常用的方法有:1)直接和间接观察:通过裂缝出现的位置、时间、特征判断裂缝的性质及产生的原因，采用各种技术仪器，如X射线、超声波等对局部结构进行检测;2)无损和有损测试:从结构中钻芯取样进行观察测试，也可以从设计图纸、施工和维护记录中获得信息，发现是否存在设计计算的错误和施工维护的不当等。

许多新理论、新方法引入的核心思想是其必须与结构损伤的特征因子相结合，通过对结构损伤因子的提取进而判断结构的损伤程度，过程复杂。而混凝土结构的损伤最直观信息即是表观损伤，即表观裂缝的出现、发展和变化，裂缝作为混凝土结构损伤的一个重要特征表象，已经成为研究混凝土结构健康状况的重要对象之一，它也已经成为混凝土结构损伤的重要判断依据。因此对混凝土结构的表面裂缝进行识别、分析混凝土裂缝的成因，以便采取有效的预防措施是非常必要的。

1 常见裂缝产生的原因及外观形态

1．1 非作用效应引起的裂缝

1．1．1 塑性收缩裂缝

塑性收缩裂缝是在混凝土初凝后由于早期失水过快，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较低无法抵抗其本身收缩产生的拉应力，在收缩应力作用下导致开裂。干缩裂缝形状常见的有两种:一种是表面多呈不规则的网状，这种裂缝发生在混凝土终凝前，如发现较早，及时抹实养护，可以消失;另一种是中间宽，两侧细且长短不一，互不连贯，有时出现在两根钢筋之间，并与钢筋平行。如仅由于干缩造成的裂缝，其长度与宽度均较小，一般长20 cm～30 cm。当干缩与温差等原因叠加而形成裂缝时，其长度与宽度有时较大，较长的裂缝可达2 m～3 m，宽1 mm～5 mm这种类型裂缝多发生在气温较高，大风干燥的环境中。如:1978年夏季，云南某机场托机道混凝土施工过程中出现的处于混凝土初凝到终凝期间的大量不规则裂缝。

1．1．2 水泥水化热引起的温度裂缝

水泥是混凝土的重要组分，水泥遇水发生水化反应，放出热量，使混凝土内部温度迅速升高，发生膨胀变形，当变形受到约束时，则产生温度应力，当应力超过混凝土抗拉强度时即产生温度裂缝。尤其在大体积混凝土施工中，由于混凝土体积较大，内部产生的水化热不易散发，以至于内部温度骤升，内外形成较大温差。如果混凝土施工过程中环境温差变化大，或者是混凝土受到寒潮袭击，则导致混凝土表面温度迅速下降，裂缝极易产生。混凝土温度裂缝的走向通常无一定规律，大面积结构(如桥面铺装)裂缝常纵横交错;裂缝通常只在混凝土表面较浅的范围内产生。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。由于水泥的水化热大部分在水化早期(7 d)内放出，因此由水化热引起的裂缝大多出现在混凝土浇筑完成后两周内。

1．1．3 钢筋锈蚀引起的裂缝

混凝土的结构环境类别分为五类，不同的环境引起钢筋锈蚀的机理不同，见表1。

表1 混凝土结构环境类别与钢筋锈蚀机理

显然构件所处环境条件越差，越容易引起钢筋锈蚀。而导致钢筋锈蚀的根本原因还是由于混凝土保护层被碳化或破坏。当保护层厚度不够或密实性较差时，混凝土保护层受二氧化碳侵蚀碳化至钢筋表面，使钢筋周围混凝土碱度降低，或者由于保护层被破坏氯化物侵入，破坏钢筋表面的钝化膜。钢筋中铁离子与侵入混凝土中的氧气和水发生反应，生成的氢氧化铁体积比原来增大约2倍～4倍，当此变形受到周围混凝土约束时则产生膨胀应力，在膨胀应力大于混凝土抗拉强度时混凝土保护层开裂。裂缝通常沿钢筋纵向产生，严重时有锈迹渗到混凝土表面，此种先锈后裂的纵向裂缝，一旦发生，便严重恶化，导致保护层混凝土成片脱落甚至钢筋锈断，如图1所示。

1．2 作用效应引起的裂缝

1．2．1 不均匀沉陷裂缝

不均匀沉陷裂缝一般在建筑物下部出现较多，由于基础产生竖向不均匀沉降或水平方向位移，使结构中产生附加应力，当其超过混凝土结构的抗拉强度时，结构开裂。通常裂缝宽度较大，多为横向或斜45°贯通性裂缝(见图2)。裂缝位置多在沉降曲率较大的位置出现。裂缝的形状一般都是一端宽，一端细。裂缝尺寸大小变化较多，在地基接近剪切破坏或出现较大沉降差时，裂缝尺寸可能较大。大多数出现在房屋建成后不久，也有少数工程在施工中明显开裂，严重的甚至无法继续施工。随着时间及地基变形的发展，裂缝也会发生变化，如裂缝尺寸加大，数量增多，当地基稳定后，裂缝不再扩展。

图1 钢筋混凝土纵梁底部严重锈裂

图2 基础沉降引起的裂缝

1．2．2 荷载作用引起的裂缝

结构受到外荷载作用引起裂缝。这种裂缝一般是与受力钢筋以一定角度相交的横向、斜向裂缝。

受弯构件常见的有垂直裂缝和斜裂缝两类。在梁、板构件弯矩最大的截面或断面突然削弱处(如主筋切断处附近)(见图3)，从受拉区边缘开始出现与受拉方向垂直的裂缝，并逐渐向中和轴方向发展。采用螺纹钢筋时，裂缝间可见较短的次裂缝。当结构配筋较少时，裂缝少而宽;斜裂缝通常发生在剪力最大的部位，如梁支座附近，多数是剪力与弯矩共同作用而造成。裂缝由下部开始，一般沿45°方向向跨中上方伸展(见图4)。

图3 弯矩作用引起梁体垂直裂缝

图4 剪压作用引起梁体斜裂缝

轴心受压构件一般不出现裂缝，若出现则裂缝表现为平行于受力方向的短而密的平行裂缝，表示受压区混凝土压裂，预示结构开始破坏。小偏心受压构件和受拉区配筋较多的大偏心受压构件的裂缝和破坏情况，与轴心受压构件相似。大偏心受压且受拉区配筋不多的构件，类似于受弯构件。

轴心受拉构件在荷载不大时，混凝土将产生裂缝，其特征是沿正截面开始，和钢筋拉力作用线相垂直，各缝间距近似相等。冲切构件裂缝，例如柱下基础底板，从柱的周边开始沿45°斜面拉裂，形成冲切面。

扭弯构件裂缝，钢筋混凝土构件受扭弯时，构件内产生近于裂缝方向常与短边平行;当板有横肋时，裂缝多与横肋相垂直，常见的裂缝宽度是0．15 mm～0．5 mm。

1．2．3 温度作用引起的裂缝

结构使用期间，受到高温热源的影响，较大的温差造成混凝土结构内外不均匀的热胀冷缩变形，从而使混凝土表面产生一定的拉应力。当拉应力超过混凝土的抗拉强度时，混凝土表面就会开裂。例如某厂鼓风炉车间，梁上出现了很多横向裂缝，其宽度为0．1 mm～0．8 mm，经检测发现在鼓风炉周围和冷凝器下的混凝土梁表面温度已达80℃～97℃;再如钢筋混凝土烟囱受热后较易产生裂缝，常见的竖向裂缝与水平裂缝。根据裂缝形成的时间，可将裂缝分为投产使用前和投产使用后两种情况。前者裂缝较浅，一般裂至内、外表面下2 cm～3 cm到10余厘米，宽度大多在0．2 mm～2 mm左右。长期高温作用下，钢筋混凝土烟囱的裂缝，有时竖缝可达数10 m长，水平裂缝一般为1/5～1/2周长，有时贯通全圆周。