大体积混凝土裂缝产生的主要原因及处理方法

刘 勇

（泰州市第二监理工程有限公司， 江苏 泰州 225300）

1 大体积混凝土裂缝产生的主要原因

1.1 水泥水化热

一般来说，水泥的水化过程可以分为三个阶段：第一阶段，在初始时刻，水泥颗粒和水接触并反应，放热率很快，但是由于石膏的存在，在水泥粒子的表面会形成一层钝化模，使放热率降低；第二阶段，水泥水化热释放率最快，水泥颗粒也随之增长很快；第三阶段，水泥的水化产物在水泥粒子的表面堆积的厚度逐渐增厚，水泥的水化放热率逐渐降低，这个时候的反应由扩散控制。在水化的初期，水泥粒子之间为彼此分离的，不存在强度；在水泥粒子不断水化增长的过程中，水泥粒子之间的接触面积逐渐增大。这一微观现象的宏观表现即为水泥强度的增长。随着粒子之间的接触面积的增大，水泥的抗压强度和弹性模量也增大。

大体积混凝土在高温状态下，水泥水化的产物的孔隙率要大于常温状态，可能会影响水泥粒子和骨料的黏结，影响混凝土的强度。而大体积混凝土结构物的断面一般较厚，水泥放出的热量聚集在结构物内部不易散发。通过实测，水泥水化热引起的温升，一般在 30℃，甚至更高。它在 1 d～3 d放出的热量是总热量的一半。混凝土内部的最高温度多数出现在浇筑后的 3 d～5 d 之间，当混凝土内部与表面温差过大时就会产生温度应力和温度变形。

温度应力与温差成正比；温差越大，温度应力也越大。当这种温度应力超过混凝土内外的约束力时，就会产生裂缝。而混凝土内部的温度与混凝土厚度及水泥用量有关：混凝土越厚、水泥用量越大，混凝土内部的温度则越高，所形成的温度应力越大。温度应力与混凝土结构的尺寸有关。在一定尺寸范围内，混凝土结构尺寸越大，温度应力也越大。当混凝土的抗拉强度不足以抵抗这种拉应力时，便开始出现温度裂缝。

1.2 收缩裂缝

混凝土在空气中硬结时体积减小的现象称为混凝土收缩。混凝土在不受外力的情况下的这种自发变形，受到外部约束时，将在混凝土中产生拉应力，使得混凝土开裂。在硬化初期主要是水泥石在水化凝固结硬过程中产生的体积变化，混凝土水化作用产生的体积变形，称为“自身体积变形”。该变形主要取决于胶凝材料的性质。对于普通水泥混凝土来说，大多数为收缩变形，少数为膨胀变形。后期主要是混凝土内部自由水分蒸发而引起的干缩变形。混凝土中80% 的水分蒸发，约 20% 的水分是水泥硬化所必须的。

对于普通水泥混凝土，由于大部分属于收缩的自身体积变形，数量级较小，一般在计算中忽略不计。如前指出，在混凝土中尚有 80% 的游离水分需要蒸发。多余水分的蒸发会引起混凝土体积的收缩。这种收缩变形不受约束条件的影响。若有约束，其最大的原因，可能是内部孔隙水蒸发变化时引起的毛细管引力。收缩在很大程度上是有逆现象的。如果混凝土收缩后，再处于水饱和状态，还可以复膨胀并几乎达到原有的体积。干湿交替将引起混凝土体积的交替变化，这对混凝土是很不利的。此外，影响混凝土收缩的因素很多，主要是：水泥品种和混合衬料、混凝土的配合成分、化学外加剂以及施工工艺，特别是养护条件等。

混凝土收缩裂缝的特点是：大部分属表面裂缝，裂缝宽度较细且纵横交错，成龟裂状，形状无规则。影响混凝土产生收缩裂缝的主要因素有：水泥品种、标号及用量。矿渣水泥、快硬水泥、低热水泥混凝土的收缩性较高，普通水泥、火山灰水泥、矾土水泥混凝土收缩性较低。水泥标号越低、单位体积用量越大、细度磨数越大，则混凝土收缩越大，且收缩时间越长。为了提高混凝土的强度，施工时经常采用增加水泥用量的做法，结果收缩应力明显加大。骨料品种中石英、石灰岩、白云岩、花岗岩、长石等吸水率较小、收缩性较低，而砂岩、板岩、角闪岩等吸水率较大、收缩性较高；骨料粒径大则收缩小，含水量大则收缩大。水灰比：用水量越大，水灰比越高，混凝土收缩则越大。外掺剂：外掺剂保水性越好，则混凝土收缩越小。养护方法：良好的养护可加速混凝土的水化反应，获得较高的混凝土强度。养护时保持湿度越高、气温越低、养护时间越长，则混凝土收缩越小。蒸汽养护方式比自然养护方式的混凝土收缩要小。外界环境：大气中湿度小、空气干燥、温度高、风速大，则混凝土水分蒸发快，混凝土收缩越快。振捣方式及时间：机械振捣方式比手工捣固方式的混凝土收缩性要小；振捣时间短、振捣不密实，则形成混凝土强度不足或不均匀；时间过长，造成分层，粗骨料沉入底层，细骨料留在上层，强度不均匀，上层易发生收缩裂缝。对于温度和收缩引起的裂缝，增配构造钢筋可明显提高混凝土的抗裂性，尤其是薄壁结构。构造上配筋宜优先采用小直径钢筋、小间距布置，全截面构造配筋率不宜低于 0.3%。根据产生收缩裂缝的原因，有针对性地避免和减少施工中的裂缝对工程质量的影响，是混凝土工程应重要关注点。

1.3 外界气温引起的裂缝

混凝土内外部温差过大产生的裂缝的主要原因是：水泥水化热引起的混凝土内部和混凝土表面的温差过大，温度变化大，在混凝土内部产生拉应力，产生温度胀缩裂缝。特别是大体积混凝土更易发生此类裂缝。大体积混凝土浇筑后数日内容易出现等距离的直线形裂缝，有表面的也有贯通的。大体积混凝土结构一般要求一次性整体浇筑。浇筑后水泥因水化引起水化热。由于混凝土体积大，聚集在内部的水泥水化热不易散发，混凝土内部温度将显著升高；而其表面则散热较快，形成了较大的温度差，使混凝土内部产生压应力，表面产生拉应力。混凝土龄期短，抗拉强度很低。当温差产生的表面抗拉应力超过混凝土极限抗拉强度，则会在混凝土表面产生裂缝。

大体积混凝土在施工阶段，常受外界气温变化的影响。混凝土内部的温度是由浇筑温度、水泥水化热的绝热温度和结构的散热温度等各种温度叠加之和组成。外界气温越高，混凝土的浇筑温度也越高。当气温下降特别是骤降，会大大增加外层混凝土内部的温度和梯度，因而会造成温差和温度应力。极其容易引发混凝土的开裂。因此控制混凝土表面温度与外界气温温差，也是防止裂缝的重要一环。

2 大体积混凝土裂缝的处理方法

2.1 表面修补法

表面修补法适用于浆材难以灌入的细而浅的裂缝、深度未达到钢筋表面的发丝裂缝、不漏水的缝、不伸缩的裂缝以及不再活动的裂缝，用以恢复构件表面的美观，提高耐久性。常用的是沿混凝土裂缝表面铺设薄膜材料。一般可用环氧类树脂或树脂浸渍玻璃布。

表面修补法有以下几种方式。一是混凝土表面出现数量较多的表面裂缝时，采用手工或机械喷涂方法，将修补材料涂覆于混凝土表面，起到表面封闭作用。涂膜厚度在 0.3 mm～2.5 mm 之间，厚度大则适应裂缝变化的能力强。二是增加整体顼层：混凝土表面裂缝数量较多，分布面较广时，常采用增加一层水泥砂浆或细石混凝土整体面层的方法处理。多数情况下，整体面层内应配置双向钢丝网。有条件时，宜采用喷射法施工水泥砂浆或混凝土整体面层。

进行补修设计时，应考虑到以下几点。一是除了根据是否需要修补的判断结果设定修补范围及规模外，还应按需要再度调查现场。二是掌握开裂原因、开裂状况、建筑物的重要性及环境条件。为了明确规定修补目的及恢复目标，考虑环境条件，选定最适于修补的修补材料、修补工法及修补时间。利用混凝土表层微细独立裂缝(裂缝宽度 ω≤0.2 mm)或网状裂纹的毛细作用吸收修补胶液，封闭裂缝通道。

对楼板和其他需要防渗的部位，尚应在混凝土表面粘贴纤维复合材料以增强封护作用。常用的方法为涂覆法，增加整体面层，压抹环氧胶泥，环氧浆液粘玻璃丝布，表面缝合等。当混凝土表面出现数量较多的表面裂缝时，采用手工或机械喷涂方法，将修补材料涂覆于混凝土表面，起到表面封闭作用。涂膜厚度在 0.3 mm～2.5 mm 之间，厚度大则适应裂缝变化的能力强。选用修补材料时，应考虑使用条件(室内、室外、环境温湿度变化，介质腐蚀情况)以及裂缝活动等情况。例如，要求耐磨的地坪可选用环氧沥青涂料、聚氨酯涂料、聚氨酯沥青涂料等刚性涂料；不稳定的裂缝修补可选用聚氨酯弹性体，橡胶型丙烯酸酯涂料等弹性涂料。当混凝土表面裂缝数量较多、分布面较广时，常采用增加一层水泥砂浆或细石混凝土整体面层的方法处理。

2.2 填充法

填充法是沿裂缝开凿 U 型或 V 型槽之后，嵌填修补材料以达到恢复防水性、耐久性、结构整体性和补强加固的目的。此方法适用于修补数量少的宽大裂缝(＞5 mm)、深度较浅的裂缝(裂缝深度 h 小于结构厚度 H 的一半)、钢筋腐蚀生锈的裂缝和仍在发展的活动性裂缝。

2.3 结构补强法

如果裂缝影响到结构安全，就要考虑采取加固法对混凝土结构进行处理。结构加固中常用的主要有：围套加固法、钢箍加固法、粘贴加固法等结构补强法。

(1)围套加固法。在周围尺寸允许的情况下，在结构外部一侧或数侧外包钢筋混凝土围套，以增加钢筋和截面，提高承载力；对构件裂缝严重但尚未破碎裂透或一侧破裂的，凿去裂缝部位钢筋保护层，外包 1 层钢丝网；对大型设备基础一般采用增设钢板箍带、增加环向抗拉强度的方法处理。

(2)钢箍加固法。在结构裂缝部位四周加 U 型螺栓或型钢套箍将构件箍紧，以防止裂逢扩大，提高结构的刚度及承载力。加固时应使钢套箍与混凝土表面紧密接触，以保证共同工作。

(3)粘贴加固法。将钢板或型钢用改性环氧树脂和粘结剂，粘结到构件混凝土裂缝部位表面，使钢板或型钢与混凝土连成整体共同工作。粘结前，钢材表面要进行喷砂除锈，混凝土应刷净干燥。粘结层厚度为 1 mm～4 mm。

2.4 灌浆法

采用化学灌浆是修补混凝土裂缝行之有效的方法之一。高压化学灌浆堵漏技术就是利用灌浆机产生的持续高压，将由化学材料配制的浆液，通过钻孔埋设灌浆嘴，使用压力将其注入结构裂缝中，使其扩散、凝固，并将缝中的水完全挤走，将缝隙完全填充满，达到止水的目的。常用于修补较深的混凝土结构裂缝。

将水泥或化学浆液灌入混凝土缝内，使用扩散，固化。固化后的浆液具有较高的粘结强度，与混凝土能较好地粘结，从而增强了构件的整体性，使构件恢复使用功能，提高耐久性，达到堵漏防锈补强的目的。用于结构修补的化学浆液主要有两类。一类是环氧树脂浆；另一类是甲基丙烯酸甲酷液。用于防渗堵漏的化学浆液主要有：水玻璃、丙烯酞胺、聚氨酯、丙烯酸盐等。这些不溶物可充填缝隙，使之不透水并增加强度。

化学灌浆堵漏是混凝土裂缝修复的一种有效的施工方法，在水利水电、隧洞、市政、工业与民用建筑等领域应用广泛。

3 结 语

综上所述，引起混凝土裂缝的原因是错综复杂的。了解大型混凝土裂缝的原因和处理方法，对提高工程质量具有十分重要的意义。通过对影响混凝土裂缝各因素的分析，针对裂缝产生的主要原因，区别裂缝的类型，选择最合理的修补方法，使之施工方便和经济高效。广大技术人员和管理人员都应重视混凝土质量通病，力争把混凝土质量通病降低到最低水平。