混凝土裂缝产生成因分析及预防控制措施

2015-10-21薛黎明

建筑工程技术与设计 2015年33期

薛黎明

【摘要】混凝土自问世以来，与钢材、木材一起，并称为建筑业三大主材，在现代建筑结构中得到了广泛应用。但是由于混凝土本身的特点，混凝土裂缝一直困扰着工程技术人员。本文从混凝土裂缝产生的原因，重点从材料选用，施工控制两个方面对混凝土裂缝进行探讨。

【关键词】混凝土裂缝；材料；施工控制措施

1 成因分析

混凝土的裂缝是不可避免的，其微观裂缝是本身物理力学性质决定的，但它的有害程度是可以控制的，有害程度的标准是根据使用条件决定的。目前世界各国的规定不完全一致，但大致相同。如从结构耐久性要求、承载力要求及正常使用要求，最严格的允许裂缝宽度为0.1mm。近年来，许多国家已根据大量试验与泵送混凝土的经验将其放宽到0.2mm。当结构所处的环境正常，保护层厚度满足设计要求，无侵蚀介质，钢筋混凝土裂缝宽度可放宽至0.4mm；在湿气及土中为0.3mm；在海水及干湿交替中为0.15mm。沿钢筋的顺筋裂缝有害程度高，必须处理。

对钢筋混凝土裂缝的控制主要分为2点：首先是裂缝宽度计算，根据国内外的设计规范及对裂缝宽度的相应规定和有关的试验资料得知，钢筋混凝土裂缝的最大宽度应控制在以下范围以内（对于有防渗要求、侵蚀严重的环境，混凝土的最大裂缝宽度应控制在0.1～0.2毫米；对无防渗要求、有轻微侵蚀的环境，混凝土的最大裂缝控制宽度为0.2～0.3毫米，对无防渗要求、无轻微侵蚀的环境，混凝土的最大裂缝控制宽度为0.3～0.4毫米）。裂缝宽度的主要计算依据包括（以理论为基础的试验回归方法为半经验半理论方法；以混凝土回缩形成的表面裂缝的无滑移理论和以混凝土和钢筋相对滑移导致裂缝的粘结滑移理论）。其次是达到使用极限状态界限的临界裂缝宽度的限值。

根据裂缝形成的种类，主要可以分为温度裂缝、干缩裂缝、不均匀沉降裂缝、碱集料反应裂缝等。

温度裂缝：由于混凝土本身具有热胀冷缩的性质，在混凝土浇筑完成后硬化期间，构件内部水化热释放温度较高，构件表面散热较快，温度较低。内外温差导致在构件内部温度形成压应力，构件表面形成拉应力，当超过混凝土的抗拉强度时就容易在构件表面开裂，形成裂缝。

干缩裂缝：在混凝土浇筑完成及养护过程中，由于表面水泥浆水分的散失比较快，形变明显，而内部水分散失比较慢，发生不明显形变。在相对湿度低，水泥干缩发生较快时发生不可逆干缩，产生干缩裂缝。

不均匀沉降裂缝：结构地基松软、土质不均匀等会造成不均匀沉降。冻土区（我国东北及青藏高原一带）在冻土化冻后也会发生不均匀沉降，会使混凝土结构出现裂缝。

碱集料反应裂缝：混凝土中的碱性离子与混凝土内部部分活性骨料发生的碱集料化学反应，导致结构大量失水，使混凝土出现酥松、膨胀，进而产生裂缝。这种裂缝一旦出现，很难有办法进行补救，所以在混凝土结构中属于危害比较大的裂缝类型。

2 材料选用

对混凝土裂缝的预防要加强原材料的控制力度，杜绝不合格材料对混凝土的不利影响。

2.1 水泥

尽量选用中热及低水化热水泥，根据水泥水化理论，应尽量避免使用铝酸三钙的含量过高的水泥，降低早期水化热，有利于混凝土裂缝的产生及延展。硅酸盐水泥熟料中铝酸三钙的化学减缩量最大，是硅酸二钙的3倍，铁铝酸四钙的5倍。[4]同时由于过高的铝酸三钙含量将导致新拌混凝土坍落度损失过快，不利于施工。水泥的细度对混凝土的水化热也有所影响，过大或过小都不利，水泥细度越细，比表面积就越大，与水接触面越大，反应速度就越快，水化热就越大，对温度裂缝控制不利。现今配置混凝土的水泥细度一般在3 00～ 4 00cm2/g。

2.2 粗細集料

粗细集料的选择应选择洁净的，含泥量低的集料。混凝土体系中，砂和碎石中的泥及泥块往往是最薄弱的组分，含泥量超标会使混凝土收缩增大，混凝土裂缝易从此最薄弱部位开始。因此从原材控制角度需进行严格控制其含量。同时混凝土在满足工艺的条件下，尽量使用较低砂率，可降低混凝土的裂缝的产生的机率。细集料不能使用海砂，海砂氯离子超标，易引起钢筋混凝土的锈蚀，从而引起混凝土的开裂。

2.3粉煤灰

粉煤灰是燃烧煤粉后收集到的灰粒，亦称飞灰，其化学成分主要是SiO2（45～65%）、Al2O3（20～35%）及Fe2O3（5～10%）和CaO（5%）等，粉煤灰掺入混凝土后，可改善混凝土的和易性。影响混凝土和易性的因素主要包含骨料的形状、级配、浆体的水灰比、体积及骨料间的孔隙率。在混凝土中加入粉煤灰后可以使浆体的体积增大，骨料之间的空隙被浆体充填，由于骨料颗粒被浆体包裹，使其表面也变得润滑，这样就增强了拌合物的可塑性和粘聚性。在混凝土中加入粉煤灰后，就减少了骨料之间的摩擦阻力，使拌合物的和易性增强。同时粉煤灰可以减少混凝土的用水量，补偿细骨料中的细屑，阻碍浆体的泌水渠道，降低混凝土的泌水率，减少混凝土强度增长期收缩裂缝。同时在混凝土中掺入粉煤灰由于减少了水泥的用量可以降低水化热。若按重量计用粉煤灰取代30%的水泥时，可使因水化热导致的绝热温升降低15%左右。众所周知，温度升高时水泥水化速率会显著加快，研究表明：与20℃相比，30℃时硅酸盐水泥的水化速率要加快1倍。粉煤灰混凝土可减少水泥的水化热，减少结构物由于温度而造成的裂缝。对于钢筋混凝土，粉煤灰掺量越大，钢筋锈蚀敏感性增加。粉煤灰掺量过大可导致混凝土碱度降低，使钢筋保护层碳化，进而对混凝土中钢筋锈蚀产生影响，混凝土裂缝易从锈蚀钢筋处诱发。

2.4矿粉

矿粉是将水淬粒化高炉矿渣经过粉磨达到规定细度的一种具有潜在活性的矿物掺合料，是一种新兴的建筑材料。表面积可达400㎝2/g以上，具有颗粒超细，活性较大的特点。矿粉用作混凝土的掺合料能改善提高混凝土的综合性能。其作用表现在（1）改善胶凝材料物理级配。由于矿粉的细度比水泥颗粒还细，这样矿粉就起到填充水泥颗粒之间的空隙的作用。通过采用矿粉充填水泥之间空隙，水泥颗粒充填细骨料之间的空隙，细骨料充填粗骨料之间的空隙，可以降低混凝土拌合物的最大孔径尺寸和骨料之间的孔隙率，形成连续级配的颗粒堆积体系和密实的充填结构，使混凝土的抗裂性大大提升。矿粉在混凝土水泥浆中的能够产生微集料效应，使水泥水化时亦能得以充分发挥，提高水泥水化产物的均匀性分布，从而提高混凝土后期强度。（2）对Cl-的物理吸附作用。矿粉混凝土水化时能产生较多的C-S-H凝胶，而它会吸附一部分Cl-从而阻止其向混凝土内部渗透。因此它能改善混凝土抗氯离子渗透性能，避免海水环境对混凝土的侵蚀，从而导致裂缝的产生。（3）减少水泥初期水化物的相互连接。在混凝土中性能较弱的部分集中在水泥浆体与集料间的界面层，主要是Ca（OH）2含量的问题。减少Ca（OH）2晶体尺寸，不仅能有利于混凝土力学性能的提高，还有利于耐久性的改善。矿粉在水泥初期水化产物的连接，具有一定减水作用和改善混凝土坍落度的经时损失。

2.5外加剂

外加剂在混凝土中被称为第五组分。在混凝土配合比设计中，可以显著降低单方混凝土用水量，从而降低水灰比，提高混凝土工作性和耐久性。同时外加剂宜使用复合型外加剂，外加剂经现场试验加入缓凝组分降低早期混凝土水化热，调节水泥水化速度，延缓推后水泥水热峰值。

3 施工控制措施

3.1 及时切缝

桥面护栏混凝土易出现较多竖向裂纹，影响桥面护栏混凝土的美观。护栏混凝土以设计混凝土坍落度低限为控制标准，以降低混凝土护栏顶面振捣出浆引起的护栏顶面因混凝土表面失水造成的收缩裂缝。护栏混凝土浇筑前，务必做好浇筑前的准备工作，避免混凝土搅拌出站后因现场准备工作不足造成混凝土等待时间延长的情况。混凝土浇筑完成后，应及时的进行切缝工序，以降低箱梁（或T梁）混凝土与新浇筑护栏混凝土由于混凝土的收缩系数不一致而产生的自下而上的应力裂缝的产生及延展。切缝深度满足施工要求，切缝应到达桥面系预制箱梁（或T梁）混凝土顶面面板止。混凝土浇筑完成后顶面收面结束后，及时进行构件的养生工作。因护栏混凝土应力裂缝主要出现在混凝土强度形成的早期，故应特别重视护栏混凝土的早期养生工作。

3.2 埋设冷却水管

在大体积混凝土结构施工过程中，如承台应在结构物内埋设冷却水管，由于大体积混凝土的水泥水化热产生很高的热量，集中在混凝土的内部，并且不容易很快散失，就会使内部温度高于混凝土的表面温度，形成温度应力，如果这种应力大于混凝土的极限抗压强度，就会产生温度裂缝。因此，大体积混凝土施工最突出的问题就是对混凝土的温度进行控制。混凝土结构中心温度与表面温度之间、混凝土表面温度与室外最低气温之间差值应小于20℃。[2]必须处理或解决由于水泥产生的水化热所引起的混凝土体积变化，以便最大限度地减少混凝土裂缝。同时加强对冷却水管的出水温度监控。

3.3 加强养护

根据不同的环境条件，选用不同的养护方式进行混凝土构件的养生。一般构件养护期不少于7天，若混凝土采用双掺法和复合缓凝减水外加剂时，宜相应延长砼养护期。在严寒地区，要在混凝土表面敷设土工布及草帘等保温措施，使混凝土表面有缓慢的散热过程，避免形成混凝土内外巨大温度梯度，导致温度裂缝的產生。在炎热地区，应覆盖土工布并洒水养生，保持砼构件表面湿润状态，避免形成干湿循环。

3.4 钢筋配筋及聚丙烯纤维的掺入

结构平面布置和竖向布置宜规则，刚度分布均匀，避免尺寸和刚度的突变，在结构薄弱部位，应力集中易开裂，在此部位应进行适当的加强，加密分布筋。[1]在混凝土表层布设抗裂钢筋网片或增加钢筋的配筋率，减小钢筋的直径而缩小配筋间距等方法，均能有效降低钢筋混凝土出现裂缝的概率。择优选择掺入聚丙烯纤维，纤维长度小于粗集料最大粒径的2/3，以利于乱向的均匀分布，对阻滞混凝土裂缝产生有一定的辅助效果。[3]

3.5 隔仓及分层分段浇筑

大体积砼的温度应力与结构尺寸相关，结构尺寸越大，温度应力越大，合理安排施工工序，采取隔仓浇筑分层分段及后浇带施工等多种措施，避免砼强度形成期水化热集中释放导致砼构件开裂。

3.6 箱梁预应力张拉控制

桥梁上部结构大多采用预应力钢筋混凝土结构，其最易出现箱梁腹部沿波纹管和钢绞线底板呈45°斜裂缝，极大可能是该区域预应力张拉后，该部位混凝土主拉应力超过了该处的预应力索和普通钢筋的抗剪力及混凝土的抗拉强度。由于预应力索张拉时，索管及其周边混凝土受到较集中的压应力，由于柏松效应导致索管及其周边混凝土受到索管径向的巨大张力，如保护层混凝土不足以抵抗拉应力，则会在其最薄弱处开裂。应严格执行预应力张拉程序，根据同条件养护试块强度控制混凝土拆模及张拉时间，避免拆模过早或预应力过张造成混凝土构件开裂。

3.7 优化混凝土配合比设计

配合比设计在满足强度的同时，重点侧重混凝土耐久性。在混凝土设计中尽量采用较低水灰比，控制单位用水量，掺入矿物掺合料，提倡双掺，使用高效聚羧酸减水剂，选用优质原材料，控制原材料中有害物质的含量，控制混凝中碱含量。从多角度多维度进行混凝土配合比的设计优化。

3.7 地基处理及施工模板加固

基础混凝土浇筑前，检测地基基础的地基承载力与地基的均匀性，如遇软弱地基采取换填、化学注浆等多种方式保证地基稳定。在新老构造物连接处设置沉降缝。同时在施工中，模板要有足够的刚度和强度，并支撑可靠。可有效避免因地基不均匀沉降导致的裂缝产生。

4 裂缝处理

对小于0.2mm的微裂缝，可用水泥浆或渗透性防水剂涂抹裂缝表面进行简单的处理即可达到封闭裂缝的效果。

对宽度大于0.3mm深度较大的裂缝，可采取化学注浆的方式通过压力注浆设备灌入裂缝深处，恢复结构整体性。工艺流程如下：凿槽→埋设注浆嘴→封缝→密封检查→浆液配置→灌浆→封孔→质量检查。重点控制亚压浆设备灌入压力，灌入后待浆液初凝不渗漏方可。

对宽度大于0.5mm的宽大裂缝或钢筋锈蚀裂缝，沿裂缝刻V型或U型槽，嵌填修补材料，恢复结构整体性。工艺流程如下：凿槽→基层处理（清理砼表面，钢筋除锈）→涂刷结合剂（环氧树脂浆液）→嵌填修补材料→面层处理。材料可选用环氧树脂、环氧砂浆、聚合物水泥砂浆、聚氯乙烯胶泥或沥青油膏等嵌填材料[4]。

小结

混凝土裂缝是项技术难题，长期困扰工程技术人员。本文通过对混凝土裂缝产生的成因进行分析，从原材料，施工控制两方面提出相应的解决方案，同时对混凝土裂缝处理进行了阐述，对混凝土裂缝预防及处理工作具有一定的指导意义。

参考文献

[1] 陈俊名.谈混凝土裂缝的产生机理与防治及处理方法. 山西建筑， 2015.02。