钢筋混凝土结构的裂缝探讨

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摘要：钢筋混凝土的裂缝控制问题是建筑工程中很重要的问题之一，特别是最近20年来，泵送商品混凝土获得广泛应用之后，混凝土均质性有了很大改善的同时，裂缝控制技术难度大大增加了，本文是在大量建设实践和现场实验研究基础上，概述了变形作用引起裂缝的原因，约束变形特征，抗与放的设计准则以及综合技术措施等。国际公认泵送商品混凝土对混凝土的质量(均质性)有很大的提高，对供应方式有重要的改进，但是对混凝土的裂缝控制的难度大大增加了，因此，这类问题不是我国特有的技术问题，是国际上钢筋混凝土的共性难题。合理的配筋，特别是构造配筋，细一点密一点可以提高混凝土的极限拉伸，推荐齐斯克列里经验公式。 这是瞬时荷载作用下的公式，如果极慢速约束变形作 用考虑徐变作用，至少可以增加一倍。 

关键词：钢筋混凝土；裂缝；预防；补救 前  言 在实际工程中，钢筋混凝土结构出现裂缝是一种非常普遍的现象，这不仅对构筑物外观产生较大影响, 同时对构筑物的使用功能和耐久性产生影响, 严重时对构筑物的安全性构成威胁, 甚至于完全丧失其使用功能。近年来大量裂缝的出现，并非与荷载作用有直接关系，通过大量的调查与实测研究证明这种裂缝是由于变形作用引起，包括温度变形(水泥的水化热、气温变化、环境生产热)，收缩变形(塑性收缩、干燥收缩、碳化收缩)及地基不均匀沉降(膨胀)变形。由于这些变形受到约束引起的应力超过混凝土的抗拉强度导致裂缝，统称“变形作用引起的裂缝”。目前，裂缝问题引起了人们的广泛关注。 因此, 探讨钢筋混凝土结构裂缝的产生原因和预防措施及其补救措施是很有必要的。 一、钢筋混凝土产生裂缝的原因 引起裂缝的原因是多方面的,例如外荷载的作用、湿度、温度的变化、基础不均匀沉降、混凝土的收缩徐变,构件的配筋不合理以及施工方法不当等等都有可能引起混凝土构件的开裂，下面就工程中比较常见的裂缝进行阐述。 （一） 塑性收缩裂缝 塑性裂缝出现在结构表面，形状不规则且长短不一，这种裂缝大多出现在混凝土浇筑初期。塑性裂缝又称龟裂，严格说来属于干缩裂缝，出现很普遍。产生这种裂缝的因素是多方面的：如当新拌混凝土的坍落度较大，而振动时间过长时，水泥浆浮在上层，骨料下沉时受到钢筋或其他物质的约束，出现不均匀沉降，从而使混凝土的表层产生裂缝；浇筑后混凝土表面没有及时覆盖，受风吹日晒，表面水分蒸发过快，产生急剧收缩，而此时混凝土早期强度不能抵抗这种变形应力，因而开裂；使用收缩率较大的水泥，水泥用量过多，或使用过量的细砂和粉砂混凝土水灰比过大，也会导致这种裂缝出现。 （二）混凝土干缩引起的裂缝 在混凝土硬化过程中，产生内部干缩而引起体积变化，当这种体积变化受到约束时，就可能产生干缩裂缝。干缩裂缝处在结构的表面，较细，其走向纵横交错，没有规律性。这类裂缝一般在混凝土露天养护完毕一段时间后，在表层或侧面出现，并随湿度和温度变化而逐渐发展。混凝土施工工艺产生了巨大的进步—泵送商品混凝土工艺。从过去的干硬性，低动性，现场搅拌混凝土转向集中搅拌，转向大流动性泵送浇注，水泥用量增加，水灰比增加，砂率增加，骨料粒径减小，用水量增加等导致收缩及水化热增加。如混凝土成型后，因养护不当，受到风吹日晒，使得表面水散发快，体积收缩大，而内部湿度变化很小，收缩也小，因而表面的收缩变形受到内部混凝土的约束，产生拉应力，引起混凝土表面裂缝；或者构件因水分蒸发产生体积收缩，受到地基或垫层的约束而出现干缩裂缝。此外，混凝土构件长期露天堆放，表面湿度经常发生剧烈变化；采用含泥量大的粉砂配制混凝土；混凝土过度振捣，表面形成水泥含量较多的砂浆层；用后张法预应力制成的构件，露天生产后长久不张拉等等，都会产生这种裂缝。 （三）温度变化引起的裂缝 混凝土具有热胀冷缩的性质，当环境温度发生变化时就会产生温度变形，由此产生附加应力，当这种应力超过混凝土的抗拉强度时就会产生裂缝，在工程中，这类裂缝比较常见，譬如现浇屋面板上的裂缝、大体积混凝土的裂缝。温度裂缝大多发生在施工的中后期间，缝宽受温度变化影响较明显。表面温度裂缝多缘于较大温差。特别是大体积混凝土基础在浇灌混凝土后，在硬化期间放出大量水化热，内部的温度不断上升，使混凝土表面和内部温差很大。当温差出现非均匀变化时，如施工中过早拆除模板，冬季施工过早拆除保温层，或受到寒潮袭击，都会导致混凝土表面急剧的温度变化，使其因降温而收缩。此时，表面受到内部混凝土的约束，将产生很大的拉应力，而混凝土早期抗拉强度又很低，因此出现裂缝。但这种温差仅在表面处较大，离开表面就很快减弱。因此，这种裂缝只在接近表面较浅的范围内出现。深入和贯穿性的温度裂缝多缘于结构温差大。如大体积混凝土凝结和硬化过程中，水泥和水产生化学反应，释放出大量的热量，称为“水化热”，导致混凝土块体温度升高，当混凝土块体内部的温度与外部的温度相差很大，以致所形成的温度应力或温度变形超过混凝土当时的抗拉强度或极限拉伸应变，就会形成裂缝。 （四） 结构基础不均匀沉降引起的裂缝 当结构的基础沉降不均匀时，结构构件受到强迫变形，导致结构物中构件与构件之间产生斜拉和剪切作用，从而使得结构构件开裂，随着不均匀沉降的进一步发展，裂缝会进一步扩大。这类裂缝的大小、形状、方向取决于地基变形的情况。 由于地基变形造成的应力一般较大，因此裂缝裂缝宽度较大、多呈45°，并且通常是贯穿性的。国内外结构设计中都经常忽略构造钢筋重要性，因而经常出现构造性裂缝。结构设计中经常忽略结构约束性质，不善于利用“抗与放”的设计原则，缺乏相应的设计施工规范、规程。结构规模日趋增大，结构形式日趋复杂，超长超厚及超静定结构成为经常采用结构形式并采用现浇施工，这种结构形式有显著约束作用，对于各种变形作用必然引起较大约束应力。  （五）荷载作用引起的裂缝 构件承受不同性质的荷载作用，其裂缝形状也不同，通常裂缝方向大致是与主拉应力的方向正交。结构受载后产生裂缝的因素很多，在施工中和使用中都可能出现裂缝。建筑结构混凝土强度等级日趋提高，但有许多结构不适当的 选择了过高的强度等级。习惯上认为：“强度等级越高安全度越大，就高不就低，提高强度等级没坏处”。有时迁就施工方便，采用高强混凝土，这是一种误导，导致水泥标号增加，水泥用量增加，水用量增加，细骨料及粗骨料径偏小，砂率偏大等都使水化热及收缩增加。例如早期受地震，脱模过早或方法不当，构件堆放、运输、吊装时的垫块或吊点位置不当，施工超载，张拉预应力值过大等均可能产生裂缝。这种裂缝在抗力方面都是由于混凝土抗拉性能不足(抗拉强 度和极限拉伸)引起的，这方面的材料级配研究很少。  （六）外加剂的负效应  　　外加剂及掺合料种类繁多，只有强度指标缺乏对水化热及收缩变形影响的长期实验资料(至少一年)，有些试验资料并不严格，有许多外加剂严重的增加收缩变形，有的甚至降低耐久性。  （七）　养护方法不当  　　目前在混凝土施工中采用的养护方法基本沿用过去简易的方法，这种方法已远不适应泵送混凝土的较大温度收缩变形的要求。  此外，因设计、材料、施工及使用等原因引起的裂缝，由于涉及的面很广，内容多，限于篇幅本文不作阐述。 二、预防裂缝产生的措施 从裂缝产生的原因可以看出，混凝土裂缝不仅取决于设计计算、材料的选用、也贯穿于混凝土的施工及使用过程，为了防止和减少混凝土的裂缝，可采取许多适当的技术措施。 （一）水泥尽量选用水化热较低的水泥。骨料尽可能选择非活性骨料，粗骨料宜选用表面粗糙、质地坚硬、级配良好、空隙率和含砂率小的石料，细骨料宜选用颗粒较粗、空隙较小、含泥量较低的中砂，以提高混凝土抗裂强度。尽量选用低热或中热水泥(如矿渣水泥、粉煤灰水泥)，或利用混凝土的后期强度(90d～180d)以降低水泥用量，减少水化热(因为每加减10kg水泥，温度会相应增减1℃，水化热与水泥用量成正比)。在条件许可的情况下，应优先选用收缩性小的或具有微膨胀性的水泥。因为这种水泥在水化膨胀期（1～5d）可产生一定的预压应力，而在水化后期预压应力可部分抵消温度徐变应力，减少混凝土内的拉应力，提高混凝土的抗裂能力。 （二）根据地质条件，选择合理的基础类型和结构形式，以防产生不均匀沉降，开挖基槽时需注意不要扰动其原状结构。 大体积混凝土应采取合理的分层、分块、分缝措施。如预先设置好必要的伸缩缝、变形缝和沉降缝，以减少温度裂缝。 （三）配制混凝土时，应根据混凝土强度等级和质量检验以及混凝土和易性的要求确定配合比，严格控制水灰比和水泥用量，合理掺加减水剂，从而减小收缩和水化热及减少混凝土坍落度。 （四）混凝土浇筑时要防止离析现象，加强混凝土的浇灌振捣,提高密实度,有条件可采用两次振捣技术,改善混凝土强度,提高抗裂性。 （五）加强混凝土早期养护，并适当延长养护时间。人工控制混凝土温度的措施对早期因热原因引起的裂缝作用不明显。比如表面保温材料保护可以减少内外温差，但不可避免地招致混凝土体内温度很高，从受约束而导致贯穿裂缝的角度看，是一个潜在恶化裂缝的条件。因为体内热量迟早是要散发掉的。另外人工控制混凝土温度还需注意的问题是防止过速冷却和超冷，过速冷却不仅会使混凝土温度梯度过大，而且早期的过速超冷会影响水泥——胶体体系的水化程度和早期强度，更易产生早期热裂缝。超冷会使混凝土温差过大，引起温差裂缝浇筑时间尽量安排在夜间，最大限度降低混凝土的初凝温度。白天施工时要求在沙、石堆场搭设简易遮阳装置，或用湿麻袋覆盖，必要时向骨料喷冷水。混凝土泵送时，可在水平及垂直泵管上加盖草袋并喷冷水。 （六）应安排合理的拆模时间及顺序,严格执行混凝土结构工程施工及验收规范中规定的混凝土强度和工程设计要求。严禁混凝土构件(尤其是悬挑构件) 尚未达到规定的强度就拆除模板,以防裂缝产生。拆模的顺序一般应按照“先支的后拆,后支的先拆,先拆非承重部位,后拆承重部位”的原则。 三、裂缝产生后常见的补救方法 裂缝对钢筋锈蚀和混凝土碳化、抗冻融，抗疲劳性能及结构承载能力等均有不良影响。因此，应根据裂缝的性质、大小、结构受力情况和使用情况，区别对待,及时治理。 （一）表面修补法 适用于对承载力没有影响的表面裂缝及深进裂缝的处理,亦适用于大面积细裂缝防渗、防漏的处理。 1、表面涂抹水泥砂浆。将裂缝附近的混凝土表面凿毛,或沿深进裂缝凿成凹槽,扫除并洒水湿润,先刷水泥净浆1层,然后用水泥砂浆涂抹，并用铁抹压密抹光。 2、表面涂抹环氧胶泥。用钢丝刷、砂纸、毛刷清除干净并洗净,油污可用二甲苯或丙酮擦洗一遍,如表面潮湿,应用喷灯烤干燥、预热,以保证环氧胶泥与混凝土粘结良好,若基层难以干燥,则用环氧煤焦油胶泥(涂料) 涂抹。 3、表面涂刷油漆、沥青。涂刷前,混凝土表面应干燥。 4、表面凿槽嵌补。沿混凝土裂缝凿一条V 形或U 形深槽, V 形槽用于一般裂缝的治理,U 形槽用于渗水裂缝的治理。槽内嵌水泥砂浆或环氧胶泥、聚氯乙烯胶泥、沥青油膏等,表面作砂浆保护层。 （二） 内部修补法 用压浆泵将胶结材料压入裂缝中,由于其凝结、硬化而起到补缝作用,以恢复结构的整体性。这种方法适用于对结构整体性有影响,或有防水、防渗要求的裂缝修补。常用的灌浆材料有水泥和化学材料,可按裂缝的性质、宽度、施工条件等具体情况选用。一般对宽度大于0.5mm的裂缝,可采用水泥灌浆，对宽度小于0.5mm的裂缝,或较大的温度收缩裂缝,宜采用化学灌浆。 1、水泥灌浆 一般用于大体积混凝土结构的修补,主要施工程序是钻孔、冲洗、止浆、堵漏、埋管、试水、灌浆。 钻孔孔距一般为1m～1.5m ,钻孔轴线与裂缝呈30°～40°斜角,孔深应穿过裂缝面0.5m以上,当有两排或两排以上的孔时,宜交错或呈梅花形布置；冲洗在钻孔完毕后进行,其顺序按竖向排列自上而下逐孔冲洗；止浆及堵缝是缝面冲洗干净后,在裂缝表面用水泥砂浆(或环氧胶泥) 涂抹；埋管安装前应在外壁裹上旧棉絮并用麻丝缠紧,然后旋入孔中,孔口管壁周围的孔隙用旧棉絮或其它材料塞紧,并用水泥砂浆或硫酸砂浆封堵，防止冒浆或灌浆管从孔口脱出；试水是用0.098MPa～0.196MPa 压力水作渗水试验,采用灌浆孔压水、排气孔排水的方法,检查裂缝和管路畅通情况,然后关闭排气孔,检查止浆堵漏效果,并湿润缝面,以利于粘结；灌浆应采用425 号以上的普通水泥,灌浆压力一般为0.294MPa～0.491 MPa ,压浆完毕时浆孔内应充满灰浆,并填入湿净砂,用棒捣实,每条裂缝应按压浆顺序依次进行,当出现大量渗露情况时,应立即停止泵堵漏,然后继续压浆。 2、化学灌浆 化学灌浆能控制凝结时间,有较高粘结强度和一定的弹性恢复力,结构整体性效果好,适用于各种情况下的裂缝修补及堵漏、防渗处理。灌浆材料应根据裂缝性质、裂缝宽度和干燥情况选用。常用的灌浆材料有环氧树脂浆液(能修补缝宽0.2 mm以下的干燥裂缝) 、甲凝(能灌0.03 mm～0.1mm的干燥细微裂缝) 、丙凝(用于堵水、止漏及渗水裂缝的修补,能灌0.1mm以下的细裂缝)等,环氧树脂浆液具有粘结强度高、施工操作方便、成本低等优点,应用最广。 灌浆操作主要工序是表面处理(布置灌浆嘴和试气) 、灌浆、封孔,一般采取骑缝直接用灌浆嘴施喷,不另设钻孔。 （三）结构补强加固法 用锚杆、钢板、钢筋混凝土等材料对结构作补强加固, 可扼制裂缝进一步发展, 恢复结构的整体性。 1、锚杆常用水泥砂浆或树脂灌注, 锚杆与缝面夹角越大越好。浆液凝固后, 锚杆成为结构的一部分, 能增强结构的承载能力。采用预应力锚杆, 锚固作用更明显, 甚至能使混凝土弥合。 2、钢板补强法, 是将钢板用粘合剂粘结在混凝土表面上, 再用锚杆安装固定。为了结合紧密, 也可先将钢板固定,再灌浆充填钢板与混凝土之间的空隙。 3、钢筋混凝土补强法,是在原结构表面浇筑一层钢筋混凝土, 起到封闭裂缝, 提高承载力, 阻止裂缝发展的作用。 结  论 综上所述，环境的影响、设计的错误、劣质的材料、粗糙的施工是构件产生裂缝的主要原因。在实践中,应根据裂缝的不同特点采用不同的治理方法,使裂缝对构件或结构的危害降到最小，以延长构筑物的使用寿命，从而使钢筋混凝土构筑物能够安全可靠地运行。 　　   参考文献 1. 杨建新 探讨有关混凝土墙体早期竖向裂缝问题 工程质量2007.08 2. 郭进 高抗裂、高抗渗复合材料在地下室工程中的应用 施工技术 2007.12 3. 李奇逊 大型地下室混凝土长墙裂缝控制技术 施工技术 2007.12 4. 石晓东 加强冬期预拌混凝土生产质量管理 山东建筑与装饰 2007.12 5. 费英华 建筑结构选型及结构设置 建筑 2008.06 6. 提高施工质量从施工企业质量管理起步——透视《工程建设施工质量管理规范》 施工技术 2008.07