混凝土构筑物裂缝原因分析与处理

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、概　述

    在当今的整个社会的建设中，不论什么样的建筑，都是采用钢筋混凝土结构，因为该建筑材料价廉物美，施工方便，承载力大，可装饰强的特点，日益受到人们的欢迎。在我国不论是城市或在农村，钢筋混凝土的应用面可以说是无处不在。但是，在使用混凝土的同时，由于对混凝土的性能了解不深，在工程完毕后的十几天，一个月或者更长一点的时间后，混凝土结构物出现了裂缝或其他不良反映，给人们的心中造成担忧和后怕的感觉。一些搞混凝土技术的研究人员对混凝土构筑物的裂缝形成，进行了大量的研究和技术探讨，提出解决混凝土裂缝的办法和意见，也取得了较大的科研成果，使混凝土构筑物的裂缝降低到最低范围之内。目前对混凝土结构物裂缝问题，是在混凝土工程建设中带有一定普遍性的技术问题。而混凝土结构的破坏和建筑物的倒塌，也都是从结构裂缝的扩展开始而引起的。如地下工程(地下室、地下仓库、地下变电所、地下人防工程等)，若出现裂缝，将会产生大量的渗水，使地下工程的使用性能降低或不能使用；而厂房、住宅、办公楼的墙、板、柱、梁出现裂缝后，一是影响美观，二是影响使用寿命，有严重裂缝的建筑物将会威胁到人们的生命和财产的安全。故在某些施工验收规范和工程都是不允许混凝土结构出现有明显的裂缝。     但是，从近代科学关于混凝土工作的研究及大量的混凝土工程实践证明，混凝土结构裂缝是不可避免的，裂缝是人们可以接受的一种材料特性，只是如何使有害程度控制在某一有效范围之内。因为使用的混凝土是多种材料组成的一种混合体，且又是一种脆性材料，在受到温度、压力和外力的作用下，都有出现裂缝的可能性。而对出现裂缝后，就要分析哪些裂缝是有害裂缝，哪些是无害裂缝，经分析后，对有害裂缝的形成原因和如何处理，这是本文所提出的关键所在。     2、国内外对混凝土裂缝控制的要求     从目前的情况看，设计上对混凝土裂缝有一定范围。从我国的“混凝土结构设计规范《GBJ10——89)”表3·3·4规定看，其裂缝宽度在不同的环境下，不同的混凝土结构物其裂缝的宽度也有所不同的控制标准，允许裂缝宽度为0.2～0.3mm。而从国外的情况看，不同的国家对混凝土构筑物的裂缝宽度也有不同的规定，如1970年欧洲混凝土专业委员会的规范所收集各个国家的标准设计裂缝规定如下：     美国AGl　规范规定裂缝为0.108mm；法国　规范规定裂缝为0.27mm；加拿大　规范规定裂缝为0.064mm；前苏联　规范规定裂缝为0.12mm；波兰　规范规定裂缝为0.182mm。     从不同的国家来看，各国的规范对混凝土构筑物的裂缝都有不同的控制范围和要求，要保证混凝土构筑物不出现裂缝可以说是不可能的。在我国，对在不同环境下混凝土构筑物，在不同的介质情况下，所规定的混凝土裂缝宽度也不同。所以说，对混凝土构筑物的裂缝我国规范规定在设计上有一定的允许宽度。国际上也都根据本国的特点，对混凝土的裂缝都有明确的规定，说明混凝土结构的裂缝在一定范围内是允许的，要想控制混凝土构筑物不裂缝是很难的，关键是裂缝的宽度应该控制在什么范围内。     3、混凝土构筑物裂缝的种类及渗、漏原因     混凝土渗、漏的主要原因是在其拌合物在浇灌振捣过程中漏振和振捣不密实而产生的毛细孔隙或蜂窝状，在外部水压力的作用下，导致渗、漏现象。     同时，由于设计的原因，如结构的造型尺寸、受力情况、构造等因素考虑不周，也会造成混凝土结构的渗、漏现象。从以往的实际情况看，混凝土的裂缝大致可分为以下几种：     (1)混凝土拌合物凝结前的沉降裂缝及干缩裂缝；     (2)混凝土温度应力裂缝；     (3)混凝土自应力裂缝；     (4)混凝土受外力及荷重影响裂缝。     从实际情况来看，地下混凝土工程结构的裂缝情况可分为以下几个方面，笔者予以分别介绍。     3.1混凝土拌合物沉降裂缝     这种裂缝的发生，往往是采用大流动性混凝土拌合物时而发生的裂缝，大家知道，大流动性混凝土拌合物在混凝土初凝前，混凝土拌合物中的粗骨料始终处于一种自由体，虽然经过振动器械进行了振动，内部的孔隙也基本排除，但在混凝土内部的粗骨料本身在自身质量的作用下缓慢下沉，若是素混凝土，内部的下沉是均匀的，在混凝土硬化过程中，表面的裂缝一般均为施工人员在操作过程中所留下的脚窝因用素浆找平后而形成的，因为这些裂缝是素浆在硬化时产生的收缩(干裂)裂缝；但是只要在混凝土初凝时予以压光即可解决。另外一方面是钢筋混凝土张相宝，在混凝土没有达到初凝前，其内部的粗骨料继续处于下沉状态，而混凝土沿着钢筋的下方继续下沉，由于在钢筋的作用下，钢筋上面的混凝土被钢筋的支护，在钢筋上表面沿着钢筋的走向产生裂缝，这种裂缝的深度一般只达到钢筋表面为止。     3.2早期混凝土干缩裂缝     这种裂缝一般出现在混凝土较薄的结构；如现浇楼板混凝土、道路混凝土、地坪等混凝土，在结构断面≤300mm、混凝土坍落度＞100mm时，最容易发生此种裂缝。这种裂缝产生的原因是混凝土拌合物在浇捣完毕后，混凝土拌合物内部的水份一部分泌出流失，一部分被水泥水化所用，另外一部分被蒸发，尤其是在干热、风较大的季节以及在空中的薄壁结构板混凝土拌合物则更容易出现失水干缩而发生裂缝。这种裂缝出现的时间较早，一般混凝土在初凝前就已经发生，若不加以处理和养护，局部裂缝将会贯穿整个混凝土结构，部分裂缝也将达到结构1/3～1/2的深度。象这样的裂缝若在混凝土还没达到初凝之前，对其表面用木抹子进行再次拍压抹平，并立即在表面覆盖养护，即可消除该种裂缝的再发生。这种裂缝在实际的施工过程中会经常遇到，但只要引起注意，象混凝土早期出现初凝前的裂缝完全可以避免。     3.3对拉螺栓钢筋端头处漏水现象     在实际工程的施工中，对拉螺栓是用来固定模板的，在混凝土浇灌前已预先固定在钢筋笼内，且钢筋穿过整个混凝土结构物。在施工时，该对拉钢筋在±0.00以下都要求在对拉钢筋中焊接有钢板止水垫，防止地下水从钢筋周围直接渗入混凝土结构物内部，要求止水钢板与钢筋四周用电焊焊满，不得有漏焊和点焊，确保对拉螺栓的止水效果，若止水垫焊不满，在混凝土振捣过程中，对拉螺栓下方的骨料颗粒还在继续下沉，在混凝土凝结后，对拉钢筋下面就形成一道水膜，在混凝土中的水泥产生水化和水份的蒸发以后，在螺拴下表面就形成了一道贯穿性的毛细孔，这种毛细孔在外部地下水的压力作用下，将产生渗水现象。     但是，有的钢止水板在焊接时焊得不严，有漏焊点或漏焊处，在外部水压力的作用下，水就会通过止水板的漏焊处，顺着钢筋螺栓渗透到结构物内部。     3.4　贯通性毛细孔和微细裂缝     在一般大流动性混凝土工程结构上容易产生贯通性的毛细孔。因为泵送混凝土的流动性大，相应地混凝土单位用水量也要比普通混凝土用水要多。在混凝土浇捣完后，一部分水泌掉，一部分蒸发，一部分在水泥水化时被水泥吸收，那么另外一部分搅拌用水就存在混凝土内部，在一定的时间内，水慢慢挥发，原来水所占的体积就形成了一条毛细孔隙，在混凝土结构外部地下水的压力下，这种贯通性的毛细孔就很容易产生渗漏。     微细裂缝主要反映在大流动性混凝土内部，由于在振捣时漏振或振捣不够，在混凝土硬化前，尤其是在钢筋下方的骨料仍在继续下沉，而钢筋上部的混凝土中的骨料被钢筋所支撑不能下沉，在钢筋的下表面就形成了一道微细的水膜，日后它则会形成一条孔隙，地下水便会从此缝隙渗漏到混凝土结构物内部。     3.5　混凝土应力裂缝     3.5.1　混凝土温度应力裂缝     在混凝土硬化过程中，混凝土构筑物可能要承受各种温度和湿度及其它原因引起变形而产生应力裂缝，因为混凝土在内、外约束应力作用的情况下，混凝土构件的自约束应力是由于非线性的不均匀变形引起，它产生了局部裂缝，而混凝土构件(结构)在外部的约束应力由于结构与结构的相互约束，这种约束变形可能使混凝土构件(结构)产生贯穿性断裂和局部裂缝。     根据王铁梦教授的理论，在混凝土尤其是大体积混凝土浇捣完后，水泥已经开始水化，其混凝土内部的最高温度峰值可按以下经验公式计算，即：     T₀=T+C·α     式中　T₀——混凝土内部峰值温度(C°)；     T——混凝土浇灌入模时的温度(C°)；     C——每立方米混凝土水泥用量(kg/m³)；     α——经验系数；当采用矿渣水泥、火山灰水泥、粉煤灰水泥时；α=0.1；当采用普通水泥时α=0.105。     当混凝土内部温度应力大于混凝土的拉应力时，混凝土结构将会出现裂缝，故在“混凝土结构工程施工及验收规范《GB50204——92》”中第4.5.3条明确规定，“对大体积混凝土的养护，应根据气候条件采取控温措施，并按需要测定浇筑后的混凝土表面和内部温度，将温差控制在设计要求的范围内；当设计无具体要求时，温差不宜超过25C°”。而在大体积混凝土施工中，往往设计上无明确的规定，只能靠施工的经验进行控制。     因为混凝土拌合物内的水泥在水化时，要产生大量的水化热，当混凝土内外温差超过一定的限度，混凝土的拉应力小于混凝土的热涨应力时，便会产生温度应力裂缝。这种裂缝主要出现在大体积混凝土或在冬期施工的混凝土。     例如：我们在宝钢某大型设备基础的混凝土施工中，混凝土强度设计为C30级，每立方米混凝土的水泥用量为360kg/m³，当时的气温为33C°，为了了解混凝土内部升温峰值，我们采取了电热偶测温和测温孔的办法测定混凝土内部的温度与混凝土表面的温度，以计算混凝土内外温差，经实测的温度和计算的温度看，两者相差不大。两者的温度结果为：     (1)实际测试的温度峰值为71.3C°；     (2)计算温度为：T₀=34.5+(360×0.1)＝70.5C°；     从两者的温度情况看，温度相差仅为0.8C°。说明计算的温度与实测的温度相差不大，完全可以以计算的温度对混凝土进行保温措施。当时该工程混凝土温度最高时所测混凝土外表面温度为44C°，内外温差为27.3C°，大于规范规定的25C°要求，故立即采取混凝土表面的保温措施，提高混凝土表面温度，缩小内外温差，使混凝土没有因温度应力出现裂缝，保证了混凝土基础的质量。在混凝土出现温度应力裂缝的情况时，一般往往会发生在混凝土结构物的变截面和混凝土断面较小的部位，为此，在施工大体积混凝土或者较厚的混凝土墙版时，施工单位要予以注意。     3.5.2混凝土自应力裂缝 　　在混凝土硬化后，即使在混凝土上方没有任何荷重的作用，也因其自身的收缩而产生裂缝。尤其是在夏季的混凝土施工，更容易发生该方面的裂缝。这种裂缝往往是在混凝土墙板上容易产生，它的形式一般为上下贯通的裂缝，在整个混凝土墙壁上呈现出有规律性的裂缝，一般在1.8～2.2m一道。如我们在上海市某研究所大楼地下室的墙板的混凝土施工中，混凝土的养护到7天后，浇灌地下室混凝土顶板，施工完后，发现地下室墙壁呈现规律性的裂缝，裂缝宽度为0.15mm左右，长度为整个墙壁的高度。经请部分专家分析，该种裂缝是混凝土的自应力引起的，原因是混凝土在水泥水化热达到一定的温度的时候，混凝土的膨胀应力开始消失而此时的混凝土开始产生收缩。这种收缩是均匀的收缩，所以在此种条件下，混凝土墙板的裂缝呈现出有规律性的裂缝。但是，若墙板与地下室承重相联结蹬地方，往往会在柱与墙的交点处裂缝以及在墙板的变截面发生裂缝。     3.6　荷载变形裂缝     这种裂缝一般可分为两种情况造成：一是在混凝土结构还未达到设计要求的强度时，被车辆或重物的碾压或撞、砸而造成的变形缝；二是即使混凝土已经达到了设计强度，而在混凝土墙壁或薄壁结构物上撞击或超荷载堆放而造成的裂缝。后者出现的裂缝一般较为明显，属于贯穿性的裂缝。     3.7混凝土结构的漏水现象     混凝土的漏水现象往往会发生在以下几个方面：     (1)蜂窝麻面渗水现象     蜂窝麻面直接与混凝土施工有关。这些蜂窝麻面的出现原因主要是在施工时漏振或者振动时间不足而发生的，这种蜂窝麻面在混凝土结构中有的是独立一批片存在、有的则呈连贯性的。所以，在发生渗、漏时它不是点渗、漏，而是成片渗、漏的现象。     (2)伸缩缝、沉降缝渗、漏     在大体积混凝土和混凝土结构物比较长、结构物高低相差较大的工程中，因工艺的要求一般都设有伸缩缝和沉降缝，以保证混凝土结构在部分变形时而不影响其它整体变形的需要。这些部位往往在施工时因某些原因使伸缩缝和沉降缝不能完全保证其质量，造成这些部位的渗、漏，它在处理时往往要比其它部位的渗、漏要难处理得多。     (3)新旧混凝土接茬(缝)的渗、漏     在原有的混凝土结构物上继续浇灌混凝土时，原来的混凝土基础表面没有进行凿毛处理或凿毛后未清理干净，或者是未用水冲洗，就在原混凝土基础上浇灌混凝土拌合物。这样就会造成新旧混凝土的接茬(缝)之间形成一道掺、漏的缝隙。这种渗水现象在实际工程施工中会经常出现，尤其是在混凝土塌落度较小时(一般在50mm以下)，接茬(缝)又未铺设水泥砂浆则更容易发生。这种缝隙在混凝土施工时特别要加以注意，引起重视。     4、裂缝渗、漏的处理方法     根据混凝土渗、漏的特点，要进行分析该渗、漏的原因和渗水形成的部位，以及渗、漏的程度，根据不同的形式可采取不同的堵漏办法，我们实际的堵漏方法如下：     对混凝土的堵漏的方法一般是采用四种办法，在日常的实施中这四种方法是比较合适的，也是可行的，这些方法是：     (1)化学灌浆法；(2)嵌缝堵漏法；(3)堵封堵漏法；(4)涂模(布)堵漏法。     以上四种堵漏方法是根据不同的渗、漏情况而选择不同培漏方式来解决混凝土渗、漏问题，下面笔者根据不同渗、漏按不同的堵漏方法予以介绍。     4.1　化学灌桨法     化学灌浆堵漏，是采用一种化学灌浆料来解决混凝土形成的线型掺、漏的部位，一般这种渗、漏是一条线，堵漏时要采取化学灌浆料与快速凝结水泥和无收缩水泥砂浆配合使用，才能真正达到堵漏效果；化学灌浆料一般分为四种型号，它们的技术指标见表1。 　　表1　　　　　　　　化学灌浆料技术指标 序号 材料名称 粘结强度(MPa) 抗压强度(MPa) 遇水膨胀率(%) 1 LW水溶性聚氨脂 1.70 — 273 2 HW水溶性聚氨脂 2.70 19.8 — 3 LW∶HW=60∶40 1.86 11.8 30 4 低粘度环氧树脂 5.10 82.4 —     化学灌浆堵漏，一般是对漏水较为严重的部位，它们的裂缝一般均是贯通性的，在堵漏处理上是比较困难的一种渗、漏，为此需要采取化学灌浆的办法进行堵漏，堵漏时，先将渗、漏水的裂缝部位予以确定，研究处理的方法，然后确定堵漏方案，对该种裂缝漏水的处理方法如下：     (1)在漏水处凿出一道“V”型槽，用掺入速凝剂的水泥净浆埋设灌浆嘴，用聚合物水泥砂浆PCCM封缝；     (2)对混凝土基层面用钢丝刷清理浮灰，并用清水冲洗干净；     (3)在混凝土基层表面无浮水时，喷涂5mm厚的PCCM——聚合物水泥砂浆。PCCM聚合物水泥砂浆主要力学性能见表2； 　　表2　　　PCCM聚合物水泥砂浆主要力学性能 性能 粘结强度
(MPa) 抗拉强度
(MPa) 极限拉值
(E_u) 抗拉弹模
(E) 抗裂系数
(k) 抗渗压力
(MPa) 指标 3.5～4.2 3.7～4.7 700～800×10^-6 700～800(MPa) 5.5～7.5×10^-4 ＞S1.2       (4)对喷涂的聚合物养护5d后，用LW水溶性聚氨脂浆液进行化学灌浆，灌浆的压力一般为0.3(MPa)，防止在灌浆时的压力过大，造成进塑料管的爆裂。     在实际的堵漏的处理中，采用油毡或铝箔的目的是为了防止水泥浆进入金属阀(金属阀一端连接透明塑料注浆软管作为引水管，在混凝土表面达到一定的强度后又作为化学灌浆的输送管)的注浆孔使堵塞。用油毡或者铝箔套住金属阀，然后在油毡或铝箔四周用快速凝结水泥净浆予以密封，然后用上述介绍的材料进行面层处理。     4.2　嵌缝堵漏法     采用该种堵漏方法，一般是混凝土表面只出现映水现象，在长时间后，能把混凝土墙面映湿成大片的水迹和地下存有积水，如果不处理，将会影响整个表面的美观及室内的使用效果，为此，本办法对渗水的处理应采用嵌缝的方法进行，嵌缝的处理方法是：     (1)沿着混凝土渗水的缝隙凿出“v”型槽，清除槽内的杂物，然后用清水冲洗干净；     (2)在清洁、干燥的缝面上均匀涂刷SR塑料止水材料专用基液；     (3)在基液实干前，嵌填SR塑性止水材料；     (4)修理及保护：密封胶在表面干燥以前，用小刮刀等工具抹平，将表面修理平整；     (5)在经过嵌缝的缝面上用喷水壶撤上水，保持缝面的潮湿；     (6)将按比例配制的PCCM砂浆用刮刀将其嵌入缝中，并用抹刀将其抹平；     (7)待PCCM砂浆凝结后，采用潮湿的办法养护3～5d；     (8)按比例配制HK——964增厚型环氧涂料，反复搅拌均匀后使用；     (9)在干燥、平整的缝表面上，均匀涂刷964弹性涂料二道，要一刷压一刷操作，防止漏刷；     (10)在整个堵漏工作完毕后，对所使用SR、964涂料的工具，要及时用溶剂清洗干净待用。     4.3封堵堵漏法     该种堵漏的方法，主要是应用在水下或地下混凝土在涌水的条件下的孔隙、孔洞和裂缝的快速封堵。在封堵这样的漏水部位，往往要比其它的渗、漏要困难得多，且堵水效果要略差一些，但只要在处理时按要求操作，可保证混凝土表面不掺水。这种材料有的叫快速堵漏剂，也有的称为PBM聚合物，其聚合物混凝土的水下性能见表3。 　　表3　　　　　　PBM—7聚合物混凝土的水下性能 龄期　性能 粘结强度
(MPa) 抗拉强度
(MPa) 抗折强度
(MPa) 抗压强度
(MPa) 1d 2.0 5.2 13.7 42.6 30d 2.1 5.9 15.1 56.4       采用本办法堵漏时一定先把基底处理干净，在混凝土表面不得留有混凝土杂物和粉末，若是点涌水，先把漏水处凿一个直径为80～150mm深50～80mm的工作坑，在坑中的漏水处预放一个导水管，作为排水之用，待先抹上去的聚合物混凝土(或砂浆)达到一定的强度后，再用聚合物砂浆用力给堵上。在处理渗漏时，一般要根据漏水的流水量的大小来采取不同的堵漏方法，若是有水向外踊，可采取上述方法进行。若漏水量很小，可以在漏水处按上述的办法先凿除一个堵漏工作坑，用清水冲洗干净后，立即用聚合物混凝土或聚合物砂浆一次封堵，并用力将聚合物混凝土或聚合物砂浆压实(这种聚合物拌入混凝土或水泥砂浆后，其凝结时间一般在3～5分钟)，待混凝土或砂浆凝结硬化后，在其表面用高标号砂浆抹平，在5d内保持表面潮湿即可。     注意，在有涌水的堵漏过程中，一定要对钢管或竹筒混凝土或砂浆在硬化(凝结)前进行转动，防止混凝土或砂浆在硬化后无法取出，造成在最后堵流时发生困难或返工现象。     另外，如果漏水呈上下裂缝，在堵这种形式的裂缝时，要注意从上至下进行操作，在比较容易操作的高度设置排水管，待整个裂缝所封堵的材料达到设计要求后，再对排水的位置进行封堵。也可以分段封堵，方法同上。     4.4　涂膜(布)堵漏法     涂膜堵漏是将混凝土结构物表面有渗漏的地方经过处理后，直接在其表面上进行防水处理。这种方法一般适用于混凝土结构在施工时振捣不密实，有的是漏振而形成的混凝土内部不密实而造成的大面积渗水情况，这种渗水现象一般无法用压力灌浆和嵌入法解决，只能用涂膜法进行表面防水处理。这种处理方法比较简单，但在操作时要求较严格，一般都要求混凝土结构表面没有浮灰和杂物，否则将会影响混凝土面与涂膜的粘结力，影响防水效果。     涂膜(布)防水所使用的材料为HK——96系列增厚型环氧涂料，它们的用途性能分别为：     961——用于干燥的混凝土表面；962——用于潮湿的混凝土表面；963——用于水下混凝土或结构物表面；964——为弹性涂料。     在选用以上四种涂膜材料时，一定要根据不同的漏水方式，选择不同的涂膜材料。如某种在继续沉降的结构，但沉降量很小，这时要选择有弹性的涂料，不能选择硬脆性涂膜材料，防止结构物在沉降时发生不脆裂而起不到防水效果。     5、对堵漏工作的几点看法     经过对宝钢一、二、三期的地下混凝土结构工程出现渗、漏后的处理工作看，对混凝土堵漏只是一种事后的解决办法，首先在混凝土施工时要加强对混凝土的施工管理工作，避免和减少混凝土结构的裂缝，这才是我们的唯一目的。堵漏堵得再好，它不过是一种消极的办法，它不但要造成浪费，而且要投入大量的人力和物力，在工程投入使用后也会发生种种意想不到的问题。为此，我们的精力首先要放在混凝土的施工管理上，严格把好混凝土的施工质量关。但是，由于混凝土是由多种材料组成的一种脆性材料，在施工过程中往往很难保证混凝土结构不出现裂缝，但一定要控制混凝土尽量少出现裂缝。在万不得已时出现的裂缝，再进行对裂缝渗漏进行封堵或进行压力灌浆的办法。经过在宝钢一、二、三期的地下混凝土工程渗漏的处理情况看，效果是明显的，达到了预期的目的，为此我们认识到：     (1)要确定混凝土渗、漏部位的情况，确定堵漏方案，选择合理的堵漏材料，避免堵漏达不到预期的效果。     (2)堵漏前，不论是凿洞或是凿“V”型槽，深度一定要超过钢筋以下，一般所凿的深度为50～80mm，太浅容易发生再漏现象。     (3)所有被凿的洞或“V”型槽，均要用清水冲洗干净，洞和槽内不得存有浮灰，否则经过一时期后，洞口周围将会重新渗、漏。     (4)采用PBM——7聚合物速凝胶泥时，要现配现用，防止一次配制太多，放置时间过长失效而造成浪费。     (5)若采用LW水溶性聚氨脂浆液做为堵漏剂时，一定要注意密封保存，防止曝晒和混入水分而造成该溶液的化学反应，并保持压浆泵的清洁，泵体的容器内不得混入杂物，防止堵塞，用后随时用溶剂清洗干净。     (6)在实际堵漏操作时，要设专人负责，专人操作，保证堵漏的质量。