混凝土裂縫成因及分類概述

1、1引言混凝土是目前用量最大的一種建筑材料 ,廣泛應(yīng)用于工業(yè)與民用建筑、農(nóng)林與城 市建設(shè)、水利與海港工程。然而 ,許多混凝土結(jié)構(gòu)在建設(shè)與使用過程中出現(xiàn)了不 同程度、不同形式的裂縫。這不僅影響建筑物的外觀 ,更危及建筑物的正常使用 和結(jié)構(gòu)的耐久性。因此 ,裂縫問題倍受人們關(guān)注。近年來 ,隨著預(yù)拌混凝土的大力 推廣應(yīng)用以及結(jié)構(gòu)形式日趨大型化、復(fù)雜化 ,使得這一問題變得更為突出。然而 , 混凝土結(jié)構(gòu)的裂縫是一個相當(dāng)普遍的現(xiàn)象 ,大量工程實踐以及近代科學(xué)關(guān)于混凝 土強度的細觀研究都表明結(jié)構(gòu)物的裂縫是不可避免的 ,它是材料的一種特性。因 此 ,科學(xué)地對待裂縫問題是在對裂縫進行分類、研究的基礎(chǔ)上,采取有效的

2、措施 ,將裂縫的有害程度控制在允許的范圍內(nèi)。本文將就混凝土結(jié)構(gòu)中常見裂縫的成 因、控制措施以及修補方法作一些淺要分析。2 混凝土裂縫的分類2 1按裂縫的成因劃分根據(jù)混凝土裂縫產(chǎn)生的原因 ,可分為結(jié)構(gòu)性裂縫與非結(jié)構(gòu)性裂縫兩大類。(1) 結(jié)構(gòu)性裂縫 由各種外荷載引起的裂縫 ,也稱荷載裂縫。它包括由外荷載的直 接應(yīng)力引起的裂縫和在外荷載作用下結(jié)構(gòu)次應(yīng)力引起的裂縫。(2) 非結(jié)構(gòu)性裂縫 由各種變形變化引起的裂縫。它包括溫差 ,干縮濕脹和不均勻 沉降等因素引起的裂縫。 這類裂縫是在結(jié)構(gòu)的變形受到限制時引起的內(nèi)應(yīng)力造成 的。從國內(nèi)外的研究資料以及大量的工程實踐看 ,非結(jié)構(gòu)性裂縫在工程中占了絕 大多數(shù),約為

3、 80%,其中以收縮裂縫為主導(dǎo) 15。2 2按裂縫產(chǎn)生的時間劃分(1) 施工期間出現(xiàn)的裂縫 2,4 包括塑性收縮裂縫、沉降收縮裂縫、干燥收縮裂縫、 自身收縮裂縫、 溫度裂縫、 施工操作不當(dāng)出現(xiàn)的裂縫、 早期凍脹作用引起的裂縫 以及一些不規(guī)則裂縫。(2) 使用期間出現(xiàn)的裂縫 4 包括鋼筋銹蝕膨脹產(chǎn)生的裂縫、鹽堿類介質(zhì)及酸性 侵蝕氣液引起的裂縫、 凍融循環(huán)造成的裂縫、 堿骨料反應(yīng)引起的裂縫以及循環(huán)動 荷載作用下?lián)p傷累積引起的裂縫等。2 3按裂縫的形狀劃分裂縫按形狀可分為 4: 縱向裂縫 ,平行于構(gòu)件底面 ,順筋分布 ,主要由鋼筋銹蝕作 用引起:橫向裂縫，垂直于構(gòu)件底面，主要由荷載作用、溫差作用引起

4、；剪切裂縫, 由于豎向荷載或震動位移引起；斜向裂縫、八字形或倒八字形裂縫，常見于墻體 混凝土梁，主要因地基的不均勻沉降以及溫差作用引起 ；X形裂縫，常見于框架 梁、柱的端頭以及墻面上，由于瞬間的撞擊作用或者地震荷載作用引起：各種不 規(guī)則裂縫 ,如反復(fù)凍融或火災(zāi)等引起的裂縫。此外 ,還有因混凝土拌和或運輸時間 過長引起的網(wǎng)狀裂縫 ,現(xiàn)澆樓板四角出現(xiàn)的放射狀裂縫或板面出現(xiàn)的十字形裂縫 等等。2 4按裂縫的發(fā)展?fàn)顟B(tài)劃分根據(jù)裂縫所處的運動狀態(tài)及其發(fā)展趨勢 ,可分為以下兩類 :(1) 穩(wěn)定裂縫 這種裂縫不影響持久應(yīng)用 ,包括兩類。一類是在運動過程中可以自 愈合的裂縫 ,常見于一些新建的防水工程中 ,這是

5、由于裂縫處水泥顆粒在滲漏過程 中與水進一步化合 ,析出 Ca(OH)2 晶體且部分 Ca(OH)2 又與溶解在水中的 CO2 發(fā)生碳化反應(yīng)形成 CaCO3 結(jié)晶,兩者形成的凝膠物質(zhì)將膠合裂縫封閉 ,從而滲漏 停止,裂縫達到自愈。另一類是處于穩(wěn)定運動中的裂縫 ,如在周期性荷載作用下產(chǎn) 生的周期性擴展和閉合的裂縫。（2）不穩(wěn)定裂縫 這種裂縫將產(chǎn)生不穩(wěn)定性的擴展 ,影響結(jié)構(gòu)物的持久使用 ,應(yīng)視 其擴展部位 ,采取相應(yīng)的措施。3 混凝土常見裂縫的成因與控制措施3 1收縮裂縫收縮裂縫是由濕度變化引起的 ,它占混凝土非結(jié)構(gòu)性裂縫中的主要部分。我們知 道 ,混凝土是以水泥為主要膠結(jié)材料 ,以天然砂、石為骨料

6、加水拌合 ,經(jīng)過澆筑成 型、凝結(jié)硬化形成的人工石材。在施工中 ,為保證其和易性 ,往往加入比水泥水化 作用所需的水分多 45 倍的水。多出的這些水分以游離態(tài)形式存在 ,并在硬化過 程中逐步蒸發(fā) ,從而在混凝土內(nèi)部形成大量毛細孔、空隙甚至孔洞 ,造成混凝土 體積收縮。此外 ,混凝土硬化過程中水化作用和碳化作用也會引起混凝土體積收 縮。根據(jù)有關(guān)試驗測定，混凝土最終收縮量約為004%006%?？梢?，收縮是混 凝土固有的物理特性 ,一般來說 ,水灰比越大、水泥強度越高、骨料越少、環(huán)境溫 度越高、表面失水越大 ,則其收縮值越大 ,也越易產(chǎn)生收縮裂縫。根據(jù)收縮裂縫的 形成機理與形成時間 ,工程中常見的收縮

7、裂縫主要有塑性收縮裂縫、沉降收縮裂 縫和干燥收縮裂縫三類 ,此外,還有自身收縮 （化學(xué)減縮 ）裂縫和碳化收縮裂縫。3 1 1塑性收縮裂縫塑性收縮裂縫發(fā)生在混凝土塑性階段 ,終凝之前。其形成原因是混凝土漿體中水 分流向表面并迅速蒸發(fā) ,隨著失水的增加 ,毛細負壓產(chǎn)生的收縮力使混凝土表面產(chǎn) 生急劇的體積收縮。而此時混凝土尚未形成強度 ,從而致使混凝土表面開裂。這 種裂縫多出現(xiàn)在干熱與刮風(fēng)天氣中 ,裂縫較淺 ,中間寬、兩端細,長短不一,且互不連 貫。3 1 2沉降收縮裂縫沉降收縮裂縫約在混凝土澆筑后半小時發(fā)生 ,并在硬化時停止。其形成原因是漿 體在澆搗后發(fā)生不均勻沉落 ,粗骨料下沉 ,水泥凈漿上浮

8、,當(dāng)沉降受抑制 （如鋼筋或 預(yù)埋件的阻擋 ）時，使混凝土因剪切而開裂。此外在表面形成的浮漿層也會因泌 水而開裂。這種裂縫多出現(xiàn)在混凝土表面 ,且沿主筋或箍筋通長方向分布 ,中間寬 兩端窄 ,是一種常見的早期裂縫 ,尤其在泵送施工中更常見。3 1 3干燥收縮裂縫干燥收縮裂縫在混凝土養(yǎng)護完以后才出現(xiàn)。 其形成原因主要是由于混凝土硬化后 水分蒸發(fā)引起混凝土表面干縮 ,當(dāng)干縮變形受到混凝土內(nèi)部約束時 ,產(chǎn)生較大的拉 應(yīng)力使混凝土表面被拉裂。干縮裂縫一般產(chǎn)生在表面很淺的位置 ,多沿構(gòu)件短方 向分布 ,呈平行線狀或網(wǎng)狀 ,嚴(yán)重時可貫穿整個構(gòu)件截面。3 1 4自身收縮裂縫自身收縮裂縫與外界濕度變化無關(guān) ,而

9、是由于水泥熟料在水化反應(yīng)的過程中 ,反應(yīng) 后生成物的平均密度變小而引起體系的體積收縮 （稱為化學(xué)減縮 ）所致。主要是由 于自由水轉(zhuǎn)化為水化產(chǎn)物的一部分，使它的比容降低1/4（即0 25cm3/g）。因此, 化學(xué)減縮量的大小取決于水泥水化產(chǎn)物中化學(xué)結(jié)合水量的多少。3 1 5碳化收縮裂縫碳化收縮裂縫是碳化作用所產(chǎn)生的游離態(tài)水蒸發(fā) ,引起漿體的收縮所致。碳化作 用是指大氣中的C02在有水的條件下與水化產(chǎn)物作用生成 CaC03、鋁膠、硅膠 以及游離態(tài)水 ,這部分水蒸發(fā)引起混凝土體積收縮 （稱為碳化收縮 ）,其實質(zhì)是碳酸 對水泥石的腐蝕作用。一般水泥水化產(chǎn)物的堿度與空氣中 C02 濃度越高且濕度 適中

10、（50%左右）時,越易發(fā)生碳化作用。因此 ,這種裂縫易出現(xiàn)在干濕交替的環(huán)境 下,而干燥或水飽和環(huán)境下不易出現(xiàn) ;且由于裂縫處析出的碳化產(chǎn)物將形成凝膠 ,阻止 CO2 進入,故一般僅發(fā)生在表面 對以上收縮裂縫的防治可采取以下措施 58: (1)摻加高效減水劑、泵送劑以盡量降低用水量 ;施工時 ,下料不宜過快 ,并振搗密 實。(2)對于早期收縮裂縫的防治 ,除加強早期養(yǎng)護外 ,宜在混凝土終凝前進行二次抹 壓 ,在材料上可摻加促凝劑 ,且宜采用早期強度高、保水性好的普通硅酸鹽水泥;對于干縮裂縫的防治 ,可以適當(dāng)延長養(yǎng)護時間 ,材料上宜選用粉煤灰水泥或中低熱 水泥等干縮率小的品種。(3) 盡可能降低水

11、泥用量 ,增大粗骨料的含量 ,且宜選用石灰?guī)r作為粗骨料 ,因為它 對收縮的抗裂性優(yōu)于安山巖和砂巖 ;應(yīng)嚴(yán)格控制骨料的含泥量 ,砂率不宜過大 ,骨 料應(yīng)具有良好的級配。(4) 降低自身收縮裂縫的有效方法是盡量使用 C3A 含量低的水泥 ,因為硅酸鹽水泥 熟料中C3A的化學(xué)減縮量最大，是C2S的3倍,C4AF的5倍。(5) 防止碳化收縮裂縫關(guān)鍵是降低生成物的堿度,對新澆混凝土做好濕水養(yǎng)護 ,而對使用當(dāng)中的混凝土結(jié)構(gòu)要盡量保持干燥，在CO2等腐蝕性氣體含量高的環(huán)境下 要做好防腐措施。(6) 混凝土澆筑抹光后要及時用潮濕的草墊或塑料薄膜覆蓋,風(fēng)季施工時應(yīng)設(shè)擋風(fēng)設(shè)施。3 2溫度裂縫 溫度裂縫是由于混凝土

12、內(nèi)外溫差或季節(jié)氣溫變化過大而形成的。 在混凝土澆筑過 程中，水泥水化反應(yīng)將放出大量的熱(一般每克水泥可放出502J熱量)，使混凝土內(nèi) 部溫度升高并在一定齡期出現(xiàn)溫峰 ,之后下降。由于混凝土內(nèi)部散熱慢而表面散 熱快,必將在內(nèi)外形成溫差 ,為協(xié)調(diào)溫度變形 ,混凝土表面將產(chǎn)生拉應(yīng)力 (即溫度應(yīng) 力),當(dāng)超過混凝土抗拉強度后將使之開裂。 這種裂縫多為貫穿性的 ,且較深,嚴(yán)重降 低結(jié)構(gòu)的整體剛度 ;一般在施工結(jié)束幾個月后出現(xiàn)。 此外,在混凝土養(yǎng)護期間 ,若受 到寒流的侵襲 ,也會在混凝土表面引起裂縫 ,但較淺,危害性也較小。控制溫度裂 縫的產(chǎn)生主要是從降低溫差入手 ,可采取以下的防治措施 :在材料方面,

13、宜采用粉煤灰水泥或C3A和C3S含量低的低熱水泥，盡量減少水 泥用量,可摻加緩凝高效減水劑 ;對大體積混凝土 ,可適當(dāng)摻入塊石 ;在拌和水中摻 冰屑并對骨料進行噴水冷卻。(2) 在施工方面 ,應(yīng)合理安排施工工序 ,改進施工工藝 ,如澆筑大體積混凝土?xí)r ,在混 凝土中布設(shè)水管循環(huán)導(dǎo)熱或分塊分層澆筑 ;改善結(jié)構(gòu)約束條件 ,如較長結(jié)構(gòu)要設(shè)溫 度縫或后澆帶，在基巖上澆筑時，要鋪50100 mm砂層以消除其嵌固作用。(3) 在設(shè)計方面 ,主要是做好溫度應(yīng)力計算 ,根據(jù)可能產(chǎn)生的溫度應(yīng)力采取相應(yīng)的 構(gòu)造措施 ,如適當(dāng)?shù)嘏渲脺囟蠕摻?,分擔(dān)混凝土溫度應(yīng)力。(4) 此外,尚需加強混凝土養(yǎng)護 ,做好表面保溫措施

14、 (如蓄水養(yǎng)護或覆蓋潮濕的草墊 等) ,適當(dāng)延長拆模時間 ,以使混凝土表面緩慢散熱 ;對于大體積混凝土 ,控制入模溫 度，并進行測溫跟蹤，控制混凝土內(nèi)外溫度差在25C以內(nèi)。3 3沉陷裂縫 沉陷裂縫是建筑物建成后各部分發(fā)生不均勻沉降而引起的,多為貫穿性的 ,其位置與沉陷方向一致。 建筑物墻體的八字形或倒八字形的裂縫便是一種典型的沉陷裂 縫?；靥钔廖唇?jīng)夯實處理 ,地層中含有軟弱下臥層 ,建筑物在使用過程中地基被水 (雨水、生活用水等 )長期浸泡等原因都將引起建筑物的不均勻沉降 ,從而開裂。 另 外在新建工程的地基施工中 ,若不做好必要的措施 (如設(shè)擋土墻、地下連續(xù)墻 )防止 土坡失穩(wěn)或地下水倒灌

15、,會削弱相鄰老建筑物的地基承載力 ,從而導(dǎo)致建筑物沉陷 開裂。在混凝土施工中 ,因模板剛度不足、支撐間距過大、過早拆模等因素 ,也會 出現(xiàn)沉陷裂縫。沉陷裂縫往往嚴(yán)重影響建筑物的外觀 ,并危及結(jié)構(gòu)的耐久性 ,防止 其產(chǎn)生的控制措施有 :(1)在基礎(chǔ)設(shè)計時確保持力層的承載力與地基的均勻受力 ,在層高不同的部位以及 新老建筑物連接處設(shè)置沉降縫。(2)在施工中,模板要有足夠的強度和剛度 ,并支撐可靠 ;另外,注意施工順序 ,如先高 層后低層 ,先主體后裙房。(3) 施工前要做好地質(zhì)勘測工作 ,盡量選擇好的持力層 ,竣工后要避兔地基受到雨 水等浸泡。3 4其他裂縫除上述裂縫外 ,在結(jié)構(gòu)的施工過程還會出現(xiàn)

16、各種形式的施工裂縫 ;在結(jié)構(gòu)使用過程 中也會出現(xiàn)不同類型的腐蝕裂縫。(1) 施工裂縫 施工裂縫是由于施工中操作不當(dāng)或構(gòu)件本身的剛度不夠等因素引 起的。如預(yù)應(yīng)力工程中 ,張拉不當(dāng)會使構(gòu)件因尚末形成強度或強度不足而開裂 ;模 板工程中 ,若混凝土與模板粘結(jié)則拆?；蛱嵘０鍟r易將混凝土拉裂 ;吊裝工程中 , 會因構(gòu)件側(cè)向配筋少、 剛度差或吊點不正確等因素而出現(xiàn)裂縫。 防止這類裂縫的 關(guān)鍵是嚴(yán)格按照施工規(guī)范進行 ,如預(yù)應(yīng)力張拉須在構(gòu)件強度達到 75%以上時進行 , 模板與混凝土間涂刷隔離劑 ,拆?；蚧龝r ,先均勻松動 ,再緩慢拆離或提升。(2) 腐蝕裂縫 腐蝕裂縫是由于結(jié)構(gòu)長期處于腐蝕性 氣液的環(huán)境

17、下引起的 ,它包括混凝土自身的腐蝕以及鋼筋的銹蝕。這類裂縫往往 是由于混凝土不密實所導(dǎo)致的 ,它們通常與干縮裂縫、溫度裂縫等共同作用 ,導(dǎo)致 裂縫不斷擴展 ,最終削弱結(jié)構(gòu)的耐久性。控制的措施主要是做好混凝土表面及鋼 筋的防腐處理 ,出現(xiàn)裂縫 ,應(yīng)及時修補。此外,若混凝土骨料中存在堿活性成分、 水泥中 MgO 含量過高(>5%)或 UEA 等膨 脹劑摻量過多 ,則會因發(fā)生堿骨料反應(yīng)或 MgO 的水化反應(yīng) ,生成膨脹性的凝膠 ,造 成混凝土膨脹開裂 ,形成的多為網(wǎng)狀或不規(guī)則裂縫。此類裂縫往往在結(jié)構(gòu)竣工幾 年后才出現(xiàn) ,因為上述化學(xué)反應(yīng)極為緩慢。防治的關(guān)鍵是消除或降低混凝土中此 類物質(zhì)的存在。

18、4 裂縫的處理 混凝土結(jié)構(gòu)一旦開裂應(yīng)立即在鑒定的基礎(chǔ)上采取相應(yīng)的措施。目前 ,常用的修補 方法有表面封閉法、壓力灌漿法及填堵法 1,8 。4 1表面封閉法針對寬度小于0 2mm的微裂縫，可將聚合物水泥膏、彈性密封膠或滲透性防水 劑涂刷于裂縫表面 ,以恢復(fù)其防水性和耐久性。 該法施工簡單 ,但僅適用于淺裂縫。(1) 工藝流程：表面刷毛并沖洗一嵌補表面缺損(可用環(huán)氧膠泥或乳膠水泥)一選材 涂復(fù)。(2) 施工要點;由于涂層較薄，應(yīng)選用粘結(jié)力強且不宜老化的材料；對活動裂縫， 應(yīng)采用延伸率較大的彈性材料；涂復(fù)均勻，不得有氣泡。4 2壓力灌漿法針對寬度大于03mm且深度較大的裂縫，可將化學(xué)灌漿材料(如聚氨酯、環(huán)氧樹 脂或水泥漿液 )通過壓力灌漿設(shè)備注入到裂縫深處 ,以恢復(fù)結(jié)構(gòu)整體性、防水性及 耐久性。(1) 工藝流程:鑿槽T埋設(shè)漿嘴T封縫T密封檢查T配制漿液T灌漿T封孔T灌漿 質(zhì)量檢查。(2) 施工要點:灌漿材料宜選用