混凝土裂縫分析及其防治措施研究

1、混凝土裂縫分析及其防治措施研究張永存1.2，李青寧1(1西安建筑科技大學土木工程學院，陜西西安710055；2河南城建學院，河南平頂山467044)摘 要： 首先介紹了混凝土裂縫的類型及其各種不同的分類方法，并說明了裂縫在工程建設當中的不良影響，總結(jié)了國內(nèi)外對裂縫寬度的不同控制標準。其次，詳細分析了各種混凝土裂縫產(chǎn)生的原因，主要包括混凝土收縮變形引起的裂縫、溫度應力引起的裂縫、堿骨料反應引起的裂縫、外荷載作用引起的裂縫、結(jié)構(gòu)基礎不均勻下沉引起的裂縫等。歸納總結(jié)了一些工程上常見的混凝土裂縫預防和修補措施，通過一些試驗工作對具有抗裂作用的混凝土減縮劑進行了研究。關鍵詞： 混凝土；裂縫；成因；防治措

2、施；減縮劑0 引言 混凝土與其他建筑材料相比，具有價格低廉、承載能力大、施工方便、可裝飾性強等優(yōu)點，廣泛地應用于房屋建筑、橋梁隧道、河海堤壩等各種工程建設中?；炷恋陌l(fā)展歷程，大致經(jīng)歷了普通混凝土一鋼筋混凝土一預應力鋼筋混凝土一高強、高性能混凝土等幾個發(fā)展階段。人們在大規(guī)模地利用混凝土進行建設的同時，始終在不斷地研究、發(fā)展和改進著混凝土的性能。而混凝土的裂縫是科研和工程施工技術人員所面I臨的一個棘手的問題，混凝土的裂縫不僅影響著混凝土的外觀質(zhì)量，更影響著混凝土的強度和耐久性，因此，弄清楚混凝土裂縫的成因并據(jù)此制定出相應的防治措施是有必要的。1 混凝土裂縫的分類1.1 按可見度可分為：微觀裂縫和

3、宏觀裂縫 微觀裂縫是指那些肉眼看不見的裂縫，主要可分為3種：水泥石裂縫：水泥漿中的裂縫，發(fā)生在骨料與骨料之間。骨料裂縫：骨料本身所具有的裂縫。黏結(jié)裂縫：骨料與水泥石黏結(jié)面上的裂縫，主要沿骨料的周圍出現(xiàn)。微觀裂縫在混凝土結(jié)構(gòu)中的分布是不規(guī)則、不貫通的。 肉眼看得見的裂縫稱為宏觀裂縫，這類裂縫的范圍一般不小于0.04 mm。宏觀裂縫是由微觀裂縫擴展而來的。1.2 按危害程度劃分 (1)有害裂縫：較寬較深的裂縫，對結(jié)構(gòu)物的承載能力或耐久性有較大的影響。 (2)無害裂縫：一般是指裂縫寬度小于O.l mm，對結(jié)構(gòu)物的承載能力或耐久性沒有影響的表面裂縫。1.3 按出現(xiàn)時間劃分 (1)早期裂縫：指結(jié)構(gòu)或構(gòu)件

4、在制作和施工過程中出現(xiàn)的裂縫。 (2)后期裂縫：指結(jié)構(gòu)或構(gòu)件在使用階段受到各種因素的作用，出現(xiàn)的新裂縫以及原有裂縫寬度擴展、長度延長。1.4 按裂縫深度h與結(jié)構(gòu)厚度日的關系劃分(l)hO.lH為表面裂縫。 ( 2)O.lH<h<0.4H為淺層裂縫。( 3)0.4Hh<lOH為縱深裂縫。(4)h=H為貫穿裂縫。應當盡量避免縱深及貫穿性裂縫。1.5 按裂縫產(chǎn)生的原因劃分 (1)由外荷載引起的裂縫。這種裂縫包括施工和使用階段的動、靜荷載引起的裂縫。 (2)由變形引起的裂縫。這種裂縫是指因溫度和濕度變化、不均勻收縮和膨脹、基礎不均勻沉降使混凝土變形引起的裂縫。(3)設計裂縫。這種裂縫

5、包括設計錯誤引起的裂縫和設計允許裂縫。GBJ 10-89混凝土結(jié)構(gòu)設計規(guī)范規(guī)定，允許裂縫寬度為0.20.3 mm。 (4)施工裂縫。施工時混凝土因拌合物坍落度過大引起的塑性裂縫，或因施工工藝不當，或因拆模過早、起吊過早等施工原因造成的裂縫。一些常見的混凝土裂縫形式如圖1所示。2 混凝土裂縫的危害及其寬度限值 混凝土裂縫在施工中是一種常見的質(zhì)量通病，混凝土結(jié)構(gòu)或構(gòu)件所出現(xiàn)的裂縫，有的破壞結(jié)構(gòu)的整體性，降低構(gòu)件的剛度，影響結(jié)構(gòu)的承載能力；有的雖對承載能力無多大影響，但會引起鋼筋銹蝕，降低結(jié)構(gòu)物的耐久性，或發(fā)生滲漏，影響建筑物正常使用；另外，裂縫的存在影響建筑物的外觀，給使用者不安全的感覺。 混凝土

6、的裂縫雖然是不可避免的，其微觀裂縫更是混凝土本身的物理力學性質(zhì)所決定的。但它的危害程度是可以控制的，危害程度的標準是根據(jù)使用條件所決定的。目前世界各國的規(guī)定不完全一致，但大致相同。如從結(jié)構(gòu)耐久性、承載力及正常使用要求來看，最嚴格的允許裂縫寬度為O.l mm。近年來，許多國家已根據(jù)大量試驗和泵送混凝土的經(jīng)驗將其放寬到0.2 mm。當結(jié)構(gòu)所處的環(huán)境正常，保護層厚度滿足設計要求，無侵蝕介質(zhì)的條件下，鋼筋混凝土裂縫寬度可放寬至0.4 mm；在濕氣及土中為0.3 mm;在海水及干濕交替中為0.14 mm。沿鋼筋的順筋裂縫有害程度較高，必須處理【1】。3 混凝土裂縫的成因分析 混凝土產(chǎn)生裂縫的原因很多，有

7、材料自身的因素，也有外部環(huán)境作用的因素，但歸納起來主要有以下一些原因。3.1 外荷載作用引起的裂縫 混凝土結(jié)構(gòu)物在各種靜力荷載和動力荷載的作用下，當混凝土內(nèi)部所受到的拉應力超過其抗拉強度時，結(jié)構(gòu)物就會出現(xiàn)垂直于構(gòu)件縱軸方向的裂縫；當構(gòu)件所受到的最大剪應力超過其抗剪強度時，就會出現(xiàn)斜向裂縫。3.2 溫度應力引起的裂縫是受到各種約束作用的，在溫度升高時，由于不能自由膨脹而產(chǎn)生溫度內(nèi)壓應力；在溫度降低時，由于不能自由收縮而產(chǎn)生溫度內(nèi)拉應力。又由于混凝土的抗拉強度很低，容易被較大溫差所引起的溫度應力所破壞，從而產(chǎn)生溫度裂縫。水泥水化過程中會放出大量的水化熱，每克水泥可釋放出50.2 J熱量，從而使混凝

8、土內(nèi)部溫度升高，通?？稍跐仓囟然A之上升高35左右。特別是優(yōu)質(zhì)的硅酸鹽水泥和普通水泥，其中C3A、C3S含量較高，比表面積較大，水化快，早期水化熱更高。如果在夏季施工時不采取降溫措施，混凝土內(nèi)部溫度可達到6070，大體積混凝土內(nèi)部溫度會更高。水泥水化熱在13 d可放出熱量的50070，由于熱量的的傳遞、積存，混凝土內(nèi)部最高溫度大約發(fā)生在澆筑后的35 d。由于混凝土內(nèi)部和表面散熱條件不同，所以混凝土中心溫度高，形成溫度梯度，產(chǎn)生溫度變形和溫度應力。當溫度應力超過混凝土的抗拉強度時，就會產(chǎn)生溫度裂縫。這種裂縫的特征是裂縫出現(xiàn)在混凝土澆筑后的35 d，最初裂縫很細，呈裂紋狀，隨著時間的延長而不斷擴

9、展，甚至達到貫穿裂縫【2】。3.3 結(jié)構(gòu)基礎不均勻下沉引起的裂縫 建筑物地基上不同點的土質(zhì)不同，壓縮模量也就不同，對水的滲透系數(shù)也不相同，如處理不恰當，就會引起地基的不均勻沉降而使混凝土產(chǎn)生裂縫。這種裂縫一般較大，較深，有一定的規(guī)律性，大多沿土質(zhì)分界線分布。3.4 混凝土塑性收縮引起的裂縫 塑性收縮是指混凝土在凝結(jié)之前，表面因失水較快而產(chǎn)生的收縮。塑性收縮裂縫一般在干熱或大風天氣出現(xiàn)，裂縫多呈中間寬兩端細且長短不一，互不連貫狀態(tài)。其產(chǎn)生的主要原因為：混凝土在終凝前幾乎沒有強度或強度很小，或者混凝土剛剛終凝而強度很小時，受高溫或較大風力的影響，混凝土表面失水過快，造成毛細管中產(chǎn)生較大的負壓而使混

10、凝土體積急劇收縮，而此時混凝土的強度又無法抵抗其本身的收縮，因此產(chǎn)生龜裂。影響混凝土塑性收縮開裂的主要因素有水灰比、混凝土的凝結(jié)時間、環(huán)境溫度、風速、相對濕度等。3.5 混凝土干縮引起的裂縫 由于水泥混凝土養(yǎng)護不當，在風吹日曬下，水泥混凝土表面水分蒸發(fā)過快，體積迅速收縮，而內(nèi)部溫度變化小，收縮小，從而使表面的收縮變形受到內(nèi)部水泥混凝土的約束，產(chǎn)生拉應力，引起水泥混凝土表面裂縫，這類裂縫的寬度可大可小，小的細如發(fā)絲，大的可到毫米，其長度可由幾厘米到幾米，深度一般不超過5 cm，分布的形狀一般是規(guī)則的。3.6堿一骨料反應引起的裂縫 水泥中的堿性物質(zhì)與骨料中的活性氧化硅發(fā)生反應，析出膠狀的堿一硅膠，

11、它從周圍的介質(zhì)中吸水膨脹，體積可增大數(shù)倍，使混凝土脹裂。其特點是裂縫中有白色沉淀的膠體，是雜亂的“地圖”狀。3.7 其他因素引起的裂縫 除了上述原因外，還有其他很多種引起混凝土開裂的原因。如砂、石含泥量過大，混進雜質(zhì)；水泥受潮和過期；外加劑、摻合料選用不當，摻量不適宜；寒冷地區(qū)混凝土的凍脹；化學收縮；鋼筋銹蝕以及施工方法不當?shù)?-5。4 混凝土裂縫的預防措施4.1 一些預防措施方面的建議 (1)混凝土施工時，要嚴格控制水泥用量、單位體積用水量，在滿足施工條件下，減小拌合物的坍落度，以減小或防止干縮裂縫和塑性裂縫的產(chǎn)生。 (2)對于大體積混凝土應選用低熱水泥，采用分層澆筑，盡量減少溫度裂縫的發(fā)生

12、。 (3)使用混凝土引氣減水劑。這樣可以改善混凝土的和易性，減少用水量，并通過引入氣泡來提高混凝土的抗裂性，從而減少裂縫的發(fā)生。 (4)在混凝土中摻人超細礦粉能有效地降低水化熱，減少混凝土收縮，提高混凝土耐久性，增強混凝土的后期強度，防止裂縫的出現(xiàn)。超細礦粉的種類有風選粉煤灰、磨細粉煤灰、磨細水淬高爐爐渣、硅鐵廠的硅灰、磨細沸石粉、磨細石英粉等，都是由工業(yè)廢粉和天然砂石加工而成，從而做到了變廢為寶。(5)澆筑混凝土后，表面應及時覆蓋并澆水養(yǎng)護。 (6)采用二次振搗和多次抹面工藝。 (7)在混凝土拌制時加入適量鋼纖維或聚丙烯纖維等，形成纖維混凝土，可以明顯提高混凝土的抗裂性。 (8)在配制混凝土

13、時加入適量減縮劑，可以顯著減小混凝土的早期自收縮和干燥收縮變形，從而大大減少混凝土裂縫的出現(xiàn)。4.2 混凝土減縮劑的試驗研究 如何減少或防止混凝土因干燥收縮而產(chǎn)生的裂紋或裂縫，是各國混凝土工作者都感興趣的研究課題。其中混凝土膨脹劑開發(fā)研究的成功，補償收縮混凝土的運用是解決混凝土干縮的重要途徑，目前已被廣泛應用于補償收縮混凝土、自應力混凝土及無收縮自流型灌漿材料等。然而混凝土膨脹劑摻量大不經(jīng)濟，難以控制膨脹率；特別是需要混凝土在早期有水的養(yǎng)護，如果養(yǎng)護困難或沒法養(yǎng)護它將不能提供膨脹；另外它常在混凝土中引起堿集料反應。因此研究開發(fā)無堿低摻量有機減縮劑具有十分重要的意義。 欲通過試驗配制一種混凝土減

14、縮劑，由于混凝土減縮劑一般都是表面活性物質(zhì)，通過參考一些國內(nèi)外減縮劑的主要化學組成成分，初步選定以下幾種化學物質(zhì)：叔丁醇、三乙醇胺及聚乙烯醇，然后對這些物質(zhì)依次進行表面張力測定試驗、高強水泥膠砂干縮試驗、砂漿強度試驗，最后選出那種可以明顯減小砂漿試塊干縮量并且對砂漿的強度又影響不大的物質(zhì)，以作為試用混凝土減縮劑6-8。 試驗所用原材料為甘肅祁連山P-042.5級水泥、中國ISO標準砂、三乙醇胺、聚乙烯醇、叔丁醇等；水泥用量與砂子用量之比為1:3，水灰比為0.5，化學試劑摻量為水泥用量的1.7%；試驗儀器有DP-AW精密數(shù)字（微差壓）壓力計、恒溫水槽、表面張力測定管、毛細管、溫度計、燒杯、量筒、

15、試管若干、玻璃棒、40 mmx40 mmx160 mm的帶孑L試模若干個、立式收縮儀(精度為O.Ol mm)、收縮頭（用黃銅制成）若干個、天平（感量為0.2 g）、電動抗折儀（精度1%）、液壓式壓力試驗機等。 按照上述試驗配合比制作4組砂漿試塊（每組9塊，大小均為40 mmx40 mmx160 mm），其中1組不摻入任何化學試劑，其他3組分別摻人三乙醇胺、聚乙烯醇和叔丁醇024h后，拆去試模，在試塊表面標上分類號，并把試件放人20左右的水中進行標準養(yǎng)護，以后按一定齡期分別對砂漿試塊進行干縮試驗和強度試驗。試驗結(jié)果見圖2和表1，試驗過程當中拍攝的圖片見圖3。所摻化學試劑抗壓強度/MPa抗折強度/

16、MPa3d28 d3d28 d無20.739.15.1710.64三乙醇胺17.735.95.4310.67叔丁醇15.539.04.1710.46聚乙烯醇9.828.83.5110.33 從試驗結(jié)果可以看出，這3種化學試劑都有一定的減縮效果，其中3d時，三乙醇胺的減縮率為29.8070，聚乙烯醇為45.2%，叔丁醇為51.8070；28 d時，三乙醇胺的減縮率為13%，聚乙烯醇為26070，叔丁醇為31.2%。顯然，叔丁醇和聚乙烯醇的減縮效果更為明顯，這和溶液表面張力試驗中二者降低液體表面張力的能力更強是一致的?；旧细鞣N試劑的摻人都或多或少地降低了砂漿的抗折和抗壓強度。其中三乙醇胺和叔丁醇

17、對強度影響相對比較?。欢垡蚁┐嫉膿饺藰O大地降低了砂漿的強度，究其原因可能是由于摻人該種試劑后，在溶解和攪拌時產(chǎn)生大量氣泡，并且砂漿的黏度增大，呈棉絮狀，從而造成砂漿強度過低。綜合它們各自的性能，可知叔丁醇更適合做為減縮劑使用，并且推薦摻量為水泥用量的1%3%。5 混凝土裂縫的治理措施， 如果裂縫已經(jīng)產(chǎn)生了，應請有關人員到現(xiàn)場察看裂縫發(fā)生的部位，測量其長度、寬度和深度，并分析裂縫產(chǎn)生的原因，如果是有害裂縫，應根據(jù)裂縫的特點選擇合理的治理方案。常見的裂縫治理措施主要有以下幾種： (1)表面覆蓋法。這是最簡單和最普通的裂縫修補方法。用于修補穩(wěn)定和對結(jié)構(gòu)影響不大的靜止裂縫，通過密封裂縫來防止水汽、化

18、學物質(zhì)和二氧化碳的侵入。本方法適用于表面出現(xiàn)龜裂裂紋的混凝土，即裂縫寬度<O.l mm。此法不但能修補小裂縫，而且能保護混凝土，免于外界有害物質(zhì)的腐蝕。具體有兩種方法：乳液法：該方法使用的材料是以水作為分散劑，將聚合物改性水泥砂漿等材料涂覆于混凝土結(jié)構(gòu)物的表面，用刷涂或輥涂的方法施工。此方法的優(yōu)點是價格低、無毒、不燃。但材料保管、運輸怕凍（一5以下，易變質(zhì)），耐水性差，涂抹表面粗糙，不美觀，成膜溫度需在10以上。不太適宜于在寒冷地區(qū)使用。溶劑法：該方法是用封縫涂料，其中封縫涂料分為底層涂料和面層涂料，且皆為有機溶劑型封縫涂料。涂覆于混凝土結(jié)構(gòu)物的表面，用刷涂或輥涂的方法施工。該法所用材料

19、克服了乳液法的缺點，材料不怕凍（-20儲存不變質(zhì)），耐水性好，涂膜表面光亮、美觀，黏結(jié)力強，耐堿，耐洗刷，耐紫外線，耐凍融循環(huán)，負溫下也能成膜，適用于環(huán)境溫度-4530。但此法價格較高，儲存需防火。(2)壓力注漿法。此法也稱注入法，主要適用于裂縫寬度在0.20.5 mm左右的深裂縫，對結(jié)構(gòu)整體性有影響或有防滲要求的混凝土裂縫的修補。該法是施加一定的壓力，將灌漿材料注入到混凝土內(nèi)部，膠結(jié)材料硬化后與混凝土形成一個整體，從而對裂縫進行黏合，封閉和補強。常用的膠結(jié)材料有水泥漿、環(huán)氧樹脂、甲基丙烯酸酯、聚氨酯等化學材料。 (3)嵌縫封堵法。嵌縫法是裂縫封堵中最常用的一種方法，它通常是沿裂縫鑿槽，在槽中

20、嵌填塑性或剛性止水材料，以達到封閉裂縫的目的。常用的塑性材料有聚氯乙烯膠泥、塑料油膏、丁基橡膠等；常用的剛性止水材料為聚合物水泥砂漿灌漿材料。該法鑿槽困難，易損傷周圍的混凝土，界面處理也比較復雜。 (4)碳纖維粘貼法補強。本法適用于裂縫寬度>0.5 mm以上部位。該法用結(jié)構(gòu)膠將碳纖維布粘貼在裂縫處進行修補，可以提高結(jié)構(gòu)承載力。碳纖維材料抗拉強度是普通鋼材的10倍，彈模略高于鋼材，具有良好的耐久性，質(zhì)量密度則不足鋼材的1/4，厚度只有1.0 mm，修補不增加質(zhì)量，裁減、粘貼都很方便。與其他粘貼法相比，能顯著提高構(gòu)件強度與延性，無需特殊養(yǎng)護，施工操作簡單，速度快，無需大型設備。但當裂縫寬度較大時，應先對裂縫進行壓漿處理后，再進行粘貼碳纖維布的處理。與其他方法相比碳纖維粘貼法修補混凝土裂縫價格貴，大面積使用時造價較高。 (5)混凝土置換法?；炷林脫Q法是先將損壞的混凝土剔除，然后再置換人