淺談結(jié)構(gòu)混凝土裂縫控制及其處治

 淺談結(jié)構(gòu)混凝土裂縫控制及其處治

【摘要】混凝土裂縫在混凝土結(jié)構(gòu)中不僅會(huì)降低建筑物的抗?jié)B能力，引起鋼筋的銹蝕，而且還會(huì)降低混凝土的耐久性，影響建筑物安全。分析混凝土裂縫形成原因，控制混凝土裂縫發(fā)展，避免或減輕混凝土裂縫，以提高混凝土耐久性，確保結(jié)構(gòu)物安全。 

　　【關(guān)鍵詞】混凝土；裂縫；控制；處治 

　　0.引言 

　　混凝土是由砂石骨料、水泥、水及其他外摻材料拌合而形成的非均質(zhì)脆性材料。在混凝土中存在微裂縫是混凝土材料本身固有的物理性質(zhì)，裂縫在混凝土結(jié)構(gòu)中難以避免，在一定的范圍內(nèi)是可以接受的。但是，混凝土裂縫的存在和發(fā)展通常會(huì)使結(jié)構(gòu)內(nèi)部的鋼筋等材料產(chǎn)生腐蝕，降低結(jié)構(gòu)構(gòu)件的承載能力、抗?jié)B能力及耐久性，影響建筑物的外觀和使用壽命，嚴(yán)重的甚至威脅到結(jié)構(gòu)的安全。不少工程事故就是由于裂縫的不斷發(fā)展所致。隨著結(jié)構(gòu)工程向大型化、復(fù)雜化方向發(fā)展，結(jié)構(gòu)的裂縫問題越來(lái)越引起人們的重視。 

　　1.混凝土裂縫的種類及特征 

　�。�1）塑沉裂縫：順鋼筋方向表面開裂。（2）干縮裂縫：表面開裂，縫寬和長(zhǎng)度都很小，形似龜紋。（3）溫度裂縫：由于產(chǎn)生原因不同，可能出現(xiàn)在表面、深層或貫穿裂縫。裂縫寬度大小不一，受溫度變化影響大，但每條裂縫變化不大。鋼筋混凝土深層或貫穿裂縫一般與主筋平行。對(duì)結(jié)構(gòu)安全危害較大。（4）應(yīng)力裂縫：裂縫走向與主筋方向接近垂直，裂縫寬度較大，且沿長(zhǎng)度和深度方向有明顯變化。（5）化學(xué)作用裂縫：因鋼筋銹蝕引起膨脹的特征為順筋開裂。 

　　1.1塑性沉降裂縫。 

　　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。一般發(fā)生在混凝土澆筑后1小時(shí)前后，隨著混凝土結(jié)硬而逐漸停止。一般來(lái)說(shuō)6-7小時(shí)收縮值最大，其收縮量可達(dá)1%左右。10-24h內(nèi)體積暫時(shí)不變化，以后由于干縮，體積繼續(xù)縮小，造成混凝土體積進(jìn)一步收縮。它發(fā)生在混凝土終凝之前的塑性階段，也稱為塑性收縮。因此時(shí)混凝土的強(qiáng)度又無(wú)法抵抗其本身收縮，故在混凝土表面出現(xiàn)龜裂，屬表面裂縫。塑性收縮裂縫不同于結(jié)硬后混凝土的收縮裂縫，塑沉裂縫不受混凝土中鋼筋的影響。防止塑沉裂縫，可采取以下措施： 

　�。�1）在混凝土澆筑后，尤其是尚未出現(xiàn)析水之前，不受強(qiáng)風(fēng)吹拂或烈日暴曬。（2）在混凝土澆筑后，尤其是空氣濕度較低時(shí)盡早養(yǎng)護(hù)。（3）在混凝土澆筑前，對(duì)基層進(jìn)行灑水。（4）在混凝土澆筑后3-4h進(jìn)行混凝土拌合物二次振搗或二次抹面。 

　　1.2 混凝土干燥收縮裂縫 

　　所謂混凝土干縮就是指混凝土在硬化過程中由于自身的水化反應(yīng)和溫度應(yīng)力作用下產(chǎn)生的體積收縮，容易產(chǎn)生裂縫，造成混凝土強(qiáng)度和耐久性下降 ， 水泥漿中水分的蒸發(fā)會(huì)產(chǎn)生干縮，且這種收縮是不可逆的。干縮裂縫的產(chǎn)生主要是由于混凝土內(nèi)外水分蒸發(fā)程度不同，表面干縮變形受到混凝土內(nèi)部約束，從而產(chǎn)生較大的拉應(yīng)力引起裂縫。干縮裂縫多為表面性的平行線狀或網(wǎng)狀淺細(xì)裂縫。干縮裂縫通常會(huì)影響混凝土的抗?jié)B性，引起鋼筋的銹蝕，影響混凝土的耐久性。混凝土干縮主要和混凝土的水灰比、水泥的成分、水泥的用量、集料的性質(zhì)和用量、外加劑的用量等有關(guān)。干燥收縮是由毛細(xì)水的損失而引起的硬化混凝土的收縮。這種收縮使拉應(yīng)力增加，可使混凝土在未承受任何載荷之前便出現(xiàn)裂紋。水泥用量越多，水泥石含量越多，干燥收縮越大。水泥的細(xì)度越大，混凝土的用水量越多，干燥收縮越大。高標(biāo)號(hào)水泥的細(xì)度往往較大，故使用高標(biāo)號(hào)水泥的混凝土干燥收縮較大。使用火山灰質(zhì)硅酸鹽水泥時(shí)，混凝土的干燥收縮較大；而使用粉煤灰硅酸鹽水泥時(shí)，混凝土的干燥收縮較小。骨料的規(guī)格與質(zhì)量，骨料的粒徑越大，級(jí)配越好，則水與水泥用量越少，混凝土的干燥收縮越小。骨料的含泥量及泥塊含量越少，水與水泥用量越少，混凝土的干燥收縮越小。針、片狀骨料含量越少，混凝土的干燥收縮越小。水灰比越大，混凝土內(nèi)的毛細(xì)孔隙數(shù)量越多，混凝土的干燥收縮越大。干燥收縮受混凝土配合比、攪拌方式、養(yǎng)護(hù)時(shí)的濕度條件、干燥環(huán)境和構(gòu)件尺寸等因素影響�；炷�土的配合比中用水量影響最大。一般用水量每增加1%，混凝土的干縮率增加2%～3%。干燥收縮程度還與環(huán)境相對(duì)濕度、溫度和空氣流通狀況有關(guān)。 

　　1.3 混凝土自生收縮裂縫 

　　自生收縮與干燥收縮一樣，是由于水的遷移而引起。但它不是由于水向外蒸發(fā)散失，而是因?yàn)樗�泥水化時(shí)消耗水分造成凝膠孔的液面下降，使混凝土的相對(duì)濕度降低，體積減小。低水灰比的高性能混凝土，早期強(qiáng)度較高的發(fā)展率使自由水消耗較快，便開始產(chǎn)生自生收縮。濕度梯度首先引發(fā)表面裂縫，隨后引發(fā)內(nèi)部微裂縫，若混凝土變形受到約束，則進(jìn)一步產(chǎn)生收縮裂縫。這是高強(qiáng)度混凝土容易開裂的主要原因之一。水泥水化后，產(chǎn)生膠體和晶體，在一般情況下，膠體多于晶體。膠體在干濕作用下會(huì)產(chǎn)生很大的體積變化，而晶體一般不受干濕變化的影響。可見膠體的數(shù)量和性質(zhì)在很大程度上決定水泥在水化干燥時(shí)的收縮值。水泥中C2S可產(chǎn)生很多的膠體，C3S可產(chǎn)生膠體較少。因此，水泥中C2S含量大的水泥自縮性大，C3S含量大的水泥自縮性小。此外，水泥中C3A在水化時(shí)需水量大，水中養(yǎng)護(hù)時(shí)膨脹值大，干燥時(shí)則收縮大，C3S含量大的水泥自縮性亦大。快硬硅酸鹽水泥和抗硫酸鹽水泥分別由于C3A和C2S 含量較高而自縮值較大。 可見自收縮是由自干燥或混凝土內(nèi)部相對(duì)濕度降低引起的收縮，是混凝土在恒溫絕濕條件下，由于水泥水化作用引起的混凝土宏觀體積減少的現(xiàn)象。即未水化的水泥與水發(fā)生化學(xué)反應(yīng)時(shí)，生成物的體積小于前兩者總和的現(xiàn)象�；炷�土因干燥產(chǎn)生體積變化的同時(shí)發(fā)生自收縮�；炷�土自收縮的產(chǎn)生，主要是由于水泥硬化體空隙中的相對(duì)濕度低，發(fā)生自干燥。 

　　1.4混凝土塑性收縮裂縫 

　　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�；炷�土初凝之前出現(xiàn)泌水和水份急劇蒸發(fā)，引起失水收縮。它發(fā)生在混凝土終凝之前的塑性階段，故稱為塑性收縮。因此時(shí)混凝土的強(qiáng)度又無(wú)法抵抗其本身收縮，故在混凝土表面出現(xiàn)龜裂，屬表面裂縫。塑性收縮裂縫不同于結(jié)硬后混凝土的收縮裂縫，塑性收縮裂縫不受混凝土中鋼筋的影響。加強(qiáng)養(yǎng)護(hù)、減少蒸發(fā)是防止塑性收縮裂縫的有效措施。 　　鋼筋混凝土構(gòu)件中鋼筋的存在，約束了混凝土的自由收縮，使混凝土產(chǎn)生拉應(yīng)力，配筋率較大的構(gòu)件、薄壁構(gòu)件以及暴露在戶外的構(gòu)件，最容易產(chǎn)生收縮裂縫。配筋并不能防止收縮裂縫，而只能使裂縫分散成許多間距較密的細(xì)小裂縫。 

　　1.5混凝土溫差收縮產(chǎn)生的裂縫 

　　溫度裂縫多發(fā)生在大體積混凝土表面或溫差變化較大環(huán)境的混凝土結(jié)構(gòu)中�；炷�土澆筑后，在硬化過程中，水泥水化產(chǎn)生大量的水化熱，可使混凝土內(nèi)部溫度升達(dá)70℃左右甚至更高。由于混凝土的體積較大，大量的水化熱聚積在混凝土內(nèi)部而不易散發(fā)，導(dǎo)致內(nèi)部溫度急劇上升，而混凝土表面散熱較快，這樣就形成內(nèi)外的較大溫差，較大的溫差造成內(nèi)部與外部熱脹冷縮的程度不同，使混凝土表面產(chǎn)生一定的拉應(yīng)力。當(dāng)拉應(yīng)力超過混凝土的抗拉強(qiáng)度極限時(shí)，混凝土表面就會(huì)產(chǎn)生裂縫，這種裂縫多發(fā)生在混凝土施工中后期。 

　　選用低熱或中熱水泥（如礦渣水泥、粉煤灰水泥等）、減少水泥用量（將水泥用量盡量控制在450kg/m3以下）、降低水灰比（一般混凝土的水灰比控制在0.6以下）、選擇合理的混凝土配合比、加強(qiáng)混凝土養(yǎng)護(hù)是防止混凝土溫度收縮裂縫的有效措施。 

　　1.6 混凝土堿-集料反應(yīng) 

　　堿-集料反應(yīng)（AAR）是混凝土中的堿與集料中的活性組分之間發(fā)生的膨脹性化學(xué)反應(yīng)，堿-集料反應(yīng)是混凝土原材料中的水泥、外加劑、混合材料和水中的堿（Na2O或K2O）與骨料中的活性成分反應(yīng)，具有較嚴(yán)重的破壞作用。AAR按活性組分類型可分為堿-硅酸反應(yīng)（ASR）、堿-碳酸鹽反應(yīng)（ACR）、和堿硅酸鹽反應(yīng)。堿-集料反應(yīng)反應(yīng)由于水泥中有較高堿性，OH-使活性二氧化硅發(fā)生水解形成堿-二氧化硅凝膠，水被凝膠吸附，使體積增大。AAR反應(yīng)多在混凝土澆筑幾個(gè)月或幾年后發(fā)生，混凝土遭到破壞。在混凝土澆筑成型后若干年（數(shù)年至二、三十年）逐漸反應(yīng)，反應(yīng)生成物吸水膨脹使混凝土產(chǎn)生內(nèi)部應(yīng)力， 膨脹開裂、導(dǎo)致混凝土失去設(shè)計(jì)性能。由于活性骨料經(jīng)攪拌后大體上呈均勻分布。所以一旦 發(fā)生堿骨料反應(yīng)、混凝土內(nèi)各部分均產(chǎn)生膨脹應(yīng)力，將混凝土自身脹裂、發(fā)展嚴(yán)重的只能拆除，無(wú)法補(bǔ)救，因而被稱為混凝土的癌癥。 

　　2.提高混凝土抗裂性措施 

　　抗裂性是指混凝土抵抗干縮變形或溫度而發(fā)生裂縫的能力。這些變形所引起的拉應(yīng)力超過混凝土抗拉極限強(qiáng)度時(shí)就會(huì)發(fā)生裂縫。變形量超過混凝土的極限拉伸應(yīng)變值混凝土就會(huì)發(fā)生裂縫。因此，混凝土的極限拉伸應(yīng)變值或抗拉極限強(qiáng)度越大時(shí)，它的抗裂性就越高。為提高混凝土抗裂性，一般可采取下列措施： 

　�。�1）當(dāng)混凝土抗拉極限強(qiáng)度越大或彈性模量較低時(shí)，極限拉伸值較大，而彈性模量則隨著強(qiáng)度的提高而增大（實(shí)際上是混凝土強(qiáng)度增長(zhǎng)率遠(yuǎn)比其彈性模量增長(zhǎng)率高）。所以混凝土的極限拉伸值是隨著強(qiáng)度的增長(zhǎng)而有所增長(zhǎng)的。故提高混凝土的強(qiáng)度時(shí)其抗裂性也可提高。 

　�。�2）在混凝土水灰比不變條件下，水泥漿和砂漿含量較多時(shí)，其極限拉伸值也較大。因此，采用最大粒徑較小的石料時(shí)水泥漿和砂漿的含量較多，混凝土極限極限拉伸值可得到提高，并且超過抗壓強(qiáng)度的提高百分率。 

　　（3）采用碎石配制混凝土比卵石可提高極限拉伸值30%；采用輕質(zhì)凝灰?guī)r或陶粒配制混凝土比普通混凝土其極限拉伸值可提高2-3倍；但采用石灰石、碎石配制混凝土抗拉強(qiáng)度高但極限拉伸值較低，主要由于石灰石彈性模量較大。 

　�。�4）采用鐵鋁酸四鈣含量高而鋁酸三鈣含量低的水泥，或采用早期強(qiáng)度較低、后期強(qiáng)度增長(zhǎng)率較高的水泥，其其極限拉伸值較大。但高鋁水泥極限拉伸值最小，抗拉強(qiáng)度也低。 

　　（5）摻用紙漿廢液減水劑時(shí)可提高極限拉伸值40%。 

　�。�6）在混凝土受拉區(qū)布置鋼筋極限拉伸值可成倍提高。 

　　（7）充分保濕或水中養(yǎng)護(hù)可使混凝土極限拉伸值得到提高，抗裂也相應(yīng)得到提高，約比處于干燥狀態(tài)提高極限拉伸值30%。 

　　3.混凝土裂縫的處治 

　　3.1表面修補(bǔ)：適用對(duì)承載力沒有影響的表面裂縫的處理、大面積細(xì)微裂縫防滲的處理。 

　�。�1）表面涂抹水泥砂漿：鑿毛裂縫附近混凝土或?qū)⒘芽p鑿成凹槽，清除碎屑并灑水濕潤(rùn)，先刷一層水泥凈漿，在涂抹水泥砂漿，并用鐵抹壓密抹光，然后保濕養(yǎng)護(hù)。（2）表面涂抹環(huán)氧樹脂膠泥：用鋼絲刷、毛刷將裂縫處清除干凈，油污可用二甲苯擦洗，如表面潮濕應(yīng)用噴燈烤干燥、預(yù)熱，以保證環(huán)氧樹脂膠泥與混凝土粘結(jié)。若基層難以干燥，則采用環(huán)氧煤焦油膠泥涂抹。（3）表面涂刷油漆、瀝青：涂刷前混凝土表面應(yīng)干燥。（4）表面鑿槽嵌補(bǔ)：沿混凝土裂縫鑿一條V型或U型深槽，槽內(nèi)嵌水泥砂漿或環(huán)氧膠泥、聚氧乙烯膠泥、瀝青油膏等，表層做砂漿保護(hù)層。U型深槽用于滲水裂縫的治理，V型槽用于一般裂縫的治理。 

　　3.2局部修復(fù)：常用方法有充填法、預(yù)應(yīng)力法、部分鑿除重新澆筑混凝土法。 

　　3.3化學(xué)灌漿：可灌入縫寬<0.5mm的裂縫或較大的溫縮裂縫。 

　　3.4水泥壓力灌漿法：適用縫寬>0.5mm的穩(wěn)定裂縫。 

　　3.5結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)：外包鋼筋混凝土、增加板厚、粘貼鋼板、增設(shè)預(yù)應(yīng)力補(bǔ)強(qiáng)體系。 

　　3.6減小結(jié)構(gòu)內(nèi)力：卸載或控制荷載，增設(shè)支撐，改簡(jiǎn)支為連續(xù)梁。 

　　3.7其他方法：改變結(jié)構(gòu)方案，加強(qiáng)整體剛度。 

　　參考文獻(xiàn) 

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