民用建筑混凝土結構裂縫形成的機理及原因

劉　鐘

摘要：混凝土結構的裂縫問題已影響到生活和生產，已成為社會問題，并困擾著大批工程技術人員和管理人員，是迫切需要解決的技術難題。詳細分析了民用建筑混凝土結構裂縫的形成機理、裂縫產生的主要原因，指出混凝土裂縫的形成機理是混凝土結構裂縫的原因分析的理論基礎。

關鍵詞：裂縫；混凝土；形成機理

中圖分類號：TU528

文獻標識碼：A

文章編號：1672-3198(2009)09-0291-01

1裂縫的形成機理

1.1混凝土微觀裂縫的形成機理

混凝土由水泥、骨料、水以及存留在其中的氣體組成，是一種多相非均勻的脆性材料。研究表明，當環境溫度、濕度變化及混凝土硬化時，混凝土的體積會發生變化，并使其內部產生變形，由于混凝土中各種材料某些性能的不同，這種變形是不均勻的。水泥石收縮較大，而骨料收縮很小；水泥石的熱膨脹系數較大，而骨料較小。同時，它們之間的變形不是自由的，相互之間產生約束，從而在混凝土內部產生粘著微細裂縫(指骨料與水泥粘接面上的裂縫，主要沿骨料周圍出現)，水泥石裂縫(水泥漿中的裂縫，出現在骨料與骨料之間)，骨料裂縫(骨料本身的裂縫)等三種，因此，混凝土內部微細裂縫的存在是混凝土材料本身固有的一種物理性質。

1.2素混凝土構件的裂縫產生機理

就混凝土自身而言，產生裂縫的機理一般認為是因為混凝土材料(包括水泥石和粗細骨料)變形受約束所引起的內應力大于材料抗拉強度的緣故。混凝土在拉應力(包括收縮、變形和外荷載)的作用下，這些微細裂縫的長度和寬度均有相應的增大。如果拉應力大于混凝土本身的抗拉強度，這些微細裂縫逐漸互相貫通，且其寬度迅速增大。

1.3鋼筋混凝土構件的裂縫產生機理

在配有鋼筋的混凝土構件中：鋼筋和混凝土既可以協同受力，又可能互相約束，其混凝土的裂縫一般可用“粘結一滑動”的機理加以解釋。認為鋼筋混凝土可見裂縫的產生和開展，是混凝土與鋼筋之間不能再保持變形協調而出現相對滑動的結果。

2裂縫產生的主要原因

建筑物在使用過程中承受兩大類荷載。第一類是靜載荷、動載荷及其它外荷載；第二類是變形荷載，包括溫度、收縮。裂縫產生的原因主要有以下幾種。

2.1裂縫由外荷載(靜或動)的直接應力(按常規計算的主應力)所引起

(1)受彎、受拉等構件的橫向裂縫。

在鋼筋混凝土受彎構件中，當截面的受拉邊緣混凝土拉應力達到其抗拉強度極限應變時，構件在抗拉能力最弱截面出現第一條(批)裂縫，裂縫處鋼筋承擔全部拉應力，其應力隨著載荷增加而迅速增加。在裂縫兩側，鋼筋長度方向粘結應力分布不均勻，當混凝土應力重新增加到等于抗拉強度處將會出現第二條(批)裂縫。裂縫出現后，隨著荷載不斷增加，鋼筋的拉伸應變將大大超過混凝土的拉伸應變，兩者之間的相對滑移逐步增大，從而使裂縫不斷開展。

(2)受彎構件的斜裂縫。

受彎構件在彎矩、剪力共同作用下，隨著荷載的增加，在集中荷載與支座之間陸續出現一些斜裂縫，其中近支座處的一條斜裂縫發展較快，成為導致構件破壞的臨界裂縫。這樣會發生斜截面破壞，而這種破壞帶有脆性性質，無明顯預兆，危害性極大。

2.2裂縫由結構的次應力所引起

許多建筑物結構的實際工作狀態同常規計算模式有出入。如鋼筋混凝土屋架，結點是按鉸接計算的。而實際的屋架結點卻承受著較顯著的彎矩和剪力，構件內這樣的應力稱為次應力，它們常在結點處引起裂縫的出現。還有些常規不計算的外荷載應力，但實際卻引起結構裂縫。

2.3裂縫由結構變形變化所引起

由溫度、收縮、不均勻沉降等因素而引起結構的變形，而變形受到約束產生內部應力，當應力超過一定數值則引起裂縫。裂縫出現后變形可以得到滿足或部分滿足，內部應力松弛。結構材料韌性良好才可以適應變形要求。因結構變形變化而引起的裂縫主要有：

(1)溫度裂縫。

溫度裂縫是最常見的一種裂縫，是混凝土收縮與冷縮共同結果。混凝土具有熱脹冷縮的特性，其線膨脹系數為1×10^-5／℃。溫度裂縫多發生在大體積混凝土表面或溫差變化較大地區的混凝土結構中。

(2)干縮裂縫。

干縮裂縫多出現在混凝土養護結束后的一段時間或是混凝土澆筑完畢后的一周左右。水泥漿中水分的蒸發會產生干縮，且這種收縮是不可逆的。干縮裂縫的產生主要是由于混凝土內外水分蒸發程度不同而導致變形不同的結果。

(3)塑性收縮裂縫。

塑性收縮是指混凝土在凝結之前，表面因失水較快而產生的收縮。塑性收縮裂縫一般在干熱或大風天氣出現，裂縫多呈中間寬兩端細且長短不一、互不連貫狀態。其產生的主要原因為；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。造成毛細管中產生較大的負壓而使混凝土體積急劇收縮，而此時混凝土的強度又無法抵抗其本身收縮，因此產生龜裂。

(4)沉降收縮裂縫。

該裂縫一般多沿主筋通長方向或箍筋上或埋設件周圍，在混凝土表面出現，常在澆灌后發生，硬化后停止。裂縫產生原因是混凝土澆搗后，骨料顆粒沉落，水泥漿上浮，受到鋼筋或埋設件或大骨料的阻擋，而使混凝土互相分離。另外，混凝土本身組成材料沉降不均勻造成開裂。

(5)沉陷裂縫。

沉陷裂縫的產生是由于結構地基土質不勻、松軟，或回填土不實或浸水而造成不均勻沉降所致；或者因為模板剛度不足，摸板支撐間距過大或支撐底部松動等所致，特別是在冬季，模板支撐在凍土上，凍土化凍后產生不均勻沉降，致使混凝土結構產生裂縫。

2.4裂縫由特殊情況引起(如地震、滑坡等)

地震引起的裂縫，可以看成地基的“動態變形變化”。滑坡引起的建筑物裂縫也可以說是由于地基變形所引起，該變形可能是蠕變變形，也可能是突然的失穩變形。3結論

混凝土裂縫的形成機理是混凝土結構裂縫的原因分析的理論基礎，對混凝土結構裂縫的形成、擴展、串連等現象及原因作了較為詳盡的理論分析。混凝土結構的裂縫是不可避免的，混凝土的結構理論認為，混凝土為骨料、水泥石、氣體、水分等組成的非均質材料，在尚未受荷的混凝土結構中存在著肉眼不可見的微觀裂縫，微裂存在是材料固有的一種物理性質。