關于混凝土裂縫成因及防治措施的探討

龐耀壟

(河北省阜平縣交通局)

0 引 言

混凝土結構裂縫的成因復雜而繁多,甚至多種因素相互影響,有些裂縫在使用荷載或外界物理及化學因素作用下,不斷產生和發展,引起混凝土碳化、保護層剝落及鋼筋銹蝕,使鋼筋混凝土強度和剛度受到削弱,耐久性降低,嚴重時甚至發生垮塌事故,危害結構的正常使用,必須對其采取一定預防措施。

當混凝土內部產生的拉應力超過它當時的抗拉強度時,就會產生裂縫。因此,混凝土發生開裂的條件就是:在約束下變形產生的拉應力超過它當時的抗拉強度;也就是說混凝土發生開裂必須同時考慮三個條件:變形的大小、約束的程度、混凝土當時的抗拉強度。因而,無論對于哪種裂縫,要防止裂縫的出現,一方面是要減少變形,另一方面是要增大混凝土的抗拉強度。

針對上述情況,提出了一些治理混凝土裂縫的方法。這些方法,主要是從混凝土材料本身的強度和變形性能入手,采取相應的防治措施。

1 混凝土裂縫的形成原因

混凝土是一種非均質的復雜多相混合材料,在其微觀結構相組成之間主要的結合力是范德華力,因此其抗拉強度遠遠低于抗壓強度。當混凝土內部產生的拉應力超過其抗拉強度時,就會產生裂縫。混凝土結構裂縫的成因復雜而繁多,如混凝土由外荷載作用(包括動載和靜載)會引起裂縫;由變形(包括溫度、不均勻沉降)會引起裂縫;由施工操作不當(制作、脫模、養護、堆放、運輸、吊裝)會引起裂縫;設計不當也會引起裂縫。據初步研究,裂縫的類型主要有結構性裂縫(荷載裂縫)和非結構性裂縫兩大類。

1.1 結構性裂縫(荷載裂縫)

由外荷載引起的裂縫,稱為結構性裂縫,也稱為荷載裂縫,其裂縫的分布及寬度與外荷載有關。這種裂縫的出現,預示著結構承載力可能不足或存在其他嚴重問題,有些結構性裂縫是由設計缺陷和施工方法不當造成的。

根據結構不同受力方式,產生裂縫的特征也不同。具體來說,結構性裂縫有如下幾類:彎拉裂縫、剪切裂縫、局部承壓裂縫等。

(1)彎拉裂縫。

在混凝土梁上施加彎矩時,將產生彎拉裂縫,彎拉裂縫也稱垂直裂縫,對受彎構件和壓彎構件來說,彎拉裂縫首先出現在彎矩最大的截面的混凝土受拉區。

梁板結構的正彎矩裂縫一般位于跨中,從底邊開始向上發展,負彎矩裂縫位于連續梁板或懸臂梁板的支座附近,自上向下發展。隨著荷載的增大,裂縫寬度增大,長度延伸,裂縫數增多,裂縫區域逐漸向兩側發展。

(2)剪切裂縫。

剪切裂縫也稱斜裂縫,首先發生在剪應力最大的部位。對于受彎構件和壓彎構件,往往發生在支座附近,由下部開始,沿著與軸線呈 25°～50°左右的角度裂開。隨著荷載的增大,裂縫長度將不斷增長并向受壓區發展,裂縫數不斷增多并分岔,裂縫區也逐漸向跨中方向擴大。

(3)局部承壓裂縫。

在一些局部地方,由于應力集中現象,引起較大的劈拉應力,最終導致局部承壓裂縫產生。例如錨頭部位,由于后張預應力錨固端承壓力,先張預應力端部摩擦力傳遞,這些部位的應力分布很復雜,常常伴隨著劈拉應力,造成錨固端部裂縫。

1.2 非結構性裂縫

由變形引起的裂縫,稱為非結構性裂縫。如溫度變化、混凝土收縮等因素引起的結構變形受到限制時,在結構內部就會產生自應力,當此應力達到混凝土抗拉強度極限值時,即會引起混凝土裂縫。裂縫一旦出現,變形得到釋放,自應力也就消失了。混凝土的非結構性裂縫的產生受到混凝土的材料組成、澆筑方法、養護條件和使用環境等多種因素的影響。非結構性裂縫主要有收縮裂縫、溫度裂縫、鋼筋銹蝕裂縫等幾類。

(1)收縮裂縫。

混凝土凝固過程中,水泥與水因水化作用逐漸硬化而形成的水泥骨架不斷緊密,體積縮小,稱為凝縮;另外,混凝土中多余水分蒸發,使體積縮小,稱為干縮;凝縮與干縮合稱為收縮。收縮中以干縮為主,占總收縮量的 80%～90%。混凝土成形時,其干燥過程是由表面逐步擴展到內部的,由于截面上溫度存在梯度差,因此產生表面收縮大、內部收縮小的不均勻收縮,當混凝土的表面收縮變形受到了內部約束或其他約束時,混凝土中會產生拉應力,當表面混凝土所受的拉力超過其抗拉強度時,便產生收縮裂縫。若混凝土早期養護不當,極易出現收縮裂縫。收縮裂縫對構件承載力影響不大,主要影響結構外觀和耐久性。

(2)溫度裂縫。

與其他材料一樣,混凝土也具有熱脹冷縮的性質。當外部環境或結構內部溫度發生變化,混凝土將發生收縮或膨脹變形,若變形受到約束,在結構內將產生應力,當應力超過混凝土抗拉強度時,即產生溫度裂縫。在某些大跨徑橋梁中,溫度應力可以達到甚至超出活載應力。溫度裂縫區別于其他裂縫的最主要特征是隨著溫度的變化而擴張或合攏。

(3)鋼筋銹蝕裂縫。

由于混凝土質量較差或保護層厚度不足,混凝土保護層受二氧化碳侵蝕炭化至鋼筋表面,使鋼筋周圍混凝土堿度降低,或由于氯化物介入,鋼筋周圍氯離子含量較高,均可引起鋼筋表面氧化膜破壞,鋼筋中鐵離子與侵入到混凝土中的氧氣和水發生銹蝕反應,其銹蝕物Fe(OH)2的體積比原來增長約 2～4倍,從而對周圍混凝土產生膨脹應力,導致保護層混凝土開裂、剝離,沿鋼筋縱向產生裂縫,并有銹跡滲到混凝土表面。由于銹蝕,使得鋼筋有效斷面面積減小,鋼筋與混凝土握裹力削弱,結構承載力下降,并將誘發其他形式的裂縫,加劇鋼筋銹蝕,導致結構破壞。

2 混凝土裂縫的防治措施

2.1 塑性收縮裂縫的防治

混凝土塑性收縮裂縫是濕度收縮變形引起的應力與混凝土強度約束兩方面矛盾的結果,為防止塑性收縮裂縫的出現,一方面要減少濕度收縮變形,另一方面要增大混凝土早期強度。從根本上要做到:降低混凝土表面游離水的蒸發速度;減小混凝土面層的干縮;增大混凝土面層早期抗裂強度等。

具體防治措施有:(1)選用干縮較小且早期強度較高的硅酸鹽水泥或普通硅酸鹽水泥,或加一定量的纖維,如鋼纖維、聚丙烯纖維等;(2)澆筑混凝土前,將基層和模板澆水濕透;(3)振搗密實,減少混凝土的收縮量;(4)混凝土澆筑后,在初凝前完成抹平工作,終凝前完成壓光工作,抹光后及時養護;(5)在氣溫高、風速大、干燥的天氣施工時,要加上擋風設施。混凝土澆筑后應及早進行噴水養護,使其保持濕潤。

2.2 干縮裂縫的防治措施

混凝土干縮裂縫是由混凝土自收縮變形引起的應力與混凝土強度約束兩方面矛盾的結果。因而,為防止出現干縮裂縫,一方面要減少自收縮變形,另一方面要增大混凝土早期強度。

其具體的措施有:(1)選用合適的材料,必要時可以加入外加劑;(2)進行恰當的保濕養護,灑水、薄膜覆蓋;(3)摻UEA膨脹劑,使混凝土內部產生預壓變形;(4)提高混凝土的極限拉伸強度。

2.3 溫度裂縫的防治措施

混凝土內部的溫度與混凝土厚度、水泥品種、水泥用量等有關。對于大體積混凝土,其形成的溫度應力與結構尺寸相關,在一定尺寸范圍內,混凝土結構尺寸越大,溫度應力也越大,因而引起裂縫的危險性也越大。因此,防止大體積混凝土出現裂縫最根本的措施是控制混凝土內部和表面的溫度差。

具體的措施有:(1)合理選擇混凝土原材料,降低水化熱;(2)控制混凝土的出機和澆筑溫度;(3)采取外保內降法減小內外溫差。

2.4 鋼筋銹蝕裂縫的防治措施

要防止鋼筋銹蝕,設計時應根據規范要求控制裂縫寬度,采用足夠的保護層厚度 (當然保護層亦不能太厚,否則構件有效高度減小,受力時將加大裂縫寬度);施工時應控制混凝土的水灰比,加強振搗,保證混凝土的密實性,防止氧氣侵入,同時嚴格控制含氯鹽的外加劑用量,沿海地區或其他存在腐蝕性強的空氣、地下水地區尤其應慎重。

總之,防治鋼筋銹蝕裂縫的關鍵在于防止鋼筋銹蝕,在實際施工中應注重鋼筋的防護措施。

3 結論與建議

(1)混凝土裂縫對混凝土結構的耐久性影響較大,要盡量減少裂縫的產生。

(2)防治裂縫,主要是以防為主、治理為輔的原則,在裂縫未出現之前,應及早防止其出現。

(3)若未能及時阻止裂縫產生,應采取相應的治理措施。

(4)混凝土結構的施工相當重要,在施工過程中,要嚴格控制與管理。混凝土的制備,應選用較低收縮的材料,攪拌時應控制好時間及材料用量等。

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