混凝土常見裂縫的成因及裂縫控制措施

宋海濤

摘要：我國建筑業發展十分迅速，目前建筑業進入了空前繁榮時期。混凝土被廣泛的使用，而混凝土構件出現裂縫影響建筑物的裝飾效果和使用壽命，所以我們應該合理地控制建筑物的裂縫。混凝土裂縫的合理控制對保證建筑工程質量、提高結構物的耐久性能具有特別重要的意義。

關鍵詞：混凝土 裂縫 控制

一混凝土常見裂縫的成因

1收縮裂縫

收縮裂縫是由濕度變化引起的,它占混凝土非結構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材料,以天然砂、石為骨料加水攪拌,經過澆筑成型、凝結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 4～5 倍的水。多出的這些水分以游離態形式存在,并在硬化過程中逐步蒸發,從而在混凝土內部形成大量毛細孔、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。根據相關試驗測定,混凝土最終收縮量約為0.04%～0.06%。可見,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、環境溫度越高、表面失水越大 ,則其收縮值越大 ,也越易產生收縮裂縫。根據收縮裂縫的形成機理與形成時間,工程中常見的收縮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(化學減縮)裂縫和碳化收縮裂縫。

1.1塑性收縮裂縫：塑性收縮裂縫發生在混凝土塑性階段,終凝之前。其形成主要原因是混凝土漿體中水份流向表面并迅速蒸發,隨著失水的增加,毛細負壓產生的收縮力使混凝土表面產生急劇的體積收縮。而此時混凝土強度尚未形成,從而致使混凝土構件表面開裂 。這種裂縫多出現在干熱與刮風天氣中,裂縫較淺,中間寬、兩端細,長短不一,且互不連貫。

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生,一直延續并在硬化時停止。其形成主要原因是漿體在澆搗后發生不均勻沉落,粗骨料下沉,水泥凈漿上浮,當沉降受抑制(如鋼筋或預埋件的阻擋)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。這種裂縫多出現在混凝土構件表面,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。

1.3干燥收縮裂縫：干燥收縮裂縫在混凝土養護完以后才出現。其形成原因主要是由于混凝土硬化后,水分蒸發引起混凝土表面干縮,當干縮變形受到混凝土內部約束時,產生較大的拉應力使混凝土表面被拉裂。干縮裂縫一般產生在表面很淺的位置,多沿構件短方向分布,呈平行線狀或網狀,嚴重時可貫穿整個構件截面。

1.4自身收縮裂縫：自身收縮裂縫與外界濕度變化無關,而是由于水泥熟料在水化反應的過程中,反應后生成物的平均密度變小而引起體系的體積收縮(稱為化學減縮)所致。主要是由于自由水轉化為水化產物的一部分,使它的比容降低1/4 (即0.25cm3/g)。因此,化學減縮量的大小取決于水泥水化產物中化學結合水量的多少。

1.5碳化收縮裂縫：碳化收縮裂縫是碳化作用所產生的游離態水蒸發,引起水泥漿體的收縮所致。碳化作用是指大氣中的CO2在有水的條件下與水化產物作用生成CaCO3、鋁膠、硅膠以及游離態水,這部分水蒸發引起混凝土體積收縮 (稱為碳化收縮),其實質是碳酸對水泥石的腐蝕作用。一般水泥水化產物的堿度與空氣中CO2濃度越高且濕度適中(50%左右)時,越容易發生碳化作用。因此,這種裂縫容易出現在干濕交替的環境下,而干燥或水飽和環境下不易出現；而且由于裂縫處析出的碳化產物將形成凝膠,阻止CO2進入,故一般僅發生在構件表面。

2溫度裂縫

溫度裂縫是由于混凝土內外溫度差或季節溫度變化過大而形成的。在混凝土澆筑過程中,水泥的水化反應將放出大量的熱(一般每克水泥可放出 502J熱量),使混凝土內部溫度升高并在一定齡期出現溫峰,之后溫度下降。由于混凝土內部散熱慢，而表面散熱較快,必將在其內外形成一定的溫差,為協調溫度變形,混凝土表面將產生拉應力(即溫度應力),當超過混凝土抗拉強度后將使其開裂。這種裂縫多為貫穿性的,而且比較深,嚴重降低結構的整體剛度；一般在工程施工結束幾個月后出現。此外,在混凝土養護期間,若受到寒流的侵襲,也會在混凝土表面引起裂縫,但相對比較淺,危害性也較小。

3.沉陷裂縫

沉陷裂縫是建筑物建成后各部分發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。回填土未經夯實處理,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(如設擋土墻、地下連續墻)，防止土坡失穩或地下水倒灌,會削弱相鄰老建筑物的地基承載力,從而導致建筑物沉陷開裂。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,也會出現沉陷裂縫。沉陷裂縫往往嚴重影響建筑物的外觀,并危及結構的耐久性。

二.混凝土常見裂縫控制措施

.1對收縮裂縫的防治可采取以下措施:

1.1 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。

1.2 對于早期收縮裂縫的防治,除加強早期養護外,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,可以適當延長養護時間,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。

1.3 盡可能降低水泥用量,增大粗骨料的含量,且宜選用石灰巖作為粗骨料,因為它對收縮的抗裂性優于安山巖和砂巖;應嚴格控制骨料的含泥量,砂率不宜過大,骨料應具有良好的級配。

1.4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C3 A的化學減縮量最大,是 C2 S的 3倍,C4 AF的5倍。

1.5 防止碳化收縮裂縫關鍵是降低生成物的堿度,對新澆混凝土做好濕水養護,而對使用當中的混凝土結構要盡量保持干燥,在 CO2等腐蝕性氣體含量高的環境下要做好防腐措施 。

1.6 混凝土澆筑抹光后要及時用潮濕的草墊或塑料薄膜覆蓋,風季施工時應設擋風設施。

2對溫度裂縫的防治可采取以下措施:

2.1在材料方面：宜采用粉煤灰水泥或 C3 A 和 C3 S 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,可適當摻入塊石; 在拌和水中摻冰屑并對骨料進行噴水冷卻。

2.2 在施工方面：應合理安排施工工序,改進施工工藝,如澆筑大體積混凝土時,在混凝土中布設水管循環導熱或分塊分層澆筑;改善結構約束條件,如較長結構要設溫度縫或后澆帶,在基巖上澆筑時,要鋪50～100mm砂層以消除其嵌固作用。

2.3 在設計方面：主要是做好溫度應力計算,根據可能產生的溫度應力采取相應的構造措施,如適當地配置溫度鋼筋,分擔混凝土溫度應力。

2.4 此外,尚需加強混凝土養護,做好表面保溫措施 (如蓄水養護或覆蓋潮濕的草墊等),適當延長拆模時間,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,控制混凝土內外溫度差在25℃以內 。

3對沉陷裂縫的防治可采取以下措施:

3.1 在基礎設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置沉降縫。

3.2 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。

3.3 施工前要做好地質勘測工作,盡量選擇好的持力層,竣工后要避兔地基受到雨水等浸泡 。

4其他裂縫

除上述裂縫外,在結構的施工過程還會出現各種形式的施工裂縫;在結構使用過程中也會出現不同類型的腐蝕裂縫。

4.1施工裂縫：施工裂縫是由于施工中操作不當或構件本身的剛度不夠等因素引起的。如預應力工程中,張拉不當會使構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則拆模或提升模板時易將混凝土拉裂;吊裝工程中,會因構件側向配筋少、剛度差或吊點不正確等因素而出現裂縫。防止這類裂縫的關鍵是嚴格按 照施工規范進行 ,如預應力張拉須在構件強度達到75%以上時進行,模板與混凝土間涂刷隔離劑,拆模或滑升時,先均勻松動,再緩慢拆離或提升。

4.2 腐蝕裂縫：腐蝕裂縫是由于結構長期處于腐蝕性氣液的環境下引起的 ,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致的,它們通常與干縮裂縫、溫度裂縫等共同作用,導致裂縫不斷擴展,最終削弱結構的耐久性。控制的措施主要是做好混凝土表面及鋼筋的防腐處理,出現裂縫,應及時修補。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,則會因發生堿骨料反應或MgO的水化反應,生成膨脹性的凝膠,造成混凝土膨脹開裂,形成的多為網狀或不規則裂縫。此類裂縫往往在結構竣工幾年后才出現,因為上述化學反應極為緩慢。防治的關鍵是消除或降低混凝土中此類物質的存在。

三 裂縫的處理

混凝土結構一旦開裂應立即在鑒定的基礎上采取相應的措施。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,以恢復其防水性和耐久性。該法施工簡單,但僅適用于淺裂縫。

1.1 工藝流程:表面刷毛并沖洗→嵌補表面缺損 (可用環氧膠泥或乳膠水泥)→選材涂復 。

1.2施工要點:①由于涂層較薄 ,應選用粘結力強且不宜老化的材料;②對活動裂縫,應采用延伸率較大的彈性材料;③涂復均勻,不得有氣泡。

2 壓力灌漿法

針對寬度大于0.3mm 且深度較大的裂縫,可將化學灌漿材料 (如聚氨酯、環氧樹脂或水泥漿液)通過壓力灌漿設備注入到裂縫深處,以恢復結構整體性、防水性及耐久性。

2.1 工藝流程:鑿槽→埋設漿嘴→封縫→密封檢查→配制漿液→灌漿→封孔→灌漿質量檢查 。

2.2 施工要點:①灌漿材料宜選用粘結力強、可灌性好的樹脂類材料,通常選用環氧樹脂; ②對于寬度大于2mm的特大裂縫可采用水泥類材料,對于活動性裂縫宜采用經稀釋的環氧樹脂或聚氨酯;③化學灌漿壓力控制在0.2～0.4MPa,水泥漿灌漿壓力控制在 0.4～0.8MPa ,增大壓力并不提高灌漿速度,也不利于灌漿效果;④灌漿后,待漿液初凝而不外滲時,方可拆下灌漿嘴 (盒、管) 。

3填堵法

針對寬度大于0.5mm 的寬大裂縫或鋼筋銹蝕裂縫,可沿裂縫將混凝土鑿成“U”型或“V”型槽,然后嵌填修補材料,以恢復防水性、耐久性或部分恢復結構整體性。

3.1 工藝流程:鑿槽→基層處理(混凝土去污、鋼筋除銹)→涂刷結合劑(環氧樹脂漿液)→嵌填修補材料→面層處理 。

3.2 施工要點:①嵌填材料可視具體情況選用環氧樹脂、環氧砂漿、聚合物水泥砂漿、聚氯乙烯膠泥或瀝青油膏;②對于銹蝕裂縫,先對鋼筋徹底除銹,再涂防銹涂料。

混凝土裂縫問題是項技術難題,長期困擾工程界。隨著高早強型水泥的大量使用、商品混凝土泵送施工的大力推廣、混凝土強度等級的提高、大體積混凝土的涌現,在取得成效的同時也使裂縫問題更為突出,甚至成為混 凝土質量問題的焦點。而目前混凝土裂縫主要是收縮變形 和溫度變形所致 ,控制這些裂縫除了廣大工程建設人員在設計與施工方面采取相應措施外,也需要科研人員盡快地研制出能減少水泥收縮和水化熱的高效材料,從而將裂縫問題降低到最小限度。