混凝土開裂及維護綜述

梁少陽

（寧夏大學 土木與水利學院 寧夏 銀川 750021）

混凝土開裂及維護綜述

梁少陽

（寧夏大學 土木與水利學院 寧夏 銀川 750021）

混凝土結構廣泛應用于工民建筑、橋隧、海港等工程中，而其卻有易開裂的缺點。相對大體積混凝土來說，即使有嚴格的裂縫控制措施，這些混凝土結構仍然會有裂縫。近幾年，混凝土開裂機理及其對結構承載力和穩定性的影響已然成為一個熱點問題。

混凝土裂縫；成因；控制；維護

0 前言

混凝土材料誕生至今，因具有堅固耐久性和良好耐火性、可模性等優點而成為各種工程建設中不可或缺的建筑材料。然而，由于混凝土材料固有的力學特性，它具有易開裂的缺點，一般混凝土結構使用過程都是帶有裂縫的。裂縫的存在和發展，不僅僅影響了建筑物的外觀，當微觀裂縫逐漸變成了宏觀裂縫，將導致結構承載力受到相應削弱，危及建筑物的正常使用，甚至直接導致混凝土結構喪失承載能力。有些特殊結構構件如核電站的混凝土安全殼、混凝土水池、地下混凝土結構等對裂縫有著嚴格要求，防裂工作顯得尤為重要。因此，裂縫是混凝土結構使用過程中不可避免的不利因素之一。混凝土是一種多相的復合材料，結構的裂縫產生、發展至結構破壞，整個過程是相當復雜的[1]。對于裂縫控制等級高的結構構件來說，了解混凝土開裂的原因，掌握其開展過程，將有助于采取相應措施把裂縫寬度控制在規定的范圍內。

1 混凝土裂縫類型及產生成因

混凝土是一種復雜非均質多相復合材料，在其微觀結構相組成間主要結合力是范德華力，因此其抗拉強度遠小于抗壓強度。當拉應力超過其抗拉強度時，就會產生裂縫[2]。混凝土結構開裂成因繁多且復雜。據研究[3]，裂縫的類型主要分為兩大類：結構性裂縫和非結構性裂縫。

外部荷載引起的裂縫，叫做結構性裂縫。混凝土自身應力引起的裂縫，叫做非結構性裂縫。調查資料[4]表明，建筑結構中只有 20%的裂縫源于荷載，而另外80%的裂縫卻是由于溫度、收縮、不均勻等變形變化引起的。對裂縫原因和類型進行分析，可對其修復和危害性評定提供依據，確定裂縫修補加固方案，可有效地避免突發性事件發生。

1.1 結構性裂縫(受力裂縫)

結構性裂縫，其分布和寬度與外荷載有關。包括由外荷載作用下結構次應力引起的裂縫和外荷載直接應力引起的裂縫。結構性裂縫一旦產生，就標志結構承載力可能不足或有嚴重問題，也可能是由設計缺陷或施工方法不當引起的。

直接應力裂縫是指由外荷載引起的直接應力產生的裂縫。產生的原因有：①在設計階段，計算模型不合理；②在施工階段，不加考慮堆放機具、材料；③在使用階段，超出了設計使用載荷。

次應力裂縫是指由外荷載引起的次生應力產生的裂縫。產生的原因有：①在設計外荷載作用下，由于結構實際工作狀態與理論計算有偏差或計算時未考慮到，從而在某些部位引起次應力導致裂縫產生；②結構中經常需要鑿槽、開洞等，在理論計算中難以用準確的圖式進行模擬計算，一般根據經驗設置受力筋。如果處理不當，在構件形狀突變處、轉角處或受力筋截斷處也容易開裂[3]。結構受力形式不同，裂縫特征也不同，如有：彎曲裂縫、拼接裂縫、剪切裂縫、局部承壓縫、差動裂縫。

1.2 非結構性裂縫

由變形引起的裂縫，叫做非結構性裂縫，主要有收縮裂縫、溫度裂縫、鋼筋銹蝕裂縫等幾類[3]，下面分別進行介紹。

1.2.1 收縮裂縫

混凝土凝固過程中，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。收縮過程主要是干縮 ，約占總收縮量的 85%，混凝土成形時，其干燥過程是由外到內的，由于截面上存在溫度差，因此產生表面收縮大、內部收縮小的不均勻收縮，當表面收縮受到約束時，混凝土中會產生拉應力，當所受拉力超過其抗拉強度時，便會產生收縮裂縫。收縮裂縫常常是因為早期養護不當導致的。

在實際工程中，最常見的是收縮裂縫。在混凝土收縮種類中，體積變形的主要原因是縮水收縮和塑性收縮，另外還有碳化收縮和自生收縮。碳化收縮裂縫是碳化作用所產生的游離態水蒸發，引起的漿體收縮所致。碳化作用是指大氣中的二氧化碳和水與水化產物作用生成鋁膠、硅膠、碳酸鈣和游離水，這部分水蒸發引起混凝土體積收縮，其實質是碳酸對水泥石的腐蝕。自生收縮裂縫是由于水泥熟料在水化反應過程中，反應后的生成物平均密度變小而引起體系體積收縮所致，與外界濕度變化無關。所以，水泥水化產物中化學結合水量的多少決定了自生收縮量的大小。

1.2.2 溫度裂縫

當溫度變化時，混凝土結構將發生變形，如果變形受到了約束，就會產生拉應力，當拉應力大于抗拉強度時，混凝土即會產生溫度裂縫。溫度裂縫最典型的特征是可隨溫度的改變而擴張或合攏。溫度裂縫按結構的溫度場、溫度變形及溫度應力的不同，可分為三種類型：①截面上下溫差裂縫；②截面內外溫差裂縫；③截面均勻溫差裂縫。

1.2.3 鋼筋銹蝕裂縫

混凝土質量差或者保護層厚度不足，都會導致 CO2侵蝕碳化到鋼筋表面，使其周圍混凝土堿度減小或氯離子含量增多，最終導致鋼筋表面氧化膜破壞，此后，進入的氧氣和水與鋼筋發生銹蝕反應，使鋼筋周圍混凝土膨脹，導致保護層開裂或剝落，從而使得混凝土與鋼筋之間的握裹力削弱，承載力下降，甚至導致結構破壞。

1.3 其它分類方法

1.3.1 按裂縫產生的時間劃分

根據文獻[3]，有：①施工期間出現的裂縫，有塑性收縮裂縫、干燥收縮裂縫、沉降收縮裂縫、溫度裂縫、自身收縮裂縫、早期凍脹作用裂縫、施工操作不當裂縫以及不規則裂縫等。②使用期間出現的裂縫，有鋼筋銹蝕膨脹裂縫、凍融循環裂縫、堿骨料反應裂縫、鹽堿類介質及酸性侵蝕氣液的裂縫以及循環動荷載作用下損傷累積裂縫等。

1.3.2 按裂縫的形狀劃分

裂縫按形狀可分為：①橫向裂縫，主要由溫差、荷載等引起；②縱向裂縫，主要由鋼筋的銹蝕引起；③剪切裂縫，主要由震動位移或豎向荷載引起；④斜向裂縫、“八”字裂縫，主要由地基不均勻沉降引起； ⑤“X”形裂縫，主要由地震作用或瞬間撞擊作用引起；⑥各種不規則裂縫。

2 混凝土裂縫的維護

針對裂縫國內外一般都采用3類修補材料：①無極修補材料，主要用來修補用普通水泥或特種水泥配置的水泥基材料；②有機材料和無機復合材料；③有機高分子材料，如環氧樹脂等。

具體處理方法[5]有：①表面處理法：又稱表面封閉法，是使用無機膠凝材料,合成樹脂材料及防水材料，涂抹在表面上的裂紋，以恢復其耐水性和耐久性的一種常見的裂紋修復方法。這個方法操作簡單，但涂料不能深入到裂縫深部。適用于修補寬度不大于0.2mm的微細裂縫。基于延長耐久性，應選擇較高的結合強度和抗老化性能較好的合成樹脂或無機膠凝材料；基于防滲目的的裂縫修復，應選擇極限延伸率較大的彈性材料。②灌漿法：是為使結構的完整性、耐久性和耐水性得到恢復，并在一定時間內，給以防水劑或膠粘劑一定壓力，將其灌注到裂縫深部，達成修復裂縫目的。這種方法適用于縫深較深、裂縫寬度不小于0.3mm的裂縫修補。灌漿材料的選擇根據不同的修復目的而有區別，當裂縫修補更加注重防水時，建議采用水溶性聚氨醋、改性丙烯酸醋等抗滲性好和延伸率大的材料，活動性裂縫除填充彈性材料外還需在表面粘貼纖維布。比較看重耐久性和承載力時，應選用丙烯酸甲醋、聚氨醋等粘結力強、強度高的材料；對某一寬度的裂縫也可通過水泥漿進行修補。③填充密封法：沿裂縫走向鑿出寬b≥15mm、深d≥20mm的“U”形溝槽，用彈性填縫材料，并在外面用纖維復合材料封閉填縫表面；這個方法適宜用于處理W＞O.5mm的裂縫。待填充完畢后，在其外表面做好防護層。

3 結論與展望

近來有很多科學家專注于裂縫的維護修復，如生物沉積自修復混凝土裂縫的方法，利用細菌誘導碳酸鈣晶體在混凝土表層沉積的晶相、微觀形貌及生物沉積對混凝土裂縫進行修復。研究發現：混凝土的裂縫被生物沉積修復以后，抗壓強度會隨著縫深增加而增大，最大增加了15.3%；梁試件跨中極限荷載隨裂縫深度增加而減小，極限荷載最大增加了8.5%，淺層裂縫恢復效果較深層裂縫明顯。

前文描述的是一些混凝土裂縫的成因和人工修復及維護，但針對裂縫問題，專家提出了材料損傷自診斷和自我修復概念。創造一個自我修復的材料，并延長其生命的想法。研究開發新型混凝土自修復技術、找到適應混凝土特性的修復材料，可以主動、自動對部位進行損傷修復并改善混凝土性能已成為混凝土結構和功能一體化的發展趨勢。

[1]賈君玉.混凝土裂縫擴展仿真系統研究[D].大連理工大學,2012.

[2]廉慧珍.混凝土施工中裂縫的控制[A].混凝土結構耐久性設計與施工論文集[C].:2004:10.

[3]黃貽鳳.橋梁混凝土開裂理論及數值分析[D].武漢理工大學,2005.

[4]王鐵夢.工程結構裂縫控制,中國建筑工業出版社,1997.

[5]盛紅,徐建雄,李建波.鋼-混凝土組合板混凝土早期裂縫對策[J]. 建筑結構,2008,08:138-139.

G322

B

1007-6344（2016）07-0262-01

梁少陽（1992年—），男，河北邢臺人，寧夏大學、碩士研究生、主要研究方向：混凝土結構，寧夏大學，寧夏 銀川，750021