鋼筋混凝土結構裂縫成因及防治措施

馮立勇，舒必仁，鄧翀

（1. 中交二航武漢港灣新材料有限公司，湖北 武漢 430040；2. 海工結構新材料及維護加固技術湖北省重點實驗室，湖北 武漢 430040）

0 引言

鋼筋混凝土以其力學性能、可模性、整體性及耐久性等諸多優點，已經成為建筑行業用途最廣泛的結構材料。且隨鋼筋混凝土結構的設計理論逐步完善、施工技術及經驗日益成熟，在今后相當長的時間內，鋼筋混凝土仍將作為建筑結構的主要承重體系。鋼筋混凝土裂縫作為其自身缺陷的一種，對混凝土的耐久性及結構的營運安全性危害極大。混凝土裂縫的存在形成了混凝土的內部通道，增大了結構的滲透性，有利于空氣中的有害氣體或物質滲入，從而導致鋼筋銹蝕、混凝土過早破壞，同時深層裂縫和貫穿性裂縫更是破壞了結構的整體性，改變了設計的應力狀態和結構物的受力條件，可能使結構物的局部或整體發生破壞，直接影響建筑物安全。裂縫作為鋼筋混凝土結構最常見的一種質量通病，一直備受建筑行業及相關人士關注。故正確分析鋼筋混凝土結構裂縫成因，并據此提出有效的預防措施，杜絕結構有害裂縫、盡量減少表面裂縫，對保證結構的整體性和正常使用具有重要意義。

1 裂縫的分類[1]

1.1 按照產生原因分類

（1）荷載作用下的裂縫（結構性裂縫約 10%）；（2）變形作用下的裂縫（非結構性裂縫約 80%）；（3）混合作用（荷載與變形共同作用）下的裂縫（約5%～10%）；（4）堿骨料反應；（5）質量力（慣性力）引起的裂縫。

1.2 按裂縫有害程度分類

（1）有害裂縫指的是貫穿性縱深和淺層的裂縫（達到受力鋼筋位置），對有抗滲、防腐蝕以及防輻射等特別要求的有害裂縫寬度要依據生產要求進行規定。（2）無害裂縫。微觀裂縫、表面裂縫和裂縫寬度小于規范允許寬度的宏觀裂縫。針對表層裂縫大于允許寬度，長度短，影響使用功能者，仍然要按照輕度有害裂縫進行處理。

2 鋼筋混凝土裂縫產生的原因

2.1 混凝土收縮[2~6]

收縮裂縫起因于混凝土的自由收縮變形受到約束，而在無約束條件下，混凝土收縮本身并不會引起開裂。混凝土結構自澆筑、硬化至后期運行階段，收縮可分為塑性沉降、自收縮、化學收縮、溫度收縮及干燥收縮等。對普通混凝土而言，其收縮的主要形式是干燥收縮，而高性能混凝土，不容忽視的則是自收縮問題。正確區分不同的收縮類型，有助于我們采取必要的措施，對混凝土的開裂問題進行提前預防或減輕其開裂程度。

2.1.1 塑性沉降

在混凝土剛攪拌完成后，骨料顆粒在具有一定稠度的漿體中懸浮，而漿體的密度又相對較低，水灰比為0.6，漿體的密度僅為骨料的二分之一，因此，漿體中的骨料會出現下沉現象，且內部的水泥顆粒密度又比水大得多，導致剛攪拌完的混凝土內的水分被擠壓到上層，即發生“沉降”與“泌水”現象。泌水減少了混凝土內的多余水份，對混凝土硬化后的強度提升起到較大幫助。然而沉降與泌水的危害相對更大。水份的上移及骨料的沉降會導致鋼筋的水平線下側出現空隙并造成水份的積聚，易產生銹蝕；水份的上移還會導致粗骨料底部有水份殘留，使得骨料與漿體間的界面更加薄弱，并逐漸產生空隙（見圖 1），對混凝土的抗凍及抗滲性產生較大的影響；在沉降顆粒碰觸到水平螺栓或鋼筋時，抑或與側面的模板產生摩擦遇到阻力時，就會被攔截產生沉降差，最終導致混凝土頂部出現塑性沉降裂縫。

2.1.2 自生收縮

自干燥指的是混凝土密封后其內部的相對濕度由于水泥的不斷水化而逐漸降低。就高性能混凝土而言，因為其水膠比例非常低，強度發展較快而快速消耗了內部的自由水，使得其孔系內的相對濕度不超過 80%。另外，高性能混凝土有著更為緊密的結構，外部水份很難進入其中，在該狀況下就出現了自收縮現象。相關研究數據顯示，水膠比例在 0.4 左右，兩個月齡期的混凝土，其自收縮是 1×10-4；水膠比為 0.3 的高性能混凝土的自收縮為 2×10-4；水膠比為 0.17 的高性能混凝土的自收縮為 8×10-4。在總收縮內，高性能混凝土的自收縮幾乎與干收縮相等。越低的水膠比例，越細的摻合料，就會出現比例越大的自收縮。在高性能混凝土開始出現自收縮且水化率最高的幾天時間里，混凝土表面失水，濕度降低會使其表面出現裂縫，其后導致內部出現微裂，如果混凝土再因為受到約束發生變形，就會再次出現收縮裂縫。

圖1 塑性沉降造成的鋼筋底部空隙

2.1.3 化學收縮

化學收縮也就是我們通常所說的水化產物收縮，不管何種凝膠材料，都存在水化后減縮的現象，這是因為水化反應前和水化反應后，材料的平均密度出現了差異。水泥水化反應主要生成 C-S-H 凝膠，其體積比水域水泥的總體積要小，也就是增加了固相體積的同時，減小了水—水泥的絕對體積。多數的硅酸鹽水泥在水化反應完全后，體積都會有 7%～9% 的減小。在水泥徹底硬化前，固相體積的增加是對之前水占據空間的填充，增加水泥的密實程度，減縮其宏觀體積；在硬化完全后，體積保持不變，但水—水泥體系則會在反應減縮后產生孔隙。所以，水泥硬化完全前，該減縮過程不會對混凝土的性質產生影響，但硬化完全后，會基于不同的水灰比產生數量不等的孔隙，進而對混凝土的性質產生較大影響。化學收縮與水泥的組成有關，C3A 的含量越大收縮越大。在摻加一些細料時，細料的活性和減縮過程密切相關，越高的活性就會導致越大的化學收縮。

2.1.4 干燥收縮

干燥收縮指的是在停止養護混凝土后，在空氣不飽和的環境中因為凝膠孔及毛細孔中吸附水的減少所產生的收縮，且這種收縮是不可逆的。越低的相對濕度，就會導致越嚴重的水泥干縮。水泥的內部孔隙和干燥收縮之間有著較大的關聯，水泥的水化反應產物主要是碳—硫—氫凝膠及大量的微孔（被水填充），這些微孔內有一定量的水化反應殘留的水。在干燥的混凝土中，水的蒸發速率會大于混凝土中水份外泌的速率，所以，表層的水減少，且伴隨蒸發過程的持續，水份減少開始由外到內發展，凝膠孔及毛細孔內的水份也開始蒸發。水份流失使得毛細孔內出現負壓，孔壁出現拉應力，進而導致了水泥的收縮現象。

2.1.5 溫度收縮

混凝土在硬化過程中水泥水化產生水化熱，并通過邊界把部分熱量向四周傳遞。硬化初期，水泥水化速度快，放出的熱量大于散熱量，使混凝土升溫，在大體積混凝土內部可高達 80℃以上，其必須達到環境溫度才可以趨于穩定，因此，在較長的時間內（最少是驗收前），混凝土出現的溫差主要包括兩個部分：一個是混凝土結構本身內部與表面的溫差；一個是其與外界環境之間的溫差。溫應力出現的主要原因就是溫差的存在，越大的溫差就會產生越大的收縮應力，在收縮應力超過一定值時，混凝土就會出現開裂。基于溫差所導致的混凝土收縮通常稱作溫度收縮。

2.2 基礎不均勻沉降

由于基礎豎向不均勻沉降或水平方向位移，使結構中產生附加應力，超出鋼筋混凝土結構的抗拉能力，導致結構開裂。裂縫定向與沉降情況有關，一般表現為垂直或是 30～40 度角度方向發展。基礎不均勻沉降的主要原因有：地質勘察精度不夠、試驗資料不準；地基地質差異太大；結構荷載差異太大；結構建成以后，原有地基條件變化等。

2.3 荷載裂縫

荷載裂縫指鋼筋混凝土結構在常規靜、動荷載及次應力下產生的裂縫，這種裂縫多出現在結構的受拉部位、剪拉區或有嚴重振動的部位。歸納起來主要有直接應力裂縫、次應力裂縫兩種。直接應力裂縫是指外荷載引起的直接應力產生的裂縫，次應力裂縫是指由外荷載引起的次生應力產生的裂縫。裂縫產生的原因有：（1）在設計外荷載的影響下，因為內結構物的真實工作情況和常規運算之間存在一定差異或者計算過程中沒有將其考慮在內，導致在一些位置出現次應力使得結構開裂。（2）局部應力集中，在結構中通常需鑿槽、開洞以及設置牛腿等，在常規運算中很難使用精確的圖式完成模擬計算，通常依據經驗對受力鋼筋進行設置。

2.4 鋼筋銹蝕[7]

在混凝土裂縫類型中，鋼筋銹蝕是較為常見的一類，鋼筋混凝土中鋼筋會被外界銹蝕，其銹蝕產物的體積約為原來的 2～4 倍，隨著鋼筋銹蝕程度不斷加劇，鋼筋周圍的混凝土產生受拉應力，即銹脹力。當受拉應力達到混凝土抗拉強度時，混凝土保護層開始開裂，隨著銹蝕程度的加劇，裂縫會向表面擴展，最后貫通保護層，嚴重影響混凝土結構的耐久性。此類裂縫稱為侵蝕性介質到鋼筋表層的通道，所以加快鋼筋的銹蝕。如果不采用有效措施，那么鋼筋銹蝕將會不斷發展直到保護層剝落。圖2 為鋼筋混凝土銹蝕脹裂的過程。

圖2 鋼筋混凝土銹蝕脹裂過程

3 裂縫控制的綜合技術措施[8,9]

裂縫是鋼混結構中廣泛存在的一類現象，導致混凝土出現裂縫的原因比較復雜，事實上每條裂縫的出現都是受到多種因素的共同作用，故施工過程中應從設計、材料、配合比、施工及環境、管理等各方面綜合考慮，統籌處理。

3.1 材料方面

選用的各種材料均應符合國家現行規范和有關標準的規定，骨料應優選潔凈、級配良好的中砂和級配良好、空隙率較小的粗骨料，砂石的含泥量對于混凝土的抗拉強度與收縮影響很大，應嚴格控制。為了降低混凝土的早期溫升，大體積混凝土應優選中、低熱水泥，同時摻加緩凝型高效減水劑。

3.2 配合比方面

優良的配合比是預防混凝土開裂的關鍵，應通過不斷優化配合比配制高抗裂、低溫升、低收縮的混凝土。在滿足施工要求的條件下，盡量采用較小的坍落度和較小的砂率。控制混凝土單位用水量，用水量不宜大于170kg/m3。對于大體積混凝土，應盡量降低膠凝材料用量及水泥用量，以降低混凝土的溫升。為提高混凝土抗拉強度，混凝土可適量摻加纖維。

3.3 施工工藝方面

模板與支架的穩定性、剛性及承載力要足夠強，安裝模板時要保證其不滲漿、不漏水且結構緊密，拆除支架和底模時要保證混凝土質量可以滿足要求。當運送到現場的混凝土不符合施工需求時，不得隨意加水，可在試驗后對其坍落度進行合理調整。施工時要特別注意混凝土的養護，比如：保證其相對濕度、溫度等。冬天施工時要保證混凝土不被凍壞。因為混凝土容易出現收縮現象，因此在灌漿后的 3～4 小時要再次進行壓實作業。

3.4 設計方面

設計時既要分析承載能力，更要對形變問題引起足夠的重視。結合結構布置圖，盡量減少混凝土受到的約束。強度等級要合理選擇，在對溫度收縮力進行嚴謹計算后采取必要的應對措施。普通混凝土有著較好的韌性、較低的收縮和水化熱，而高性能混凝土有著較高的強度，較大的密度，但也有著較大的脆性、較高的收縮度及水化熱。在工況允許的情況下，應基于實際條件選擇合理的技術手段，比如降低水泥的使用量，加大摻合料的比例，延長混凝土的養護時間等。

4 結語

鋼筋混凝土結構產生裂縫的原因繁多，影響因素復雜，混凝土約束條件下的收縮變形、基礎不均勻沉降、荷載作用及鋼筋銹蝕等都將導致鋼筋混凝土結構產生裂縫。保證完全不出現裂縫是較難實現的，但應從材料、混凝土配合比、施工工藝及設計方面著手，盡最大努力預防結構裂縫的產生，并采取相應的措施，從而確保結構的耐久性及使用安全性。