混凝土裂縫主要分類及防治概述

賴日飛

（縉云縣九州混凝土有限公司，浙江 麗水 321400）

0 前言

混凝土作為一種多相材料，通過膠凝材料水化生成的膠凝礦物相將砂石等骨料膠結(jié)成為堅(jiān)硬的固體。相比金屬材料和高分子材料，混凝土具有強(qiáng)度高、可模性強(qiáng)、耐久性好等諸多優(yōu)點(diǎn)，但也存在脆性大、拉伸強(qiáng)度低等缺點(diǎn)。混凝土易受自身原材料質(zhì)量波動(dòng)影響，同時(shí)在溫度和濕度變化以及惡劣的服役環(huán)境下均易出現(xiàn)微裂紋，當(dāng)這些微裂紋逐漸發(fā)展就會(huì)形成有害裂縫，對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)耐久性造成危害，從而縮短工程主體的使用壽命。

根據(jù)裂縫形成的主要起因，混凝土裂縫可以分為溫度裂縫、收縮裂縫及塑性裂縫[1]，裂縫的發(fā)展是由表及里的過程，細(xì)小的裂紋通過荷載或者環(huán)境劣化不斷擴(kuò)展，進(jìn)而成為有害裂縫。本文對(duì)混凝土裂縫的主要成因進(jìn)行分析，對(duì)混凝土裂縫提出預(yù)防和修復(fù)的舉措，希望為混凝土開裂防治提供有效參考。

1 混凝土裂縫的主要分類

1.1 溫度裂縫

溫度對(duì)水泥水化速率產(chǎn)生影響，能夠調(diào)控水泥水化進(jìn)程，當(dāng)周圍養(yǎng)護(hù)溫度升高或者使用熱水泥時(shí)，水泥水化放熱加快[2]，出現(xiàn)溫度峰值的時(shí)間縮短，使得混凝土出現(xiàn)內(nèi)部缺陷增多，從而引起體積穩(wěn)定性不良。混凝土內(nèi)外溫差過大是引起混凝土開裂的主要原因，當(dāng)混凝土澆筑內(nèi)部溫度和混凝土表面溫差超過 25℃，或者混凝土表面溫度與環(huán)境溫差大于 20℃ 時(shí)，溫度拉應(yīng)力超過混凝土內(nèi)部的約束力，就會(huì)產(chǎn)生混凝土初期微裂紋，隨著裂紋的擴(kuò)展極易形成貫穿性的裂縫。溫度裂縫一般無固定走向，根據(jù)不同部位而異。梁板類一般與其短邊平行，大面積的構(gòu)件一般裂縫相互交錯(cuò)，對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)危害較大[3]。

1.2 塑性裂縫

塑性裂縫多發(fā)生在混凝土澆筑初期，發(fā)生在硬化前，此時(shí)混凝土尚處于塑性階段，混凝土表面失水速率較快，形成較強(qiáng)的拉應(yīng)力，而混凝土尚未硬化形成強(qiáng)度，混凝土無法有效抵抗變形而出現(xiàn)塑性裂縫。引起塑性裂縫的因素較多，水泥和礦物摻合料細(xì)度和品類、水膠比以及外加劑帶來的超緩凝問題都可能成為混凝土塑性開裂的誘因。曾國東等[4]人發(fā)現(xiàn)礦物摻合料加入后能夠降低混凝土早期塑性開裂風(fēng)險(xiǎn)，其中加入 15%～20% 左右的粉煤灰可以使開裂面積大幅下降，適宜摻量的花崗巖石粉可以有效降低混凝土早期開裂風(fēng)險(xiǎn)。水泥用量越高，出現(xiàn)塑性開裂的概率越大，因此高強(qiáng)度等級(jí)混凝土相比低強(qiáng)度等級(jí)混凝土更容易出現(xiàn)塑性開裂。同時(shí)，水膠比過大、外加劑中緩凝劑用量過多也會(huì)導(dǎo)致混凝土塑性收縮加大。此外由于骨料和砂漿質(zhì)量不均，出現(xiàn)骨料下沉或者受到鋼筋擾動(dòng)出現(xiàn)塑性沉降，也會(huì)造成混凝土塑性開裂。

1.3 收縮裂縫

混凝土受到自身水泥水化及周圍環(huán)境的影響，可能出現(xiàn)塑性收縮、干燥收縮、化學(xué)收縮和碳化收縮。其中干燥收縮是引起混凝土收縮開裂的主要原因[5]，當(dāng)混凝土表面和大氣中存在濕度差或者溫度差就容易出現(xiàn)拉應(yīng)力，從而使得混凝土內(nèi)部失水加快，當(dāng)混凝土養(yǎng)護(hù)不良或者未及時(shí)抹面時(shí)就會(huì)出現(xiàn)混凝土表面微裂紋，繼續(xù)發(fā)展會(huì)形成混凝土有害裂縫。水膠比過大、水泥過細(xì)以及砂石含泥量過高等都會(huì)加劇混凝土養(yǎng)護(hù)不良條件下的開裂。雷萬康[6]研究了熱水泥對(duì)混凝土性能的影響，研究發(fā)現(xiàn)水泥溫度提高增加了水泥早期水化熱，混凝土早期強(qiáng)度提高，但也增加了混凝土早期開裂風(fēng)險(xiǎn)。袁杰 等[7]研究了砂含泥和骨料含粉對(duì)混凝土收縮的影響，砂中含泥和骨料含粉均對(duì)混凝土收縮帶來不利影響，這使得混凝土體積穩(wěn)定性減弱，混凝土開裂風(fēng)險(xiǎn)增加。當(dāng)前優(yōu)質(zhì)砂石資源短缺，機(jī)制砂和劣質(zhì)骨料的應(yīng)用加大了工程開裂風(fēng)險(xiǎn)[8]，其中骨料含泥量超標(biāo)會(huì)引起混凝土失水過快，混凝土受到干燥收縮和碳化收縮開裂的概率增加。

2 混凝土裂縫的防治

2.1 嚴(yán)格控制原材料質(zhì)量

混凝土作為多組分材料，膠凝材料、砂石骨料、拌合水質(zhì)量好壞都會(huì)對(duì)混凝土裂縫控制帶來一定影響。水泥作為主要的膠凝材料，主要起到膠結(jié)砂石的作用。影響水泥質(zhì)量的因素有礦物組成、粉磨細(xì)度以及水泥堿含量等，其中 C3A 含量高的水泥早期水化較快，需要較多的石膏調(diào)節(jié)凝結(jié)時(shí)間，在使用過程中會(huì)造成混凝土坍落度損失過快，與外加劑適應(yīng)性減弱，在澆筑后混凝土開裂的風(fēng)險(xiǎn)增加。粉煤灰、礦粉等傳統(tǒng)礦物摻合料的使用降低了水泥用量，同時(shí)改善混凝土和易性，降低水泥早期水化熱，并保證混凝土長期強(qiáng)度和耐久性，但礦物摻合料的使用也會(huì)使混凝土早期強(qiáng)度下降，混凝土結(jié)構(gòu)過早拆模后就會(huì)出現(xiàn)荷載裂縫。近年來，隨著資源短缺及國家節(jié)能減排政策的實(shí)施，天然砂資源逐漸退出日常商品混凝土生產(chǎn)，取而代之的是機(jī)制砂的大范圍應(yīng)用，甚至全機(jī)砂也已經(jīng)在高強(qiáng)高性能混凝土生產(chǎn)中得以應(yīng)用，機(jī)制砂中含泥量、含粉量、細(xì)度模數(shù)等都會(huì)對(duì)混凝土性能產(chǎn)生影響，進(jìn)而增加了混凝土質(zhì)量波動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)。

2.2 做好結(jié)構(gòu)防裂

混凝土裂縫的控制需要貫徹全過程控制，即從基礎(chǔ)地質(zhì)勘察、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、施工及混凝土選用及后期養(yǎng)護(hù)等各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行規(guī)范管理。合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是降低混凝土裂縫的重要環(huán)節(jié)，主要從伸縮縫的設(shè)置、混凝土強(qiáng)度等級(jí)選用以及合理的鋼筋布置等開展，混凝土結(jié)構(gòu)在溫度變化或者收縮時(shí)，由于體積變形過大從而會(huì)導(dǎo)致開裂，而收縮縫的設(shè)置恰好可以減少混凝土收縮對(duì)結(jié)構(gòu)實(shí)體的傷害。設(shè)計(jì)人員要根據(jù)工程實(shí)際，參考結(jié)構(gòu)跨度及不同部位，設(shè)置適當(dāng)寬度和長度的伸縮縫，在部分薄弱區(qū)域，可以通過加入纖維、加厚板面、增加配筋等方式進(jìn)行增強(qiáng)抗裂設(shè)計(jì)[9]，此外人們往往將設(shè)置后澆帶、加強(qiáng)帶等方法配合使用，綜合抗裂。

高等級(jí)混凝土的使用為設(shè)計(jì)人員降低墻體厚度、增加建筑物的有效利用空間提供了可能，因此設(shè)計(jì)人員往往選擇提高混凝土強(qiáng)度等級(jí)來確保結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和承載能力。但高強(qiáng)度等級(jí)混凝土意味著較高的膠材用量、較低的水膠比，這使得混凝土早期集中放熱量大、水化溫升快，易造成混凝土出現(xiàn)溫度應(yīng)力而出現(xiàn)開裂。因此，設(shè)計(jì)人員本著適用、經(jīng)濟(jì)、安全的角度合理選用混凝土等級(jí)，減少材料浪費(fèi)，降低混凝土水化開裂風(fēng)險(xiǎn)。

合理選用鋼筋配制有利于防止混凝土開裂。在梁、柱等的鋼筋配制中，應(yīng)適當(dāng)增加縱向受力鋼筋條數(shù)，以分散集中應(yīng)力；在鋼筋代換時(shí)，要考慮所替換的鋼筋類型及面積是否有利于結(jié)構(gòu)抗裂。

2.3 做好施工現(xiàn)場養(yǎng)護(hù)

混凝土良好的工作性能可以保證施工的順利進(jìn)行，后續(xù)良好的養(yǎng)護(hù)有利于混凝土強(qiáng)度發(fā)展和耐久性，也有利于混凝土裂縫的防控。養(yǎng)護(hù)的目的就是保證混凝土內(nèi)部水分供應(yīng)，確保水泥持續(xù)水化和周圍環(huán)境溫度和濕度差值不至于產(chǎn)生應(yīng)力破壞。在夏季時(shí)澆水養(yǎng)護(hù)可以保持混凝土表面濕潤，降低混凝土表面溫度，減低混凝土內(nèi)部應(yīng)力集中；冬季通過覆蓋棉氈等保溫措施可以降低內(nèi)外溫差，避免混凝土遭受凍害，減少混凝土由于溫度應(yīng)力而引起的內(nèi)部裂縫。由于混凝土裂縫是由表及里的破壞過程，降低混凝土表面微裂紋數(shù)量，通過良好的養(yǎng)護(hù)可以達(dá)到微細(xì)裂紋自愈合的目的。夏露等[10]通過試驗(yàn)研究了減縮劑養(yǎng)護(hù)、養(yǎng)護(hù)劑養(yǎng)護(hù)和土工布養(yǎng)護(hù) 3 種養(yǎng)護(hù)方式對(duì)綜合管廊混凝土抗裂性能的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)減縮劑可以推遲混凝土初始開裂時(shí)間，裂縫寬度可以降低 70%，同時(shí)開裂面積相比土工布養(yǎng)護(hù)減少 46%，這說明適當(dāng)?shù)酿B(yǎng)護(hù)可以提高混凝土的抗裂效果。蔣睿[11]研究表明，隨著混凝土強(qiáng)度等級(jí)提高，整個(gè)體系對(duì)養(yǎng)護(hù)條件的要求越苛刻，尤其是大流動(dòng)性和高性能混凝土的發(fā)展，使得現(xiàn)場養(yǎng)護(hù)愈發(fā)重要。

2.4 混凝土裂縫防治新技術(shù)

隨著科技的蓬勃發(fā)展，人們也在不斷探索混凝土開裂防治技術(shù)，比如施工工法創(chuàng)新、新修復(fù)材料等，為混凝土裂縫防治提供了有益探索。

首先，混凝土配合比設(shè)計(jì)有了新理念，注重前期開裂設(shè)計(jì)，在保證混凝土工作性能和強(qiáng)度的情況下，盡量降低水泥用量，提高礦物摻合料的用量，從而降低混凝土溫升，減少溫度裂縫的發(fā)生概率。對(duì)于大體積混凝土，尤其是水利水電、核電等重大工程，冰水?dāng)嚢琛⒐橇巷L(fēng)冷技術(shù)以及低熱水泥混凝土配制技術(shù)等的應(yīng)用降低了水泥水化放熱速率，混凝土內(nèi)部溫升峰值削弱。中國長江三峽集團(tuán)烏東德水電站就在世界上創(chuàng)新使用低熱水泥鑄就無裂大壩。

近年來關(guān)于自修復(fù)材料的研究如火如荼，其原理在于通過加入自修復(fù)膠囊或者微型顆粒的材料，通過自身反應(yīng)或者與水泥基材反應(yīng)，修復(fù)混凝土細(xì)小裂縫。Dry Carolyn 教授[12]以空心玻璃纖維代替微膠囊，并以縮醛高分子材料作為修復(fù)材料，注入空心玻璃纖維中，當(dāng)混凝土出現(xiàn)裂縫時(shí)可以使得玻璃纖維破壞，流出的修復(fù)材料通過沉淀填補(bǔ)縫隙，達(dá)到修復(fù)的效果。國內(nèi)的江沈陽等人[13]采用環(huán)氧樹脂包裹硅酸鈉并覆蓋細(xì)沙制作成功硅酸鈉修復(fù)劑，通過試驗(yàn)制備了自愈合混凝土。此外新型灌漿材料的發(fā)展也為混凝土的后續(xù)修補(bǔ)提供了可能。

3 結(jié)語

混凝土裂縫的產(chǎn)生往往是多方面的，混凝土原材料、施工質(zhì)量、現(xiàn)場養(yǎng)護(hù)以及設(shè)計(jì)因素等都可能引起混凝土裂縫。混凝土裂縫的發(fā)展是由表及里、由小到大的發(fā)展過程，因此控制混凝土早期微裂縫的發(fā)展顯得尤為必要，防止無害裂縫擴(kuò)展為有害裂縫，有害裂縫繼續(xù)擴(kuò)展。防治混凝土裂縫，依靠各環(huán)節(jié)控制也要注重新技術(shù)研究，盡最大努力降低有害裂縫的產(chǎn)生，維護(hù)混凝土結(jié)構(gòu)安全。