現(xiàn)澆混凝土裂縫成因分析及防治技術(shù)措施研究

羅獻金，趙計奎，卓先羽，趙維康 （徐州市新盛投資控股集團有限公司，江蘇 徐州 221000）

0 前言

在城市化背景下，建筑工程的質(zhì)量問題受到越來越多的重視，其中現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)裂縫已演變成常見的質(zhì)量通病，混凝土裂縫對現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)的防水及混凝土自身耐久性都具有較大影響。綜上所述，混凝土裂縫控制成為建筑行業(yè)亟需解決的重點工作之一。在此背景下，本文通過對常見裂縫分類進行總結(jié)，分析其產(chǎn)生原因，并通過對混凝土減縮劑進行相關(guān)試驗，為后續(xù)裂縫發(fā)展得到有效控制提供思路。

1 混凝土出現(xiàn)裂縫分類

1.1 按產(chǎn)生原因劃分

①結(jié)構(gòu)性裂縫

結(jié)構(gòu)性裂縫對工程主體的影響較大，通常由工程主體的不均勻沉降、外部荷載線性增加及結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理造成，總結(jié)來說，是由于外力作用使結(jié)構(gòu)實際受力形式與原設(shè)計發(fā)生較大改變造成的裂縫。裂縫呈現(xiàn)一定規(guī)律性，裂縫較深較寬，對結(jié)構(gòu)安全具有一定威脅性。

②非結(jié)構(gòu)性裂縫

非結(jié)構(gòu)性裂縫對工程主體較結(jié)構(gòu)性裂縫影響較小，通常與混凝土所處環(huán)境具有一定關(guān)系，如結(jié)構(gòu)面溫差過大、表面未及時養(yǎng)護及混凝土內(nèi)部干縮變形引起。非結(jié)構(gòu)性裂縫通常由于結(jié)構(gòu)表面或內(nèi)部材料自身內(nèi)應(yīng)力發(fā)生改變，導(dǎo)致裂縫，裂縫無明顯規(guī)律，裂縫較淺較窄，對結(jié)構(gòu)安全影響較小，通過采取防范措施可避免此類裂縫。

1.2 按產(chǎn)生時間劃分

①早期裂縫：指從混凝土澆筑到混凝土終凝養(yǎng)護期間因材料或施工方法不合理產(chǎn)生的裂縫。

②后期裂縫：指在建筑物使用過程中，此時距混凝土終凝成型已具有較長時間，出現(xiàn)的新裂縫或在原有早期裂縫基礎(chǔ)上，裂縫的延長或者加深。

1.3 按裂縫深度劃分

以裂縫深度h與混凝土結(jié)構(gòu)面板厚H之間比例劃分如下：

①當(dāng)h≤0.1H為表面裂縫；

②0.1H＜h＜0.4H為淺層裂縫；

③0.4H≤h＜1.0H為縱深裂縫；

④h=H為貫穿裂縫，應(yīng)當(dāng)盡量避免縱深及貫穿性裂縫。

2 混凝土裂縫成因分析

混凝土產(chǎn)生裂縫原因經(jīng)實踐檢驗總結(jié)，原因較多，除混凝土自身材料影響，如細骨料的種類及減縮劑添加量影響外，施工不規(guī)范及設(shè)計不合理亦會產(chǎn)生混凝土裂縫，總結(jié)如下。

2.1 外部荷載作用造成裂縫

混凝土具有良好抗壓強度，但其抗拉性能卻很差，縱向裂縫是由于內(nèi)部拉應(yīng)力超出其抗拉強度，斜向裂縫是由于內(nèi)部剪應(yīng)力超出其設(shè)計抗剪強度。

2.2 溫度應(yīng)力造成裂縫

產(chǎn)生溫度裂縫的原因通常有兩種：第一，由于混凝土在設(shè)計環(huán)境內(nèi)，通常以多種構(gòu)件形式組合，如梁、板、柱等，其在多種約束條件下，不能實現(xiàn)其自身的熱脹冷縮特性，約束條件使混凝土表面及內(nèi)部無法實現(xiàn)自由伸縮，進而產(chǎn)生溫度裂縫；第二，混凝土在初凝至終凝時間里，及在成型后一周內(nèi)，由于水泥水化作用，混凝土內(nèi)部會產(chǎn)生較大的水化熱，而對應(yīng)的快硬早強型水泥，其釋放的水化熱溫度更高，如CA及PC42.5R等，處理不好更容易產(chǎn)生此類裂縫。

2.3 主體及基礎(chǔ)不均勻沉降造成裂縫

通常情況下，設(shè)計要求建筑物主體下方基礎(chǔ)需具備同等能力的承載力，而在現(xiàn)實條件下，由于基礎(chǔ)的土質(zhì)條件不同，壓實系數(shù)不同，甚至土體下方的巖層分布不同，不同部位對地下水的滲透性能呈現(xiàn)各向異性，因此主體在沉降過程中，由于筏板不同部位受力不同，引起建筑物沉降不均，產(chǎn)生斜向裂縫，多均布于外墻及樓板，呈現(xiàn)明顯規(guī)律性。

2.4 混凝土塑性收縮造成裂縫

混凝土塑性收縮裂縫通常與混凝土自身配合比、坍落度、所處環(huán)境溫度、風(fēng)速等有較大關(guān)系。當(dāng)混凝土中含水率降低或表面失水，會增大混凝土表面產(chǎn)生塑性收縮裂縫的可能性。

2.5 混凝土碳化收縮造成裂縫[2]

當(dāng)混凝土表面游離態(tài)水與空氣中CO反應(yīng)，一方面使混凝土表面水缺失，另一方面使混凝土表面產(chǎn)生CaCO、鋁膠、硅膠等物質(zhì)，且CaCO等表面產(chǎn)物對混凝土具有一定腐蝕作用，因此當(dāng)空氣中CO濃度過高時，呈堿性的混凝土與表面碳酸產(chǎn)物反應(yīng)，使表面混凝土體積產(chǎn)生碳化收縮，此種裂縫尤其在干濕交替環(huán)境下更容易產(chǎn)生。

2.6 混凝土內(nèi)部堿-骨料反應(yīng)造成裂縫

混凝土原材水泥中含有大量堿性物質(zhì)，當(dāng)其與粗細骨料中SiO發(fā)生反應(yīng)時，形成白色膠體沉淀，使混凝土內(nèi)部形成裂縫。

3 混凝土裂縫預(yù)防措施

混凝土產(chǎn)生裂縫的原因較多，通常從設(shè)計、材料及施工三個方面進行預(yù)防。

3.1 設(shè)計方面避免裂縫措施

①合理設(shè)置后澆帶

后澆帶的設(shè)置為混凝土自身的熱脹冷縮提供了一定條件，滿足了混凝土伸縮需求；且后澆帶強度通常高于兩測混凝土強度等級，摻入微膨纖維等，可有效減少裂縫產(chǎn)生。

②設(shè)置溫度鋼筋

由于混凝土自身抗拉強度較差，在集中應(yīng)力部位增加補強鋼筋，可以彌補混凝土自身受拉應(yīng)力影響，進而減少裂縫產(chǎn)生。

③摻入膨脹劑

膨脹劑可以減少混凝土干縮應(yīng)變，其產(chǎn)生的氣泡可以增加拌合水與骨料間粘結(jié)性，減少塑性收縮裂縫。

④摻入抗裂纖維

抗裂纖維的使用可以增加混凝土自身韌性，在拌合過程中加入有效的抗裂纖維，可以有效減少裂縫產(chǎn)生。

3.2 材料方面避免裂縫措施

①合理選用細骨料

現(xiàn)階段由于河砂開采受限，多采用機制砂替代河砂，河砂與機制砂在材料性能方面存在一定差異性，同時與粗骨料、水泥砂漿之間的結(jié)合性能存在一定差異，故在細骨料的選用上應(yīng)適當(dāng)選擇，避免產(chǎn)生混凝土裂縫。

②采用抗拉性能較好水泥

混凝土拌合時應(yīng)對水泥用量、單位體積用水量嚴格控制，減小混凝土的坍落度，以防止因水分不足產(chǎn)生的干縮裂縫。

3.3 施工方面避免裂縫措施

①分段施工

跳倉法施工可以有效使混凝土自身伸縮變形得到釋放，避免大體積混凝土澆筑，可以有效減少裂縫產(chǎn)生。

②分層澆筑

對于大體積混凝土或板厚過高結(jié)構(gòu)應(yīng)采用分層澆筑，使混凝土內(nèi)部水化熱可以釋放，減少裂縫產(chǎn)生。

4 混凝土裂縫的治理措施

若混凝土裂縫已經(jīng)產(chǎn)生，應(yīng)組織建設(shè)單位、勘察單位、設(shè)計單位、監(jiān)理單位及施工單位進入現(xiàn)場進行裂縫性質(zhì)的鑒定，并分析裂縫產(chǎn)生原因，根據(jù)裂縫產(chǎn)生的原因，制定合理有效處理措施。常用的處理措施如下。

4.1 表面處理法

針對裂縫寬度較細小的表層裂縫，使用乳液型或溶劑型聚合物涂覆材料進行修補，此方法適用于裂縫寬度小于0.2mm的細微裂縫，在施工前，應(yīng)將裂縫處基層清理到位，無明顯雜質(zhì)，使用毛刷進行反復(fù)清理，使用拌合完成的滲透性防水劑或者聚合物水泥膏進行表面涂刷，裂縫的端部尤其需要反復(fù)涂抹，保證處理效果。該種方法處理裂縫成本較低，應(yīng)避免在低溫環(huán)境下（10℃以下）施工，滲透性防水劑或者聚合物水泥砂漿耐水性能較好，無毒且不燃，粘結(jié)力較好，缺點是該法從表面進行修補，對裂縫內(nèi)部的空隙未作處理，不能有效抵抗裂縫發(fā)展。

4.2 壓力注漿法

壓力注漿采用化學(xué)灌漿材料，如環(huán)氧樹脂、甲基丙烯酸酯、聚氨酯等，將上述材料注入混凝土裂縫內(nèi)部，灌漿材料凝結(jié)后與混凝土膠結(jié)并形成整體，共同受力抵抗荷載，并起到明顯防水效果。

4.3 嵌縫填堵法

此法適用于裂縫寬度＞0.5mm裂縫，通常沿裂縫縱向方向切槽，將裂縫處處理呈“V”型凹槽，并將聚氯乙烯膠泥、環(huán)氧樹脂或聚合物水泥膏填縫處理，補強裂縫處混凝土耐水性及防滲性能。

4.4 碳纖維補強法

適用于混凝土裂縫寬度＞0.5mm裂縫。此法使用結(jié)構(gòu)膠或其他膠合材料將碳纖維粘貼在裂縫處進行處理，因碳纖維的抗拉強度較高，涂覆在混凝土裂縫表面與混凝土自身共同受力時，不易被撕裂或破壞。因碳纖維補強法只是對混凝土表面進行修復(fù)，未從裂縫內(nèi)部進行處理，故此法通常與壓力注漿法結(jié)合使用，進一步增強對裂縫的修補，增加混凝土結(jié)構(gòu)面的抗?jié)B性能。

5 混凝土外加劑對性能影響試驗

混凝土減縮劑的發(fā)展，從單一組分的減縮劑到多組分的減縮劑，從單一減縮效果到多功能多效用的減縮劑，混凝土減縮劑的發(fā)展從單一減縮作用，到具有保水阻銹等功能，減縮劑的發(fā)展一直處于研究之中。本試驗采用幾種制備常用減縮劑的組分進行試驗，欲制備一種具有多功能多官能團減縮劑。

試驗所用材料為P·O42.5級水泥、混凝土配制標準砂、聚亞烷基二醇單烷基醚、多元醇、聚丙烯酰胺、膨潤土、聚丙烯、馬來酸酐雙酯及水溶性有機高分子阻銹劑，控制水灰比為1：3，利用上述材料制備三種具有減縮作用的減縮劑，命名依次為SRAⅠ型、SRAⅡ型及SRAⅢ型，其中SRAⅠ型為聚亞烷基二醇單烷基醚、多元醇混合制備，SRAⅡ型為聚丙烯酰胺、膨潤土混合制備，SRAⅢ型為聚丙烯、馬來酸酐雙酯及水溶性有機高分子阻銹劑混合制備。

減縮劑的組分多為表面活性物質(zhì)，具有引氣、減水、減少混凝土干縮及阻銹等功能，其中部分減縮劑組分可能會對混凝土抗壓強度產(chǎn)生影響，本試驗三種減縮劑摻量均為水泥用量1.7%，并進行三組試塊的干縮應(yīng)變試驗、減水率測定試驗、抗壓強度試驗。

按照上述要求制備四組立方體砂漿試塊，每組3塊，規(guī)格均為混凝土試塊標準尺寸（150mm×150mm×150mm）。其中三組中摻入SRAⅠ型、SRAⅡ型及SRAⅢ型減縮劑，其中一組為對照組。四組試塊經(jīng)標準養(yǎng)護（溫度20±2℃，相對濕度95%以上）后24h后拆模，測定其干縮應(yīng)變及強度值。

圖1 干縮應(yīng)變及強度隨時間變化

圖2 干縮應(yīng)變測定過程

試驗結(jié)果表明，SRAⅠ型、SRAⅡ型及SRAⅢ型減縮劑對混凝土具有一定的減縮效果，同時又對混凝土的抗壓強度及抗折強度具有一定影響，其中，SRAⅠ型對混凝土強度影響較大，3d抗壓強度僅達到 10.5Mpa，28d抗壓強度達到39.1Mpa；SRAⅡ型對混凝土強度影響較小，對比對照組，3d抗壓強度為17.7Mpa，28d抗壓強度達到35.9Mpa；在混凝土減縮程度上，SRAⅢ型3d減縮率為 50.3%，SRAⅡ型 3d減縮率為44.3%，SRAⅠ型3d減縮率為28.6%，其中SRAⅢ型對混凝土減縮效果較好，同時保證了混凝土的強度增長。SRAⅢ型首先在強堿性的環(huán)境中，其含有的聚丙烯組分大幅降低砂漿中水的表面張力，從而減小混凝土中毛細孔失水時產(chǎn)生的收縮應(yīng)力；其次是馬來酸酐雙酯提高了混凝土孔隙水黏度，增強了水在凝聚體中的吸附作用，減小混凝土收縮值；再者水溶性有機高分子阻銹劑可以有效提高混凝土的耐久性及其適用性。

6 結(jié)語

綜上，針對現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)出現(xiàn)的混凝土裂縫，應(yīng)遵循以下處理步驟。第一，施工之前，應(yīng)做好混凝土裂縫預(yù)防措施，采取有效合理的施工方法，提高混凝土工程施工質(zhì)量，亦可通過對混凝土原料中加入抗裂纖維、膨脹劑等減少裂縫發(fā)展趨勢。第二，當(dāng)出現(xiàn)裂縫，應(yīng)對混凝土裂縫做好定性分析，做好現(xiàn)場統(tǒng)計工作。第三，對已出現(xiàn)混凝土裂縫，應(yīng)采取合理有效的處理措施，如壓力注漿、碳纖維補強及嵌縫填堵，或是綜合方法處理，避免裂縫進一步發(fā)展，對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不利影響。第四，現(xiàn)階段，混凝土原材由于材料開采受限，可通過改善外加劑種類及其配比減少混凝土自身干縮應(yīng)變，通過利用聚丙烯、馬來酸酐雙酯及水溶性有機高分子阻銹劑混合制備的SRAⅢ型減縮劑對混凝土減縮具有良好效果。