論混凝土裂縫產生的原因及處理方法

仇黨見 胡鵬 文志遙 王玉東 苗福海

中國建筑第四工程局有限公司，中國·廣東 廣州 510000

1 引言

大體積混凝土結構中，由于結構截面大，水泥用量多，水泥水化所釋放的水化熱會產生較大的溫度變化和收縮作用，由此形成的溫度收縮應力是導致鋼筋混凝土產生裂縫的主要原因。這種裂縫有表面裂縫和貫通裂縫兩種。

①表面裂縫是由于混凝土表面和內部的散熱條件不同，溫度外低內高，形成了溫度梯度，使混凝土內部產生壓應力，表面產生拉應力，表面的拉應力超過混凝土抗拉強度而引起的。

②貫通裂縫是由于大體積混凝土在強度發展到一定程度，混凝土逐漸降溫，這個降溫差引起的變形加上混凝土失水引起的體積收縮變形，受到地基和其他結構邊界條件的約束時引起的拉應力，超過混凝土抗拉強度時所可能產生的貫通整個截面的裂縫。這兩種裂縫不同程度上，都屬有害裂縫。

論文就混凝土裂縫產生的原因進行剖析，并對不同原因產生的裂縫使用不同的措施進行處理，達到加固補強，延長結構的使用壽命。

2 裂縫產生的原因分析

由于混凝土早期收縮較大，其中原因主要有約30%～60%礦物細摻合料替代水泥，約1%～2%高效減水劑摻量和水膠比約為0.25～0.40；這些因素改善了混凝土的微觀結構，給混凝土帶來許多優良特性的同時，但其負面效應最突出的是混凝土收縮裂縫幾率增多。混凝土的收縮，主要是干燥收縮、溫度收縮、塑性收縮、化學收縮和自收縮。

混凝土出現裂紋的時間可以作為判斷裂紋原因的參考：塑性收縮裂紋大約在澆筑后幾小時到十幾小時出現；溫度收縮裂紋大約在澆筑后2～10d 出現；自收縮主要發生在混凝土凝結硬化后的幾天到幾十天；干燥收縮裂紋出現在接近1年齡期內[1]。

從裂縫產生的不同時間段，可將發生原因分為內在因素、外部環境、施工過程等因素。

3 內在因素產生的裂縫

混凝土收縮裂縫的特點是大部分屬表面裂縫，裂縫寬度較細，且縱橫交錯，成龜裂狀，形狀沒有任何規律。在實際工程中，混凝土因收縮所引起的裂縫是最常見的。

3.1 塑性收縮

發生在施工過程中、混凝土澆筑后4～5h 左右，此時水泥水化反應激烈，分子鏈逐漸形成，出現泌水和水分急劇蒸發，混凝土失水收縮，同時骨料因自重下沉，因此時混凝土尚未硬化，稱為塑性收縮。為減小混凝土塑性收縮，施工時應控制水灰比，避免過長時間的攪拌，下料不宜太快，振搗要密實，豎向變截面處宜分層澆筑。

3.2 縮水收縮（干縮）

混凝土結硬以后，隨著表層水分逐步蒸發，濕度逐步降低，混凝土體積減小，稱為縮水收縮（干縮）。混凝土硬化后收縮主要就是縮水收縮。例如，配筋率較大的構件（超過3%），鋼筋對混凝土收縮的約束比較明顯，混凝土表面容易出現龜裂裂紋。

3.3 自生收縮

自生收縮是混凝土在硬化過程中，水泥與水發生水化反應，這種收縮與外界濕度無關，且可以是正的（即收縮，如普通硅酸鹽水泥混凝土），也可以是負的（即膨脹，如礦渣水泥混凝土與粉煤灰水泥混凝土）。

3.4 炭化收縮

大氣中的二氧化碳與水泥的水化物發生化學反應引起的收縮變形。炭化收縮只有在濕度50%左右才能發生，且隨二氧化碳的濃度的增加而加快。炭化收縮一般不做計算。

4 外部環境引起的裂縫

混凝土具有熱脹冷縮性質，當外部環境或結構內部溫度發生變化，混凝土將發生變形，若變形遭到約束，則在結構內將產生應力，當應力超過混凝土抗拉強度時即產生溫度裂縫。

4.1 地基礎變形引起的裂縫

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，超出混凝土結構的抗拉能力，導致結構開裂。

4.2 鋼筋銹蝕引起的裂縫

由于混凝土質量較差或保護層厚度不足，混凝土保護層受二氧化碳侵蝕炭化至鋼筋表面，使鋼筋周圍混凝土堿度降低，或由于氯化物介入，鋼筋周圍氯離子含量較高，均可引起鋼筋表面氧化膜破壞，鋼筋中鐵離子與侵入到混凝土中的氧氣和水分發生銹蝕反應，其銹蝕物氫氧化鐵體積比原來增長約2～4 倍，從而對周圍混凝土產生膨脹應力，導致保護層混凝土開裂、剝離，沿鋼筋縱向產生裂縫，并有銹跡滲到混凝土表面。由于銹蝕，使得鋼筋有效斷面面積減小，鋼筋與混凝土握裹力削弱，結構承載力下降，并將誘發其他形式的裂縫，加劇鋼筋銹蝕，導致結構破壞[2]。

要防止鋼筋銹蝕，設計時應根據規范要求控制裂縫寬度、采用足夠的保護層厚度（當然保護層亦不能太厚，否則構件有效高度減小，受力時將加大裂縫寬度）；施工時應控制混凝土的水灰比，加強振搗，保證混凝土的密實性，防止氧氣侵入，同時嚴格控制含氯鹽的外加劑用量，沿海地區或其他存在腐蝕性強的空氣、地下水地區尤其應慎重。

4.3 凍脹引起的裂縫

大氣氣溫低于零度時，吸水飽和的混凝土出現冰凍，游離的水轉變成冰，體積膨脹9%，因而混凝土產生膨脹應力；同時混凝土凝膠孔中的過冷水在微觀結構中遷移和重分布引起滲透壓，使混凝土中膨脹力加大，混凝土強度降低，并導致裂縫出現。

4.4 施工材料質量引起的裂縫

混凝土主要由水泥、砂、骨料、拌和水及外加劑組成。配置混凝土所采用材料質量不合格，可能導致結構出現裂縫。

5 施工過程引起的裂縫

5.1 施工中的荷載

混凝土在常規靜、動荷載及次應力下產生的裂縫稱荷載裂縫，荷載裂縫特征依荷載不同而異呈現不同的特點。這類裂縫多出現在受拉區、受剪區或振動嚴重部位。但必須指出，如果受壓區出現起皮或有沿受壓方向的短裂縫，往往是結構達到承載力極限的標志，是結構破壞的前兆，其原因往往是截面尺寸偏小。

5.2 施工工藝質量引起的裂縫

在混凝土結構澆筑、構件制作、起模、運輸、堆放、拼裝及吊裝過程中，若施工工藝不合理、施工質量低劣，容易產生縱向的、橫向的、斜向的、豎向的、水平的、表面的、深進的和貫穿的各種裂縫，特別是細長薄壁結構更容易出現。裂縫出現的部位和走向、裂縫寬度因產生的原因而異

6 裂縫有害、無害裂縫判別標準

原則上和安全有關的鋼筋混凝土不允許出現裂縫，但是由于各種原因不可避免的產生各種裂縫，為了明確當混凝土出現裂縫時如何判別其是否有害、無害？控制標準可以參考表1。

表1 控制標準

7 混凝土裂縫的處理方法

7.1 表面修復

常用的方法有壓實抹平，涂抹環氧粘結劑，噴涂水泥砂漿或細石混凝土，壓抹環氧膠泥，環氧樹脂粘貼下班絲布，增加整體面層，鋼錨栓縫合等。表面涂抹和表面貼補法表面涂抹適用范圍是漿材難以灌入的細而淺的裂縫，深度未達到鋼筋表面的發絲裂縫，不漏水的縫，不伸縮的裂縫以及不再活動的裂縫

7.2 局部修復法

常用的方法有充填法、預應力法，部分鑿除重新澆筑混凝土等。用修補材料直接填充裂縫，一般用來修補較寬的裂縫，作業簡單，費用低。

7.3 減少結構內力

常用的方法有卸荷或控制荷載，設置卸荷結構，增設支點或支撐。改簡支梁為連續梁等。

7.4 結構補強

常用的方法有增加鋼筋，加厚板，外包鋼筋混凝土，外包鋼，粘貼鋼板，預應力補強體系等。因超荷載產生的裂縫、裂縫長時間不處理導致的混凝土耐久性降低、火災造成的裂縫等影響結構強度可采取結構補強法。包括斷面補強法、錨固補強法、預應力法等混凝土裂縫處理效果的檢查包括修補材料試驗；鉆心取樣試驗[3]；壓水試驗；壓氣試驗等。

7.5 混凝土置換法

混凝土置換法是處理嚴重損壞混凝土的一種有效方法，此方法是先將損壞的混凝土剔除，然后再置換入新的混凝土或其他材料。常用的置換材料有：普通混凝土或水泥砂漿、聚合物或改性聚合物混凝土或砂漿。

7.6 電化學防護法

電化學防腐是利用施加電場在介質中的電化學作用，改變混凝土或鋼筋混凝土所處的環境狀態，鈍化鋼筋，以達到防腐的目的。陰極防護法、氯鹽提取法、堿性復原法是化學防護法中常用而有效的三種方法。這種方法的優點是防護方法受環境因素的影響較小，適用鋼筋、混凝土的長期防腐，既可用于已裂結構也可用于新建結構。

7.7 灌漿法

灌漿法分為水泥灌漿和化學灌漿法，主要施工工藝主要有：

①鉆孔：采用風鉆鉆孔，孔深應穿過裂縫面0.5m 以上，當鉆孔有兩排或兩排以上時，宜交叉或呈梅花形布置。

②沖洗：鉆孔完畢后，應用水沖洗，按豎向排列自上而下逐孔進行。

③密封：縫面沖洗凈后，在裂縫表面用1 ∶1～2 水泥砂漿或環氧膠泥涂抹。

④埋管：一般用?19-38 的鋼管作灌漿管，安裝前在鋼管外壁用生膠帶纏緊，然后旋入孔中，孔中管壁周圍的空隙用水泥砂漿或硫磺砂漿封堵，以防冒漿或灌漿管沖孔中脫出。

⑤試壓：用0.1～0.2MPa 壓力水作滲水試驗，采取灌漿孔壓水，排水孔排水的方法檢查裂縫和管路暢通情況，然后關閉排氣孔檢查止漿堵漏效果，并濕潤縫面，以利粘結。

⑥灌漿：合格的經設計批準使用的填縫用注射性水泥，水泥凈將水灰比為0.4，灌漿壓力0.3～0.5MPa。在整條裂縫處理完畢后，孔內應充滿凈漿，并填入凈砂用棒搗實。

7.8 仿生自愈合法

仿生自愈合法是一種新的裂縫處理方法，它模仿生物組織對受創傷部位自動分泌某種物質，而使創傷部位得到愈合的機能，在混凝土的傳統組分中加入某些特殊組分（如含黏結劑的液芯纖維或膠囊），在混凝土內部形成智能型仿生自愈合神經網絡系統，當混凝土出現裂縫時分泌出部分液芯纖維可使裂縫重新愈合。

8 結語

裂縫是混凝土結構中普遍存在的一種現象，它的出現不僅會降低建筑物的抗滲能力，影響建筑物的使用功能，而且會引起鋼筋的銹蝕，混凝土的碳化，降低材料的耐久性，影響建筑物的承載能力，因此嚴格按規程、規范要求施工，嚴把質量關，防患于未來，盡可能地降低混凝土裂縫的出現；對混凝土裂縫進行認真區別對待，采用合理的方法進行處理，并在施工中采取各種有效的預防措施來預防裂縫的出現和發展，保證建筑物和構件安全、穩定地工作。