鋼筋混凝土結構裂縫的成因及控制研究

毛文發

（福建炬鑫建設工程有限公司，福建 福州 350001）

鋼筋混凝土結構憑借可塑性、整體性較強的優勢，廣泛應用于建筑工程領域，但是，其也存在缺點，即裂縫通病。若出現裂縫且未及時處理，將嚴重影響建筑結構的安全穩固性。在注重工程質量的當下，分析建筑工程鋼筋混凝土結構裂縫的成因與控制措施確屬必要。

1 工程概況

本次工程為寧德市獅城鎮尚品·云山名城（三期）7#～10#樓、地下室、2#～4#配電房工程，整體結構為鋼筋混凝土結構，地下室1 層，地上27 層，抗震等級7 級以上，總建筑面積65 800m2。尚品·云山名城（三期）建設規模大，整體造價較高。

2 鋼筋混凝土結構裂縫成因

2.1 設計因素

不合理的結構設計帶可能導致以下裂縫：

（1）扭矩與剪力作用下產生的裂縫。當建筑結構承受較大荷載時，可能導致結構產生某一方向上的裂縫。

（2）地基沉降產生的結構裂縫。若結構設計缺乏地基強度的考量，一旦地基出現沉降現象，會導致結構出現由下向上延伸的裂縫，集中于結構剛度薄弱區域，進而影響鋼筋混凝土結構的完整性。

本工程樓建項目較多，建筑平面存在較多轉角，在應力集中的情況下容易形成薄弱部位，此類部位是結構裂縫出現的高發區域，且整體較為隱蔽，不易被發現，因此，設計因素在鋼筋混凝土結構裂縫中的影響力更大。

2.2 材料因素

混凝土材料的優點是易塑性、經濟性、安全性較高，缺點是自重大、延展性差、抗拉強度低等。材料因素是引發結構裂縫的主要因素，具體體現在以下幾個方面：

（1）水泥質量參數不達標，集料粒徑過細，整體含泥量超出標準水平等。

（2）骨料內含有導致結構再生的有害物質，使整體結構體積發生變化。

（3）由于混凝土性能不穩定，容易出現離析分層等現象。

2.3 溫度因素

鋼筋混凝土結構的溫度裂縫是指內約束裂縫和外約束裂縫，形成原因是內外溫差。其中，內約束裂縫主要是因為混凝土內外溫差較大，形成裂縫，尤其在冬季，鋼筋混凝土表面溫度降低，極易在結構30mm 深度處產生裂縫，但對整體結構不會產生較大影響；外約束裂縫同樣由降溫導致，但主要因平均降溫參數過大導致。在房屋建筑工程的大體積混凝土澆灌作業完成后，結構需經過一段時間的硬化，這一階段水泥將放出較多的水化熱，鋼筋混凝土結構內部溫度提高，散熱緩慢，隨著與外界環境溫差的逐漸加大，出現拉應力，待其冷卻降溫時，在荷載等其他力的影響下，拉應力可能會大于結構抗拉強度，進而出現裂縫。

2.4 施工及養護因素

由施工不當引發的鋼筋混凝土裂縫也較為常見，本工程建設規模較大，在澆筑、制作、拆模、運輸、吊裝等過程中，過厚的保護層、已綁扎的上層鋼筋質量損傷等，極易造成垂直于受力鋼筋的裂縫；或是混凝土振搗不密實、鋼筋銹蝕、后期養護不到位等，均會導致結構表面出現收縮裂縫。

3 鋼筋混凝土結構裂縫控制措施

3.1 完善結構設計

為有效降低設計因素對鋼筋混凝土結構裂縫的影響，可從以下幾個方面入手：

（1）做好荷載分析。圍繞房屋建筑結構中的剛度要求，明確荷載水平，控制結構承重性能與荷載之間的偏差。

（2）增加沉降縫設計。工程所在的寧德市為亞熱帶季風氣候，可通過沉降縫設計避免裂縫的形成與擴大。在開展房屋主體結構設計時，應綜合考量周圍環境，合理預測可能出現裂縫的范圍，從而根據應力大小的限制，控制裂縫的影響范圍。以本工程中的剪力墻連梁為例，運用SAP2000 有限元分析軟件進行分析，取得主應力軌跡，通過軟件分析與計算結果得知，存在一條斜向拉應力貫穿連梁。主應力跡線如圖1 所示。兩端應力較大，極易于連梁與墻肢交界處產生裂縫。為此，設計單位在鋼筋混凝土結構設計中合理增加了沉降縫設計，在遵從環境因素、簡化設計原則的基礎上，針對裂縫的高發區域落實完整的結構設計，并采取構造措施，減小應力影響，同時，科學設計地基處理方案，有效提升地基各項性能，將沉降量控制在合理范圍內，有效減少結構裂縫的形成，細小裂縫的延伸空間也十分有限。

圖1 主應力跡線

3.2 結構施工材料控制

為減少結構裂縫，可加大材料控制力度，具體如下：

（1）優選混凝土級配，確保其具有良好的抗拉性能。

（2）盡可能降低水灰比，減少坍落度，適當加大骨料粒徑，雜質含量與含泥量均要控制在合理范圍內。

（3）立足于工程實際需求選擇水化熱反應較小且能夠有效影響收縮的摻合料與外加劑。

（4）科學規劃材料運輸路線，盡量選擇路況平緩、運輸距離較短的路線，抵達施工現場后做好質量抽檢、妥善分類存儲等工作。

不同品種的水泥具有不同的水化熱反應與收縮量，當其強度等級、活性較高時，其收縮量也較高，收縮周期較長，因此，該工程中幾乎沒有投入早強、高強水泥，選用的是具有低水化熱特性的水泥。同時，分析了砂、石等材料的泥、粉等雜質含量，為降低出現結構裂縫的概率，需對此類雜質進行檢查。水灰比與收縮量呈正比關系，與抗拉強度呈反比關系，以0.6 與0.4 的水灰比為例，前者收縮比后者增加40%；以0.2 與0.4 的水泥漿量為例，前者比后者的收縮量增加45%左右，因此，可以適當加入粉煤灰等減水劑，利用其火山灰效應和潤滑效應提升泵送混凝土的和易性，減少其收縮量。具體配合比見表1。

表1 混凝土配合比

3.3 基于應力計算控制溫度要素

本工程主要分析混凝土澆筑溫度、散熱溫度及水泥水化熱反應的溫升，其中，水泥水化熱作為結構內外溫差較大的主要因素，在結構初期升溫階段占中心溫度的65%～70%，尤其是環境溫度在15℃以上、20℃以下的情況下。此外，由此引發的溫升主要集中于齡期2～5d，因此，采用的溫度應力計算公式為：

其中，混凝土溫度應力為δ，單位為N/cm2；計算齡期的彈性模量為E（t），單位為N/cm2；混凝土齡期為t，單位為d；松弛系數為S（t），不同齡期的情況下，松弛系數存在差異；水化熱、收縮量溫差與氣溫差的代數和為T（t）；外約束系數為R，巖石地基的情況下，系數為1，可滑動墊層的系數為0，一般地基系數在0.25～0.50 之間；泊松比為v，數值范圍為0.15～0.20。松弛系數見表2。

表2 混凝土松弛系數

在掌握溫度應力且科學控制結構施工材料后，應采取措施控制澆筑溫度和內表溫差。

（1）澆筑溫度控制。本工程的控制重點集中在原材料溫度與氣溫方面，立足于溫度應力的計算及外部環境的分析，有效將作業階段的溫差控制在20℃～25℃之間。12℃～20℃的室外環境，澆筑溫度應不大于20℃。

（2）在控制混凝土內表溫差時，應結合實際的外界溫度環境，提高對鋼筋混凝土結構后期降溫的重視程度，做好保溫工作，避免結構出現深層裂縫。

（3）在水泥水化熱階段，由于鋼筋混凝土結構散熱緩慢，上升或下降10℃時，混凝土會產生0.01%的線膨脹或收縮，因此，為避免出現溫差收縮裂縫，本工程提前埋設了冷卻水管，以循環控制澆筑后的混凝土中心溫度，降低水泥水化熱對中心溫度的影響。實際控制中，選用規格半徑在35～40cm 之間、材質為鍍鋅的水管，將其埋設在側墻，以實現混凝土溫度控制。為更好地掌握實時溫度，可于不同部位埋設測溫孔，實時控制、改善初期階段結構內部升溫較快的問題，將溫度從55℃降至45℃。這一舉措有助于縮短溫度變化周期，再次對循環水溫進行調整，有效實現預期目標，即3℃/d 的結構內部降溫速度與不高于15℃的內部溫差。

3.4 做好施工控制及結構養護工作

3.4.1 施工控制

首先，開展澆筑作業時，提前檢查混凝土質量，采用均勻力度振搗混凝土，施工現場嚴禁鋼筋踩踏與隨意拉扯，控制板面負筋保護層厚度，于支座梁鋼筋上放置現澆板負筋，并合理綁扎梁筋，做好負筋固定工作，避免支座下沉產生裂縫。其次，由于預埋線管周圍是結構裂縫出現的高發部位，因此，要在施工期間做好裂縫防治工作，本工程中，通過增設抗裂短鋼筋的方式進行加強。最后，針對模板使用不當產生的裂縫，應及時采取控制措施。

①檢查變形構件的質量，若是梁、板局部彎曲變形值在20mm 以下，抹灰階段糾正其外觀即可，如EC2000 聚合物抗裂砂漿等。

②針對出現的裂縫，應及時開展灌補修復工作，如灌注樹脂膠、碳纖維浸漬膠等。若裂縫在0.2mm 以下，且彎曲變形小于跨度長的1‰時，采取化學灌漿修復等技術；若裂縫寬度在0.3mm以上，則要立刻采用化學灌漿補強修復技術，以保證結構安全穩固性。

3.4.2 養護控制

本工程采用多種養護方法，具體為：灑水、覆蓋毛氈、塑料薄膜鋪設、保溫養護等方式，控制結構內部溫度與水分流失，以降低出現結構收縮裂縫的概率。尤其是保溫隔熱法，為縮小內外溫度差異，減少其水分蒸發量，采用保溫材料和定時噴熱法對結構表面進行處理。

根據實際情況對結構表面、預埋管線附近、結構內部進行施工效果檢查，表面存在3 處正常的收縮裂縫，其余區域均未出現裂縫、裂紋，未出現滲漏現象。由于結構裂縫施工控制措施得力，鋼筋混凝土結構施工質量達到規范要求，驗收一次合格。

4 結語

綜上所述，結構裂縫的成因多種多樣，涉及濕度、溫度、荷載等，因此，為有效控制鋼筋混凝土結構裂縫，保證其整體安全穩固性，應做好前期結構設計工作，優化拐角等部分的結構設計，同時，全面實施溫差控制、施工控制及養護控制等措施，以降低發生結構裂縫的概率，保證工程質量。