鋼筋混凝土結構的裂縫探討

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摘要：鋼筋混凝土的裂縫控制問題是建筑工程中很重要的問題之一，特別是最近20年來，泵送商品混凝土獲得廣泛應用之后，混凝土均質性有了很大改善的同時，裂縫控制技術難度大大增加了，本文是在大量建設實踐和現(xiàn)場實驗研究基礎上，概述了變形作用引起裂縫的原因，約束變形特征，抗與放的設計準則以及綜合技術措施等。國際公認泵送商品混凝土對混凝土的質量(均質性)有很大的提高，對供應方式有重要的改進，但是對混凝土的裂縫控制的難度大大增加了，因此，這類問題不是我國特有的技術問題，是國際上鋼筋混凝土的共性難題。合理的配筋，特別是構造配筋，細一點密一點可以提高混凝土的極限拉伸，推薦齊斯克列里經(jīng)驗公式。 這是瞬時荷載作用下的公式，如果極慢速約束變形作 用考慮徐變作用，至少可以增加一倍。 

關鍵詞：鋼筋混凝土；裂縫；預防；補救 前  言 在實際工程中，鋼筋混凝土結構出現(xiàn)裂縫是一種非常普遍的現(xiàn)象，這不僅對構筑物外觀產生較大影響, 同時對構筑物的使用功能和耐久性產生影響, 嚴重時對構筑物的安全性構成威脅, 甚至于完全喪失其使用功能。近年來大量裂縫的出現(xiàn)，并非與荷載作用有直接關系，通過大量的調查與實測研究證明這種裂縫是由于變形作用引起，包括溫度變形(水泥的水化熱、氣溫變化、環(huán)境生產熱)，收縮變形(塑性收縮、干燥收縮、碳化收縮)及地基不均勻沉降(膨脹)變形。由于這些變形受到約束引起的應力超過混凝土的抗拉強度導致裂縫，統(tǒng)稱“變形作用引起的裂縫”。目前，裂縫問題引起了人們的廣泛關注。 因此, 探討鋼筋混凝土結構裂縫的產生原因和預防措施及其補救措施是很有必要的。 一、鋼筋混凝土產生裂縫的原因 引起裂縫的原因是多方面的,例如外荷載的作用、濕度、溫度的變化、基礎不均勻沉降、混凝土的收縮徐變,構件的配筋不合理以及施工方法不當?shù)鹊榷加锌赡芤鸹炷翗嫾拈_裂，下面就工程中比較常見的裂縫進行闡述。 （一） 塑性收縮裂縫 塑性裂縫出現(xiàn)在結構表面，形狀不規(guī)則且長短不一，這種裂縫大多出現(xiàn)在混凝土澆筑初期。塑性裂縫又稱龜裂，嚴格說來屬于干縮裂縫，出現(xiàn)很普遍。產生這種裂縫的因素是多方面的：如當新拌混凝土的坍落度較大，而振動時間過長時，水泥漿浮在上層，骨料下沉時受到鋼筋或其他物質的約束，出現(xiàn)不均勻沉降，從而使混凝土的表層產生裂縫；澆筑后混凝土表面沒有及時覆蓋，受風吹日曬，表面水分蒸發(fā)過快，產生急劇收縮，而此時混凝土早期強度不能抵抗這種變形應力，因而開裂；使用收縮率較大的水泥，水泥用量過多，或使用過量的細砂和粉砂混凝土水灰比過大，也會導致這種裂縫出現(xiàn)。 （二）混凝土干縮引起的裂縫 在混凝土硬化過程中，產生內部干縮而引起體積變化，當這種體積變化受到約束時，就可能產生干縮裂縫。干縮裂縫處在結構的表面，較細，其走向縱橫交錯，沒有規(guī)律性。這類裂縫一般在混凝土露天養(yǎng)護完畢一段時間后，在表層或側面出現(xiàn)，并隨濕度和溫度變化而逐漸發(fā)展?；炷潦┕すに嚠a生了巨大的進步—泵送商品混凝土工藝。從過去的干硬性，低動性，現(xiàn)場攪拌混凝土轉向集中攪拌，轉向大流動性泵送澆注，水泥用量增加，水灰比增加，砂率增加，骨料粒徑減小，用水量增加等導致收縮及水化熱增加。如混凝土成型后，因養(yǎng)護不當，受到風吹日曬，使得表面水散發(fā)快，體積收縮大，而內部濕度變化很小，收縮也小，因而表面的收縮變形受到內部混凝土的約束，產生拉應力，引起混凝土表面裂縫；或者構件因水分蒸發(fā)產生體積收縮，受到地基或墊層的約束而出現(xiàn)干縮裂縫。此外，混凝土構件長期露天堆放，表面濕度經(jīng)常發(fā)生劇烈變化；采用含泥量大的粉砂配制混凝土；混凝土過度振搗，表面形成水泥含量較多的砂漿層；用后張法預應力制成的構件，露天生產后長久不張拉等等，都會產生這種裂縫。 （三）溫度變化引起的裂縫 混凝土具有熱脹冷縮的性質，當環(huán)境溫度發(fā)生變化時就會產生溫度變形，由此產生附加應力，當這種應力超過混凝土的抗拉強度時就會產生裂縫，在工程中，這類裂縫比較常見，譬如現(xiàn)澆屋面板上的裂縫、大體積混凝土的裂縫。溫度裂縫大多發(fā)生在施工的中后期間，縫寬受溫度變化影響較明顯。表面溫度裂縫多緣于較大溫差。特別是大體積混凝土基礎在澆灌混凝土后，在硬化期間放出大量水化熱，內部的溫度不斷上升，使混凝土表面和內部溫差很大。當溫差出現(xiàn)非均勻變化時，如施工中過早拆除模板，冬季施工過早拆除保溫層，或受到寒潮襲擊，都會導致混凝土表面急劇的溫度變化，使其因降溫而收縮。此時，表面受到內部混凝土的約束，將產生很大的拉應力，而混凝土早期抗拉強度又很低，因此出現(xiàn)裂縫。但這種溫差僅在表面處較大，離開表面就很快減弱。因此，這種裂縫只在接近表面較淺的范圍內出現(xiàn)。深入和貫穿性的溫度裂縫多緣于結構溫差大。如大體積混凝土凝結和硬化過程中，水泥和水產生化學反應，釋放出大量的熱量，稱為“水化熱”，導致混凝土塊體溫度升高，當混凝土塊體內部的溫度與外部的溫度相差很大，以致所形成的溫度應力或溫度變形超過混凝土當時的抗拉強度或極限拉伸應變，就會形成裂縫。 （四） 結構基礎不均勻沉降引起的裂縫 當結構的基礎沉降不均勻時，結構構件受到強迫變形，導致結構物中構件與構件之間產生斜拉和剪切作用，從而使得結構構件開裂，隨著不均勻沉降的進一步發(fā)展，裂縫會進一步擴大。這類裂縫的大小、形狀、方向取決于地基變形的情況。 由于地基變形造成的應力一般較大，因此裂縫裂縫寬度較大、多呈45°，并且通常是貫穿性的。國內外結構設計中都經(jīng)常忽略構造鋼筋重要性，因而經(jīng)常出現(xiàn)構造性裂縫。結構設計中經(jīng)常忽略結構約束性質，不善于利用“抗與放”的設計原則，缺乏相應的設計施工規(guī)范、規(guī)程。結構規(guī)模日趨增大，結構形式日趨復雜，超長超厚及超靜定結構成為經(jīng)常采用結構形式并采用現(xiàn)澆施工，這種結構形式有顯著約束作用，對于各種變形作用必然引起較大約束應力。  （五）荷載作用引起的裂縫 構件承受不同性質的荷載作用，其裂縫形狀也不同，通常裂縫方向大致是與主拉應力的方向正交。結構受載后產生裂縫的因素很多，在施工中和使用中都可能出現(xiàn)裂縫。建筑結構混凝土強度等級日趨提高，但有許多結構不適當?shù)?選擇了過高的強度等級。習慣上認為：“強度等級越高安全度越大，就高不就低，提高強度等級沒壞處”。有時遷就施工方便，采用高強混凝土，這是一種誤導，導致水泥標號增加，水泥用量增加，水用量增加，細骨料及粗骨料徑偏小，砂率偏大等都使水化熱及收縮增加。例如早期受地震，脫模過早或方法不當，構件堆放、運輸、吊裝時的墊塊或吊點位置不當，施工超載，張拉預應力值過大等均可能產生裂縫。這種裂縫在抗力方面都是由于混凝土抗拉性能不足(抗拉強 度和極限拉伸)引起的，這方面的材料級配研究很少。  （六）外加劑的負效應  　　外加劑及摻合料種類繁多，只有強度指標缺乏對水化熱及收縮變形影響的長期實驗資料(至少一年)，有些試驗資料并不嚴格，有許多外加劑嚴重的增加收縮變形，有的甚至降低耐久性。  （七）　養(yǎng)護方法不當  　　目前在混凝土施工中采用的養(yǎng)護方法基本沿用過去簡易的方法，這種方法已遠不適應泵送混凝土的較大溫度收縮變形的要求。  此外，因設計、材料、施工及使用等原因引起的裂縫，由于涉及的面很廣，內容多，限于篇幅本文不作闡述。 二、預防裂縫產生的措施 從裂縫產生的原因可以看出，混凝土裂縫不僅取決于設計計算、材料的選用、也貫穿于混凝土的施工及使用過程，為了防止和減少混凝土的裂縫，可采取許多適當?shù)募夹g措施。 （一）水泥盡量選用水化熱較低的水泥。骨料盡可能選擇非活性骨料，粗骨料宜選用表面粗糙、質地堅硬、級配良好、空隙率和含砂率小的石料，細骨料宜選用顆粒較粗、空隙較小、含泥量較低的中砂，以提高混凝土抗裂強度。盡量選用低熱或中熱水泥(如礦渣水泥、粉煤灰水泥)，或利用混凝土的后期強度(90d～180d)以降低水泥用量，減少水化熱(因為每加減10kg水泥，溫度會相應增減1℃，水化熱與水泥用量成正比)。在條件許可的情況下，應優(yōu)先選用收縮性小的或具有微膨脹性的水泥。因為這種水泥在水化膨脹期（1～5d）可產生一定的預壓應力，而在水化后期預壓應力可部分抵消溫度徐變應力，減少混凝土內的拉應力，提高混凝土的抗裂能力。 （二）根據(jù)地質條件，選擇合理的基礎類型和結構形式，以防產生不均勻沉降，開挖基槽時需注意不要擾動其原狀結構。 大體積混凝土應采取合理的分層、分塊、分縫措施。如預先設置好必要的伸縮縫、變形縫和沉降縫，以減少溫度裂縫。 （三）配制混凝土時，應根據(jù)混凝土強度等級和質量檢驗以及混凝土和易性的要求確定配合比，嚴格控制水灰比和水泥用量，合理摻加減水劑，從而減小收縮和水化熱及減少混凝土坍落度。 （四）混凝土澆筑時要防止離析現(xiàn)象，加強混凝土的澆灌振搗,提高密實度,有條件可采用兩次振搗技術,改善混凝土強度,提高抗裂性。 （五）加強混凝土早期養(yǎng)護，并適當延長養(yǎng)護時間。人工控制混凝土溫度的措施對早期因熱原因引起的裂縫作用不明顯。比如表面保溫材料保護可以減少內外溫差，但不可避免地招致混凝土體內溫度很高，從受約束而導致貫穿裂縫的角度看，是一個潛在惡化裂縫的條件。因為體內熱量遲早是要散發(fā)掉的。另外人工控制混凝土溫度還需注意的問題是防止過速冷卻和超冷，過速冷卻不僅會使混凝土溫度梯度過大，而且早期的過速超冷會影響水泥——膠體體系的水化程度和早期強度，更易產生早期熱裂縫。超冷會使混凝土溫差過大，引起溫差裂縫澆筑時間盡量安排在夜間，最大限度降低混凝土的初凝溫度。白天施工時要求在沙、石堆場搭設簡易遮陽裝置，或用濕麻袋覆蓋，必要時向骨料噴冷水。混凝土泵送時，可在水平及垂直泵管上加蓋草袋并噴冷水。 （六）應安排合理的拆模時間及順序,嚴格執(zhí)行混凝土結構工程施工及驗收規(guī)范中規(guī)定的混凝土強度和工程設計要求。嚴禁混凝土構件(尤其是懸挑構件) 尚未達到規(guī)定的強度就拆除模板,以防裂縫產生。拆模的順序一般應按照“先支的后拆,后支的先拆,先拆非承重部位,后拆承重部位”的原則。 三、裂縫產生后常見的補救方法 裂縫對鋼筋銹蝕和混凝土碳化、抗凍融，抗疲勞性能及結構承載能力等均有不良影響。因此，應根據(jù)裂縫的性質、大小、結構受力情況和使用情況，區(qū)別對待,及時治理。 （一）表面修補法 適用于對承載力沒有影響的表面裂縫及深進裂縫的處理,亦適用于大面積細裂縫防滲、防漏的處理。 1、表面涂抹水泥砂漿。將裂縫附近的混凝土表面鑿毛,或沿深進裂縫鑿成凹槽,掃除并灑水濕潤,先刷水泥凈漿1層,然后用水泥砂漿涂抹，并用鐵抹壓密抹光。 2、表面涂抹環(huán)氧膠泥。用鋼絲刷、砂紙、毛刷清除干凈并洗凈,油污可用二甲苯或丙酮擦洗一遍,如表面潮濕,應用噴燈烤干燥、預熱,以保證環(huán)氧膠泥與混凝土粘結良好,若基層難以干燥,則用環(huán)氧煤焦油膠泥(涂料) 涂抹。 3、表面涂刷油漆、瀝青。涂刷前,混凝土表面應干燥。 4、表面鑿槽嵌補。沿混凝土裂縫鑿一條V 形或U 形深槽, V 形槽用于一般裂縫的治理,U 形槽用于滲水裂縫的治理。槽內嵌水泥砂漿或環(huán)氧膠泥、聚氯乙烯膠泥、瀝青油膏等,表面作砂漿保護層。 （二） 內部修補法 用壓漿泵將膠結材料壓入裂縫中,由于其凝結、硬化而起到補縫作用,以恢復結構的整體性。這種方法適用于對結構整體性有影響,或有防水、防滲要求的裂縫修補。常用的灌漿材料有水泥和化學材料,可按裂縫的性質、寬度、施工條件等具體情況選用。一般對寬度大于0.5mm的裂縫,可采用水泥灌漿，對寬度小于0.5mm的裂縫,或較大的溫度收縮裂縫,宜采用化學灌漿。 1、水泥灌漿 一般用于大體積混凝土結構的修補,主要施工程序是鉆孔、沖洗、止?jié){、堵漏、埋管、試水、灌漿。 鉆孔孔距一般為1m～1.5m ,鉆孔軸線與裂縫呈30°～40°斜角,孔深應穿過裂縫面0.5m以上,當有兩排或兩排以上的孔時,宜交錯或呈梅花形布置；沖洗在鉆孔完畢后進行,其順序按豎向排列自上而下逐孔沖洗；止?jié){及堵縫是縫面沖洗干凈后,在裂縫表面用水泥砂漿(或環(huán)氧膠泥) 涂抹；埋管安裝前應在外壁裹上舊棉絮并用麻絲纏緊,然后旋入孔中,孔口管壁周圍的孔隙用舊棉絮或其它材料塞緊,并用水泥砂漿或硫酸砂漿封堵，防止冒漿或灌漿管從孔口脫出；試水是用0.098MPa～0.196MPa 壓力水作滲水試驗,采用灌漿孔壓水、排氣孔排水的方法,檢查裂縫和管路暢通情況,然后關閉排氣孔,檢查止?jié){堵漏效果,并濕潤縫面,以利于粘結；灌漿應采用425 號以上的普通水泥,灌漿壓力一般為0.294MPa～0.491 MPa ,壓漿完畢時漿孔內應充滿灰漿,并填入濕凈砂,用棒搗實,每條裂縫應按壓漿順序依次進行,當出現(xiàn)大量滲露情況時,應立即停止泵堵漏,然后繼續(xù)壓漿。 2、化學灌漿 化學灌漿能控制凝結時間,有較高粘結強度和一定的彈性恢復力,結構整體性效果好,適用于各種情況下的裂縫修補及堵漏、防滲處理。灌漿材料應根據(jù)裂縫性質、裂縫寬度和干燥情況選用。常用的灌漿材料有環(huán)氧樹脂漿液(能修補縫寬0.2 mm以下的干燥裂縫) 、甲凝(能灌0.03 mm～0.1mm的干燥細微裂縫) 、丙凝(用于堵水、止漏及滲水裂縫的修補,能灌0.1mm以下的細裂縫)等,環(huán)氧樹脂漿液具有粘結強度高、施工操作方便、成本低等優(yōu)點,應用最廣。 灌漿操作主要工序是表面處理(布置灌漿嘴和試氣) 、灌漿、封孔,一般采取騎縫直接用灌漿嘴施噴,不另設鉆孔。 （三）結構補強加固法 用錨桿、鋼板、鋼筋混凝土等材料對結構作補強加固, 可扼制裂縫進一步發(fā)展, 恢復結構的整體性。 1、錨桿常用水泥砂漿或樹脂灌注, 錨桿與縫面夾角越大越好。漿液凝固后, 錨桿成為結構的一部分, 能增強結構的承載能力。采用預應力錨桿, 錨固作用更明顯, 甚至能使混凝土彌合。 2、鋼板補強法, 是將鋼板用粘合劑粘結在混凝土表面上, 再用錨桿安裝固定。為了結合緊密, 也可先將鋼板固定,再灌漿充填鋼板與混凝土之間的空隙。 3、鋼筋混凝土補強法,是在原結構表面澆筑一層鋼筋混凝土, 起到封閉裂縫, 提高承載力, 阻止裂縫發(fā)展的作用。 結  論 綜上所述，環(huán)境的影響、設計的錯誤、劣質的材料、粗糙的施工是構件產生裂縫的主要原因。在實踐中,應根據(jù)裂縫的不同特點采用不同的治理方法,使裂縫對構件或結構的危害降到最小，以延長構筑物的使用壽命，從而使鋼筋混凝土構筑物能夠安全可靠地運行。 　　   參考文獻 1. 楊建新 探討有關混凝土墻體早期豎向裂縫問題 工程質量2007.08 2. 郭進 高抗裂、高抗?jié)B復合材料在地下室工程中的應用 施工技術 2007.12 3. 李奇遜 大型地下室混凝土長墻裂縫控制技術 施工技術 2007.12 4. 石曉東 加強冬期預拌混凝土生產質量管理 山東建筑與裝飾 2007.12 5. 費英華 建筑結構選型及結構設置 建筑 2008.06 6. 提高施工質量從施工企業(yè)質量管理起步——透視《工程建設施工質量管理規(guī)范》 施工技術 2008.07