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混凝土裂缝原因分析及改进措施

裘　刚

( 南京钢铁股份有限公司中板厂, 江苏 南京　210035)

摘  要: 混凝土的裂缝问题是一个普遍存在的问题, 并且在出现裂缝后难于解决。通过对混凝土结构中形成裂缝的原因进行探讨分析, 提出了一些常见裂缝的预防控制、处理措施。

关键词: 混凝土; 裂缝; 温度; 湿度

引　言

混凝土是一种由砂石骨料、水泥、水以及其他外加材料混合而形成的非均质脆性材料, 它是一种各组分具有不同性质的多相复合材料。由于混凝土施工、本身变形和约束等一系列问题, 硬化成型的混凝土中存在众多的微隙孔、气孔和微裂缝。硬化混凝土中游离水的作用形成的毛细孔、混凝土拌合物中夹带的空气未被完全排除形成的气孔、以及水泥石凝胶固相之间的凝胶孔等使得混凝土存在众多的微隙孔和气孔。而浇筑时由于混凝土的泌水作用引起的沉缩和硬化过程中水泥浆水化造成的化学收缩和物力收缩( 干缩)受到硬骨料的限制, 在不同层次结合界面薄弱处会引起结合破坏, 形成许多随机分布的微裂缝。

微裂缝本身是先天的、无害的, 对混凝土的使用功能不产生危害, 但是在外加荷载、温差等作用之后, 微裂缝就会扩展导致连通, 最终形成肉眼可见的裂缝。

1　混凝土裂缝产生的主要原因

温度变化大, 产生温度胀缩裂缝; 湿度不均匀引起表面干燥收缩, 形成裂缝; 混凝土中掺加外加剂的碱骨料反应, 产生内部应力膨胀开裂; 混凝土表面塑性收缩引起裂缝; 浇筑过程中, 振捣不足或过度振捣使混凝土产生离析和泌水, 在表面形成水泥含量较多的水泥砂浆, 水分蒸发, 易形成收缩裂缝; 混凝土配合比不良, 胶骨料过大和砂率过大, 混凝土本身缺少抵抗温度, 干缩变形的骨架作用容易开裂; 养护不当是造成现浇混凝土裂缝的重要原因。过早养护会影响混凝土的胶结能力; 过迟养护, 混凝土表面游离水蒸发过快, 水泥缺少必要的水化水, 而产生急剧的体积收缩, 产生裂缝; 在施工中混凝土未达到规定强度过早拆模, 在混凝土未达终凝时间就上荷载, 施工中不注意钢筋的保护, 钢筋移位, 后浇带未按设计规范要求施工等都可能造成混凝土的裂缝。

纵观以上, 混凝土中产生裂缝的主要原因是温度和湿度的变化。混凝土硬化期间水泥放出大量水化热, 内部温度不断上升, 在表面引起拉应力。后期在降温过程中, 由于受到基础或混凝土的约束, 又会在混凝土内部出现拉应力。气温的降低也会在混凝土表面引起很大的拉应力。当这些拉应力超出混凝土的抗裂能力时, 即会出现裂缝。许多混凝土的内部温度变化很小或变化较慢, 但表面湿度可能变化较大或发生剧烈变化, 例如养护不当, 时干时湿, 表面干缩时形变受到内部混凝土的约束, 也往往导致裂缝。

2　混凝土结构工程中常见裂缝及预防

2. 1　温度裂缝及预防

温度裂缝多发生在大体积混凝土表面或温差变化较大地区的混凝土结构中。混凝土浇筑后, 在硬化过程中水泥水化产生大量水化热( 水泥用量在350～550 kg/ m3, 每立方米混凝土将释放出 17 500～27500 kJ 的热量, 从而使混凝土内部温度升达 70 °C左右甚至更高) 。如果混凝土的体积较大, 大量的水化热聚集在混凝土内部而不易散发, 导致内部温度急剧上升, 而混凝土表面散热较快, 这样就形成内外的较大温差, 温差直接造成内部和外部热胀冷缩的程度不同, 致使混凝土表面产生一定的温度应力。

预防措施: (1) 尽量选用低热或中热水泥, 如矿渣水泥、粉煤灰水泥等; (2) 减少水泥用量, 将水泥用量控制在450 kg/ m3以下; ( 3) 降低水灰比, 一般混凝土的水灰比控制在 0. 6 以下; ( 4) 改善骨料级配,掺加粉煤灰或高效减水剂等来减少水泥用量; ( 5)改善混凝土的搅拌加工工艺, 降低混凝土的浇筑温度;( 6) 在混凝土中掺加一定量的减水、增塑、缓凝等作用的外加剂, 改善混凝土拌合物的流动性、保水性,降低水化热; (7)高温季节浇筑时可以搭设遮阳板等辅助措施控制混凝土的温度升高; (8)大体积混凝土要合理安排施工工序, 分层、分块浇筑, 以利于散热,减小约束; ( 9)在大体积混凝土内部设置冷却管道,通冷水或者冷气冷却, 减小内外温差; (10) 预留温度收缩缝; (11) 是加强混凝土养护, 及时在混凝土浇筑后用湿润的草帘、麻片等覆盖, 并且洒水养护, 适当延长养护时间; (12) 是混凝土中配置适量钢筋或者掺入纤维材料将混凝土的温度裂缝控制在一定范围。

2. 2　干缩裂缝及预防

干缩裂缝多出现在混凝土养护结束后的一段时间或是混凝土浇筑完毕的一周左右。水泥浆中水分的蒸发程度不同而导致变形不同的结果: 混凝土受外部条件的影响, 表面水分损失过快、变形较大, 内部温度变化较小、变形较小, 较大的表面干缩变形受到混凝土内部的约束, 产生较大拉应力而产生裂缝。相对湿度越低, 水泥浆体干缩越大, 干缩裂缝越易产生。干缩裂缝多为表面性的平行线状或网状浅细裂缝, 宽度多在0. 05～0. 2 mm 之间, 大体积混凝土中平面部位多见, 较薄的梁板中多沿其短向分布。干缩裂缝通常会影响混凝土的抗渗性, 引起钢筋的锈蚀影响混凝土的耐久性, 在水压力的作用下会产生水力劈裂影响混凝土的承载力等。混凝土干缩主要和混凝土的水灰比、水泥的成分、水泥的用量、集料的性质和用量、外加剂的用量有关。

预防措施: (1) 选用收缩量较小的水泥, 一般采用低热水泥, 降低水泥的用量; ( 2) 混凝土的干缩受水灰比的影响较大, 水灰比越大、干缩越大, 因此在混凝土配合比设计中应尽量控制好水灰比的选用,同时掺加合适的减水剂; (3)严格控制混凝土搅拌和施工中的配合比, 混凝土的用水量绝对不能大于配合比设计所定的用水量; ( 4) 加强混凝土的早期养护, 并适当延长混凝土的养护时间。冬季施工时要适当延长混凝土保温覆盖时间, 并涂刷养护剂养护;( 5) 在混凝土结构中设置合适的收缩缝。

2. 3　塑性收缩裂缝及预防

塑性收缩是指混凝土在凝结之前, 表面因失水较快而产生的收缩。塑性收缩裂缝一般在干热或大风天气出现, 裂缝多呈中间宽、两端细且长短不一,互不连贯状态。较短的裂缝一般长20～30 cm, 较长的裂缝可达2～3 m, 宽1～5 mm。其产生的主要原因为: 混凝土在终凝前几乎没有强度或强度很小, 或者混凝土刚刚终凝而强度很小时, 受高温或较大风力的影响, 混凝土表面失水过程快, 造成毛细管中产生较大的负压而使混凝土体积急剧收缩。而此时混凝土的强度又无法抵抗其本身收缩, 因此产生龟裂。影响混凝土塑性收缩开裂的主要因素有谁灰比、混凝土的凝结时间、环境温度、风速、相对湿度等。

预防措施: (1)选用干缩值较小早期强度较高的硅酸盐或普通硅酸盐水泥; (2)严格控制水灰比, 掺加高效减水剂来增加混凝土的坍落度和和易性, 减少水泥及水的用量; ( 3) 浇筑混凝土之前, 将基层和模板浇水均匀湿透; (4)及时覆盖塑料薄膜或者潮湿的草垫、麻片等, 保持混凝土终凝前的表面湿润, 或者在混凝土表面喷洒养护剂等进行养护; (5) 在高温和大风天气要设置遮阳板和挡风设施, 及时养护。

2. 4　沉陷裂缝及预防

沉陷裂缝的产生是由于结构地基土质不匀、松软或回填土不实或浸水而造成不均匀沉降所致; 或者因为模板刚度不足, 模板支撑间距过大或支撑底部松动等导致, 特别是在冬季, 模板支撑在冻土上,冻土化冻后产生不均匀沉降, 致使混凝土结构产生裂缝。此类裂缝多为深进或贯穿性裂缝, 其走向与沉陷情况有关, 一般沿与地面垂直或30～45°角方向发展, 较大的沉陷裂缝, 往往有一定的错位, 裂缝宽度往往与沉降量成正比关系。裂缝宽度受温度变化的影响较小。地基变形稳定之后, 沉陷裂缝也基本趋于稳定。

预防措施: (1) 对松软土、回填土地基在上部结构施工前应进行必要的夯实和加固; (2)保证模板有足够的强度和刚度, 且支撑牢固, 并使地基受力均匀; ( 3)防止混凝土浇灌过程中地基被水浸泡; (4) 模板拆除的时间不能太早, 且要注意拆模的先后次序;( 5) 在冻土上搭设模板时要注意采取一定的预防措施。

2. 5　化学反应引起的裂缝及预防

碱骨料反应裂缝和钢筋锈蚀引起的裂缝是钢筋混凝土结构中最常见的化学反应而引起的裂缝。造成混凝土酥松、膨胀开裂。这种裂缝一般出现在混凝土结构使用期间, 一旦出现很难补救, 因此应在施工中采取有效措施进行预防。

预防措施: (1)选用碱活性小的砂石骨料; ( 2)选用低碱水泥和低碱或无碱的外加剂; (3)选用合适的掺和料抑制碱骨料反应。

由于混凝土浇筑、振捣不良或者是钢筋保护层较薄, 有害物质进入混凝土使钢筋产生锈蚀, 锈蚀的钢筋体积膨胀, 导致混凝土胀裂, 此种类型的裂缝多为纵向裂缝, 沿钢筋的位置出现。

预防措施: (1)保证钢筋保护层厚度; ( 2)混凝土级配要良好; (3)混凝土浇注要振捣密实; ( 4)钢筋表层涂刷防腐涂料。

3　裂缝修补处理措施

裂缝的修补措施主要有: 表面修补法, 灌浆、嵌缝封堵法, 结构加固法, 电化学防护法及仿生自愈合法等。

3. 1　表面修补法

表面修补法是一种简单、常见的修补方法, 它主要使用于稳定和结构承载能力没有影响的表面裂缝以及深进裂缝。通常是在裂缝的表面涂抹水泥浆、环氧胶泥或在混凝土表面涂刷油漆、沥青等防腐材料。

在防护的同时为了防止混凝土受各种作用的影响继续开裂, 通常采用在裂缝的表面粘贴玻璃纤维布等。

3. 2　灌浆、嵌缝封堵法

灌浆法主要适用于对结构整体性有影响或有防渗要求的混凝土裂缝的修补, 它是利用压力设备将胶结材料压入混凝土的裂缝中, 胶结材料硬化后与混凝土形成一个整体, 从而起到封堵加固的目的。常用的胶结材料有水泥浆、环氧树脂、甲基丙烯酸脂、聚氨酯等化学材料。

嵌缝法是裂缝封堵中最常见的一种方法, 它通常是沿裂缝凿槽, 在槽中嵌填塑性或刚性止水材料,以达到封闭裂缝的目的。常用的塑性材料有聚氯乙烯胶泥、塑性油膏、丁基橡胶等; 常用的刚性止水材料为聚合物水泥砂浆。

3. 3　结构加固法

当裂缝影响到混凝土结构的性能时, 就要考虑采取加固法对混凝土结构进行加固。其常用加固方法有: 加大混凝土结构的截面面积, 在构件的角部外包型钢, 采用预应力加固, 粘贴钢板加固, 增加支点加固以及喷射混凝土补强加固。

3. 4　电化学防护法

电化学防腐是利用施加电场在介质中的电化学作用, 改变混凝土或钢筋混凝土所处的环境状态, 钝化钢筋以达到防腐的目的。阴极防护法、氯盐提取法、碱性复原法是化学防护法中常用而有效的三种方法。这种方法的优点是防护方法受环境因素的影响很小, 适用钢筋、混凝土的长期防腐, 既可用于已裂结构也可用于新建结构。

3. 5　仿生自愈合法

仿生自愈合法是一种新的裂缝处理方法。它模仿生物组织对受创伤部位自动分泌某种物质, 而使创伤部位得到愈合的机能, 在混凝土的传统成分中加入某些特殊成分( 如含粘结剂的液芯纤维或胶囊), 在混凝土内部形成智能仿生自愈合神经网络系统, 当混凝土出现裂缝时分泌出部分液芯纤维可使裂缝重新愈合。

4　结束语

裂缝是混凝土结构中普遍存在的一种现象, 它的出现不仅会降低建筑物的抗渗能力, 影响建筑物的使用功能, 而且会引起钢筋的锈蚀、混凝土的碳化、降低材料的耐久性、影响建筑物的承载能力, 因此要对混凝土裂缝进行认真研究, 区别对待, 采用合理的方法进行处理, 并在施工中采取各种有效的预防措施预防裂缝的出现和发展, 保证建筑物和构件安全、稳定的工作。