混凝土裂缝成因及分类概述

混凝土是目前用量最大的一种建筑材料,广泛应用于工业与民用建筑、农林与城市建设、水利与海港工程。然而,许多混凝土结构在建设与使用过程中出现了不同程度、不同形式的裂缝。这不仅影响建筑物的外观,更危及建筑物的正常使用和结构的耐久性。因此,裂缝问题倍受人们关注。近年来,随着预拌混凝土的大力推广应用以及结构形式日趋大型化、复杂化,使得这一问题变得更为突出。然而,混凝土结构的裂缝是一个相当普遍的现象,大量工程实践以及近代科学关于混凝土强度的细观研究都表明结构物的裂缝是不可避免的,它是材料的一种特性。因此,科学地对待裂缝问题是在对裂缝进行分类、研究的基础上,采取有效的措施,将裂缝的有害程度控制在允许的范围内。本文将就混凝土结构中常见裂缝的成因、控制措施以及修补方法作一些浅要分析。

 

2·1 按裂缝的成因划分 

根据混凝土裂缝产生的原因,可分为结构性裂缝与非结构性裂缝两大类。 

(1)结构性裂缝 由各种外荷载引起的裂缝,也称荷载裂缝。它包括由外荷载的直接应力引起的裂缝和在外荷载作用下结构次应力引起的裂缝。 

(2)非结构性裂缝 由各种变形变化引起的裂缝。它包括温差,干缩湿胀和不均匀沉降等因素引起的裂缝。这类裂缝是在结构的变形受到限制时引起的内应力造成的。从国内外的研究资料以及大量的工程实践看,非结构性裂缝在工程中占了绝大多数,约为80%,其中以收缩裂缝为主导[1~5]。

2·2 按裂缝产生的时间划分 

(1)施工期间出现的裂缝[2,4] 包括塑性收缩裂缝、沉降收缩裂缝、干燥收缩裂缝、自身收缩裂缝、温度裂缝、施工操作不当出现的裂缝、早期冻胀作用引起的裂缝以及一些不规则裂缝。 

(2)使用期间出现的裂缝[4] 包括钢筋锈蚀膨胀产生的裂缝、盐碱类介质及酸性侵蚀气液引起的裂缝、冻融循环造成的裂缝、碱骨料反应引起的裂缝以及循环动荷载作用下损伤累积引起的裂缝等。

2·3 按裂缝的形状划分 

裂缝按形状可分为[4]:①纵向裂缝,平行于构件底面,顺筋分布,主要由钢筋锈蚀作用引起:②横向裂缝,垂直于构件底面,主要由荷载作用、温差作用引起;③剪切裂缝,由于竖向荷载或震动位移引起;④斜向裂缝、八字形或倒八字形裂缝,常见于墙体混凝土梁,主要因地基的不均匀沉降以及温差作用引起;⑤X形裂缝,常见于框架梁、柱的端头以及墙面上,由于瞬间的撞击作用或者地震荷载作用引起;⑥各种不规则裂缝,如反复冻融或火灾等引起的裂缝。此外,还有因混凝土拌和或运输时间过长引起的网状裂缝,现浇楼板四角出现的放射状裂缝或板面出现的十字形裂缝等等。 

2·4 按裂缝的发展状态划分 

根据裂缝所处的运动状态及其发展趋势,可分为以下两类: 

(1)稳定裂缝 这种裂缝不影响持久应用,包括两类。一类是在运动过程中可以自愈合的裂缝,常见于一些新建的防水工程中,这是由于裂缝处水泥颗粒在渗漏过程中与水进一步化合,析出Ca(OH)2晶体且部分Ca(OH)2又与溶解在水中的CO2发生碳化反应形成CaCO3结晶,两者形成的凝胶物质将胶合裂缝封闭,从而渗漏停止,裂缝达到自愈。另一类是处于稳定运动中的裂缝,如在周期性荷载作用下产生的周期性扩展和闭合的裂缝。 

(2)不稳定裂缝 这种裂缝将产生不稳定性的扩展,影响结构物的持久使用,应视其扩展部位,采取相应的措施。 

 

3·1 收缩裂缝 

收缩裂缝是由湿度变化引起的,它占混凝土非结构性裂缝中的主要部分。我们知道,混凝土是以水泥为主要胶结材料,以天然砂、石为骨料加水拌合,经过浇筑成型、凝结硬化形成的人工石材。在施工中,为保证其和易性,往往加入比水泥水化作用所需的水分多4~5倍的水。多出的这些水分以游离态形式存在,并在硬化过程中逐步蒸发,从而在混凝土内部形成大量毛细孔、空隙甚至孔洞,造成混凝土 体积收缩。此外,混凝土硬化过程中水化作用和碳化作用也会引起混凝土体积收缩。根据有关试验测定,混凝土最终收缩量约为0·04%~0·06%。可见,收缩是混凝土固有的物理特性,一般来说,水灰比越大、水泥强度越高、骨料越少、环境温度越高、表面失水越大,则其收缩值越大,也越易产生收缩裂缝。根据收缩裂缝的形成机理与形成时间,工程中常见的收缩裂缝主要有塑性收缩裂缝、沉降收缩裂缝和干燥收缩裂缝三类,此外,还有自身收缩(化学减缩)裂缝和碳化收缩裂缝。

3·1·1 塑性收缩裂缝 

塑性收缩裂缝发生在混凝土塑性阶段,终凝之前。其形成原因是混凝土浆体中水分流向表面并迅速蒸发,随着失水的增加,毛细负压产生的收缩力使混凝土表面产生急剧的体积收缩。而此时混凝土尚未形成强度,从而致使混凝土表面开裂。这种裂缝多出现在干热与刮风天气中,裂缝较浅,中间宽、两端细,长短不一,且互不连贯。 

3·1·2 沉降收缩裂缝 

沉降收缩裂缝约在混凝土浇筑后半小时发生,并在硬化时停止。其形成原因是浆体在浇捣后发生不均匀沉落,粗骨料下沉,水泥净浆上浮,当沉降受抑制(如钢筋或预埋件的阻挡)时，使混凝土因剪切而开裂。此外在表面形成的浮浆层也会因泌水而开裂。这种裂缝多出现在混凝土表面,且沿主筋或箍筋通长方向分布,中间宽两端窄,是一种常见的早期裂缝,尤其在泵送施工中更常见。

3·1·3 干燥收缩裂缝 

干燥收缩裂缝在混凝土养护完以后才出现。其形成原因主要是由于混凝土硬化后,水分蒸发引起混凝土表面干缩,当干缩变形受到混凝土内部约束时,产生较大的拉应力使混凝土表面被拉裂。干缩裂缝一般产生在表面很浅的位置,多沿构件短方向分布,呈平行线状或网状,严重时可贯穿整个构件截面。

3·1·4 自身收缩裂缝 

自身收缩裂缝与外界湿度变化无关,而是由于水泥熟料在水化反应的过程中,反应后生成物的平均密度变小而引起体系的体积收缩(称为化学减缩)所致。主要是由于自由水转化为水化产物的一部分,使它的比容降低1/4(即0·25cm3/g)。因此,化学减缩量的大小取决于水泥水化产物中化学结合水量的多少。

3·1·5 碳化收缩裂缝 

碳化收缩裂缝是碳化作用所产生的游离态水蒸发,引起浆体的收缩所致。碳化作用是指大气中的CO2在有水的条件下与水化产物作用生成CaCO3、铝胶、硅胶以及游离态水,这部分水蒸发引起混凝土体积收缩(称为碳化收缩),其实质是碳酸对水泥石的腐蚀作用。一般水泥水化产物的碱度与空气中CO2浓度越高且湿度适中(50%左右)时,越易发生碳化作用。因此,这种裂缝易出现在干湿交替的环境 下,而干燥或水饱和环境下不易出现;且由于裂缝处析出的碳化产物将形成凝胶,阻止CO2进入,故一般仅发生在表面。  

对以上收缩裂缝的防治可采取以下措施[5~8]: 

(1)掺加高效减水剂、泵送剂以尽量降低用水量;施工时,下料不宜过快,并振捣密实。 

(2)对于早期收缩裂缝的防治,除加强早期养护外,宜在混凝土终凝前进行二次抹压,在材料上可掺加促凝剂,且宜采用早期强度高、保水性好的普通硅酸盐水泥;对于干缩裂缝的防治,可以适当延长养护时间,材料上宜选用粉煤灰水泥或中低热水泥等干缩率小的品种。 

(3)尽可能降低水泥用量,增大粗骨料的含量,且宜选用石灰岩作为粗骨料,因为它对收缩的抗裂性优于安山岩和砂岩;应严格控制骨料的含泥量,砂率不宜过大,骨料应具有良好的级配。 

(4)降低自身收缩裂缝的有效方法是尽量使用C3A含量低的水泥,因为硅酸盐水泥熟料中C3A的化学减缩量最大,是C2S的3倍,C4AF的5倍。 

(5)防止碳化收缩裂缝关键是降低生成物的碱度,对新浇混凝土做好湿水养护,而对使用当中的混凝土结构要尽量保持干燥,在CO2等腐蚀性气体含量高的环境下要做好防腐措施。 

(6)混凝土浇筑抹光后要及时用潮湿的草垫或塑料薄膜覆盖,风季施工时应设挡风设施。 

3·2 温度裂缝 

温度裂缝是由于混凝土内外温差或季节气温变化过大而形成的。在混凝土浇筑过程中,水泥水化反应将放出大量的热(一般每克水泥可放出502J热量),使混凝土内部温度升高并在一定龄期出现温峰,之后下降。由于混凝土内部散热慢而表面散热快,必将在内外形成温差,为协调温度变形,混凝土表面将产生拉应力(即温度应力),当超过混凝土抗拉强度后将使之开裂。这种裂缝多为贯穿性的,且较深,严重降低结构的整体刚度;一般在施工结束几个月后出现。此外,在混凝土养护期间,若受到寒流的侵袭,也会在混凝土表面引起裂缝,但较浅,危害性也较小。控制温度裂 缝的产生主要是从降低温差入手,可采取以下的防治措施: 

(1)在材料方面,宜采用粉煤灰水泥或C3A和C3S含量低的低热水泥,尽量减少水泥用量,可掺加缓凝高效减水剂;对大体积混凝土,可适当掺入块石;在拌和水中掺冰屑并对骨料进行喷水冷却。 

(2)在施工方面,应合理安排施工工序,改进施工工艺,如浇筑大体积混凝土时,在混凝土中布设水管循环导热或分块分层浇筑;改善结构约束条件,如较长结构要设温度缝或后浇带,在基岩上浇筑时,要铺50~100 mm砂层以消除其嵌固作用。 

(3)在设计方面,主要是做好温度应力计算,根据可能产生的温度应力采取相应的构造措施,如适当地配置温度钢筋,分担混凝土温度应力。 

(4)此外,尚需加强混凝土养护,做好表面保温措施(如蓄水养护或覆盖潮湿的草垫等),适当延长拆模时间,以使混凝土表面缓慢散热;对于大体积混凝土,控制入模温度,并进行测温跟踪,控制混凝土内外温度差在25℃以内。

3·3 沉陷裂缝 

沉陷裂缝是建筑物建成后各部分发生不均匀沉降而引起的,多为贯穿性的,其位置与沉陷方向一致。建筑物墙体的八字形或倒八字形的裂缝便是一种典型的沉陷裂缝。回填土未经夯实处理,地层中含有软弱下卧层,建筑物在使用过程中地基被水(雨水、生活用水等)长期浸泡等原因都将引起建筑物的不均匀沉降,从而开裂。另外在新建工程的地基施工中,若不做好必要的措施(如设挡土墙、地下连续墙)防止土坡失稳或地下水倒灌,会削弱相邻老建筑物的地基承载力,从而导致建筑物沉陷开裂。在混凝土施工中,因模板刚度不足、支撑间距过大、过早拆模等因素,也会出现沉陷裂缝。沉陷裂缝往往严重影响建筑物的外观,并危及结构的耐久性,防止其产生的控制措施有: 

(1)在基础设计时确保持力层的承载力与地基的均匀受力,在层高不同的部位以及新老建筑物连接处设置沉降缝。 

(2)在施工中,模板要有足够的强度和刚度,并支撑可靠;另外,注意施工顺序,如先高层后低层,先主体后裙房。 

(3)施工前要做好地质勘测工作,尽量选择好的持力层,竣工后要避兔地基受到雨水等浸泡。 

3·4 其他裂缝 

除上述裂缝外,在结构的施工过程还会出现各种形式的施工裂缝;在结构使用过程中也会出现不同类型的腐蚀裂缝。 

(1)施工裂缝 施工裂缝是由于施工中操作不当或构件本身的刚度不够等因素引起的。如预应力工程中,张拉不当会使构件因尚末形成强度或强度不足而开裂;模板工程中,若混凝土与模板粘结则拆模或提升模板时易将混凝土拉裂;吊装工程中,会因构件侧向配筋少、刚度差或吊点不正确等因素而出现裂缝。防止这类裂缝的关键是严格按照施工规范进行,如预应力张拉须在构件强度达到75%以上时进行,模板与混凝土间涂刷隔离剂,拆模或滑升时,先均匀松动,再缓慢拆离或提升。 (2)腐蚀裂缝 腐蚀裂缝是由于结构长期处于腐蚀性 

气液的环境下引起的,它包括混凝土自身的腐蚀以及钢筋的锈蚀。这类裂缝往往是由于混凝土不密实所导致的,它们通常与干缩裂缝、温度裂缝等共同作用,导致裂缝不断扩展,最终削弱结构的耐久性。控制的措施主要是做好混凝土表面及钢筋的防腐处理,出现裂缝,应及时修补。 此外,若混凝土骨料中存在碱活性成分、水泥中MgO含量过高(>5%)或UEA等膨胀剂掺量过多,则会因发生碱骨料反应或MgO的水化反应,生成膨胀性的凝胶,造成混凝土膨胀开裂,形成的多为网状或不规则裂缝。此类裂缝往往在结构竣工几年后才出现,因为上述化学反应极为缓慢。防治的关键是消除或降低混凝土中此类物质的存在。

混凝土结构一旦开裂应立即在鉴定的基础上采取相应的措施。目前,常用的修补方法有表面封闭法、压力灌浆法及填堵法[1,8]。

4·1 表面封闭法 

针对宽度小于0·2mm的微裂缝,可将聚合物水泥膏、弹性密封胶或渗透性防水剂涂刷于裂缝表面,以恢复其防水性和耐久性。该法施工简单,但仅适用于浅裂缝。

(1)工艺流程:表面刷毛并冲洗→嵌补表面缺损(可用环氧胶泥或乳胶水泥)→选材涂复。 

(2)施工要点;①由于涂层较薄,应选用粘结力强且不宜老化的材料;②对活动裂缝,应采用延伸率较大的弹性材料;③涂复均匀,不得有气泡。

4·2 压力灌浆法 

针对宽度大于0·3mm且深度较大的裂缝,可将化学灌浆材料(如聚氨酯、环氧树脂或水泥浆液)通过压力灌浆设备注入到裂缝深处,以恢复结构整体性、防水性及耐久性。 

(1)工艺流程:凿槽→埋设浆嘴→封缝→密封检查→配制浆液→灌浆→封孔→灌浆质量检查。 

(2)施工要点:①灌浆材料宜选用粘结力强、可灌性好的树脂类材料,通常选用环氧树脂;②对于宽度大于2mm的特大裂缝可采用水泥类材料,对于活动性裂缝宜采用经稀释的环氧树脂或聚氨酯;③化学灌浆压力控制在0·2~0·4MPa,水泥浆灌浆压力控制在0·4~0·8MPa,增大压力并不提高灌浆速度,也不利于灌浆效果;④灌浆后,待浆液初凝而不外渗时,方可拆下灌浆嘴(盒、管)。

4·3 填堵法 

针对宽度大于0·5mm的宽大裂缝或钢筋锈蚀裂缝,可沿裂缝将混凝土凿成“U”型或“V”型槽,然后嵌填修补材料,以恢复防水性、耐久性或部分恢复结构整体性。 

(1)工艺流程:凿槽→基层处理(混凝土去污、钢筋除锈)→涂刷结合剂(环氧树脂浆液)→嵌填修补材料→面层处理。 

(2)施工要点:①嵌填材料可视具体情况选用环氧树脂、环氧砂浆、聚合物水泥砂浆、聚氯乙烯胶泥或沥青油膏;②对于锈蚀裂缝,先对钢筋彻底除锈,再涂防锈涂料。

 

混凝土裂缝问题是项技术难题,长期困扰工程界。近年来,随着高早强型水泥的大量使用、商品混凝土泵送施工的大力推广、混凝土强度等级的提高、大体积混凝土的涌现,在取得成效的同时也使裂缝问题更为突出,甚至成为混凝土质量问题的焦点。而目前混凝土裂缝主要是收缩变形和温度变形所致,控制这些裂缝除了广大工程建设人员在设计与施工方面采取相应措施外,也需要科研人员尽快地研制出能减少水泥收缩和水化热的高效材料,从而将裂缝问题降低到最小限度。