混凝土裂縫分析及其防治措施研究

1、混凝土裂縫分析及其防治措施研究張永存1.2，李青寧1(1西安建筑科技大學(xué)土木工程學(xué)院，陜西西安710055；2河南城建學(xué)院，河南平頂山467044)摘 要： 首先介紹了混凝土裂縫的類型及其各種不同的分類方法，并說明了裂縫在工程建設(shè)當(dāng)中的不良影響，總結(jié)了國內(nèi)外對裂縫寬度的不同控制標(biāo)準(zhǔn)。其次，詳細(xì)分析了各種混凝土裂縫產(chǎn)生的原因，主要包括混凝土收縮變形引起的裂縫、溫度應(yīng)力引起的裂縫、堿骨料反應(yīng)引起的裂縫、外荷載作用引起的裂縫、結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)不均勻下沉引起的裂縫等。歸納總結(jié)了一些工程上常見的混凝土裂縫預(yù)防和修補(bǔ)措施，通過一些試驗(yàn)工作對具有抗裂作用的混凝土減縮劑進(jìn)行了研究。關(guān)鍵詞： 混凝土；裂縫；成因；防治措

2、施；減縮劑0 引言 混凝土與其他建筑材料相比，具有價(jià)格低廉、承載能力大、施工方便、可裝飾性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，廣泛地應(yīng)用于房屋建筑、橋梁隧道、河海堤壩等各種工程建設(shè)中。混凝土的發(fā)展歷程，大致經(jīng)歷了普通混凝土一鋼筋混凝土一預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土一高強(qiáng)、高性能混凝土等幾個(gè)發(fā)展階段。人們在大規(guī)模地利用混凝土進(jìn)行建設(shè)的同時(shí)，始終在不斷地研究、發(fā)展和改進(jìn)著混凝土的性能。而混凝土的裂縫是科研和工程施工技術(shù)人員所面I臨的一個(gè)棘手的問題，混凝土的裂縫不僅影響著混凝土的外觀質(zhì)量，更影響著混凝土的強(qiáng)度和耐久性，因此，弄清楚混凝土裂縫的成因并據(jù)此制定出相應(yīng)的防治措施是有必要的。1 混凝土裂縫的分類1.1 按可見度可分為：微觀裂縫和

3、宏觀裂縫 微觀裂縫是指那些肉眼看不見的裂縫，主要可分為3種：水泥石裂縫：水泥漿中的裂縫，發(fā)生在骨料與骨料之間。骨料裂縫：骨料本身所具有的裂縫。黏結(jié)裂縫：骨料與水泥石黏結(jié)面上的裂縫，主要沿骨料的周圍出現(xiàn)。微觀裂縫在混凝土結(jié)構(gòu)中的分布是不規(guī)則、不貫通的。 肉眼看得見的裂縫稱為宏觀裂縫，這類裂縫的范圍一般不小于0.04 mm。宏觀裂縫是由微觀裂縫擴(kuò)展而來的。1.2 按危害程度劃分 (1)有害裂縫：較寬較深的裂縫，對結(jié)構(gòu)物的承載能力或耐久性有較大的影響。 (2)無害裂縫：一般是指裂縫寬度小于O.l mm，對結(jié)構(gòu)物的承載能力或耐久性沒有影響的表面裂縫。1.3 按出現(xiàn)時(shí)間劃分 (1)早期裂縫：指結(jié)構(gòu)或構(gòu)件

4、在制作和施工過程中出現(xiàn)的裂縫。 (2)后期裂縫：指結(jié)構(gòu)或構(gòu)件在使用階段受到各種因素的作用，出現(xiàn)的新裂縫以及原有裂縫寬度擴(kuò)展、長度延長。1.4 按裂縫深度h與結(jié)構(gòu)厚度日的關(guān)系劃分(l)hO.lH為表面裂縫。 ( 2)O.lH<h<0.4H為淺層裂縫。( 3)0.4Hh<lOH為縱深裂縫。(4)h=H為貫穿裂縫。應(yīng)當(dāng)盡量避免縱深及貫穿性裂縫。1.5 按裂縫產(chǎn)生的原因劃分 (1)由外荷載引起的裂縫。這種裂縫包括施工和使用階段的動、靜荷載引起的裂縫。 (2)由變形引起的裂縫。這種裂縫是指因溫度和濕度變化、不均勻收縮和膨脹、基礎(chǔ)不均勻沉降使混凝土變形引起的裂縫。(3)設(shè)計(jì)裂縫。這種裂縫

5、包括設(shè)計(jì)錯(cuò)誤引起的裂縫和設(shè)計(jì)允許裂縫。GBJ 10-89混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定，允許裂縫寬度為0.20.3 mm。 (4)施工裂縫。施工時(shí)混凝土因拌合物坍落度過大引起的塑性裂縫，或因施工工藝不當(dāng)，或因拆模過早、起吊過早等施工原因造成的裂縫。一些常見的混凝土裂縫形式如圖1所示。2 混凝土裂縫的危害及其寬度限值 混凝土裂縫在施工中是一種常見的質(zhì)量通病，混凝土結(jié)構(gòu)或構(gòu)件所出現(xiàn)的裂縫，有的破壞結(jié)構(gòu)的整體性，降低構(gòu)件的剛度，影響結(jié)構(gòu)的承載能力；有的雖對承載能力無多大影響，但會引起鋼筋銹蝕，降低結(jié)構(gòu)物的耐久性，或發(fā)生滲漏，影響建筑物正常使用；另外，裂縫的存在影響建筑物的外觀，給使用者不安全的感覺。 混凝土

6、的裂縫雖然是不可避免的，其微觀裂縫更是混凝土本身的物理力學(xué)性質(zhì)所決定的。但它的危害程度是可以控制的，危害程度的標(biāo)準(zhǔn)是根據(jù)使用條件所決定的。目前世界各國的規(guī)定不完全一致，但大致相同。如從結(jié)構(gòu)耐久性、承載力及正常使用要求來看，最嚴(yán)格的允許裂縫寬度為O.l mm。近年來，許多國家已根據(jù)大量試驗(yàn)和泵送混凝土的經(jīng)驗(yàn)將其放寬到0.2 mm。當(dāng)結(jié)構(gòu)所處的環(huán)境正常，保護(hù)層厚度滿足設(shè)計(jì)要求，無侵蝕介質(zhì)的條件下，鋼筋混凝土裂縫寬度可放寬至0.4 mm；在濕氣及土中為0.3 mm;在海水及干濕交替中為0.14 mm。沿鋼筋的順筋裂縫有害程度較高，必須處理【1】。3 混凝土裂縫的成因分析 混凝土產(chǎn)生裂縫的原因很多，有

7、材料自身的因素，也有外部環(huán)境作用的因素，但歸納起來主要有以下一些原因。3.1 外荷載作用引起的裂縫 混凝土結(jié)構(gòu)物在各種靜力荷載和動力荷載的作用下，當(dāng)混凝土內(nèi)部所受到的拉應(yīng)力超過其抗拉強(qiáng)度時(shí)，結(jié)構(gòu)物就會出現(xiàn)垂直于構(gòu)件縱軸方向的裂縫；當(dāng)構(gòu)件所受到的最大剪應(yīng)力超過其抗剪強(qiáng)度時(shí)，就會出現(xiàn)斜向裂縫。3.2 溫度應(yīng)力引起的裂縫是受到各種約束作用的，在溫度升高時(shí)，由于不能自由膨脹而產(chǎn)生溫度內(nèi)壓應(yīng)力；在溫度降低時(shí)，由于不能自由收縮而產(chǎn)生溫度內(nèi)拉應(yīng)力。又由于混凝土的抗拉強(qiáng)度很低，容易被較大溫差所引起的溫度應(yīng)力所破壞，從而產(chǎn)生溫度裂縫。水泥水化過程中會放出大量的水化熱，每克水泥可釋放出50.2 J熱量，從而使混凝

8、土內(nèi)部溫度升高，通?？稍跐仓囟然A(chǔ)之上升高35左右。特別是優(yōu)質(zhì)的硅酸鹽水泥和普通水泥，其中C3A、C3S含量較高，比表面積較大，水化快，早期水化熱更高。如果在夏季施工時(shí)不采取降溫措施，混凝土內(nèi)部溫度可達(dá)到6070，大體積混凝土內(nèi)部溫度會更高。水泥水化熱在13 d可放出熱量的50070，由于熱量的的傳遞、積存，混凝土內(nèi)部最高溫度大約發(fā)生在澆筑后的35 d。由于混凝土內(nèi)部和表面散熱條件不同，所以混凝土中心溫度高，形成溫度梯度，產(chǎn)生溫度變形和溫度應(yīng)力。當(dāng)溫度應(yīng)力超過混凝土的抗拉強(qiáng)度時(shí)，就會產(chǎn)生溫度裂縫。這種裂縫的特征是裂縫出現(xiàn)在混凝土澆筑后的35 d，最初裂縫很細(xì)，呈裂紋狀，隨著時(shí)間的延長而不斷擴(kuò)

9、展，甚至達(dá)到貫穿裂縫【2】。3.3 結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)不均勻下沉引起的裂縫 建筑物地基上不同點(diǎn)的土質(zhì)不同，壓縮模量也就不同，對水的滲透系數(shù)也不相同，如處理不恰當(dāng)，就會引起地基的不均勻沉降而使混凝土產(chǎn)生裂縫。這種裂縫一般較大，較深，有一定的規(guī)律性，大多沿土質(zhì)分界線分布。3.4 混凝土塑性收縮引起的裂縫 塑性收縮是指混凝土在凝結(jié)之前，表面因失水較快而產(chǎn)生的收縮。塑性收縮裂縫一般在干熱或大風(fēng)天氣出現(xiàn)，裂縫多呈中間寬兩端細(xì)且長短不一，互不連貫狀態(tài)。其產(chǎn)生的主要原因?yàn)椋夯炷猎诮K凝前幾乎沒有強(qiáng)度或強(qiáng)度很小，或者混凝土剛剛終凝而強(qiáng)度很小時(shí)，受高溫或較大風(fēng)力的影響，混凝土表面失水過快，造成毛細(xì)管中產(chǎn)生較大的負(fù)壓而使混

10、凝土體積急劇收縮，而此時(shí)混凝土的強(qiáng)度又無法抵抗其本身的收縮，因此產(chǎn)生龜裂。影響混凝土塑性收縮開裂的主要因素有水灰比、混凝土的凝結(jié)時(shí)間、環(huán)境溫度、風(fēng)速、相對濕度等。3.5 混凝土干縮引起的裂縫 由于水泥混凝土養(yǎng)護(hù)不當(dāng)，在風(fēng)吹日曬下，水泥混凝土表面水分蒸發(fā)過快，體積迅速收縮，而內(nèi)部溫度變化小，收縮小，從而使表面的收縮變形受到內(nèi)部水泥混凝土的約束，產(chǎn)生拉應(yīng)力，引起水泥混凝土表面裂縫，這類裂縫的寬度可大可小，小的細(xì)如發(fā)絲，大的可到毫米，其長度可由幾厘米到幾米，深度一般不超過5 cm，分布的形狀一般是規(guī)則的。3.6堿一骨料反應(yīng)引起的裂縫 水泥中的堿性物質(zhì)與骨料中的活性氧化硅發(fā)生反應(yīng)，析出膠狀的堿一硅膠，

11、它從周圍的介質(zhì)中吸水膨脹，體積可增大數(shù)倍，使混凝土脹裂。其特點(diǎn)是裂縫中有白色沉淀的膠體，是雜亂的“地圖”狀。3.7 其他因素引起的裂縫 除了上述原因外，還有其他很多種引起混凝土開裂的原因。如砂、石含泥量過大，混進(jìn)雜質(zhì)；水泥受潮和過期；外加劑、摻合料選用不當(dāng)，摻量不適宜；寒冷地區(qū)混凝土的凍脹；化學(xué)收縮；鋼筋銹蝕以及施工方法不當(dāng)?shù)?-5。4 混凝土裂縫的預(yù)防措施4.1 一些預(yù)防措施方面的建議 (1)混凝土施工時(shí)，要嚴(yán)格控制水泥用量、單位體積用水量，在滿足施工條件下，減小拌合物的坍落度，以減小或防止干縮裂縫和塑性裂縫的產(chǎn)生。 (2)對于大體積混凝土應(yīng)選用低熱水泥，采用分層澆筑，盡量減少溫度裂縫的發(fā)生

12、。 (3)使用混凝土引氣減水劑。這樣可以改善混凝土的和易性，減少用水量，并通過引入氣泡來提高混凝土的抗裂性，從而減少裂縫的發(fā)生。 (4)在混凝土中摻人超細(xì)礦粉能有效地降低水化熱，減少混凝土收縮，提高混凝土耐久性，增強(qiáng)混凝土的后期強(qiáng)度，防止裂縫的出現(xiàn)。超細(xì)礦粉的種類有風(fēng)選粉煤灰、磨細(xì)粉煤灰、磨細(xì)水淬高爐爐渣、硅鐵廠的硅灰、磨細(xì)沸石粉、磨細(xì)石英粉等，都是由工業(yè)廢粉和天然砂石加工而成，從而做到了變廢為寶。(5)澆筑混凝土后，表面應(yīng)及時(shí)覆蓋并澆水養(yǎng)護(hù)。 (6)采用二次振搗和多次抹面工藝。 (7)在混凝土拌制時(shí)加入適量鋼纖維或聚丙烯纖維等，形成纖維混凝土，可以明顯提高混凝土的抗裂性。 (8)在配制混凝土

13、時(shí)加入適量減縮劑，可以顯著減小混凝土的早期自收縮和干燥收縮變形，從而大大減少混凝土裂縫的出現(xiàn)。4.2 混凝土減縮劑的試驗(yàn)研究 如何減少或防止混凝土因干燥收縮而產(chǎn)生的裂紋或裂縫，是各國混凝土工作者都感興趣的研究課題。其中混凝土膨脹劑開發(fā)研究的成功，補(bǔ)償收縮混凝土的運(yùn)用是解決混凝土干縮的重要途徑，目前已被廣泛應(yīng)用于補(bǔ)償收縮混凝土、自應(yīng)力混凝土及無收縮自流型灌漿材料等。然而混凝土膨脹劑摻量大不經(jīng)濟(jì)，難以控制膨脹率；特別是需要混凝土在早期有水的養(yǎng)護(hù)，如果養(yǎng)護(hù)困難或沒法養(yǎng)護(hù)它將不能提供膨脹；另外它常在混凝土中引起堿集料反應(yīng)。因此研究開發(fā)無堿低摻量有機(jī)減縮劑具有十分重要的意義。 欲通過試驗(yàn)配制一種混凝土減

14、縮劑，由于混凝土減縮劑一般都是表面活性物質(zhì)，通過參考一些國內(nèi)外減縮劑的主要化學(xué)組成成分，初步選定以下幾種化學(xué)物質(zhì)：叔丁醇、三乙醇胺及聚乙烯醇，然后對這些物質(zhì)依次進(jìn)行表面張力測定試驗(yàn)、高強(qiáng)水泥膠砂干縮試驗(yàn)、砂漿強(qiáng)度試驗(yàn)，最后選出那種可以明顯減小砂漿試塊干縮量并且對砂漿的強(qiáng)度又影響不大的物質(zhì)，以作為試用混凝土減縮劑6-8。 試驗(yàn)所用原材料為甘肅祁連山P-042.5級水泥、中國ISO標(biāo)準(zhǔn)砂、三乙醇胺、聚乙烯醇、叔丁醇等；水泥用量與砂子用量之比為1:3，水灰比為0.5，化學(xué)試劑摻量為水泥用量的1.7%；試驗(yàn)儀器有DP-AW精密數(shù)字（微差壓）壓力計(jì)、恒溫水槽、表面張力測定管、毛細(xì)管、溫度計(jì)、燒杯、量筒、

15、試管若干、玻璃棒、40 mmx40 mmx160 mm的帶孑L試模若干個(gè)、立式收縮儀(精度為O.Ol mm)、收縮頭（用黃銅制成）若干個(gè)、天平（感量為0.2 g）、電動抗折儀（精度1%）、液壓式壓力試驗(yàn)機(jī)等。 按照上述試驗(yàn)配合比制作4組砂漿試塊（每組9塊，大小均為40 mmx40 mmx160 mm），其中1組不摻入任何化學(xué)試劑，其他3組分別摻人三乙醇胺、聚乙烯醇和叔丁醇024h后，拆去試模，在試塊表面標(biāo)上分類號，并把試件放人20左右的水中進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)，以后按一定齡期分別對砂漿試塊進(jìn)行干縮試驗(yàn)和強(qiáng)度試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果見圖2和表1，試驗(yàn)過程當(dāng)中拍攝的圖片見圖3。所摻化學(xué)試劑抗壓強(qiáng)度/MPa抗折強(qiáng)度/

16、MPa3d28 d3d28 d無20.739.15.1710.64三乙醇胺17.735.95.4310.67叔丁醇15.539.04.1710.46聚乙烯醇9.828.83.5110.33 從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，這3種化學(xué)試劑都有一定的減縮效果，其中3d時(shí)，三乙醇胺的減縮率為29.8070，聚乙烯醇為45.2%，叔丁醇為51.8070；28 d時(shí)，三乙醇胺的減縮率為13%，聚乙烯醇為26070，叔丁醇為31.2%。顯然，叔丁醇和聚乙烯醇的減縮效果更為明顯，這和溶液表面張力試驗(yàn)中二者降低液體表面張力的能力更強(qiáng)是一致的?；旧细鞣N試劑的摻人都或多或少地降低了砂漿的抗折和抗壓強(qiáng)度。其中三乙醇胺和叔丁醇

17、對強(qiáng)度影響相對比較?。欢垡蚁┐嫉膿饺藰O大地降低了砂漿的強(qiáng)度，究其原因可能是由于摻人該種試劑后，在溶解和攪拌時(shí)產(chǎn)生大量氣泡，并且砂漿的黏度增大，呈棉絮狀，從而造成砂漿強(qiáng)度過低。綜合它們各自的性能，可知叔丁醇更適合做為減縮劑使用，并且推薦摻量為水泥用量的1%3%。5 混凝土裂縫的治理措施， 如果裂縫已經(jīng)產(chǎn)生了，應(yīng)請有關(guān)人員到現(xiàn)場察看裂縫發(fā)生的部位，測量其長度、寬度和深度，并分析裂縫產(chǎn)生的原因，如果是有害裂縫，應(yīng)根據(jù)裂縫的特點(diǎn)選擇合理的治理方案。常見的裂縫治理措施主要有以下幾種： (1)表面覆蓋法。這是最簡單和最普通的裂縫修補(bǔ)方法。用于修補(bǔ)穩(wěn)定和對結(jié)構(gòu)影響不大的靜止裂縫，通過密封裂縫來防止水汽、化

18、學(xué)物質(zhì)和二氧化碳的侵入。本方法適用于表面出現(xiàn)龜裂裂紋的混凝土，即裂縫寬度<O.l mm。此法不但能修補(bǔ)小裂縫，而且能保護(hù)混凝土，免于外界有害物質(zhì)的腐蝕。具體有兩種方法：乳液法：該方法使用的材料是以水作為分散劑，將聚合物改性水泥砂漿等材料涂覆于混凝土結(jié)構(gòu)物的表面，用刷涂或輥涂的方法施工。此方法的優(yōu)點(diǎn)是價(jià)格低、無毒、不燃。但材料保管、運(yùn)輸怕凍（一5以下，易變質(zhì)），耐水性差，涂抹表面粗糙，不美觀，成膜溫度需在10以上。不太適宜于在寒冷地區(qū)使用。溶劑法：該方法是用封縫涂料，其中封縫涂料分為底層涂料和面層涂料，且皆為有機(jī)溶劑型封縫涂料。涂覆于混凝土結(jié)構(gòu)物的表面，用刷涂或輥涂的方法施工。該法所用材料

19、克服了乳液法的缺點(diǎn)，材料不怕凍（-20儲存不變質(zhì)），耐水性好，涂膜表面光亮、美觀，黏結(jié)力強(qiáng)，耐堿，耐洗刷，耐紫外線，耐凍融循環(huán)，負(fù)溫下也能成膜，適用于環(huán)境溫度-4530。但此法價(jià)格較高，儲存需防火。(2)壓力注漿法。此法也稱注入法，主要適用于裂縫寬度在0.20.5 mm左右的深裂縫，對結(jié)構(gòu)整體性有影響或有防滲要求的混凝土裂縫的修補(bǔ)。該法是施加一定的壓力，將灌漿材料注入到混凝土內(nèi)部，膠結(jié)材料硬化后與混凝土形成一個(gè)整體，從而對裂縫進(jìn)行黏合，封閉和補(bǔ)強(qiáng)。常用的膠結(jié)材料有水泥漿、環(huán)氧樹脂、甲基丙烯酸酯、聚氨酯等化學(xué)材料。 (3)嵌縫封堵法。嵌縫法是裂縫封堵中最常用的一種方法，它通常是沿裂縫鑿槽，在槽中

20、嵌填塑性或剛性止水材料，以達(dá)到封閉裂縫的目的。常用的塑性材料有聚氯乙烯膠泥、塑料油膏、丁基橡膠等；常用的剛性止水材料為聚合物水泥砂漿灌漿材料。該法鑿槽困難，易損傷周圍的混凝土，界面處理也比較復(fù)雜。 (4)碳纖維粘貼法補(bǔ)強(qiáng)。本法適用于裂縫寬度>0.5 mm以上部位。該法用結(jié)構(gòu)膠將碳纖維布粘貼在裂縫處進(jìn)行修補(bǔ)，可以提高結(jié)構(gòu)承載力。碳纖維材料抗拉強(qiáng)度是普通鋼材的10倍，彈模略高于鋼材，具有良好的耐久性，質(zhì)量密度則不足鋼材的1/4，厚度只有1.0 mm，修補(bǔ)不增加質(zhì)量，裁減、粘貼都很方便。與其他粘貼法相比，能顯著提高構(gòu)件強(qiáng)度與延性，無需特殊養(yǎng)護(hù)，施工操作簡單，速度快，無需大型設(shè)備。但當(dāng)裂縫寬度較大時(shí)，應(yīng)先對裂縫進(jìn)行壓漿處理后，再進(jìn)行粘貼碳纖維布的處理。與其他方法相比碳纖維粘貼法修補(bǔ)混凝土裂縫價(jià)格貴，大面積使用時(shí)造價(jià)較高。 (5)混凝土置換法。混凝土置換法是先將損壞的混凝土剔除，然后再置換人