大體積混凝土結(jié)構(gòu)開裂后，其性能與原狀混凝土性能相差很大，則嚴重影響結(jié)構(gòu)的長期安全和耐久運行。本文分析了混凝土結(jié)構(gòu)裂縫產(chǎn)生的原因和機理，并從各個環(huán)節(jié)提出了預(yù)防裂縫的綜合措施，用以確�；炷�土的質(zhì)量，減少裂縫的發(fā)生。

 

關(guān)鍵詞：混凝土； 裂縫； 水泥水化熱； 溫度應(yīng)力

 

混凝土結(jié)構(gòu)裂縫產(chǎn)生原因及控制措施研究

一、混凝土結(jié)構(gòu)裂縫產(chǎn)生的原因

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的裂縫產(chǎn)生的原因主要分為三個：（1）由于結(jié)構(gòu)的實際工作狀態(tài)與設(shè)計模型的差異而產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)次應(yīng)力引起的裂縫；（２）由外部荷載引起的裂縫縫隙，按常規(guī)計算的各種荷載而引起的；（3）由溫度差、收縮、膨脹、不均勻沉降等因素產(chǎn)生的變形應(yīng)力而引起的裂縫，施工中可以采取措施避免。（4）大體積混凝土結(jié)構(gòu)中，由于結(jié)構(gòu)截面大，水泥用量多，水泥水化釋放的水化熱能產(chǎn)生很大的溫度變化和收縮作用，是導(dǎo)致大體積混凝土裂縫的主要原因。

（一）水化熱產(chǎn)生裂縫的機理

1、大體積混凝土結(jié)構(gòu)的截面尺寸較大，在施工過程中，由水泥水化過程中釋放出大量水化熱量，由于混凝土體積大，熱量散發(fā)不易，造成溫升較大，從而導(dǎo)致混凝土體積增大。當(dāng)這種變形不受約束時，混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部不會產(chǎn)生應(yīng)力。但實際上這種變形肯定會受到約束，約束有兩種。一是混凝土與外部環(huán)境溫度差異引起的約束；另一種是由于內(nèi)部的條件而不同產(chǎn)生的約束，以上兩種約束產(chǎn)生的應(yīng)力為溫度應(yīng)力。

2、其次，濕度變化引起的混凝土內(nèi)部各單元體之間相互約束，產(chǎn)生的應(yīng)力為干縮應(yīng)力。因為濕度傳導(dǎo)率遠小于熱度傳導(dǎo)率（約為1/1600），所以，它主要產(chǎn)生在混凝土表面附近：另外，混凝土自身體積變形不能自由伸縮所產(chǎn)生的應(yīng)力，稱為自身體積變形應(yīng)力；還有地基不均勻沉降、模板走樣也會產(chǎn)生相應(yīng)的變形應(yīng)力。在以上非結(jié)構(gòu)荷載的作用下所產(chǎn)生的應(yīng)力中，主要是溫度應(yīng)力和變形應(yīng)力。對于大體積混凝土結(jié)構(gòu)施工中，當(dāng)混凝土澆筑體的邊界無約束時（如底、頂板頂面），在早期水化熱的溫度迅速升高階段，由于混凝土內(nèi)、外散熱條件不同，形成溫度梯度，表面受拉，內(nèi)部受壓。當(dāng)拉應(yīng)力超過混凝土抗拉強度時，混凝土表面就產(chǎn)生裂縫。在混凝土的降溫階段，混凝土的溫差引起的變形加上混凝土的體積收縮變形，受到地基和結(jié)構(gòu)邊界條件的約束時，在澆筑體的中央斷面產(chǎn)生了內(nèi)部拉應(yīng)力，當(dāng)該拉應(yīng)力超過混凝土抗拉強度時，混凝土整個截面就產(chǎn)生了貫穿裂縫。

3、現(xiàn)澆鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)梁、板產(chǎn)生裂縫的原因，綜合歸納起來可以分為兩大類：一是由于設(shè)計失誤、實際施工不當(dāng)?shù)仍�因�(qū)е碌慕Y(jié)構(gòu)性裂縫；二是由于混凝土本身的收縮和溫差作用所產(chǎn)生的非結(jié)構(gòu)性裂縫。有關(guān)資料統(tǒng)計及大量的工程實踐表明，一般工程中結(jié)構(gòu)性裂縫約占20％，大部分為收縮和溫差裂縫約占80％，這些非結(jié)構(gòu)性裂縫可以通過設(shè)計和施工階段采取相應(yīng)的技術(shù)措施進行預(yù)防，從而將其控制在現(xiàn)行規(guī)范所允許的范圍之內(nèi)。從大量的工程實踐中我們可以發(fā)現(xiàn)，建筑結(jié)構(gòu)中混凝土的收縮和溫差裂縫所出現(xiàn)的位置與構(gòu)件部位和形狀關(guān)系的規(guī)律基本相同或類似。

（二）溫度應(yīng)力的分析

根據(jù)溫度應(yīng)力的形成過程，將其可分為以下三個階段：

1、初期：自澆筑混凝土開始至水泥放熱基本結(jié)束，一般約需30天。這個階段有兩個特征，一是混凝土彈性模量的急劇變化，二是水泥放出大量的水化熱。由于彈性模量的變化，這一時期在混凝土內(nèi)形成了殘余應(yīng)力。

2、中期：自水泥放熱作用基本結(jié)束時起至混凝土冷卻到穩(wěn)定溫度時止，這個過程時間中，溫度應(yīng)力主要是由于混凝土的冷卻和外界氣溫的變化所引起，這些應(yīng)力與早期形成的殘余應(yīng)力相疊加，在這個期間混凝土的彈性模量變化不大。

3、后期：混凝土完全冷卻以后的運轉(zhuǎn)時期。溫度應(yīng)力主要是由外界氣溫變化所引起的，這些應(yīng)力與前兩種的殘余應(yīng)力相疊加。

4、根據(jù)溫度應(yīng)力引起的原因可分為兩類：一是自生應(yīng)力：邊界上沒有任何約束或完全靜止的結(jié)構(gòu)，如果內(nèi)部溫度是非線性分布的，由于結(jié)構(gòu)本身互相約束而出現(xiàn)的溫度應(yīng)力的。例如，橋梁墩身、結(jié)構(gòu)尺寸相對較大，混凝土冷卻時表面溫度低，內(nèi)部溫度高，在結(jié)構(gòu)表面出現(xiàn)拉應(yīng)力，在結(jié)構(gòu)中間出現(xiàn)壓應(yīng)力。二是約束應(yīng)力：結(jié)構(gòu)的全部或部分邊界受到外界的約束，不能自由變形而引起的應(yīng)力。如箱梁頂板混凝土和護欄混凝土。這兩種溫度應(yīng)力往往與混凝土的干縮所引起的應(yīng)力相互共同作用。要根據(jù)已知的溫度準(zhǔn)確分析出溫度應(yīng)力的分布、大小是一項比較煩瑣的工作。在大多數(shù)的情況下，是需要依靠模型試驗或數(shù)值計算。混凝土結(jié)構(gòu)的徐變使溫度應(yīng)力有相當(dāng)大的松弛，計算溫度應(yīng)力時，必須考慮徐變產(chǎn)生的影響，具體計算這里就不再細述。

二、裂縫控制的基本原理及預(yù)防措施

（一）大體積混凝土結(jié)構(gòu)的裂縫控制是指杜絕有害裂縫，同時減少或避免不影響使用的混凝土表面裂縫。裂縫控制原理是：降低混凝土外部約束與非線性降溫和收縮所產(chǎn)生的拉應(yīng)力，提高混凝土相應(yīng)齡期的抗拉強度和極限拉伸，以確�；炷�土抗裂的安全度要求。裂縫控制方法采取溫差與溫度應(yīng)力雙控制方法，避免結(jié)構(gòu)物出現(xiàn)溫度裂縫，同時調(diào)整混凝土表面濕度以防止表面干縮裂縫。結(jié)構(gòu)裂縫產(chǎn)生的主要原因是降溫和收縮。任一降溫溫差包含水化熱引起的溫差和收縮當(dāng)量溫差，又都可以分解為均勻降溫差和非均勻降溫差兩鐘。前者產(chǎn)生外約束力，它成為貫穿性裂縫的主要原因；后者引起自約束力，形成表面裂縫；只有同時控制好這兩鐘降溫差，才能減少和避免混凝土裂縫的產(chǎn)生。

（二）控制混凝土裂縫。必須從混凝土產(chǎn)生裂縫的幾個主要原因著手，才能有效地將裂縫控制在允許范圍內(nèi)。一般可分為兩個控制階段：設(shè)計階段和施工階段。設(shè)計階段由設(shè)計人員對混凝土強度等級、鋼筋的品種、規(guī)格、建筑物的結(jié)構(gòu)形式等統(tǒng)籌設(shè)計，有效的進行裂縫的控制。施工階段則采取加入外加劑的方式改善混凝土性能、降低水泥水化熱、降低混凝土內(nèi)外溫差、結(jié)構(gòu)中設(shè)置施工縫或變形縫、加強混凝土中的配筋率等措施來減少混凝土的收縮，防止混凝土產(chǎn)生有害裂縫。

（三）合理的設(shè)計施工配合比。由于大體積混凝土結(jié)構(gòu)各項指標(biāo)均要求較高，并且普遍都采用泵送混凝土，因此合理設(shè)計配合比是有效控制和預(yù)防混凝土裂縫發(fā)生的基礎(chǔ)。應(yīng)該根據(jù)工程所處條件，對水灰比、砂石率、水泥用量及摻合料的用量等進行優(yōu)化設(shè)計，選擇最優(yōu)最合理的方案。

1、砂石率的選擇。適當(dāng)砂石率的選擇對控制混凝土的裂縫有積極作用，混凝土的干燥收縮隨砂石率的增大而增大。由于砂石率減小使粗骨料含量增大，在相同的條件下混凝土的彈性模量較高，收縮量較小，而且由于粗骨料對收縮的約束作用，可減少開裂的可能。使用粗骨料，盡量選用粒徑較大，級配良好的粗骨料，在厚大無筋或少筋的大體積混凝土中，摻總量不超過20%的大石塊，減少混凝土的用量，以達到節(jié)省水泥和降低水化熱的目的。

2、選用中低水化熱水泥，可使水泥在拌和過程中水化熱釋放較小，用以減少混凝土升溫，如選用礦渣硅酸鹽水泥，火山灰質(zhì)硅酸鹽水泥、普硅非早強型水泥。充分利用混凝土后期強度，減少每立方米混凝土中水泥用量。 

3、采用混凝土雙摻技術(shù)，即在混凝土中加入優(yōu)質(zhì)粉煤灰，摻入的量一般為水泥用量的20%左右，摻入緩凝型減水劑，用量為水泥用量的 1.0%左右。通過采用雙摻技術(shù)，來減少水泥用量，從而降低水化熱并使混凝土在常溫下延長初凝時間。

4、加入UEA或AEA膨脹劑，用量為水泥用量的14%左右，使混凝土在凝固過程中不產(chǎn)生收縮，還可以提高混凝土自身的防水能力。

（四）構(gòu)造設(shè)計方面的控制措施 

1．合理設(shè)置伸縮縫和后澆帶 

（1）同一材料的收縮和膨脹線性系數(shù)為一定值時，其面積越大、體形越大，那么收縮或溫差應(yīng)力引起的變形及產(chǎn)生裂縫的可能性就越大。因此，合理設(shè)置長體形建筑的伸縮縫是控制混凝土溫差變形裂縫的一項有效措施。設(shè)計人員必須嚴格執(zhí)行各類規(guī)范，在其規(guī)定的最大間距內(nèi)設(shè)置伸縮縫，并應(yīng)根據(jù)當(dāng)?shù)貙嶋H環(huán)境氣候及具體工程結(jié)構(gòu)特點適當(dāng)減小伸縮縫的間隔，以有效防止混凝土結(jié)構(gòu)的溫差裂縫。 

（2）后澆帶是當(dāng)建筑體形較大、高度差較大以及不規(guī)則形狀時，通常又不便設(shè)置伸縮縫，為了防止混凝土因沉降、收縮和溫差的變形產(chǎn)生裂縫，而特別澆筑的一種混凝土結(jié)構(gòu)。設(shè)計施工圖時應(yīng)該注意合理位置預(yù)留后澆帶，并明確提出施工中的注意事項。 

2．適當(dāng)?shù)脑龃蟀搴窈蜆?gòu)件配筋率 

（1）在鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中，鋼筋對于抵抗和控制收縮和溫差變形而產(chǎn)生的裂縫，發(fā)揮著主導(dǎo)作用�，F(xiàn)行規(guī)范中除了對混凝土構(gòu)件的縱向配筋規(guī)定了最小配筋率外，還規(guī)定當(dāng)溫度等因素對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大的影響時，需要適當(dāng)增加構(gòu)件的配筋率。我國一些地方夏、秋季晝夜溫差很大，熱脹冷縮的不斷循環(huán)是造成混凝土結(jié)構(gòu)產(chǎn)生溫差裂縫的主要原因。部分工程實踐表明，往往裂縫較多的構(gòu)件，其配筋率較小，因此設(shè)計人員對此應(yīng)該予以重視，在設(shè)計時要充分考慮工程所出區(qū)域的氣候特點和建筑物的不同部位（如外露構(gòu)件），適當(dāng)?shù)脑龃髽?gòu)件的配筋率。 

（2）常見的收縮和溫差裂縫與樓面板、屋面板的厚度有關(guān)，如果設(shè)計時只計算豎向荷載而未考慮溫差和收縮變形對樓板的影響，特別是對屋面板和框架平面以外板件的影響，而采用了較薄的板件，則難以避免在溫差和收縮應(yīng)力反復(fù)作用下使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生裂縫。另外，樓板厚度不夠的情況下，施工偏差會影響到鋼筋保護層厚度和負彎矩的有效高度而產(chǎn)生裂縫。如果工程中的樓板暗埋管線比較多，也會直接影響板厚度，沿管線走向會產(chǎn)生集中應(yīng)力而導(dǎo)致裂縫。為此，無論計算結(jié)果如何，即使板件跨度較小，也應(yīng)該采取板厚≥100mm，且在溫差影響大的重點部位使板面負筋雙向通長。

（3）建筑物兩端樓梯間處的樓板平面剛度較小，容易產(chǎn)生裂縫，裂縫通常平行于板的長邊并貫通梁側(cè)。設(shè)計控制方法是加厚該處的樓板厚度，板面的負筋除了滿足計算配筋要求之外，還應(yīng)配置≥Φ8@200雙向通長鋼筋，梁兩側(cè)加設(shè)縱向構(gòu)造腰筋。 

樓板四大角裂縫。產(chǎn)生的原因是荷載、收縮及溫差產(chǎn)生的應(yīng)力向四角迭加成為剪力匯集區(qū)而引起的裂縫，一般呈45°角，距板角約600mm～1200mm，常為上下貫通。設(shè)計控制方法是除了滿足計算配筋要求之外，在整塊板的跨度范圍內(nèi)增設(shè)雙向Φ6或Φ8@200鋼筋網(wǎng)，且四角加密。 

（4）框架柱網(wǎng)外的懸挑梁板處的裂縫一般平行于板的短邊并貫通封口梁側(cè)。產(chǎn)生的主要原因是該位置的構(gòu)件受外界溫差影響產(chǎn)生較大的變形應(yīng)力，因此外露梁板是溫差裂縫的多發(fā)區(qū)域。設(shè)計控制方法是在板面長度方向構(gòu)造筋Φ8@200通長。 

屋面板是收縮及溫差變形裂縫產(chǎn)生較多的地方，因此所有板的負彎矩筋不應(yīng)切斷。

（三）混凝土結(jié)構(gòu)原料的控制

1、材料的選擇，應(yīng)優(yōu)先采用水化熱低的水泥配制大體積混凝土，如礦渣硅酸鹽水泥。在施工中避免使用含泥量高的集料，因使用含泥量高的集料會導(dǎo)致集料表面與水泥石的機械粘結(jié)力降低，而且會增加混凝土拌合物的用水量，不僅增加了混凝土的收縮，同時降低了混凝土的抗拉強度，導(dǎo)致收縮裂縫發(fā)生。

2、采用降低水泥用量的方法來降低混凝土的絕對溫升值，可以使混凝土澆筑后的內(nèi)外差和降溫速度控制的難度降低。

3、摻合料和外加劑的控制。

（1）摻合料的質(zhì)量對混凝土裂縫有顯著的影響，當(dāng)前用的摻合料主要是粉煤灰或礦粉，它們可以提高混凝土的和易性大大改善混凝土工作性能和可靠性，粉煤灰對混凝土的早期干縮影響很大，使用細度較粗或含碳量高的粉煤灰會大幅度增加混凝土的需水量，從而加大混凝土的收縮導(dǎo)致開裂。

（2）外加劑主要指減水劑、緩凝劑和膨脹劑。混凝土中摻入減水劑，不僅使混凝土工作性能有了明顯的改善，同時又減少拌和用水，節(jié)約水泥，從而降低了水化熱。若是泵送混凝土，同時在炎熱的夏天，為了延緩凝結(jié)時間，要加緩凝劑，反之凝結(jié)時間過早，將影響混凝土的輸送和澆筑面的粘結(jié)，易出現(xiàn)層間縫隙，使混凝土防水、抗裂和整體強度下降。為了防止混凝土的初始裂縫，可摻加膨脹劑，如UEA膨脹劑等。

（四）澆筑時的控制措施

1、加強混凝土的澆灌振搗，提高密實度。

2、混凝土盡可能晚拆模，拆模后混凝土表面溫度不應(yīng)下降15℃以上。

3、采用兩次振搗技術(shù)，改善混凝土強度，提高抗裂性

4、加強混凝土的養(yǎng)護及測溫工作�；炷�土澆筑完畢后，應(yīng)及時按溫控技術(shù)措施的要求進行保溫養(yǎng)護，保溫養(yǎng)護是大體積混凝土施工的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，其目的主要是降低大體積混凝土澆筑塊體的內(nèi)外溫差值以降低混凝土塊體的自約束應(yīng)力；其次是降低大體積混凝土澆筑塊體的降溫速度，充分利用混凝土的抗拉強度，以提高混凝土塊體的抗裂能力，同時，在養(yǎng)護過程中保持良好的濕度和抗風(fēng)條件，使混凝土在良好的環(huán)境下養(yǎng)護。具體應(yīng)使混凝土澆筑塊體的里外溫差及降溫速度滿足溫控指標(biāo)的要求，保溫養(yǎng)護的持續(xù)時間應(yīng)根據(jù)溫度應(yīng)力加以控制、確定，保溫覆蓋層的拆除應(yīng)分層逐步進行；在保溫養(yǎng)護過程中，應(yīng)保持混凝土表面的濕潤。施工人員需根據(jù)事先確定的溫控指標(biāo)的要求，來確定大體積混凝土澆筑后的養(yǎng)護措施，如采用蓄水法保溫養(yǎng)護等。

5、嚴格把關(guān)材料質(zhì)量和配比關(guān)系 

為了有效控制現(xiàn)澆混凝土結(jié)構(gòu)中收縮和溫差裂縫的出現(xiàn)，我們在施工階段更應(yīng)該加倍重視，采取有效控制措施。首先要對所選用的各種材料進行嚴格的檢查和驗收，不合格材料一律禁止使用。同時，要按規(guī)定的各項技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)做好混凝土配比設(shè)計，并進行試配試驗。施工時選用良好級砂石骨料和低熱或中熱水泥，嚴格把關(guān)砂石含泥量和外加劑的摻用量，避免使用過量粉砂，嚴格控制水灰比和坍落度。 

6、切實做好混凝土的攪拌、運輸、澆筑及養(yǎng)護等細節(jié)性工作 

（1）混凝土的攪拌要嚴格按照規(guī)范進行，攪拌時間必須充足，配有外加劑的更要攪拌均勻，否則可能造成同一塊板中混凝土的性質(zhì)不同，收縮凝結(jié)不均勻而引起開裂。另外，使用外加劑的量必須計算準(zhǔn)確，用法正確，要對各種外加劑與不同水泥的相容性匹配關(guān)系有明確標(biāo)識。混凝土的運輸、澆筑和振搗必須在初凝前完成并確保板厚，保持構(gòu)件中各種鋼筋的正確位置，專人負責(zé)振搗�；炷�土澆筑后應(yīng)防止過早在其上進行施工、堆積物料等活動。 

（2）施工縫應(yīng)按審批合格后的施工方案預(yù)留位置。雨季施工應(yīng)采取防護措施，避免隨意停工留縫。施工接茬處應(yīng)該用鋼絲刷清洗干凈縫口，并掃水泥漿，必要時還要在接茬處設(shè)置鋼絲網(wǎng)或采取其他可行措施防止產(chǎn)生收縮裂縫�；炷�土的養(yǎng)護對控制混凝土的收縮裂縫起著舉足輕重的作用。因此，混凝土澆筑完成后，必須掌握好養(yǎng)護時間，在規(guī)定時間內(nèi)保持混凝土的濕度，控制其表面溫度，避免混凝土的內(nèi)外溫差過大而導(dǎo)致裂縫。 

7、重視后澆帶的施工 

（1）關(guān)于后澆帶的施工，還應(yīng)該注意以下事項。后澆帶的相鄰板塊兩側(cè)的模板應(yīng)支撐牢固，模板在后澆帶澆筑前不得拆除，且必須在后澆帶補澆混凝土的強度達到設(shè)計強度后方可拆除支撐模板。另外，對后澆帶施工縫部位的處理，要將施工縫兩側(cè)的舊混凝土表面鑿毛，用水徹底沖刷干凈，使舊混凝土充分濕潤，再掃兩次水泥漿后方能澆筑新混凝土，混凝土初凝后必須覆蓋養(yǎng)護。后澆帶施工縫的新澆混凝土的時間應(yīng)根據(jù)工程的實際情況而定，一般應(yīng)距原澆混凝土的時間不小于40天，補澆混凝土的強度應(yīng)比原設(shè)計強度提高一級，并加入 10％膨脹劑。 

（2）由于收縮和溫差變形這兩大因素所產(chǎn)生的非結(jié)構(gòu)性裂縫，在一般情況下尚不至于造成明顯的危害，但對工程質(zhì)量和建筑結(jié)構(gòu)的耐久性都有一定影響，因此這些裂縫應(yīng)當(dāng)引起我們的足夠的重視。我們應(yīng)該在實際工程中針對裂縫產(chǎn)生原因和容易發(fā)生的部位，采取有效的設(shè)計控制措施及施工技術(shù)防范措施，從各個環(huán)節(jié)上下功夫，將非結(jié)構(gòu)性裂縫嚴格控制在國家規(guī)范允許的范圍之內(nèi)，以確保我們施工的建筑“萬年常青”。

三、結(jié)論

混凝土結(jié)構(gòu)裂縫的發(fā)生的原因很復(fù)雜也是不可避免的，混凝土裂縫的防治重點在于“防”，而不在于“治”在采取了上述綜合性控制措施后，由于各種原因仍可能有少量的混凝土裂縫發(fā)生。當(dāng)這些裂縫發(fā)生后，必須先查明裂縫產(chǎn)生的原因，辨明裂縫的類型，才能正確的選擇處理方法，同時要通過合理設(shè)計混凝土配合比、正確選用原材料、合理設(shè)計建筑結(jié)構(gòu)、加強施工監(jiān)控、嚴格遵守施工技術(shù)規(guī)程、提高施工技術(shù)水平，這樣才有可能最大程度減少混凝土結(jié)構(gòu)裂縫的產(chǎn)生，把裂縫寬度控制在設(shè)計范圍內(nèi)，盡量減少裂縫造成的危害。

 

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