混凝土是目前用量最大的一種建筑材料,廣泛應(yīng)用于工業(yè)與民用建筑、農(nóng)林與城市建設(shè)、水利與海港工程。然而,許多混凝土結(jié)構(gòu)在建設(shè)與使用過(guò)程中出現(xiàn)了不同程度、不同形式的裂縫。這不僅影響建筑物的外觀,更危及建筑物的正常使用和結(jié)構(gòu)的耐久性。因此,裂縫問(wèn)題倍受人們關(guān)注。近年來(lái),隨著預(yù)拌混凝土的大力推廣應(yīng)用以及結(jié)構(gòu)形式日趨大型化、復(fù)雜化,使得這一問(wèn)題變得更為突出。然而,混凝土結(jié)構(gòu)的裂縫是一個(gè)相當(dāng)普遍的現(xiàn)象,大量工程實(shí)踐以及近代科學(xué)關(guān)于混凝土強(qiáng)度的細(xì)觀研究都表明結(jié)構(gòu)物的裂縫是不可避免的,它是材料的一種特性。因此,科學(xué)地對(duì)待裂縫問(wèn)題是在對(duì)裂縫進(jìn)行分類(lèi)、研究的基礎(chǔ)上,采取有效的措施,將裂縫的有害程度控制在允許的范圍內(nèi)。本文將就混凝土結(jié)構(gòu)中常見(jiàn)裂縫的成因、控制措施以及修補(bǔ)方法作一些淺要分析。

 

2·1 按裂縫的成因劃分 

根據(jù)混凝土裂縫產(chǎn)生的原因,可分為結(jié)構(gòu)性裂縫與非結(jié)構(gòu)性裂縫兩大類(lèi)。 

(1)結(jié)構(gòu)性裂縫 由各種外荷載引起的裂縫,也稱(chēng)荷載裂縫。它包括由外荷載的直接應(yīng)力引起的裂縫和在外荷載作用下結(jié)構(gòu)次應(yīng)力引起的裂縫。 

(2)非結(jié)構(gòu)性裂縫 由各種變形變化引起的裂縫。它包括溫差,干縮濕脹和不均勻沉降等因素引起的裂縫。這類(lèi)裂縫是在結(jié)構(gòu)的變形受到限制時(shí)引起的內(nèi)應(yīng)力造成的。從國(guó)內(nèi)外的研究資料以及大量的工程實(shí)踐看,非結(jié)構(gòu)性裂縫在工程中占了絕大多數(shù),約為80%,其中以收縮裂縫為主導(dǎo)[1~5]。

2·2 按裂縫產(chǎn)生的時(shí)間劃分 

(1)施工期間出現(xiàn)的裂縫[2,4] 包括塑性收縮裂縫、沉降收縮裂縫、干燥收縮裂縫、自身收縮裂縫、溫度裂縫、施工操作不當(dāng)出現(xiàn)的裂縫、早期凍脹作用引起的裂縫以及一些不規(guī)則裂縫。 

(2)使用期間出現(xiàn)的裂縫[4] 包括鋼筋銹蝕膨脹產(chǎn)生的裂縫、鹽堿類(lèi)介質(zhì)及酸性侵蝕氣液引起的裂縫、凍融循環(huán)造成的裂縫、堿骨料反應(yīng)引起的裂縫以及循環(huán)動(dòng)荷載作用下?lián)p傷累積引起的裂縫等。

2·3 按裂縫的形狀劃分 

裂縫按形狀可分為[4]:①縱向裂縫,平行于構(gòu)件底面,順筋分布,主要由鋼筋銹蝕作用引起:②橫向裂縫,垂直于構(gòu)件底面,主要由荷載作用、溫差作用引起;③剪切裂縫,由于豎向荷載或震動(dòng)位移引起;④斜向裂縫、八字形或倒八字形裂縫,常見(jiàn)于墻體混凝土梁,主要因地基的不均勻沉降以及溫差作用引起;⑤X形裂縫,常見(jiàn)于框架梁、柱的端頭以及墻面上,由于瞬間的撞擊作用或者地震荷載作用引起;⑥各種不規(guī)則裂縫,如反復(fù)凍融或火災(zāi)等引起的裂縫。此外,還有因混凝土拌和或運(yùn)輸時(shí)間過(guò)長(zhǎng)引起的網(wǎng)狀裂縫,現(xiàn)澆樓板四角出現(xiàn)的放射狀裂縫或板面出現(xiàn)的十字形裂縫等等。 

2·4 按裂縫的發(fā)展?fàn)顟B(tài)劃分 

根據(jù)裂縫所處的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)及其發(fā)展趨勢(shì),可分為以下兩類(lèi): 

(1)穩(wěn)定裂縫 這種裂縫不影響持久應(yīng)用,包括兩類(lèi)。一類(lèi)是在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中可以自愈合的裂縫,常見(jiàn)于一些新建的防水工程中,這是由于裂縫處水泥顆粒在滲漏過(guò)程中與水進(jìn)一步化合,析出Ca(OH)2晶體且部分Ca(OH)2又與溶解在水中的CO2發(fā)生碳化反應(yīng)形成CaCO3結(jié)晶,兩者形成的凝膠物質(zhì)將膠合裂縫封閉,從而滲漏停止,裂縫達(dá)到自愈。另一類(lèi)是處于穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)中的裂縫,如在周期性荷載作用下產(chǎn)生的周期性擴(kuò)展和閉合的裂縫。 

(2)不穩(wěn)定裂縫 這種裂縫將產(chǎn)生不穩(wěn)定性的擴(kuò)展,影響結(jié)構(gòu)物的持久使用,應(yīng)視其擴(kuò)展部位,采取相應(yīng)的措施。 

 

3·1 收縮裂縫 

收縮裂縫是由濕度變化引起的,它占混凝土非結(jié)構(gòu)性裂縫中的主要部分。我們知道,混凝土是以水泥為主要膠結(jié)材料,以天然砂、石為骨料加水拌合,經(jīng)過(guò)澆筑成型、凝結(jié)硬化形成的人工石材。在施工中,為保證其和易性,往往加入比水泥水化作用所需的水分多4~5倍的水。多出的這些水分以游離態(tài)形式存在,并在硬化過(guò)程中逐步蒸發(fā),從而在混凝土內(nèi)部形成大量毛細(xì)孔、空隙甚至孔洞,造成混凝土 體積收縮。此外,混凝土硬化過(guò)程中水化作用和碳化作用也會(huì)引起混凝土體積收縮。根據(jù)有關(guān)試驗(yàn)測(cè)定,混凝土最終收縮量約為0·04%~0·06%�？梢�(jiàn),收縮是混凝土固有的物理特性,一般來(lái)說(shuō),水灰比越大、水泥強(qiáng)度越高、骨料越少、環(huán)境溫度越高、表面失水越大,則其收縮值越大,也越易產(chǎn)生收縮裂縫。根據(jù)收縮裂縫的形成機(jī)理與形成時(shí)間,工程中常見(jiàn)的收縮裂縫主要有塑性收縮裂縫、沉降收縮裂縫和干燥收縮裂縫三類(lèi),此外,還有自身收縮(化學(xué)減縮)裂縫和碳化收縮裂縫。

3·1·1 塑性收縮裂縫 

塑性收縮裂縫發(fā)生在混凝土塑性階段,終凝之前。其形成原因是混凝土漿體中水分流向表面并迅速蒸發(fā),隨著失水的增加,毛細(xì)負(fù)壓產(chǎn)生的收縮力使混凝土表面產(chǎn)生急劇的體積收縮。而此時(shí)混凝土尚未形成強(qiáng)度,從而致使混凝土表面開(kāi)裂。這種裂縫多出現(xiàn)在干熱與刮風(fēng)天氣中,裂縫較淺,中間寬、兩端細(xì),長(zhǎng)短不一,且互不連貫。 

3·1·2 沉降收縮裂縫 

沉降收縮裂縫約在混凝土澆筑后半小時(shí)發(fā)生,并在硬化時(shí)停止。其形成原因是漿體在澆搗后發(fā)生不均勻沉落,粗骨料下沉,水泥凈漿上浮,當(dāng)沉降受抑制(如鋼筋或預(yù)埋件的阻擋)時(shí)，使混凝土因剪切而開(kāi)裂。此外在表面形成的浮漿層也會(huì)因泌水而開(kāi)裂。這種裂縫多出現(xiàn)在混凝土表面,且沿主筋或箍筋通長(zhǎng)方向分布,中間寬兩端窄,是一種常見(jiàn)的早期裂縫,尤其在泵送施工中更常見(jiàn)。

3·1·3 干燥收縮裂縫 

干燥收縮裂縫在混凝土養(yǎng)護(hù)完以后才出現(xiàn)。其形成原因主要是由于混凝土硬化后,水分蒸發(fā)引起混凝土表面干縮,當(dāng)干縮變形受到混凝土內(nèi)部約束時(shí),產(chǎn)生較大的拉應(yīng)力使混凝土表面被拉裂。干縮裂縫一般產(chǎn)生在表面很淺的位置,多沿構(gòu)件短方向分布,呈平行線(xiàn)狀或網(wǎng)狀,嚴(yán)重時(shí)可貫穿整個(gè)構(gòu)件截面。

3·1·4 自身收縮裂縫 

自身收縮裂縫與外界濕度變化無(wú)關(guān),而是由于水泥熟料在水化反應(yīng)的過(guò)程中,反應(yīng)后生成物的平均密度變小而引起體系的體積收縮(稱(chēng)為化學(xué)減縮)所致。主要是由于自由水轉(zhuǎn)化為水化產(chǎn)物的一部分,使它的比容降低1/4(即0·25cm3/g)。因此,化學(xué)減縮量的大小取決于水泥水化產(chǎn)物中化學(xué)結(jié)合水量的多少。

3·1·5 碳化收縮裂縫 

碳化收縮裂縫是碳化作用所產(chǎn)生的游離態(tài)水蒸發(fā),引起漿體的收縮所致。碳化作用是指大氣中的CO2在有水的條件下與水化產(chǎn)物作用生成CaCO3、鋁膠、硅膠以及游離態(tài)水,這部分水蒸發(fā)引起混凝土體積收縮(稱(chēng)為碳化收縮),其實(shí)質(zhì)是碳酸對(duì)水泥石的腐蝕作用。一般水泥水化產(chǎn)物的堿度與空氣中CO2濃度越高且濕度適中(50%左右)時(shí),越易發(fā)生碳化作用。因此,這種裂縫易出現(xiàn)在干濕交替的環(huán)境 下,而干燥或水飽和環(huán)境下不易出現(xiàn);且由于裂縫處析出的碳化產(chǎn)物將形成凝膠,阻止CO2進(jìn)入,故一般僅發(fā)生在表面。  

對(duì)以上收縮裂縫的防治可采取以下措施[5~8]: 

(1)摻加高效減水劑、泵送劑以盡量降低用水量;施工時(shí),下料不宜過(guò)快,并振搗密實(shí)。 

(2)對(duì)于早期收縮裂縫的防治,除加強(qiáng)早期養(yǎng)護(hù)外,宜在混凝土終凝前進(jìn)行二次抹壓,在材料上可摻加促凝劑,且宜采用早期強(qiáng)度高、保水性好的普通硅酸鹽水泥;對(duì)于干縮裂縫的防治,可以適當(dāng)延長(zhǎng)養(yǎng)護(hù)時(shí)間,材料上宜選用粉煤灰水泥或中低熱水泥等干縮率小的品種。 

(3)盡可能降低水泥用量,增大粗骨料的含量,且宜選用石灰?guī)r作為粗骨料,因?yàn)樗鼘?duì)收縮的抗裂性?xún)?yōu)于安山巖和砂巖;應(yīng)嚴(yán)格控制骨料的含泥量,砂率不宜過(guò)大,骨料應(yīng)具有良好的級(jí)配。 

(4)降低自身收縮裂縫的有效方法是盡量使用C3A含量低的水泥,因?yàn)楣杷猁}水泥熟料中C3A的化學(xué)減縮量最大,是C2S的3倍,C4AF的5倍。 

(5)防止碳化收縮裂縫關(guān)鍵是降低生成物的堿度,對(duì)新澆混凝土做好濕水養(yǎng)護(hù),而對(duì)使用當(dāng)中的混凝土結(jié)構(gòu)要盡量保持干燥,在CO2等腐蝕性氣體含量高的環(huán)境下要做好防腐措施。 

(6)混凝土澆筑抹光后要及時(shí)用潮濕的草墊或塑料薄膜覆蓋,風(fēng)季施工時(shí)應(yīng)設(shè)擋風(fēng)設(shè)施。 

3·2 溫度裂縫 

溫度裂縫是由于混凝土內(nèi)外溫差或季節(jié)氣溫變化過(guò)大而形成的。在混凝土澆筑過(guò)程中,水泥水化反應(yīng)將放出大量的熱(一般每克水泥可放出502J熱量),使混凝土內(nèi)部溫度升高并在一定齡期出現(xiàn)溫峰,之后下降。由于混凝土內(nèi)部散熱慢而表面散熱快,必將在內(nèi)外形成溫差,為協(xié)調(diào)溫度變形,混凝土表面將產(chǎn)生拉應(yīng)力(即溫度應(yīng)力),當(dāng)超過(guò)混凝土抗拉強(qiáng)度后將使之開(kāi)裂。這種裂縫多為貫穿性的,且較深,嚴(yán)重降低結(jié)構(gòu)的整體剛度;一般在施工結(jié)束幾個(gè)月后出現(xiàn)。此外,在混凝土養(yǎng)護(hù)期間,若受到寒流的侵襲,也會(huì)在混凝土表面引起裂縫,但較淺,危害性也較小�？刂茰囟攘� 縫的產(chǎn)生主要是從降低溫差入手,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含量低的低熱水泥,盡量減少水泥用量,可摻加緩凝高效減水劑;對(duì)大體積混凝土,可適當(dāng)摻入塊石;在拌和水中摻冰屑并對(duì)骨料進(jìn)行噴水冷卻。 

(2)在施工方面,應(yīng)合理安排施工工序,改進(jìn)施工工藝,如澆筑大體積混凝土?xí)r,在混凝土中布設(shè)水管循環(huán)導(dǎo)熱或分塊分層澆筑;改善結(jié)構(gòu)約束條件,如較長(zhǎng)結(jié)構(gòu)要設(shè)溫度縫或后澆帶,在基巖上澆筑時(shí),要鋪50~100 mm砂層以消除其嵌固作用。 

(3)在設(shè)計(jì)方面,主要是做好溫度應(yīng)力計(jì)算,根據(jù)可能產(chǎn)生的溫度應(yīng)力采取相應(yīng)的構(gòu)造措施,如適當(dāng)?shù)嘏渲脺囟蠕摻?分擔(dān)混凝土溫度應(yīng)力。 

(4)此外,尚需加強(qiáng)混凝土養(yǎng)護(hù),做好表面保溫措施(如蓄水養(yǎng)護(hù)或覆蓋潮濕的草墊等),適當(dāng)延長(zhǎng)拆模時(shí)間,以使混凝土表面緩慢散熱;對(duì)于大體積混凝土,控制入模溫度,并進(jìn)行測(cè)溫跟蹤,控制混凝土內(nèi)外溫度差在25℃以?xún)?nèi)。

3·3 沉陷裂縫 

沉陷裂縫是建筑物建成后各部分發(fā)生不均勻沉降而引起的,多為貫穿性的,其位置與沉陷方向一致。建筑物墻體的八字形或倒八字形的裂縫便是一種典型的沉陷裂縫。回填土未經(jīng)夯實(shí)處理,地層中含有軟弱下臥層,建筑物在使用過(guò)程中地基被水(雨水、生活用水等)長(zhǎng)期浸泡等原因都將引起建筑物的不均勻沉降,從而開(kāi)裂。另外在新建工程的地基施工中,若不做好必要的措施(如設(shè)擋土墻、地下連續(xù)墻)防止土坡失穩(wěn)或地下水倒灌,會(huì)削弱相鄰老建筑物的地基承載力,從而導(dǎo)致建筑物沉陷開(kāi)裂。在混凝土施工中,因模板剛度不足、支撐間距過(guò)大、過(guò)早拆模等因素,也會(huì)出現(xiàn)沉陷裂縫。沉陷裂縫往往嚴(yán)重影響建筑物的外觀,并危及結(jié)構(gòu)的耐久性,防止其產(chǎn)生的控制措施有: 

(1)在基礎(chǔ)設(shè)計(jì)時(shí)確保持力層的承載力與地基的均勻受力,在層高不同的部位以及新老建筑物連接處設(shè)置沉降縫。 

(2)在施工中,模板要有足夠的強(qiáng)度和剛度,并支撐可靠;另外,注意施工順序,如先高層后低層,先主體后裙房。 

(3)施工前要做好地質(zhì)勘測(cè)工作,盡量選擇好的持力層,竣工后要避兔地基受到雨水等浸泡。 

3·4 其他裂縫 

除上述裂縫外,在結(jié)構(gòu)的施工過(guò)程還會(huì)出現(xiàn)各種形式的施工裂縫;在結(jié)構(gòu)使用過(guò)程中也會(huì)出現(xiàn)不同類(lèi)型的腐蝕裂縫。 

(1)施工裂縫 施工裂縫是由于施工中操作不當(dāng)或構(gòu)件本身的剛度不夠等因素引起的。如預(yù)應(yīng)力工程中,張拉不當(dāng)會(huì)使構(gòu)件因尚末形成強(qiáng)度或強(qiáng)度不足而開(kāi)裂;模板工程中,若混凝土與模板粘結(jié)則拆模或提升模板時(shí)易將混凝土拉裂;吊裝工程中,會(huì)因構(gòu)件側(cè)向配筋少、剛度差或吊點(diǎn)不正確等因素而出現(xiàn)裂縫。防止這類(lèi)裂縫的關(guān)鍵是嚴(yán)格按照施工規(guī)范進(jìn)行,如預(yù)應(yīng)力張拉須在構(gòu)件強(qiáng)度達(dá)到75%以上時(shí)進(jìn)行,模板與混凝土間涂刷隔離劑,拆�；蚧�升時(shí),先均勻松動(dòng),再緩慢拆離或提升。 (2)腐蝕裂縫 腐蝕裂縫是由于結(jié)構(gòu)長(zhǎng)期處于腐蝕性 

氣液的環(huán)境下引起的,它包括混凝土自身的腐蝕以及鋼筋的銹蝕。這類(lèi)裂縫往往是由于混凝土不密實(shí)所導(dǎo)致的,它們通常與干縮裂縫、溫度裂縫等共同作用,導(dǎo)致裂縫不斷擴(kuò)展,最終削弱結(jié)構(gòu)的耐久性。控制的措施主要是做好混凝土表面及鋼筋的防腐處理,出現(xiàn)裂縫,應(yīng)及時(shí)修補(bǔ)。 此外,若混凝土骨料中存在堿活性成分、水泥中MgO含量過(guò)高(>5%)或UEA等膨脹劑摻量過(guò)多,則會(huì)因發(fā)生堿骨料反應(yīng)或MgO的水化反應(yīng),生成膨脹性的凝膠,造成混凝土膨脹開(kāi)裂,形成的多為網(wǎng)狀或不規(guī)則裂縫。此類(lèi)裂縫往往在結(jié)構(gòu)竣工幾年后才出現(xiàn),因?yàn)樯鲜龌瘜W(xué)反應(yīng)極為緩慢。防治的關(guān)鍵是消除或降低混凝土中此類(lèi)物質(zhì)的存在。

混凝土結(jié)構(gòu)一旦開(kāi)裂應(yīng)立即在鑒定的基礎(chǔ)上采取相應(yīng)的措施。目前,常用的修補(bǔ)方法有表面封閉法、壓力灌漿法及填堵法[1,8]。

4·1 表面封閉法 

針對(duì)寬度小于0·2mm的微裂縫,可將聚合物水泥膏、彈性密封膠或滲透性防水劑涂刷于裂縫表面,以恢復(fù)其防水性和耐久性。該法施工簡(jiǎn)單,但僅適用于淺裂縫。

(1)工藝流程:表面刷毛并沖洗→嵌補(bǔ)表面缺損(可用環(huán)氧膠泥或乳膠水泥)→選材涂復(fù)。 

(2)施工要點(diǎn);①由于涂層較薄,應(yīng)選用粘結(jié)力強(qiáng)且不宜老化的材料;②對(duì)活動(dòng)裂縫,應(yīng)采用延伸率較大的彈性材料;③涂復(fù)均勻,不得有氣泡。

4·2 壓力灌漿法 

針對(duì)寬度大于0·3mm且深度較大的裂縫,可將化學(xué)灌漿材料(如聚氨酯、環(huán)氧樹(shù)脂或水泥漿液)通過(guò)壓力灌漿設(shè)備注入到裂縫深處,以恢復(fù)結(jié)構(gòu)整體性、防水性及耐久性。 

(1)工藝流程:鑿槽→埋設(shè)漿嘴→封縫→密封檢查→配制漿液→灌漿→封孔→灌漿質(zhì)量檢查。 

(2)施工要點(diǎn):①灌漿材料宜選用粘結(jié)力強(qiáng)、可灌性好的樹(shù)脂類(lèi)材料,通常選用環(huán)氧樹(shù)脂;②對(duì)于寬度大于2mm的特大裂縫可采用水泥類(lèi)材料,對(duì)于活動(dòng)性裂縫宜采用經(jīng)稀釋的環(huán)氧樹(shù)脂或聚氨酯;③化學(xué)灌漿壓力控制在0·2~0·4MPa,水泥漿灌漿壓力控制在0·4~0·8MPa,增大壓力并不提高灌漿速度,也不利于灌漿效果;④灌漿后,待漿液初凝而不外滲時(shí),方可拆下灌漿嘴(盒、管)。

4·3 填堵法 

針對(duì)寬度大于0·5mm的寬大裂縫或鋼筋銹蝕裂縫,可沿裂縫將混凝土鑿成“U”型或“V”型槽,然后嵌填修補(bǔ)材料,以恢復(fù)防水性、耐久性或部分恢復(fù)結(jié)構(gòu)整體性。 

(1)工藝流程:鑿槽→基層處理(混凝土去污、鋼筋除銹)→涂刷結(jié)合劑(環(huán)氧樹(shù)脂漿液)→嵌填修補(bǔ)材料→面層處理。 

(2)施工要點(diǎn):①嵌填材料可視具體情況選用環(huán)氧樹(shù)脂、環(huán)氧砂漿、聚合物水泥砂漿、聚氯乙烯膠泥或?yàn)r青油膏;②對(duì)于銹蝕裂縫,先對(duì)鋼筋徹底除銹,再涂防銹涂料。

 

混凝土裂縫問(wèn)題是項(xiàng)技術(shù)難題,長(zhǎng)期困擾工程界。近年來(lái),隨著高早強(qiáng)型水泥的大量使用、商品混凝土泵送施工的大力推廣、混凝土強(qiáng)度等級(jí)的提高、大體積混凝土的涌現(xiàn),在取得成效的同時(shí)也使裂縫問(wèn)題更為突出,甚至成為混凝土質(zhì)量問(wèn)題的焦點(diǎn)。而目前混凝土裂縫主要是收縮變形和溫度變形所致,控制這些裂縫除了廣大工程建設(shè)人員在設(shè)計(jì)與施工方面采取相應(yīng)措施外,也需要科研人員盡快地研制出能減少水泥收縮和水化熱的高效材料,從而將裂縫問(wèn)題降低到最小限度。