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I 对混凝土裂缝的研究 摘摘 要要 混凝土是一种非均质脆性材料，由骨料、水泥石以及其中的气体和水组成。在温度和湿度变化 的条件下，硬化并产生体积变形，由于各种材料变形不一致，互相约束而产生初始应力，造成在混 凝土内出现微裂缝。这种微细裂缝的分布不规则且不连贯，在荷载或应力作用下，裂缝开始扩展， 并逐渐互相贯通，从而出现较大的肉眼可见的裂缝，称为宏观裂缝，即通常所说的裂缝。 开裂发生的原因可能是原材料的选取与配合比的选择不当、施工方法和措施有误、 建筑物所处的条件影响以及结构不合理等。混凝土所产生的温度收缩、干燥收缩、不均 匀沉降、结构应力集中等都可能会导致混凝土开裂。在实际工程中, 往往是各种因素多 重作用引起混凝土开裂。宽度小于或等于 0.05mm 的裂缝通常对使用无大的危害, 叫做 无害裂缝, 而结构物的有害裂缝不仅会降低力学性能和承载力, 而且直接影响结构耐 久性, 缩短使用寿命。 施工中应采取措施使结构尽量不出现裂缝, 或减少裂缝的数量和 宽度, 特别是避免出现有害裂缝。国内外对裂缝宽度都有相应的规定, 如我国的 CCES 01-2004混凝土结构耐久性设计与施工指南, 对钢筋混凝土结构的最大允许裂缝宽 度就明确规定干湿交替和冻融环境下的一般构件为 0.2mm;水中和土中环境下为 0.3mm。 混凝土由于各种收缩引起的开裂问题一直是混凝土结构物裂缝控制的重点和难点。 关键词：混凝土裂缝； 温度裂缝；收缩裂缝；混凝土结构受力裂缝 II 目目 录录 摘要 错误！未定义书签。错误！未定义书签。 一、一、混凝土裂缝的类型及成因混凝土裂缝的类型及成因1 （一）（一）混凝土因自身特性产生裂缝 1 （二）（二）化学反应引起的裂缝 4 （三）混凝土结构受力裂缝4 （四）施工工艺及流程造成的裂缝5 二、二、混凝土裂缝的预防措施混凝土裂缝的预防措施 6 （一）严格控制混凝土施工配合比 6 （二）严格控制混凝土的温度应力 6 （三）做好裂缝计算6 （四）做好混凝土的浇筑和振捣（四）做好混凝土的浇筑和振捣.6 （五）做好后浇带的施工（五）做好后浇带的施工.7 三、三、混凝土裂缝的处理措施混凝土裂缝的处理措施 7 （一）（一）表面修补法 7 （二）（二）灌浆、嵌缝封堵法7 （三）（三）结构加固法 7 （四）混凝土置换法混凝土置换法.7 （五）电化学护法（五）电化学护法.7 （六）仿生自愈合法（六）仿生自愈合法.8 四、结束语四、结束语 8 致致 谢谢9 参考文献参考文献10 1 对混凝土裂缝的研究 一 、 混凝土裂缝的类型及成因 造成混凝土裂缝的原因是多方面的,一般而言,可分为混凝土自身原因和外部原因两大 类。在此,我们就按此分类谈谈常见裂缝的成因。 （一）（一） 混凝土因自身特性产生裂缝混凝土因自身特性产生裂缝 1.1.收缩裂缝收缩裂缝 收缩裂缝顾名思义其产生原因就是混凝土硬化后水份蒸发体积收缩。从理论 上讲，当混凝土在无任何约束而处于自由收缩时，不会产生裂缝，而实际工程中，混凝土总 是受到各种约束的，如两端的约束、内部配制钢筋的约束等。由于混凝土收缩过程中受到约 束，因而内部产生拉应力，当拉应力大于混凝土的抗拉强度时，就会产生收缩裂缝。一般来 讲，混凝土受到的约束越大，其产生的收缩裂缝越多或越宽。由于混凝土体积收缩是因为水 份蒸发、干燥导致的，因而收缩裂缝也通常称为干缩裂缝。因为混凝土中的水份蒸发通常情 况下主要在混凝土浇捣后的硬化过程中和硬化早期一个月左右时间内完成的，尤其在硬化过 程中水份蒸发速率相对较大；因而，相应地收缩裂缝出现的时间一般在混凝土浇捣后的硬化 过程中和硬化早期一个月左右的时间内，通常情况下，混凝土拆模时收缩裂缝就已基本形成， 有时只是因为裂缝太细、太窄不易被发觉，之后随着混凝土水份的进一步蒸发，其收缩裂缝 逐渐变粗，或者由于产生渗漏等情况，才被发觉。一般情况下，几个月以后，混凝土体内多 余水份蒸发已基本完成，混凝土内湿度与环境湿度基本趋于一致，因而收缩裂缝的宽度发展 也趋于停止，处于相对稳定状况。当然，之后还将随着环境湿度和温度的变化而略有变化， 当环境湿度变大时，混凝土将吸取空气中的水份，而收缩裂缝变窄些，反之当环境湿度变小 时，混凝土收缩裂缝将变宽些。另外，还随着环境温度变化，混凝土也将产生热胀冷缩现象， 因而收缩裂缝也会随着环境温度的升高而变窄些，反之，随着环境温度的降低而变宽些。这 种变化可分为：早期体积变化、硬化过程的体积变化、硬化后的体积变化。见表 1 表 1混凝土体积变化分类 2 如果混凝土的体积变化受到束约,且混凝土自身抵抗这种变形的抗拉性能过低时,就会产 生开裂。可以说,混凝土自身收缩是其固有的物理特性,而由此类原因产生的收缩裂缝,占常见 裂缝的绝大多数。 (1)(1) 干燥收缩干燥收缩 由于水泥混凝土的脱水干燥,其长度或体积会有所减少,称干燥收缩。混凝 土的干燥收缩主要是由于水泥石的干缩引起的;水泥石的收缩比混凝土大,约为普通混凝土的 1d 的龄期为基准,相对湿度 70 %左右的环境下,最终的收缩变形为左右。影响其干缩变形的主 要原因可分为内外两方面原因: 内因涉及单方水泥用量、用水量、水灰比、骨料(品种和单方 用量) 以及构件大小(厚度) ;外因则涉及环境相对湿度、干燥时间等。 (2)(2) 水化收缩水化收缩 水泥和水反应后生成物体积,会比反应前水泥和水的体积减小;水化反应 的同时,绝对体积也会减少,即产生水化收缩。 (3)(3) 混凝土自身收缩混凝土自身收缩 所谓自身收缩,是指在外部无水分供应时,水泥浆的骨架形成后,伴 随着水泥水化反应的逐步完成,水泥浆中的水被消耗,会形成弯液面而发生负压,出现的收缩 现象。 (4)(4) 干湿引发的体积变化干湿引发的体积变化 硬化后混凝土结构虽然是稳定的,但在水中或者高湿度的地方, 体 积 变 化 初始体积变化 沉降、收缩 早期干燥收缩(塑性收缩) 硬化过程的体积的变 化 干燥收缩:伴随着干燥而发生的收缩 自收缩:水泥浆结构形成后,由于水泥水化吸收毛 细管水，毛细管产生张力产生的收缩 硬化后的体积变化 碳化收缩 干湿而产生:润湿、干燥的反复作用 由于温度而产生体积变化:由常温到高温,或由高 温到低温而产生的体积变化 水化收缩 水泥水化物的绝对体积比水化前水泥的绝对体积 和水的体积小而产生的收缩。这种收缩成为宏观收缩 的一部分;但水化收缩大部分变成水泥石中的孔隙 3 会由于吸水而产生膨胀,称之为润湿膨胀。影响其膨胀率的主要原因有:混凝土中单方用水量、 水泥用量、水灰比、骨料以及构件的大小(厚度) 、混凝土浸水前的干燥状态以及水中存放期 限等。 2 2 温度裂缝温度裂缝 温差裂缝主要是由于温度差或由于温度的变化通过混凝土热胀冷缩效应而引 起混凝土开裂的。但这其中可分为二类。 一类为由于混凝土内部存在一个温度差， 从而内部产生温度应力而导致混凝土开裂的。 这 一般发生在厚度lm 的大体积混凝土中，出现时间一般在混凝土硬化过程中和硬化早期，其 温度变化来源于水泥水化反应过程中所释放的水化热，在混凝土表面由于热量散发较混凝土 内部快，因而在混凝土表面和内部形成一个温度梯度，产生温差，从而产生温度应力，当温 度应力大于混凝土抗拉强度时，混凝土就会产生裂缝，此类裂缝宽度一般情况下不会超过 03mm，但若施工过程中控制不当，温差过大，有时局部也会超过 03mm。此类裂缝有贯穿 的，也有不贯穿的。对于对大体积混凝土,温升引起的膨胀是极其危险的。由于混凝土体积大, 聚积在内部的热量不易散发,导致混凝土内部温度就显著升高;而混凝土表面散热较快,这样 便形成较大的内表温差,使混凝土内部产生压应力,表面产生拉应力。当表面拉应力超过此时 混凝土的极限抗拉强度时,就会在混凝土表面产生表面裂缝。同时,随着水化反应的减弱,混凝 土将逐渐降温,这个降温过程则会引起混凝土的收缩变形;加上混凝土多余水分蒸发也会引起 的体积变形,当它们受到地基和结构边界的约束,会产生较大的收缩应力(拉应力) ,当该收缩 应力超过混凝土抗拉应力时,混凝土会产生贯穿整个截面的裂缝。 另一类温差裂缝并不是开裂混凝土本身内部有温度差引起的， 而是出于整个混凝土结构中 局部混凝土构件受环境温度的变化，通过热胀冷缩效应，对与其相关的构件产生拉应力。当 这个来自外部的拉应力大于混凝土抗拉强度时，混凝土就开裂。此类裂缝出现的时间较晚， 一般在混凝土硬化后 12 年出现，一旦出现通常是贯穿的，宽度一般03mm，但个别局位 也会超过 03mm。例如，在建筑物的东西两端墙角混凝土楼板处，由于墙角两侧的混凝土墙 体受太阳的照射，温度升高，产生膨胀，从而对与之相连的混凝土楼板产生两个垂直方向的 拉应力，其合力为 45方向，若该拉应力大于混凝土楼板的抗拉强度时，则在墙角处的混凝土 楼板会在与外界 45拉应力合力方向相正交的方向产生 45的斜裂缝。由于对混凝土楼板来讲 这个温度变化而产生拉应力来自外部和结构有关，因而，这里对这一类温度裂缝的预防、控 制不展开讨论。 影响温度裂缝的主要因素有:水泥品种、水泥浆量、构件形状、断面尺寸、混凝土浇注时 温度及外界气温等。 3.3.沉陷沉陷( (塑性塑性) ) 收缩裂缝的成因收缩裂缝的成因 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。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，或者混摄 土刚刚终凝而强度度小时受高温或较大风力的影响，混凝土表面失水过快造成毛细管中 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水灰比、混凝土的凝结时间、环境温度、 4 风速、相对湿度等等。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；或者因为模板厚度不足模扳支撑间距过大或支撑底部松动所致， 特别是在冬季， 摸板支撑在冻土上 冻土化冻后产生不均匀沉障， 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呈 3O一 45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。 （二）化学反应引起的裂缝（二）化学反应引起的裂缝 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由于化学反应而引 起的裂缝。混凝土拌和后会产生一些碱性离子这些离子与某些活性骨料产生化学反应并吸 收周围环境中的水而体积增大，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越进行预防。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。钢筋在混凝土中腐蚀是 电化学(原电池) 的反应过程。决定钢筋腐蚀反应的基本因素是电位差、水和氧缺一不可,实 际腐蚀速度大多不是受制于氧的供应。cl 是钢筋腐蚀反应的最强烈的活化剂, cl 能破坏 钢筋表面钝化膜从而引发腐蚀,也能增高溶液导电性、增大电位差、加速腐蚀反应;所以当混 凝土中掺有氯盐或掺入 cl 时就容易引发钢筋锈蚀,现实工程中的钢筋锈蚀病害大多起因于 此。混凝土中钢筋表层腐蚀或铁锈后,体积可增加几倍,挤压其外侧混凝土并使之产生垂直于 径向胀压力的拉应力,拉应力超过混凝土的承耐能力就将在混凝土的保护层上引发出顺沿钢 筋的纵向裂缝。 裂缝出现后,外面的水、 气(氧) 可沿缝渗入并进一步加速腐蚀,如是发展下去, 裂缝将更增宽、 延长,甚至混凝土保护层大片破裂剥落。 钢筋截面可随着锈蚀发展而相应减小, 细径钢筋甚至可被锈断并对工程结构的安全性、耐久性造成恶劣的影响。 （三）（三） 混凝土结构受力裂缝混凝土结构受力裂缝 结构受荷后产生裂缝的因素很多，施工中和使用都可能出现裂缝。例如早期受震、拆模 过早或方法不当、构件堆放、运输、吊装时的垫块或吊点位置不当、施工超载、张拉应力值 过大等均可能产生裂缝。而最常见的是钢筋混凝土梁、板等受弯构件，在使用荷载作用下往 往出现不同程度的裂缝。普通钢筋混凝土构件在承受了 30%40% 的设计荷载， 就可能出现 裂缝， 肉眼一般不能察觉， 而构件的极限破坏荷载往往都在设计荷载的 1.5 倍以上。所以 在一般情况下钢筋混凝土构件是允许带裂缝工作的(这类裂缝有的文献称之为无害裂缝)。在 钢筋混凝土设计规范中， 分别不同情况规定裂缝的最大宽度为 0.20.3nun 对那些宽度超过 规范规定的裂缝， 以及不允许开裂的构件上出现裂缝则应认为有害，需加以认真分析， 慎 重处理。 （四）（四） 施工工艺及流程造成的裂缝施工工艺及流程造成的裂缝 1.1.施工不当造成的裂缝施工不当造成的裂缝 混凝土施工过程中由于施工不当、模板支撑下沉，或过早除梁板 5 底模和支撑等形成的裂缝；施工控制不严，由于施工荷载过大而导致出现裂缝。 2.2.在施工中在施工中， 不规范的浇捣过程对裂缝产生也有直接影响不规范的浇捣过程对裂缝产生也有直接影响 振捣时间过短， 或振捣不到位， 混凝土都无法达到密实状态；而如果振捣时间过长，石子下沉上面砂浆偏多，该处水泥较多， 干缩变形也就较大，收缩不均匀也容易产生裂缝。 3.3.模板模板、垫层过于干燥垫层过于干燥 模板、垫层在浇筑混凝上之间洒水不够，过于干燥，则模板吸水 过大，引起混凝土的塑性收缩，产生裂缝。 4.4.抹干压光造成的裂缝抹干压光造成的裂缝 过度的抹平压光会使混凝土的细骨料过多地浮到表面， 形成含 水量很大的水泥浆层，水泥浆中的氢氧化钙与空气中二氧化碳作用生成碳酸钙，引起表面体 积碳水化收缩，导致混凝土板表面龟裂。 5.5.养护不当造成的裂缝养护不当造成的裂缝 过早养护会影响混凝土的胶结能力；过迟养护，如干燥过快，则 通常在表面上产生宽度小且不规则的收缩裂缝。开始养护的时间应该考虑气温、湿度、风速 等等因素，一般情况下，在混凝土初凝时，需开始养护。养护措施要合理，应该采用麻袋覆 盖浇水养护，以保证混凝土表面能够充分的湿润，养护时间应在 7 天以上。养护不好则对混 凝土整体质量影响特别显著，将直接影响到混凝土的抗裂能力。特别是在冬季和夏季施工期 间，更要注意混凝土内外温差和湿度的控制。 6.6.后浇带施工不慎而造成的裂缝后浇带施工不慎而造成的裂缝 为了解决钢筋混凝土收缩变形和温度应力， 规范要求 采用施工后浇带法，有些施工后浇带不完全按设计要求施工，例如施工未留企口缝：板的后 浇带不支模板造成斜坡槎；疏松混凝土未彻底凿除等都可能造成板面的裂缝。 7.7.砼的弹性变形及支座处的负弯矩砼的弹性变形及支座处的负弯矩 施工中在混凝土未达到规定强度，过早拆模，或者在 混凝土未达到终凝时间就上荷载等。这些因素都叮直接造成混凝上的弹性变形，致使砼早期 强度低或无强度时，承受弯、压、拉应力，导致产生内伤或断裂。施工中不注意钢筋的保护， 将会造成支座的负弯矩，导致板面出现裂缝。此外，大梁两侧的楼板不均匀沉降也会使支座 产生负弯矩造成横向裂缝。 二、 混凝土裂缝的预防措施 设计方面、施工方面的因素可以通过人为措施进行干预和调整，并且能够得到改善甚至 于做到完全避免；而混凝土自身的干缩变形确是无法完全避免的，因为它是混凝土本身固有 的特性，我们只有通过改善各种影响混凝土干缩变形的因素， 才能减少和减小混凝土的裂缝 产生和宽度。 对混凝土裂缝的控制方法， 应该以预防为主， 同时在施工过程做好过程控制， 尽 量做到按设计和施工规范进行操作， 如果发现微小裂缝存在，应及早进行处理补救。现针对 现场实际可能出现的情况，提出以下控制措施和建议。 （一）严格控制混凝土施工配合比（一）严格控制混凝土施工配合比 根据混凝土强度等级和质量检验以及混凝土和易性的要求确定配合比。 严格控制水灰比和 水泥用量。选择级配良好的石子，减小空隙率和砂率以减少收缩量，提高混凝土抗裂强度。 （二）严格控制混凝土的温度应力（二）严格控制混凝土的温度应力 6 温度应力是产生温度裂缝的根本原因，一般将内外温差控制在 2025 范围内时，不会 产生温度裂缝。在保证混凝土强度的条件下，尽量减少水泥用量和每立方米混凝土的用水量； 尽量降低混凝土的入模温度，规范要求混凝土的浇筑温度不宜超过 28 ，故在气温较高时， 可在砂石堆场、运输设备上搭设简易遮阳装置，采用低温水或冰水拌制混凝土。 （三）做好裂缝计算（三）做好裂缝计算 设计单位除对钢筋混凝土结构体系进行常规计算以外，还应考虑现场的实际施工状况， 对容易产生裂缝的部位进行裂缝计算，同时选择合理的混凝土强度等级和配筋，如对楼板配 筋改成细密型的，采用上下双层双向配筋，在柱支座处增加钢筋网片等等。 （四）做好混凝土的浇筑和振捣（四）做好混凝土的浇筑和振捣 在混凝土浇捣前，应先将基层和模板浇水湿透，避免过多吸收水分，浇捣过程中应尽量 做到既振捣充分又避免过度。在楼板浇捣过程中更要派专人护筋，避免踩弯面负筋的现象发 生。通过在大梁两侧的面层内配置通长的钢筋网片；承受支座负弯矩，避免因不均匀沉降而 产生的裂缝。混凝土浇捣完成后，要及时进行养护，包括湿度和温差方面的要求。禁止在混 凝土强度未达到设计和施工规范规定要求的情况下，擅自进行拆除支撑和模板。同时应根据 设计提供的承载力限值，合理进行材料堆放。 （五）做好后浇带的施工（五）做好后浇带的施工 施工后浇带的施工应认真领会设计意图，制定施工方案。杜绝在后浇处出现混凝土不密 实、不按图纸要求留企口缝。 三 、 混凝土裂缝的处理措施 （一）表面修补法（一）表面修补法 表面修补法是一种简单、常见的修朴方法它主要适用于稳定和对结构承载能力没有影 响的表面裂缝以及探进裂缝的处理。通常的处理措施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，通常可以采用在裂缝的表面粘贴玻璃纤维布等措施。 （二）灌浆、嵌缝封堵珐（二）灌浆、嵌缝封堵珐 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人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、甲基丙烯酸酯、聚氨酯等化学材料。 嵌缝法是裂缝封堵中最常用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。以迭到封闭裂缝的目的。常用的塑性材料有聚氯乙烯胶泥、塑料油膏、丁基橡腔等等。 7 常用的刚性止水材料为聚合物水泥砂浆。 （三）结构加固法（三）结构加固法 当裂缝影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处理。结 构加固中常用的主要有以下几种方法：加大混凝土结构的截面面积在构件的角部外包型钢、 采用预应力法加固、粘贴钢板加固、增设支点加固以及喷射混凝土补强加固。 （四）混凝土置换法（四）混凝土置换法 混凝土置换珐是处理混凝土严重损坏的一种有效方法此方法是先将损坏的混凝土剔除， 然后再置换新的混凝土或其他材料。常用的置换材料有：普通混凝土或水泥砂浆、聚合物或 改性聚合物混凝土或砂浆。 （五）电化学防护法（五）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