混凝土裂缝分析及其防治措施研究

1、混凝土裂缝分析及其防治措施研究张永存1.2，李青宁1(1西安建筑科技大学土木工程学院，陕西西安710055；2河南城建学院，河南平顶山467044)摘 要： 首先介绍了混凝土裂缝的类型及其各种不同的分类方法，并说明了裂缝在工程建设当中的不良影响，总结了国内外对裂缝宽度的不同控制标准。其次，详细分析了各种混凝土裂缝产生的原因，主要包括混凝土收缩变形引起的裂缝、温度应力引起的裂缝、碱骨料反应引起的裂缝、外荷载作用引起的裂缝、结构基础不均匀下沉引起的裂缝等。归纳总结了一些工程上常见的混凝土裂缝预防和修补措施，通过一些试验工作对具有抗裂作用的混凝土减缩剂进行了研究。关键词： 混凝土；裂缝；成因；防治措

2、施；减缩剂0 引言 混凝土与其他建筑材料相比，具有价格低廉、承载能力大、施工方便、可装饰性强等优点，广泛地应用于房屋建筑、桥梁隧道、河海堤坝等各种工程建设中。混凝土的发展历程，大致经历了普通混凝土一钢筋混凝土一预应力钢筋混凝土一高强、高性能混凝土等几个发展阶段。人们在大规模地利用混凝土进行建设的同时，始终在不断地研究、发展和改进着混凝土的性能。而混凝土的裂缝是科研和工程施工技术人员所面I临的一个棘手的问题，混凝土的裂缝不仅影响着混凝土的外观质量，更影响着混凝土的强度和耐久性，因此，弄清楚混凝土裂缝的成因并据此制定出相应的防治措施是有必要的。1 混凝土裂缝的分类1.1 按可见度可分为：微观裂缝和

3、宏观裂缝 微观裂缝是指那些肉眼看不见的裂缝，主要可分为3种：水泥石裂缝：水泥浆中的裂缝，发生在骨料与骨料之间。骨料裂缝：骨料本身所具有的裂缝。黏结裂缝：骨料与水泥石黏结面上的裂缝，主要沿骨料的周围出现。微观裂缝在混凝土结构中的分布是不规则、不贯通的。 肉眼看得见的裂缝称为宏观裂缝，这类裂缝的范围一般不小于0.04 mm。宏观裂缝是由微观裂缝扩展而来的。1.2 按危害程度划分 (1)有害裂缝：较宽较深的裂缝，对结构物的承载能力或耐久性有较大的影响。 (2)无害裂缝：一般是指裂缝宽度小于O.l mm，对结构物的承载能力或耐久性没有影响的表面裂缝。1.3 按出现时间划分 (1)早期裂缝：指结构或构件

4、在制作和施工过程中出现的裂缝。 (2)后期裂缝：指结构或构件在使用阶段受到各种因素的作用，出现的新裂缝以及原有裂缝宽度扩展、长度延长。1.4 按裂缝深度h与结构厚度日的关系划分(l)hO.lH为表面裂缝。 ( 2)O.lH<h<0.4H为浅层裂缝。( 3)0.4Hh<lOH为纵深裂缝。(4)h=H为贯穿裂缝。应当尽量避免纵深及贯穿性裂缝。1.5 按裂缝产生的原因划分 (1)由外荷载引起的裂缝。这种裂缝包括施工和使用阶段的动、静荷载引起的裂缝。 (2)由变形引起的裂缝。这种裂缝是指因温度和湿度变化、不均匀收缩和膨胀、基础不均匀沉降使混凝土变形引起的裂缝。(3)设计裂缝。这种裂缝

5、包括设计错误引起的裂缝和设计允许裂缝。GBJ 10-89混凝土结构设计规范规定，允许裂缝宽度为0.20.3 mm。 (4)施工裂缝。施工时混凝土因拌合物坍落度过大引起的塑性裂缝，或因施工工艺不当，或因拆模过早、起吊过早等施工原因造成的裂缝。一些常见的混凝土裂缝形式如图1所示。2 混凝土裂缝的危害及其宽度限值 混凝土裂缝在施工中是一种常见的质量通病，混凝土结构或构件所出现的裂缝，有的破坏结构的整体性，降低构件的刚度，影响结构的承载能力；有的虽对承载能力无多大影响，但会引起钢筋锈蚀，降低结构物的耐久性，或发生渗漏，影响建筑物正常使用；另外，裂缝的存在影响建筑物的外观，给使用者不安全的感觉。 混凝土

6、的裂缝虽然是不可避免的，其微观裂缝更是混凝土本身的物理力学性质所决定的。但它的危害程度是可以控制的，危害程度的标准是根据使用条件所决定的。目前世界各国的规定不完全一致，但大致相同。如从结构耐久性、承载力及正常使用要求来看，最严格的允许裂缝宽度为O.l mm。近年来，许多国家已根据大量试验和泵送混凝土的经验将其放宽到0.2 mm。当结构所处的环境正常，保护层厚度满足设计要求，无侵蚀介质的条件下，钢筋混凝土裂缝宽度可放宽至0.4 mm；在湿气及土中为0.3 mm;在海水及干湿交替中为0.14 mm。沿钢筋的顺筋裂缝有害程度较高，必须处理【1】。3 混凝土裂缝的成因分析 混凝土产生裂缝的原因很多，有

7、材料自身的因素，也有外部环境作用的因素，但归纳起来主要有以下一些原因。3.1 外荷载作用引起的裂缝 混凝土结构物在各种静力荷载和动力荷载的作用下，当混凝土内部所受到的拉应力超过其抗拉强度时，结构物就会出现垂直于构件纵轴方向的裂缝；当构件所受到的最大剪应力超过其抗剪强度时，就会出现斜向裂缝。3.2 温度应力引起的裂缝是受到各种约束作用的，在温度升高时，由于不能自由膨胀而产生温度内压应力；在温度降低时，由于不能自由收缩而产生温度内拉应力。又由于混凝土的抗拉强度很低，容易被较大温差所引起的温度应力所破坏，从而产生温度裂缝。水泥水化过程中会放出大量的水化热，每克水泥可释放出50.2 J热量，从而使混凝

8、土内部温度升高，通常可在浇筑温度基础之上升高35左右。特别是优质的硅酸盐水泥和普通水泥，其中C3A、C3S含量较高，比表面积较大，水化快，早期水化热更高。如果在夏季施工时不采取降温措施，混凝土内部温度可达到6070，大体积混凝土内部温度会更高。水泥水化热在13 d可放出热量的50070，由于热量的的传递、积存，混凝土内部最高温度大约发生在浇筑后的35 d。由于混凝土内部和表面散热条件不同，所以混凝土中心温度高，形成温度梯度，产生温度变形和温度应力。当温度应力超过混凝土的抗拉强度时，就会产生温度裂缝。这种裂缝的特征是裂缝出现在混凝土浇筑后的35 d，最初裂缝很细，呈裂纹状，随着时间的延长而不断扩

9、展，甚至达到贯穿裂缝【2】。3.3 结构基础不均匀下沉引起的裂缝 建筑物地基上不同点的土质不同，压缩模量也就不同，对水的渗透系数也不相同，如处理不恰当，就会引起地基的不均匀沉降而使混凝土产生裂缝。这种裂缝一般较大，较深，有一定的规律性，大多沿土质分界线分布。3.4 混凝土塑性收缩引起的裂缝 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，或者混凝土刚刚终凝而强度很小时，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

10、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的收缩，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、风速、相对湿度等。3.5 混凝土干缩引起的裂缝 由于水泥混凝土养护不当，在风吹日晒下，水泥混凝土表面水分蒸发过快，体积迅速收缩，而内部温度变化小，收缩小，从而使表面的收缩变形受到内部水泥混凝土的约束，产生拉应力，引起水泥混凝土表面裂缝，这类裂缝的宽度可大可小，小的细如发丝，大的可到毫米，其长度可由几厘米到几米，深度一般不超过5 cm，分布的形状一般是规则的。3.6碱一骨料反应引起的裂缝 水泥中的碱性物质与骨料中的活性氧化硅发生反应，析出胶状的碱一硅胶，

11、它从周围的介质中吸水膨胀，体积可增大数倍，使混凝土胀裂。其特点是裂缝中有白色沉淀的胶体，是杂乱的“地图”状。3.7 其他因素引起的裂缝 除了上述原因外，还有其他很多种引起混凝土开裂的原因。如砂、石含泥量过大，混进杂质；水泥受潮和过期；外加剂、掺合料选用不当，掺量不适宜；寒冷地区混凝土的冻胀；化学收缩；钢筋锈蚀以及施工方法不当等3-5。4 混凝土裂缝的预防措施4.1 一些预防措施方面的建议 (1)混凝土施工时，要严格控制水泥用量、单位体积用水量，在满足施工条件下，减小拌合物的坍落度，以减小或防止干缩裂缝和塑性裂缝的产生。 (2)对于大体积混凝土应选用低热水泥，采用分层浇筑，尽量减少温度裂缝的发生

12、。 (3)使用混凝土引气减水剂。这样可以改善混凝土的和易性，减少用水量，并通过引入气泡来提高混凝土的抗裂性，从而减少裂缝的发生。 (4)在混凝土中掺人超细矿粉能有效地降低水化热，减少混凝土收缩，提高混凝土耐久性，增强混凝土的后期强度，防止裂缝的出现。超细矿粉的种类有风选粉煤灰、磨细粉煤灰、磨细水淬高炉炉渣、硅铁厂的硅灰、磨细沸石粉、磨细石英粉等，都是由工业废粉和天然砂石加工而成，从而做到了变废为宝。(5)浇筑混凝土后，表面应及时覆盖并浇水养护。 (6)采用二次振捣和多次抹面工艺。 (7)在混凝土拌制时加入适量钢纤维或聚丙烯纤维等，形成纤维混凝土，可以明显提高混凝土的抗裂性。 (8)在配制混凝土

13、时加入适量减缩剂，可以显著减小混凝土的早期自收缩和干燥收缩变形，从而大大减少混凝土裂缝的出现。4.2 混凝土减缩剂的试验研究 如何减少或防止混凝土因干燥收缩而产生的裂纹或裂缝，是各国混凝土工作者都感兴趣的研究课题。其中混凝土膨胀剂开发研究的成功，补偿收缩混凝土的运用是解决混凝土干缩的重要途径，目前已被广泛应用于补偿收缩混凝土、自应力混凝土及无收缩自流型灌浆材料等。然而混凝土膨胀剂掺量大不经济，难以控制膨胀率；特别是需要混凝土在早期有水的养护，如果养护困难或没法养护它将不能提供膨胀；另外它常在混凝土中引起碱集料反应。因此研究开发无碱低掺量有机减缩剂具有十分重要的意义。 欲通过试验配制一种混凝土减

14、缩剂，由于混凝土减缩剂一般都是表面活性物质，通过参考一些国内外减缩剂的主要化学组成成分，初步选定以下几种化学物质：叔丁醇、三乙醇胺及聚乙烯醇，然后对这些物质依次进行表面张力测定试验、高强水泥胶砂干缩试验、砂浆强度试验，最后选出那种可以明显减小砂浆试块干缩量并且对砂浆的强度又影响不大的物质，以作为试用混凝土减缩剂6-8。 试验所用原材料为甘肃祁连山P-042.5级水泥、中国ISO标准砂、三乙醇胺、聚乙烯醇、叔丁醇等；水泥用量与砂子用量之比为1:3，水灰比为0.5，化学试剂掺量为水泥用量的1.7%；试验仪器有DP-AW精密数字（微差压）压力计、恒温水槽、表面张力测定管、毛细管、温度计、烧杯、量筒、

15、试管若干、玻璃棒、40 mmx40 mmx160 mm的带孑L试模若干个、立式收缩仪(精度为O.Ol mm)、收缩头（用黄铜制成）若干个、天平（感量为0.2 g）、电动抗折仪（精度1%）、液压式压力试验机等。 按照上述试验配合比制作4组砂浆试块（每组9块，大小均为40 mmx40 mmx160 mm），其中1组不掺入任何化学试剂，其他3组分别掺人三乙醇胺、聚乙烯醇和叔丁醇024h后，拆去试模，在试块表面标上分类号，并把试件放人20左右的水中进行标准养护，以后按一定龄期分别对砂浆试块进行干缩试验和强度试验。试验结果见图2和表1，试验过程当中拍摄的图片见图3。所掺化学试剂抗压强度/MPa抗折强度/

16、MPa3d28 d3d28 d无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 从试验结果可以看出，这3种化学试剂都有一定的减缩效果，其中3d时，三乙醇胺的减缩率为29.8070，聚乙烯醇为45.2%，叔丁醇为51.8070；28 d时，三乙醇胺的减缩率为13%，聚乙烯醇为26070，叔丁醇为31.2%。显然，叔丁醇和聚乙烯醇的减缩效果更为明显，这和溶液表面张力试验中二者降低液体表面张力的能力更强是一致的。基本上各种试剂的掺人都或多或少地降低了砂浆的抗折和抗压强度。其中三乙醇胺和叔丁醇

17、对强度影响相对比较小；而聚乙烯醇的掺人极大地降低了砂浆的强度，究其原因可能是由于掺人该种试剂后，在溶解和搅拌时产生大量气泡，并且砂浆的黏度增大，呈棉絮状，从而造成砂浆强度过低。综合它们各自的性能，可知叔丁醇更适合做为减缩剂使用，并且推荐掺量为水泥用量的1%3%。5 混凝土裂缝的治理措施， 如果裂缝已经产生了，应请有关人员到现场察看裂缝发生的部位，测量其长度、宽度和深度，并分析裂缝产生的原因，如果是有害裂缝，应根据裂缝的特点选择合理的治理方案。常见的裂缝治理措施主要有以下几种： (1)表面覆盖法。这是最简单和最普通的裂缝修补方法。用于修补稳定和对结构影响不大的静止裂缝，通过密封裂缝来防止水汽、化

18、学物质和二氧化碳的侵入。本方法适用于表面出现龟裂裂纹的混凝土，即裂缝宽度<O.l mm。此法不但能修补小裂缝，而且能保护混凝土，免于外界有害物质的腐蚀。具体有两种方法：乳液法：该方法使用的材料是以水作为分散剂，将聚合物改性水泥砂浆等材料涂覆于混凝土结构物的表面，用刷涂或辊涂的方法施工。此方法的优点是价格低、无毒、不燃。但材料保管、运输怕冻（一5以下，易变质），耐水性差，涂抹表面粗糙，不美观，成膜温度需在10以上。不太适宜于在寒冷地区使用。溶剂法：该方法是用封缝涂料，其中封缝涂料分为底层涂料和面层涂料，且皆为有机溶剂型封缝涂料。涂覆于混凝土结构物的表面，用刷涂或辊涂的方法施工。该法所用材料

19、克服了乳液法的缺点，材料不怕冻（-20储存不变质），耐水性好，涂膜表面光亮、美观，黏结力强，耐碱，耐洗刷，耐紫外线，耐冻融循环，负温下也能成膜，适用于环境温度-4530。但此法价格较高，储存需防火。(2)压力注浆法。此法也称注入法，主要适用于裂缝宽度在0.20.5 mm左右的深裂缝，对结构整体性有影响或有防渗要求的混凝土裂缝的修补。该法是施加一定的压力，将灌浆材料注入到混凝土内部，胶结材料硬化后与混凝土形成一个整体，从而对裂缝进行黏合，封闭和补强。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。 (3)嵌缝封堵法。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

20、嵌填塑性或刚性止水材料，以达到封闭裂缝的目的。常用的塑性材料有聚氯乙烯胶泥、塑料油膏、丁基橡胶等；常用的刚性止水材料为聚合物水泥砂浆灌浆材料。该法凿槽困难，易损伤周围的混凝土，界面处理也比较复杂。 (4)碳纤维粘贴法补强。本法适用于裂缝宽度>0.5 mm以上部位。该法用结构胶将碳纤维布粘贴在裂缝处进行修补，可以提高结构承载力。碳纤维材料抗拉强度是普通钢材的10倍，弹模略高于钢材，具有良好的耐久性，质量密度则不足钢材的1/4，厚度只有1.0 mm，修补不增加质量，裁减、粘贴都很方便。与其他粘贴法相比，能显著提高构件强度与延性，无需特殊养护，施工操作简单，速度快，无需大型设备。但当裂缝宽度较大时，应先对裂缝进行压浆处理后，再进行粘贴碳纤维布的处理。与其他方法相比碳纤维粘贴法修补混凝土裂缝价格贵，大面积使用时造价较高。 (5)混凝土置换法。混凝土置换法是先将损坏的混凝土剔除，然后再置换人