混凝土裂缝原因分析及改进措施.pdf

第 4 o 卷第 1 期 2 0 1 2 年 2月 现 代 冶 金 M o d e r n M e t a l l u r g y Vo 1 40 NO1 Fe b2 01 2 混凝土裂缝原 因分析及 改进措施 裘 刚 ( 南京钢铁股份有限公司中板厂 ，江苏 南京 2 1 0 0 3 5 ) 摘 要：混凝土 的裂缝 问题是一个普遍存在 的问题 ， 并且在 出现裂缝 后难 于解决 通过 对混凝土结构中形成裂缝 的原 因进行探讨 分析 ， 提 出了一些常见裂缝的预 防控制、 处理措施 关 键 词 ：混 凝 土 ；裂 缝 ；温度 ；湿 度 中图分类号 ： TU5 2 8 O 7 引 言 混凝土是一种 由砂石骨料 、 水泥 、 水以及其他外 加材料混合而形成 的非均质脆性材料 ， 它： 是一种各 组分具有不同性质的多相复合材料 。由于混凝土施 工、 本身变形和约束等一系列问题， 硬化成型的混凝 土中存在众多的微隙孔、 气孔和微裂缝 。 硬化混凝土 中游离水的作用形成 的毛细孔、 混凝土拌合物 中夹 带 的空气 未 被完 全排 除形 成 的气 孔 、 以及 水泥 石 凝 胶 固相之间的凝胶孔等使得混凝土存在众：多的微隙 孔和气孔。而浇筑 时由于混凝土的泌水作用引起 的 沉缩和硬化过程中水泥浆水化造成的化学收缩和物 力 收缩 ( 干 缩 ) 受到 硬 骨料 的 限制 ， 在 不 同层 次结 合 界面薄弱处会引起结合破坏 ， 形成许 多随机分布的 微 裂缝 。 微裂缝本身是先天的、 无害的， 对混凝土的使用 功能不产生危害， 但是在外 加荷载、 温差等作用之 后 ， 微裂 缝就会 扩 展导致 连通 ， 最终形 成 肉眼可 见 的 裂 缝 。 1 混凝土裂缝产 生 的主要原因 温度变化大 ， 产生温度胀缩裂缝； 湿度： 不均匀引 起表面干燥收缩 ， 形成裂缝 ； 混凝土中掺加： 外加剂的 碱 骨料 反应 ， 产生 内部应 力膨 胀开 裂 ； 混 凝 土表 面塑 性 收缩引起 裂缝 ； 浇筑 过程 中 ， 振 捣不 足或过 度 振捣 使混凝土产生离析和泌水 ， 在表面形成水泥含量较 多 的水 泥砂 浆 ， 水 分蒸 发 ， 易 形成 收缩 裂缝 ； 混凝 土 配合比不 良， 胶骨料过大和砂率过大 ， 混凝土本身缺 少抵抗温度 ， 干缩变形的骨架作用容易开裂 ； 养护不 当是造成现浇混凝土裂缝的重要原因。过早养护会 影响混凝土的胶结能力 ； 过迟养护 ， 混凝土表面游离 水蒸 发过 快 ， 水 泥 缺少必 要 的水化 水 ， 而 产生 急剧 的 体积收缩 ， 产生裂缝 ； 在施工中混凝土未达到规定强 度过早拆模 ， 在混凝土未达终凝时间就上荷载， 施工 中不 注 意钢筋 的保 护 ， 钢筋移 位 ， 后 浇带 未按 设计 规 范要求施工等都可能造成混凝土的裂缝 。 纵 观以上 ， 混凝 土 中产生裂缝 的主要原 因是温度 和湿度的变化。混凝土硬化期间水泥放出大量水化 热， 内部温度不断上升， 在表面引起拉应力 。 后期在降 温过程 中， 由于受到基础或混凝土的约束， 又会在混 凝土内部出现拉应力。 气温的降低也会在混凝土表面 引起很大 的拉 应力 。 当这 些拉应力超 出混凝 土的抗裂 能力时 ， 即会出现裂缝 。许多混凝土的内部温度变化 很小或 变化 较慢 ， 但表 面湿度可 能变化较 大或发 生剧 烈变化 ， 例如养护不当， 时干时湿 ， 表面干缩时形变受 到 内部混凝 土的约束 ， 也往往导致裂缝 。 2 混凝土结构工程 中常见 裂缝及预 防 2 1温度 裂缝及 预 防 温度裂缝多发生在大体积混凝土表面或温差变 化较大地区的混凝土结构中。 混凝土浇筑后 ， 在硬化 过 程 中水泥 水化 产生 大量水 化热 ( 水泥 用量 在3 5 O 5 5 0 k g m。 ， 每 立 方 米 混 凝 土将 释 放 出 1 7 5 0 0 2 7 5 0 0 k J的热量 ， 从而使混凝土 内部温度升达 7 O。 c 左 收稿 日期 ： 2 0 1 1 - 1 2 1 3 作者简介 ： 裘刚( 1 9 7 O 一 ) ， 男 ， 工程师 。电话 ： ( 0 2 5 ) 5 7 0 7 2 5 2 9 7 O 现代 冶金 第 4 O卷 右甚至更高) 。如果混凝土的体积较大 ， 大量的水化 热 聚集 在 混 凝 土 内部 而 不易 散发 ， 导 致 内部温 度 急 剧 上升 ， 而 混凝 土表 面散 热较快 ， 这样 就形成 内外 的 较大温差 ， 温差直接造成内部和外部热胀冷缩 的程 度不同， 致使混凝土表面产生一定的温度应力。 预防措 施 ： ( 1 ) 尽 量选 用 低 热 或 中热 水 泥 ， 如 矿 渣水泥、 粉煤灰水泥等； ( 2 ) 减少水泥用量， 将水泥用 量控制在 4 5 0 k g m。 以下； ( 3 ) 降低水灰 比， 一般混 凝 土 的水 灰 比控 制 在 0 6以下 ； ( 4 ) 改善 骨 料 级 配 ， 掺加粉煤灰或高效减水剂等来减少水泥用量； ( 5 ) 改 善混凝土的搅拌加工工艺 ， 降低混凝土的浇筑温度 ； ( 6 ) 在混 凝 土 中掺 加一 定 量 的减 水 、 增 塑 、 缓凝 等 作 用 的外加剂 ， 改善混凝 土拌合物 的流动性、 保水性 ， 降 低水 化热 ； ( 7 ) 高温 季节 浇筑 时可 以搭设遮 阳板等 辅助措施控制混凝土的温度升高 ； ( 8 ) 大体积混凝土 要合理安排施工工序 ， 分层 、 分块浇筑 ， 以利于散热 ， 减小约束 ； ( 9 ) 在大体积混凝土内部设置冷却管道， 通 冷水 或者 冷气 冷却 ， 减小 内外 温差 ； ( 1 0 ) 预 留温度 收缩缝 ； ( 1 1 ) 是 加强 混凝 土养 护 ， 及 时在混 凝土 浇筑 后用湿润的草帘、 麻片等覆盖， 并且洒水养护 ， 适 当 延 长养护时间； ( 1 2 ) 是混凝土中配置适量钢筋或者 掺人纤维材料将混凝土 的温度裂缝控制在一定范 围 。 2 2干缩 裂缝 及预 防 干缩裂 缝 多 出现在混 凝土 养护结 束后 的一 段 时 间或是混凝土浇筑完毕的一周左右。水泥浆中水分 的蒸发程度不同而导致变形不同的结果 ： 混凝 土受 外 部 条 件 的影 响 ， 表 面水 分 损失 过 快 、 变 形较 大 ， 内 部温度变化较小 、 变形较小 ， 较大的表面干缩变形受 到混凝 土 内部 的约束 ， 产 生较 大拉应力 而 产生裂 缝 。 相 对 湿度越 低 ， 水泥 浆体 干缩越 大 ， 干缩裂缝 越 易产 生 。干 缩裂 缝 多为表 面性 的平行 线状 或 网状浅 细裂 缝 ， 宽度 多在 0 0 5 O 2 mm 之 间 ， 大体 积混 凝 土 中 平面部位多见 ， 较薄的梁板 中多沿其短 向分布。 干缩 裂缝通常会影响混凝土的抗渗性 ， 引起钢筋的锈蚀 影响混凝 土的耐久性 ， 在水压力的作用下会产 生水 力 劈裂 影响 混凝 土 的承载力 等 。混凝 土干 缩 主要和 混凝土的水灰 比、 水泥的成分、 水泥 的用量、 集 料的 性质和用量 、 外加剂的用量有关 。 预 防措 施 ： ( 1 ) 选 用 收缩 量 较 小 的水 泥 ， 一 般 采 用低热水泥 ， 降低水泥的用量 ； ( 2 ) 混凝土 的干缩受 水灰 比的影响较大， 水灰 比越大 、 干缩越大， 因此在 混 凝 土配 合 比设 计 中应 尽 量 控 制好 水 灰 比的选 用 ， 同时掺加合适 的减水剂； ( 3 ) 严格控制混凝土搅拌和 施工 中的配合比， 混凝土的用水 量绝对不能大于配 合 比设计所定 的用水量 ； ( 4 ) ) J ll 强混凝土的早期 养 护， 并适 当延长混凝土的养护时间。 冬季施工时要适 当延长混凝土保温覆盖时间 ， 并涂刷养护剂养护 ； ( 5 ) 在混凝土结构中设置合适的收缩缝 。 2 3 塑 性收 缩裂 缝及预 防 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 。较短 的裂 缝一般 长 2 O 3 0 c m， 较 长 的裂 缝可 达2 3 m， 宽1 5 mm。 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， 混凝土表面失水过程快， 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 有谁 灰 比、 混凝 土的凝 结 时间 、 环 境温度 、 风 速 、 相对 湿度 等 。 预 防措施 ： ( 1 ) 选用 干缩值 较小 早期 强度 较高 的 硅 酸盐 或普 通硅 酸 盐水 泥 ； ( 2 ) 严 格 控制 水 灰 比， 掺 加高效减水剂来增加混凝土的坍落度和和易性 ， 减 少水泥及水的用量 ； ( 3 ) 浇筑混凝土之前 ， 将基层和 模板 浇水均 匀湿透 ； ( 4 ) 及 时覆盖 塑料 薄膜或 者潮 湿 的草垫、 麻 片等， 保持混凝土终凝前的表面湿润， 或 者在混凝土表面喷洒养护剂等进行养护； ( 5 ) 在高温 和大风 天气要 设置 遮 阳板和 挡风设 施 ， 及 时养 护 。 2 4沉 陷裂缝及 预 防 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 刚度 不 足 ， 模板 支 撑 间距 过 大或 支 撑 底 部松 动等 导致 ， 特别 是 在 冬季 ， 模 板 支 撑在 冻 土 上 ， 冻土化冻后产生不均匀沉降 ， 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 3 O 4 5 。 角 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 。 预防措 施 ： ( 1 ) 对 松 软 土、 回填 土 地基 在 上 部 结 构施工前应进行必要的夯实和加 固； ( 2 ) 保证模板有 足够 的强度和刚度 ， 且支撑 牢固， 并使地基受力均 匀 ； ( 3 ) 防止 混凝 土浇 灌过 程 中地 基被 水浸 泡 ； ( 4 ) 模 板拆 除的 时间不 能太早 ， 且 要注 意拆 模 的先后 次序 ； 第 1 期 裘 刚： 混凝土裂缝原 因分析及改进措施 7 1 ( 5 ) 在 冻 土上 搭设 模 板 时要 注 意 采取 一 定 的预 防 措 施 。 2 5 化 学反 应 引起 的 裂缝及 预 防 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化学反应而引起的裂缝。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 中采取有效措施进行预防 。 预 防措 施 ： ( 1 ) 选用 碱 活性小 的砂 石骨 料 ； ( 2 ) 选 用低碱水泥和低碱或无碱的外加剂 ； ( 3 ) 选用合适的 掺和 料抑制 碱 骨料反应 。 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 。 预防措施 ： ( 1 ) 保证钢筋保护层厚度 ； ( 2 ) 混凝土 级 配要 良好 ； ( 3 ) 混凝 土浇 注要振 捣 密实 ； ( 4 ) 钢 筋表 层 涂刷 防腐涂 料 。 3 裂缝修补处理措施 裂缝的修补措施主要有 ： 表面修补法， 灌浆、 嵌 缝封堵法， 结构加固法， 电化学防护法及仿生 自愈合 法 等 。 3 1表面修 补 法 表面修补法是一种简单、 常见的修补方法， 它主 要使用于稳定和结构承载能力没有影响的表面裂缝 以及深进裂缝 。 通常是在裂缝 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 常采用 在裂 缝 的表面 粘贴 玻璃纤 维 布等 。 3 2灌 浆、 嵌缝 封堵 法 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 脂 、 聚氨酯等化学材料。 嵌 缝 法是 裂 缝 封堵 中最 常见 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 ， 以达到封闭裂缝的 目的。常用 的塑性材料有聚氯乙 烯胶泥、 塑性油膏、 丁基橡胶等； 常用 的刚性止水材 料 为 聚合物 水泥 砂浆 。 3 3结构 加 固法 当裂 缝 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加 固。其 常用加 固方 法有 ： 加大混凝土结构的截面面积， 在构件的角部外 包型钢 ， 采用预应力加 固， 粘贴钢板加 固， 增加支点 加 固 以及 喷射混 凝 土补强加 固 。 3 4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 土所处 的环 境状 态 ， 钝 化 钢筋 以达 到 防腐 的 目的 。阴极 防护 法 、 氯 盐 提取 法 、 碱性 复 原法 是 化学 防护法 中常 用 而有 效 的 三种 方法 。这 种方 法 的优点是 防护 方法受 环境 因素的影 响很小 ， 适用钢筋 、 混凝土的长期防腐 ， 既可用于已 裂结 构也 可用 于新 建结构 。 3 5 仿 生 自愈合 法 仿生 自愈合法是一种新的裂缝处理方法 。它模 仿生物组织对受创伤部位 自动分泌某种物质 ， 而使 创 伤部 位 得 到愈 合 的机 能 ， 在混 凝 土 的传 统 成 分 中 ： 钿人 某 些 特 殊 成 分 ( 如 含 粘 结 剂 的液 芯 纤 维 或 胶 囊) ， 在混凝土内部形成智能仿生 自愈合神经网络系 统 ， 当混凝土 出现裂缝时分泌出部分液芯纤维可使 裂缝重新愈合。 4 结束语 裂缝是混凝土结构 中普遍存在的一种现象 ， 它 的出现不仅会降低建筑物的抗渗能力 ， 影响建筑物 的使用 功能， 而且会 引起钢筋 的锈蚀 、 混凝土 的碳 化、 降低材料的耐久性 、 影响建筑物 的承载能力 ， 因 此要对混凝土裂缝进行认真研究 ， 区别对待， 采用合 理的方法进行处理 ， 并在施工 中采取各种有效的预 防措施预防裂缝的出现和发展 ， 保证建筑物和构件 安全 、 稳定 的工 作 。