钢筋混凝土结构裂缝的产生与控制

钢筋混凝土结构裂缝的产生与控制

　　引导语：在工程建造中，钢筋混凝土结构裂缝的产生是一项严重的问题，以下是小编整理的钢筋混凝土结构裂缝的产生与控制，欢迎参考!

　　1 混凝土裂缝的分类

　　混凝土裂缝有多种分类方法，如按裂缝产生时间、原因，裂缝的深度、发展状况以及形状等，具体分为：

　　(1)按裂缝产生的时间划分，可分为施工期间出现的裂缝及使用期间出现的裂缝;

　　(2)按裂缝产生的原因划分，可分为结构性裂缝、非结构性裂缝。其中混凝土结构性裂缝由各种外加荷载导致，主要由外加荷载应力引起的混凝土裂缝和在外加荷载作用下结构次应力引起的混凝土裂缝。非结构性裂缝由各种变形、变化引起，主要有干缩裂缝、温度裂缝、钢筋锈蚀裂缝、碱-骨料反应裂缝、不均匀沉降裂缝、冻胀裂缝等，非结构性裂缝在工程中约占80%;

　　(3)按裂缝的深度划分，可分为表面裂缝、深层裂缝、贯穿裂缝，其中深层裂缝及贯穿裂缝危害性较大;

　　(4)按裂缝的发展状况划分，包括稳定裂缝和不稳定裂缝;

　　(5)按裂缝的形状划分，可分为横向裂缝、纵向裂缝、剪切裂缝以及各种不规则裂缝等。

　　2 混凝土结构裂缝类型与特点

　　2.1 与混凝土耐久性相关的裂缝

　　混凝土耐久性指混凝土对大气侵蚀、化学侵蚀、磨耗或任何劣化过程的抵抗能力。与混凝土耐久性相关的裂缝主要包括：钢筋锈蚀裂缝、碱-骨料反应裂缝、冻融循环造成的裂缝、硫酸盐侵蚀造成的裂缝等。

　　2.1.1 钢筋锈蚀裂缝

　　通常由于钢筋骨架绑扎不牢固，或是混凝土震捣不均匀、不密实，出现蜂窝、麻面或空洞，以及混凝土外加剂中未限制其中氯离子含量的使用，使硬化混凝土中钢筋生锈，Fe2O3体积膨胀，导致钢筋混凝土开裂

　　2.1.2 碱—骨料反应裂缝

　　碱—骨料反应是指混凝土孔溶液中由水泥或含碱外加剂、矿物掺合料及环境等释放出来的Na+，K+，OH-与骨料中的有害活性矿物发生膨胀性反应导致混凝土膨胀并发生开裂的现象。通常按反应类型将碱-骨料反应分为碱-硅酸反应(ASR)和碱-碳酸盐反应(ACR)两种。由于活性骨料分布均匀，所以当混凝土发生碱骨料反应之后，混凝土各个部分均产生膨胀应力和形变，尤其当外界自由水渗透至混凝土微孔隙内，其体积约膨胀2～4倍，使混凝土结构产生裂缝导致开裂。图2箭头所示为碱-硅酸反应产物填充至混凝土粗骨料中，造成粗骨料结构缺失，最终导致开裂。

　　混凝土发生碱-骨料反应具备三个条件：(1)混凝土原材料(主要是胶凝材料和集料)中含碱量高;(2)骨料中有较高的活性成份;(3)有较多的自由水和湿度的环境条件。

　　2.1.3 冻融裂缝

　　混凝土拌合物浇筑之后会逐渐硬化凝结，最终获得较高的强度，是因为水泥水化作用的结果。水泥水化速度不仅与拌制混凝土原材料及配合比有关，还与浇筑环境温度相关。当浇筑环境温度较高时，水泥水化速度增加，混凝土凝结时间和强度增加速度较快;但当浇筑温度降至0℃时，混凝土孔隙中部分水逐渐由液相转变为固相。导致参与水泥水化作用的水减少，水化速率降低，混凝土凝结时间和强度增加缓慢。若浇筑温度持续降低，且混凝土孔隙中的水完全转化为冰，则水泥水化作用基本停止，混凝土的强度停止增长。此外，混凝土孔隙中水固化为冰后体积增大约10%，同时产生2.8MPa左右的膨胀应力，这种应力通常大于混凝土内部形成的最初强度值，使得混凝土结构受到破坏。

　　此外，混凝土孔隙中水固化为冰后，在集料和钢筋表面上产生颗粒较大的冰凌，削弱水泥浆体与集料和钢筋的粘结力。当冰凌融化后，在混凝土内部形成的孔隙不仅降低混凝土结构强度，还降低混凝土耐久性。国内外研究人员对冬季施工时混凝土进行大量研究，结果发现：在受冻混凝土中水泥水化作用停止之前，若使混凝土达到一个最小临界强度，可防止其遭受冻害，混凝土最终强度不受到损失。故延长混凝土孔隙中水的液体形态，能使之有足够的时间与水泥发生水化反应。

　　2.2 由温度引起的裂缝

　　2.2.1 外界温度裂缝

　　大体积混凝土表面或环境温差较大地区的混凝土结构中易发生温度裂缝。由于较大的温差造成混凝土内部与外部热账冷缩的程度不同，使混凝土表面产生一定的拉引力。当此拉应力大于混凝土的极限抗拉强度时，混凝土表面会产生裂缝，造成开裂。

　　2.2.2 水化热裂缝

　　对于大体积混凝土或高强混凝土施工过程中，由于施工条件、混凝土配合比等原因造成混凝土水化热较高，导致其内部温度与表面温度相差较大，加之混凝土受外力约束，便会产生水化热裂缝。通常，大体系混凝土内-外温差超过25℃时，最高浇筑温度大于29℃且混凝土断面温度梯度变化较大时，易出现水化热裂缝。

　　2.3 由混凝土收缩引起的裂缝

　　新拌混凝土的收缩过程大致可分为以下4个阶段。第一阶段，混凝土硬化过程中当泌水速率>水分蒸发速率时混凝土表面不会发生收缩;第二阶段，当泌水速率≤水分蒸发时混凝土表面开始收缩，但由于此时的混凝土内部有足够的塑性，约束较小能够适应混凝土体积变化而不发展开裂;第三阶段，随着水分的不断蒸发，混凝土因凝结变得稠密，塑性降低，内部混凝土约束变大，若此时水分得不到补充就极有可能引起塑性开裂;第四阶段，混凝土终凝后开始硬化，此时开始了硬化混凝土的干燥收缩。

　　2.3.1 塑性收缩裂缝

　　塑性收缩裂缝通常发生在混凝土浇注完成后，其处于塑性状态时，因为外部环境温度较高、水分蒸发量大或混凝土自身水化热较高等原因而产生裂缝。研究表明，当混凝土拌合物表面水分蒸发率大于0.5kg/m2h时，其将会发生收缩，尤其是大流动性混凝土，如自密实混凝土;此外，对于结构表面系数较大、混凝土水灰比较大的薄壁构件，施工时因未及时覆盖遮蔽物而导致混凝土表层失水过快，而产生塑性收缩裂缝。这种塑性收缩裂缝宽度一般在0.5~1.5mm左右。

　　2.3.2 干缩裂缝

　　在混凝土硬化凝结过程中，因为其会发生失水干燥，引起混凝土体积收缩变形，当此变形受到约束，且变形应力大于约束力时，就会产生干缩裂缝。主要是由于混凝土微结构中毛细管孔隙在混凝土干燥过程失水，使之逐渐产生毛细压力，导致混凝土发生体积收缩。如果混凝土配制时水灰比增加，其毛细管孔隙较多，混凝土体积收缩相应增大。当混凝土结构周围存在约束力时，其内部将产生拉应力和拉应变。若拉应力大于混凝土结构抗压强度极限值时，混凝土会产生干缩裂缝。

　　研究表明：混凝土中水泥用量和水灰比与其干燥收缩变形呈正比，并且收缩持续时间越长，混凝土养护不良，会加剧混凝土早期收缩现象。根据国外干缩试验研究结果表明，混凝土龄期为30天可完成20年干缩的23%左右;3个月完成55%左右;12月完成77%左右。

　　2.4 设计施工中存在的问题导致的裂缝

　　2.4.1 设计不力

　　因为混凝土结构设计时考虑不周导致其后期产生裂缝，例如：(1)将各层阳台混凝土挑梁端部，用混凝土柱相连，导致上部各层部分荷载传到下部挑梁上，造成底层混凝土挑梁顶部出现竖向裂缝;(2)在钢筋混凝土托墙梁上设计偏洞，并且其距离大于《砌体结构设计规范》的规定，又未采取加强措施，造成混凝土托墙梁出现裂缝;(3)对于截面高度受到限制的跨度较大的钢筋混凝土梁和楼板，单一关注承载力极限状态设计，而忽视了正常使用极限状态刚度和裂缝开展的计算，导致混凝土构件裂缝宽度和挠度超限等。

　　2.4.2 施工不当裂缝

　　因为施工工艺粗略，措施不当导致混凝土结构出现裂缝。例如(1)在板类构件或大体积混凝土施工中，在混凝土初凝前和终凝前未进行二次抹压，导致混凝土出现塑性收缩裂缝;(2)混凝土挑檐，雨蓬和阳台等悬挑式结构构件，浇注混凝土时将负弯矩钢筋移位，导致上述构件出现受力裂缝;(3)预应力屋架下弦，在预留管道部位，抽管不当，造成屋架下弦出现纵向裂缝;(4)现浇混凝土楼板施工缝处理不当造成施工缝处开裂;(5)浇注混凝土速度过快，导致混凝土剪力上部出现沉缩裂缝;(6)在框架柱中预埋内排水有缝钢管，由于建筑垃圾堵塞，施工养护水进入管内无法排出，冬季管内积水冻胀，导致钢管膨胀，造成底层混凝土柱出现竖向裂缝等。

　　此外，养护是造成混凝土结构出现开裂的诱因之一。养护是指自混凝土浇筑完毕开始，经过外部环境(洒水、涂刷、覆盖、保温)等影响，加速水泥水热反应从而使混凝土强度增长至一定强度的过程。养护是使混凝土硬化状态理想化的重要手段，养护的条件对防止混凝土裂缝出现有着及其重要的影响。在标准养护条件下，混凝土硬化正常，不会开裂，现场施工中不具备上述标准养护条件，但现场养护条件若越接近上述条件，混凝土开裂的可能性就越低。

　　2.4.3 混凝土材料及配合比造成的裂缝

　　根据有关文献显示，当混凝土配合比中用水量不变时，水泥用量每增加10%，混凝土收缩增加5%;若水泥用量不变，用水量每增加10%，混凝土抗压强度降低20%，混凝土与钢筋黏结力降低10%。由此不难发现混凝土配合比设计不当会影响混凝土的抗压强度、收缩程度等，它是造成混凝土产生裂缝的又一诱因。配合比不当主要包括：水泥用量过大，水灰比过大，砂率不当，集料相关性能不佳，选用混凝土外加剂性能不当等。

　　2.5 其他

　　导致混凝土结构开裂的因素还有地震作用、火灾，地基沉降等。其中在地震作用下，混凝土结构裂缝的严重程度与地震震级、震源深度、地震烈度、地质构造、地形地貌、场地条件，地下水分布、结构布置、结构体系、结构部位以及施工质量等诸多因素有关;混凝土在火灾高温作用下，由于其受火表面温升比其内部快得多，导致混凝土微结构中水分在不同温度下逐渐分解逸出，形成微小孔隙，水泥水化生成的Ca(OH)2脱水，体积膨胀，加之骨料和砂浆的膨胀系数不同，致使混凝土内产生一定的内应力，从而使受火温度较高的混凝土表面首先开裂，并随受火温度的升高和时间的延长而不断向内部扩展。当救火时，在冷水作用下，又使混凝土表面骤然冷却，导致混凝土构件产生爆裂裂缝。

　　3 混凝土裂缝的控制措施

　　3.1 与耐久性相关裂缝的控制措施

　　钢筋混凝土结构在冻融循环开裂、碱-骨料反应等环境下，由于其内部膨胀压力的存在，将产生数量较多的裂缝; 此时环境中的Cl-、SO42-等会侵入其内部，造成钢筋锈蚀和混凝土力学性能下降，从而降低结构的强度及耐久性。防止与耐久性相关裂缝的措施主要通过提高混凝土自身的防护能力、外涂隔离层、使用钢筋阻锈剂等方法。其中提高混凝土自身防护能力主要通过提高混凝土密实性来降低有害离子入侵和减缓混凝土碱度损失。如控制好水灰比、水泥用量、外加剂的种类及用量、混凝土施工工序等。外涂隔离层可将沥青漆、环氧树脂涂料等涂在构件外边面上。

　　3.2 由温度引起裂缝的控制措施

　　因为自然条件是客观的，故想要克服由于环境温度导致混凝土出现裂纹问题就必须在配制混凝土前制定完善的方案。如配制时考虑环境温差、日照时间等因素，还需严格按照标准设计，并按相应的图纸来实施操作流程。对于日照因素带来的负面影响，不仅要做好保温养护措施，还需确保混凝土中心温度与表面温度差小于25℃。当出现风雨天气时，需用防雨布遮盖保护，并暂停浇筑施工。

　　此外，还可以在混凝土中掺加具有较低水化热特性的物质，如低热水泥、掺加矿物掺合料以及缓凝剂。为了进一步改善混凝土出现裂缝的问题，工作人员还可安装伸缩缝和支座，通过增加混凝土的弹力来保证其质量。

　　3.3 设计施工中存在问题导致裂缝的控制措施

　　设计和施工人员是钢筋混凝土结构建筑的施工主体，若要保证混凝土施工质量，就需做好设计及施工人员的管理工作。(1)对钢筋混凝土结构进行优化设计，做好技术交底工作，依据设计施工方案开展混凝土施工工作;(2)加强对混凝土原材料质量的控制，根据相关规定进行检测工作，需要提高检测工作人员的专业素质，并做好基础保障工作;同时还需关注混凝土拆除模板后的强度，其强度必须超过施工设计标准的80%，并严格处理混凝土浇筑成型环节，加强工作人员对振捣操作的监控和管理，通过多种措施保障混凝土浇筑振捣环节的质量;(3)保证混凝土养护过程质量，使混凝土强度达到施工规定的相关标准，防止混凝土发生开裂。