關(guān)于混凝土裂縫成因及防治措施的探討

龐耀壟

(河北省阜平縣交通局)

0 引 言

混凝土結(jié)構(gòu)裂縫的成因復(fù)雜而繁多,甚至多種因素相互影響,有些裂縫在使用荷載或外界物理及化學(xué)因素作用下,不斷產(chǎn)生和發(fā)展,引起混凝土碳化、保護(hù)層剝落及鋼筋銹蝕,使鋼筋混凝土強(qiáng)度和剛度受到削弱,耐久性降低,嚴(yán)重時(shí)甚至發(fā)生垮塌事故,危害結(jié)構(gòu)的正常使用,必須對(duì)其采取一定預(yù)防措施。

當(dāng)混凝土內(nèi)部產(chǎn)生的拉應(yīng)力超過它當(dāng)時(shí)的抗拉強(qiáng)度時(shí),就會(huì)產(chǎn)生裂縫。因此,混凝土發(fā)生開裂的條件就是:在約束下變形產(chǎn)生的拉應(yīng)力超過它當(dāng)時(shí)的抗拉強(qiáng)度;也就是說混凝土發(fā)生開裂必須同時(shí)考慮三個(gè)條件:變形的大小、約束的程度、混凝土當(dāng)時(shí)的抗拉強(qiáng)度。因而,無論對(duì)于哪種裂縫,要防止裂縫的出現(xiàn),一方面是要減少變形,另一方面是要增大混凝土的抗拉強(qiáng)度。

針對(duì)上述情況,提出了一些治理混凝土裂縫的方法。這些方法,主要是從混凝土材料本身的強(qiáng)度和變形性能入手,采取相應(yīng)的防治措施。

1 混凝土裂縫的形成原因

混凝土是一種非均質(zhì)的復(fù)雜多相混合材料,在其微觀結(jié)構(gòu)相組成之間主要的結(jié)合力是范德華力,因此其抗拉強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于抗壓強(qiáng)度。當(dāng)混凝土內(nèi)部產(chǎn)生的拉應(yīng)力超過其抗拉強(qiáng)度時(shí),就會(huì)產(chǎn)生裂縫。混凝土結(jié)構(gòu)裂縫的成因復(fù)雜而繁多,如混凝土由外荷載作用(包括動(dòng)載和靜載)會(huì)引起裂縫;由變形(包括溫度、不均勻沉降)會(huì)引起裂縫;由施工操作不當(dāng)(制作、脫模、養(yǎng)護(hù)、堆放、運(yùn)輸、吊裝)會(huì)引起裂縫;設(shè)計(jì)不當(dāng)也會(huì)引起裂縫。據(jù)初步研究,裂縫的類型主要有結(jié)構(gòu)性裂縫(荷載裂縫)和非結(jié)構(gòu)性裂縫兩大類。

1.1 結(jié)構(gòu)性裂縫(荷載裂縫)

由外荷載引起的裂縫,稱為結(jié)構(gòu)性裂縫,也稱為荷載裂縫,其裂縫的分布及寬度與外荷載有關(guān)。這種裂縫的出現(xiàn),預(yù)示著結(jié)構(gòu)承載力可能不足或存在其他嚴(yán)重問題,有些結(jié)構(gòu)性裂縫是由設(shè)計(jì)缺陷和施工方法不當(dāng)造成的。

根據(jù)結(jié)構(gòu)不同受力方式,產(chǎn)生裂縫的特征也不同。具體來說,結(jié)構(gòu)性裂縫有如下幾類:彎拉裂縫、剪切裂縫、局部承壓裂縫等。

(1)彎拉裂縫。

在混凝土梁上施加彎矩時(shí),將產(chǎn)生彎拉裂縫,彎拉裂縫也稱垂直裂縫,對(duì)受彎構(gòu)件和壓彎構(gòu)件來說,彎拉裂縫首先出現(xiàn)在彎矩最大的截面的混凝土受拉區(qū)。

梁板結(jié)構(gòu)的正彎矩裂縫一般位于跨中,從底邊開始向上發(fā)展,負(fù)彎矩裂縫位于連續(xù)梁板或懸臂梁板的支座附近,自上向下發(fā)展。隨著荷載的增大,裂縫寬度增大,長度延伸,裂縫數(shù)增多,裂縫區(qū)域逐漸向兩側(cè)發(fā)展。

(2)剪切裂縫。

剪切裂縫也稱斜裂縫,首先發(fā)生在剪應(yīng)力最大的部位。對(duì)于受彎構(gòu)件和壓彎構(gòu)件,往往發(fā)生在支座附近,由下部開始,沿著與軸線呈 25°～50°左右的角度裂開。隨著荷載的增大,裂縫長度將不斷增長并向受壓區(qū)發(fā)展,裂縫數(shù)不斷增多并分岔,裂縫區(qū)也逐漸向跨中方向擴(kuò)大。

(3)局部承壓裂縫。

在一些局部地方,由于應(yīng)力集中現(xiàn)象,引起較大的劈拉應(yīng)力,最終導(dǎo)致局部承壓裂縫產(chǎn)生。例如錨頭部位,由于后張預(yù)應(yīng)力錨固端承壓力,先張預(yù)應(yīng)力端部摩擦力傳遞,這些部位的應(yīng)力分布很復(fù)雜,常常伴隨著劈拉應(yīng)力,造成錨固端部裂縫。

1.2 非結(jié)構(gòu)性裂縫

由變形引起的裂縫,稱為非結(jié)構(gòu)性裂縫。如溫度變化、混凝土收縮等因素引起的結(jié)構(gòu)變形受到限制時(shí),在結(jié)構(gòu)內(nèi)部就會(huì)產(chǎn)生自應(yīng)力,當(dāng)此應(yīng)力達(dá)到混凝土抗拉強(qiáng)度極限值時(shí),即會(huì)引起混凝土裂縫。裂縫一旦出現(xiàn),變形得到釋放,自應(yīng)力也就消失了?；炷恋姆墙Y(jié)構(gòu)性裂縫的產(chǎn)生受到混凝土的材料組成、澆筑方法、養(yǎng)護(hù)條件和使用環(huán)境等多種因素的影響。非結(jié)構(gòu)性裂縫主要有收縮裂縫、溫度裂縫、鋼筋銹蝕裂縫等幾類。

(1)收縮裂縫。

混凝土凝固過程中,水泥與水因水化作用逐漸硬化而形成的水泥骨架不斷緊密,體積縮小,稱為凝縮;另外,混凝土中多余水分蒸發(fā),使體積縮小,稱為干縮;凝縮與干縮合稱為收縮。收縮中以干縮為主,占總收縮量的 80%～90%。混凝土成形時(shí),其干燥過程是由表面逐步擴(kuò)展到內(nèi)部的,由于截面上溫度存在梯度差,因此產(chǎn)生表面收縮大、內(nèi)部收縮小的不均勻收縮,當(dāng)混凝土的表面收縮變形受到了內(nèi)部約束或其他約束時(shí),混凝土中會(huì)產(chǎn)生拉應(yīng)力,當(dāng)表面混凝土所受的拉力超過其抗拉強(qiáng)度時(shí),便產(chǎn)生收縮裂縫。若混凝土早期養(yǎng)護(hù)不當(dāng),極易出現(xiàn)收縮裂縫。收縮裂縫對(duì)構(gòu)件承載力影響不大,主要影響結(jié)構(gòu)外觀和耐久性。

(2)溫度裂縫。

與其他材料一樣,混凝土也具有熱脹冷縮的性質(zhì)。當(dāng)外部環(huán)境或結(jié)構(gòu)內(nèi)部溫度發(fā)生變化,混凝土將發(fā)生收縮或膨脹變形,若變形受到約束,在結(jié)構(gòu)內(nèi)將產(chǎn)生應(yīng)力,當(dāng)應(yīng)力超過混凝土抗拉強(qiáng)度時(shí),即產(chǎn)生溫度裂縫。在某些大跨徑橋梁中,溫度應(yīng)力可以達(dá)到甚至超出活載應(yīng)力。溫度裂縫區(qū)別于其他裂縫的最主要特征是隨著溫度的變化而擴(kuò)張或合攏。

(3)鋼筋銹蝕裂縫。

由于混凝土質(zhì)量較差或保護(hù)層厚度不足,混凝土保護(hù)層受二氧化碳侵蝕炭化至鋼筋表面,使鋼筋周圍混凝土堿度降低,或由于氯化物介入,鋼筋周圍氯離子含量較高,均可引起鋼筋表面氧化膜破壞,鋼筋中鐵離子與侵入到混凝土中的氧氣和水發(fā)生銹蝕反應(yīng),其銹蝕物Fe(OH)2的體積比原來增長約 2～4倍,從而對(duì)周圍混凝土產(chǎn)生膨脹應(yīng)力,導(dǎo)致保護(hù)層混凝土開裂、剝離,沿鋼筋縱向產(chǎn)生裂縫,并有銹跡滲到混凝土表面。由于銹蝕,使得鋼筋有效斷面面積減小,鋼筋與混凝土握裹力削弱,結(jié)構(gòu)承載力下降,并將誘發(fā)其他形式的裂縫,加劇鋼筋銹蝕,導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞。

2 混凝土裂縫的防治措施

2.1 塑性收縮裂縫的防治

混凝土塑性收縮裂縫是濕度收縮變形引起的應(yīng)力與混凝土強(qiáng)度約束兩方面矛盾的結(jié)果,為防止塑性收縮裂縫的出現(xiàn),一方面要減少濕度收縮變形,另一方面要增大混凝土早期強(qiáng)度。從根本上要做到:降低混凝土表面游離水的蒸發(fā)速度;減小混凝土面層的干縮;增大混凝土面層早期抗裂強(qiáng)度等。

具體防治措施有:(1)選用干縮較小且早期強(qiáng)度較高的硅酸鹽水泥或普通硅酸鹽水泥,或加一定量的纖維,如鋼纖維、聚丙烯纖維等;(2)澆筑混凝土前,將基層和模板澆水濕透;(3)振搗密實(shí),減少混凝土的收縮量;(4)混凝土澆筑后,在初凝前完成抹平工作,終凝前完成壓光工作,抹光后及時(shí)養(yǎng)護(hù);(5)在氣溫高、風(fēng)速大、干燥的天氣施工時(shí),要加上擋風(fēng)設(shè)施?；炷翝仓髴?yīng)及早進(jìn)行噴水養(yǎng)護(hù),使其保持濕潤。

2.2 干縮裂縫的防治措施

混凝土干縮裂縫是由混凝土自收縮變形引起的應(yīng)力與混凝土強(qiáng)度約束兩方面矛盾的結(jié)果。因而,為防止出現(xiàn)干縮裂縫,一方面要減少自收縮變形,另一方面要增大混凝土早期強(qiáng)度。

其具體的措施有:(1)選用合適的材料,必要時(shí)可以加入外加劑;(2)進(jìn)行恰當(dāng)?shù)谋耩B(yǎng)護(hù),灑水、薄膜覆蓋;(3)摻UEA膨脹劑,使混凝土內(nèi)部產(chǎn)生預(yù)壓變形;(4)提高混凝土的極限拉伸強(qiáng)度。

2.3 溫度裂縫的防治措施

混凝土內(nèi)部的溫度與混凝土厚度、水泥品種、水泥用量等有關(guān)。對(duì)于大體積混凝土,其形成的溫度應(yīng)力與結(jié)構(gòu)尺寸相關(guān),在一定尺寸范圍內(nèi),混凝土結(jié)構(gòu)尺寸越大,溫度應(yīng)力也越大,因而引起裂縫的危險(xiǎn)性也越大。因此,防止大體積混凝土出現(xiàn)裂縫最根本的措施是控制混凝土內(nèi)部和表面的溫度差。

具體的措施有:(1)合理選擇混凝土原材料,降低水化熱;(2)控制混凝土的出機(jī)和澆筑溫度;(3)采取外保內(nèi)降法減小內(nèi)外溫差。

2.4 鋼筋銹蝕裂縫的防治措施

要防止鋼筋銹蝕,設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)根據(jù)規(guī)范要求控制裂縫寬度,采用足夠的保護(hù)層厚度 (當(dāng)然保護(hù)層亦不能太厚,否則構(gòu)件有效高度減小,受力時(shí)將加大裂縫寬度);施工時(shí)應(yīng)控制混凝土的水灰比,加強(qiáng)振搗,保證混凝土的密實(shí)性,防止氧氣侵入,同時(shí)嚴(yán)格控制含氯鹽的外加劑用量,沿海地區(qū)或其他存在腐蝕性強(qiáng)的空氣、地下水地區(qū)尤其應(yīng)慎重。

總之,防治鋼筋銹蝕裂縫的關(guān)鍵在于防止鋼筋銹蝕,在實(shí)際施工中應(yīng)注重鋼筋的防護(hù)措施。

3 結(jié)論與建議

(1)混凝土裂縫對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性影響較大,要盡量減少裂縫的產(chǎn)生。

(2)防治裂縫,主要是以防為主、治理為輔的原則,在裂縫未出現(xiàn)之前,應(yīng)及早防止其出現(xiàn)。

(3)若未能及時(shí)阻止裂縫產(chǎn)生,應(yīng)采取相應(yīng)的治理措施。

(4)混凝土結(jié)構(gòu)的施工相當(dāng)重要,在施工過程中,要嚴(yán)格控制與管理?；炷恋闹苽?應(yīng)選用較低收縮的材料,攪拌時(shí)應(yīng)控制好時(shí)間及材料用量等。

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