鋼筋混凝土結構裂縫的產生與控制！

摘要：鋼筋混凝土作為重要的建築材料，隨著齡期的增加，混凝土材料內部及表面會伴隨開裂的現象。

有效控制及預防其開裂，成為當今研究的重要課題。

本文首先介紹了混凝土裂縫的分類，然後重點闡述了混凝土結構裂縫類型與特點，最後結合混凝土結構裂縫的特點，提出混凝土裂縫的控制措施。

通過本文提供的措施能預防和控制鋼筋混凝土開裂的劣化現象，提高了建築結構的耐久性，為鋼筋混凝土結構裂縫的防治起指導作用。

關鍵詞：混凝土；裂縫；機理；控制

鋼筋混凝土作為當今用量最大的建築材料，由於其耐火、成本低廉、成型靈活等特點，廣泛的應用於各種建築建造中。

通常，鋼筋混凝土由鋼筋和混凝土共同構成，混凝土能為鋼筋提供鹼性環境，在鋼筋表面形成一層鈍化保護膜，有效防止了鋼筋的鏽蝕；此外鋼筋與混凝土二者膨脹係數相似、粘結力較好，使得鋼筋與混凝土完美的結合一起，使之同時具備混凝土良好的抗壓能力及鋼筋良好的抗折能力。

但是，隨著混凝土齡期的增加，在其內部和表面逐漸形成微裂縫，隨著微裂縫的擴展，最終導致混凝土結構開裂，使混凝土強度、耐久性等性能受到嚴峻的挑戰。

本文主要總結了混凝土裂縫的分類，通過分析混凝土結構裂縫的類型與特點，提出混凝土裂縫的控制措施。

通過本文的總結，旨在有效應對鋼筋混凝土結構裂縫的預防與控制，提高其壽命。

1混凝土裂縫的分類

混凝土裂縫有多種分類方法，如按裂縫產生時間、原因，裂縫的深度、發展狀況以及形狀等，具體分為[1]：（1）按裂縫產生的時間劃分，可分為施工期間出現的裂縫及使用期間出現的裂縫；（2）按裂縫產生的原因劃分，可分為結構性裂縫、非結構性裂縫。

其中混凝土結構性裂縫由各種外加荷載導致，主要由外加荷載應力引起的混凝土裂縫和在外加荷載作用下結構次應力引起的混凝土裂縫。

非結構性裂縫由各種變形、變化引起，主要有干縮裂縫、溫度裂縫、鋼筋鏽蝕裂縫、鹼-骨料反應裂縫、不均勻沉降裂縫、凍脹裂縫等，非結構性裂縫在工程中約占80%；（3）按裂縫的深度劃分，可分為表面裂縫、深層裂縫、貫穿裂縫，其中深層裂縫及貫穿裂縫危害性較大；（4）按裂縫的發展狀況劃分，包括穩定裂縫和不穩定裂縫；（5）按裂縫的形狀劃分，可分為橫向裂縫、縱向裂縫、剪切裂縫以及各種不規則裂縫等。

2混凝土結構裂縫類型與特點

2.1 與混凝土耐久性相關的裂縫

混凝土耐久性指混凝土對大氣侵蝕、化學侵蝕、磨耗或任何劣化過程的抵抗能力[2]。

與混凝土耐久性相關的裂縫主要包括：鋼筋鏽蝕裂縫、鹼-骨料反應裂縫、凍融循環造成的裂縫、硫酸鹽侵蝕造成的裂縫等。

2.1.1 鋼筋鏽蝕裂縫

通常由於鋼筋骨架綁紮不牢固，或是混凝土震搗不均勻、不密實，出現蜂窩、麻面或空洞，以及混凝土外加劑中未限制其中氯離子含量的使用，使硬化混凝土中鋼筋生鏽，Fe2O3體積膨脹，導致鋼筋混凝土開裂，具體過程如式1所示。

此外，當混凝土碳化深度大於鋼筋保護層厚度時，也會導致鋼筋鏽蝕，使鋼筋混凝土結構開裂，如圖1所示。

這是因為混凝土中的水化產物Ca(OH)2與空氣中的CO2反應，生成CaCO3，從而消耗了混凝土中的OH-，使混凝土鹼度減小。

2.1.2 鹼—骨料反應裂縫

鹼—骨料反應是指混凝土孔溶液中由水泥或含鹼外加劑、礦物摻合料及環境等釋放出來的Na+，K+，OH-與骨料中的有害活性礦物發生膨脹性反應導致混凝土膨脹並發生開裂的現象。

通常按反應類型將鹼-骨料反應分為鹼-矽酸反應（ASR）和鹼-碳酸鹽反應（ACR）兩種[3]。

由於活性骨料分布均勻，所以當混凝土發生鹼骨料反應之後，混凝土各個部分均產生膨脹應力和形變，尤其當外界自由水滲透至混凝土微孔隙內，其體積約膨脹2～4倍，使混凝土結構產生裂縫導致開裂。

圖2箭頭所示為鹼-矽酸反應產物填充至混凝土粗骨料中，造成粗骨料結構缺失，最終導致開裂[4]。

混凝土發生鹼-骨料反應具備三個條件：（1）混凝土原材料（主要是膠凝材料和集料）中含鹼量高；（2）骨料中有較高的活性成份；（3）有較多的自由水和濕度的環境條件[5,6]。

2.1.3 凍融裂縫

混凝土拌合物澆築之後會逐漸硬化凝結，最終獲得較高的強度，是因為水泥水化作用的結果。

水泥水化速度不僅與拌制混凝土原材料及配合比有關，還與澆築環境溫度相關。

當澆築環境溫度較高時，水泥水化速度增加，混凝土凝結時間和強度增加速度較快；但當澆築溫度降至0℃時，混凝土孔隙中部分水逐漸由液相轉變為固相。

導致參與水泥水化作用的水減少，水化速率降低，混凝土凝結時間和強度增加緩慢。

若澆築溫度持續降低，且混凝土孔隙中的水完全轉化為冰，則水泥水化作用基本停止，混凝土的強度停止增長。

此外，混凝土孔隙中水固化為冰後體積增大約10%，同時產生2.8MPa左右的膨脹應力，這種應力通常大於混凝土內部形成的最初強度值，使得混凝土結構受到破壞。

此外，混凝土孔隙中水固化為冰後，在集料和鋼筋表面上產生顆粒較大的冰凌，削弱水泥漿體與集料和鋼筋的粘結力。

當冰凌融化後，在混凝土內部形成的孔隙不僅降低混凝土結構強度，還降低混凝土耐久性。

國內外研究人員對冬季施工時混凝土進行大量研究，結果發現[7]：在受凍混凝土中水泥水化作用停止之前，若使混凝土達到一個最小臨界強度，可防止其遭受凍害，混凝土最終強度不受到損失。

故延長混凝土孔隙中水的液體形態，能使之有足夠的時間與水泥發生水化反應。

2.2 由溫度引起的裂縫

2.2.1 外界溫度裂縫

大體積混凝土表面或環境溫差較大地區的混凝土結構中易發生溫度裂縫。

由於較大的溫差造成混凝土內部與外部熱帳冷縮的程度不同，使混凝土表面產生一定的拉引力。

當此拉應力大於混凝土的極限抗拉強度時，混凝土表面會產生裂縫，造成開裂。

圖3為不同澆築溫度下溫度應力與齡期的關係[8]，從圖中不難發現，隨著混凝土齡期的增加，溫度應力呈單峰變化趨勢，齡期大約為12d時溫度應力達到最大值；此外，隨著澆築溫度的增加，各個齡期混凝土的溫度應力與澆築溫度呈正相關性。

2.2.2 水化熱裂縫

對於大體積混凝土或高強混凝土施工過程中，由於施工條件、混凝土配合比等原因造成混凝土水化熱較高，導致其內部溫度與表面溫度相差較大，加之混凝土受外力約束，便會產生水化熱裂縫。

通常，大體系混凝土內-外溫差超過25℃時，最高澆築溫度大於29℃且混凝土斷面溫度梯度變化較大時，易出現水化熱裂縫。

2.3 由混凝土收縮引起的裂縫

新拌混凝土的收縮過程大致可分為以下4個階段[9]。

第一階段，混凝土硬化過程中當泌水速率>水分蒸發速率時混凝土表面不會發生收縮；第二階段，當泌水速率≤水分蒸發時混凝土表面開始收縮，但由於此時的混凝土內部有足夠的塑性，約束較小能夠適應混凝土體積變化而不發展開裂；第三階段，隨著水分的不斷蒸發，混凝土因凝結變得稠密，塑性降低，內部混凝土約束變大，若此時水分得不到補充就極有可能引起塑性開裂；第四階段，混凝土終凝後開始硬化，此時開始了硬化混凝土的乾燥收縮。

2.3.1 塑性收縮裂縫

塑性收縮裂縫通常發生在混凝土澆注完成後，其處於塑性狀態時，因為外部環境溫度較高、水分蒸發量大或混凝土自身水化熱較高等原因而產生裂縫。

研究表明，當混凝土拌合物表面水分蒸發率大於0.5kg/m2h時，其將會發生收縮，尤其是大流動性混凝土，如自密實混凝土；此外，對於結構表面係數較大、混凝土水灰比較大的薄壁構件，施工時因未及時覆蓋遮蔽物而導致混凝土表層失水過快，而產生塑性收縮裂縫。

這種塑性收縮裂縫寬度一般在0.5~1.5mm左右。

2.3.2 干縮裂縫

在混凝土硬化凝結過程中，因為其會發生失水乾燥，引起混凝土體積收縮變形，當此變形受到約束，且變形應力大於約束力時，就會產生干縮裂縫。

主要是由於混凝土微結構中毛細管孔隙在混凝土乾燥過程失水，使之逐漸產生毛細壓力，導致混凝土發生體積收縮。

如果混凝土配製時水灰比增加，其毛細管孔隙較多，混凝土體積收縮相應增大。

當混凝土結構周圍存在約束力時，其內部將產生拉應力和拉應變。

若拉應力大於混凝土結構抗壓強度極限值時，混凝土會產生干縮裂縫。

研究表明：混凝土中水泥用量和水灰比與其乾燥收縮變形呈正比，並且收縮持續時間越長，混凝土養護不良，會加劇混凝土早期收縮現象[10]。

根據國外干縮試驗研究結果表明，混凝土齡期為30天可完成20年干縮的23%左右；3個月完成55%左右；12月完成77%左右。

2.4 設計施工中存在的問題導致的裂縫

2.4.1 設計不力

因為混凝土結構設計時考慮不周導致其後期產生裂縫，例如：（1）將各層陽台混凝土挑梁端部，用混凝土柱相連，導致上部各層部分荷載傳到下部挑樑上，造成底層混凝土挑梁頂部出現豎向裂縫；（2）在鋼筋混凝土托牆樑上設計偏洞，並且其距離大於《砌體結構設計規範》的規定，又未採取加強措施，造成混凝土托牆梁出現裂縫；（3）對於截面高度受到限制的跨度較大的鋼筋混凝土梁和樓板，單一關注承載力極限狀態設計，而忽視了正常使用極限狀態剛度和裂縫開展的計算，導致混凝土構件裂縫寬度和撓度超限等。

2.4.2 施工不當裂縫

因為施工工藝粗略，措施不當導致混凝土結構出現裂縫。

例如（1）在板類構件或大體積混凝土施工中，在混凝土初凝前和終凝前未進行二次抹壓，導致混凝土出現塑性收縮裂縫；（2）混凝土挑檐，雨蓬和陽台等懸挑式結構構件，澆注混凝土時將負彎矩鋼筋移位，導致上述構件出現受力裂縫；（3）預應力屋架下弦，在預留管道部位，抽管不當，造成屋架下弦出現縱向裂縫；（4）現澆混凝土樓板施工縫處理不當造成施工縫處開裂；（5）澆注混凝土速度過快，導致混凝土剪力上部出現沉縮裂縫；（6）在框架柱中預埋內排水有縫鋼管，由於建築垃圾堵塞，施工養護水進入管內無法排出，冬季管內積水凍脹，導致鋼管膨脹，造成底層混凝土柱出現豎向裂縫等。

此外，養護是造成混凝土結構出現開裂的誘因之一。

養護是指自混凝土澆築完畢開始，經過外部環境（洒水、塗刷、覆蓋、保溫）等影響，加速水泥水熱反應從而使混凝土強度增長至一定強度的過程。

養護是使混凝土硬化狀態理想化的重要手段，養護的條件對防止混凝土裂縫出現有著及其重要的影響。

在標準養護條件下，混凝土硬化正常，不會開裂，現場施工中不具備上述標準養護條件，但現場養護條件若越接近上述條件，混凝土開裂的可能性就越低。

2.4.3 混凝土材料及配合比造成的裂縫

根據有關文獻顯示[1]，當混凝土配合比中用水量不變時，水泥用量每增加10%，混凝土收縮增加5%；若水泥用量不變，用水量每增加10%，混凝土抗壓強度降低20%，混凝土與鋼筋黏結力降低10%。

由此不難發現混凝土配合比設計不當會影響混凝土的抗壓強度、收縮程度等，它是造成混凝土產生裂縫的又一誘因。

配合比不當主要包括：水泥用量過大，水灰比過大，砂率不當，集料相關性能不佳，選用混凝土外加劑性能不當等。

2.5 其他

導致混凝土結構開裂的因素還有地震作用、火災，地基沉降等。

其中在地震作用下，混凝土結構裂縫的嚴重程度與地震震級、震源深度、地震烈度、地質構造、地形地貌、場地條件，地下水分布、結構布置、結構體系、結構部位以及施工質量等諸多因素有關；混凝土在火災高溫作用下，由於其受火表面溫升比其內部快得多，導致混凝土微結構中水分在不同溫度下逐漸分解逸出，形成微小孔隙，水泥水化生成的Ca(OH)2脫水，體積膨脹，加之骨料和砂漿的膨脹係數不同，致使混凝土內產生一定的內應力，從而使受火溫度較高的混凝土表面首先開裂，並隨受火溫度的升高和時間的延長而不斷向內部擴展。

當救火時，在冷水作用下，又使混凝土表面驟然冷卻，導致混凝土構件產生爆裂裂縫。

3混凝土裂縫的控制措施

3.1 與耐久性相關裂縫的控制措施

鋼筋混凝土結構在凍融循環開裂、鹼-骨料反應等環境下，由於其內部膨脹壓力的存在，將產生數量較多的裂縫; 此時環境中的Cl-、SO42-等會侵入其內部，造成鋼筋鏽蝕和混凝土力學性能下降，從而降低結構的強度及耐久性[11]。

防止與耐久性相關裂縫的措施主要通過提高混凝土自身的防護能力、外塗隔離層、使用鋼筋阻銹劑等方法[12]。

其中提高混凝土自身防護能力主要通過提高混凝土密實性來降低有害離子入侵和減緩混凝土鹼度損失。

如控制好水灰比、水泥用量、外加劑的種類及用量、混凝土施工工序等。

外塗隔離層可將瀝青漆、環氧樹脂塗料等塗在構件外邊面上。

3.2 由溫度引起裂縫的控制措施

因為自然條件是客觀的，故想要克服由於環境溫度導致混凝土出現裂紋問題就必須在配製混凝土前制定完善的方案。

如配製時考慮環境溫差、日照時間等因素，還需嚴格按照標準設計，並按相應的圖紙來實施操作流程。

對於日照因素帶來的負面影響，不僅要做好保溫養護措施，還需確保混凝土中心溫度與表面溫度差小於25℃。

當出現風雨天氣時，需用防雨布遮蓋保護，並暫停澆築施工[13]。

此外，還可以在混凝土中摻加具有較低水化熱特性的物質，如低熱水泥、摻加礦物摻合料以及緩凝劑等[14]。

為了進一步改善混凝土出現裂縫的問題，工作人員還可安裝伸縮縫和支座，通過增加混凝土的彈力來保證其質量。

3.3 設計施工中存在問題導致裂縫的控制措施

設計和施工人員是鋼筋混凝土結構建築的施工主體，若要保證混凝土施工質量，就需做好設計及施工人員的管理工作[15]。

（1）對鋼筋混凝土結構進行優化設計，做好技術交底工作，依據設計施工方案開展混凝土施工工作；（2）加強對混凝土原材料質量的控制，根據相關規定進行檢測工作，需要提高檢測工作人員的專業素質，並做好基礎保障工作；同時還需關注混凝土拆除模板後的強度，其強度必須超過施工設計標準的80%，並嚴格處理混凝土澆築成型環節，加強工作人員對振搗操作的監控和管理，通過多種措施保障混凝土澆築振搗環節的質量；（3）保證混凝土養護過程質量，使混凝土強度達到施工規定的相關標準，防止混凝土發生開裂。

4小結

隨著科技水平的不斷進步和國家的飛速發展，對鋼筋混凝土結構的質量要求越來越高。

提高混凝土耐久性成為當今迫切解決的課題。

本文主要歸納總結了混凝土裂縫的分類，並分析了混凝土結構裂縫的類型與特點，最後提出混凝土裂縫的控制措施，為混凝土相關行業提供一個預防和解決混凝土開裂的思路。