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鋼筋混凝土結構裂縫產生的原因及預防
摘要：本文重點分析建筑鋼筋混凝土結構裂縫產生的各種原因，并根據多方面的科學研究和大量工程實踐提出控制鋼筋混凝土結構裂縫的預防措施。
關鍵詞：鋼筋混凝土結構;裂縫;預防措施;原因分析;裂縫處理
1.前言
近年來，隨著鋼筋混凝土結構的長大化和復雜化，以及商品混凝土的大量推廣和混凝土強度等級的提高，結構裂縫出現機率大大增加，有些已危及結構的安全性和耐久性，有的地下工程裂滲已影響其使用功能。筆者根據長期的科學研究和大量工程實踐，提出鋼筋混凝土結構裂縫原因及控制、預防措施，供工程界參考，不妥之處請指正。
2.結構裂縫產生的原因及預防
結構裂縫產生的原因很復雜，根據國內外的調查資料，引起裂縫有兩大類原因，一種由外荷載(如靜、動荷載)的直接應力和結構次應力引起的裂縫，其機率約20%;一種是結構因溫度、膨脹、收縮和不均勻沉降等因素由變形變化引起的裂縫，其機率約80%。裂縫發生與材料、設計、施工和維護有關，現作以下分析。
2.1材料缺陷
在變形裂縫中收縮裂縫占有80%的比例，從混凝土的性質來說大概有：
2.1.1干燥收縮。研究表明，水泥加水后變成水泥硬化體，其絕對體積減小。每100克水泥水化后的化學減縮值為7～9ml，如混凝土水泥用量為350kg/m3，則形成孔縫體積約25～30l/m3之巨。這是混凝土抗拉強度低和極限拉伸變形小的根本原因。研究表明，每100g水泥漿體可蒸發水約6ml，如混凝土水泥用量為350kg/m3，當混凝土在干燥條件下，則蒸發水量達2ll/m3。毛細孔縫中水逸出產生毛細壓力，使混凝土產生“毛細收縮”。由此引起水泥砂漿的干縮值為01%～02%;混凝土的干縮值為004%～006%。而混凝土的極限拉伸值只有001%～002%，故易引起干縮裂縫，干燥收縮裂紋出現在接近1年齡期內。
2.1.2溫差收縮。對于強度要求較高的混凝土，水泥用量相對較多，水泥水化是個放熱過程，其水化熱為l65～250焦爾/克，隨混凝土水泥用量提高，其絕熱溫升可達50～80℃。研究表明，當混凝土內外溫差10℃時，產生的冷縮值εC=△T/α=10/l10-5=001%，如溫差為20～30℃時，其冷縮值為002～003%，而混凝土極限拉伸值只有001～0015%，因而冷縮常引起混凝土開裂。
2.1.3塑性收縮。混凝土初凝之前出現泌水和水份急劇蒸發，引起失水收縮，此時骨料與水泥之間也產生不均勻的沉縮變形，它發生在混凝土終凝之前的塑性階段，故稱為塑性收縮。其收縮量可達1%左右。在混凝土表面上，特別在抹壓不及時和養護不良的部位出現龜裂，寬度達l～2mm，屬表面裂縫。水灰比過大，水泥用量大，外加劑保水性差，粗骨料少，振搗不良，環境溫度高，表面失水大等都能導致混凝土塑性收縮而發生表面開裂現象。
2.1.4自生收縮。密閉的混凝土內部相對濕度隨水泥水化的進展而降低，稱為自干燥。高水灰比的普通混凝土(OPC)由于毛細孔隙中貯存大量水分，自干燥引起的收縮壓力較小，所以自生收縮值較低而不被注意。但是，低水灰比的高性能混凝土(HPC)則不同，早期強度較高的發展率會使自由水消耗較快，以至使孔體系中的相對濕度低于80%。而HPC結構致密，外界水泥很難滲入補充，在這種條件下開始產生自干收縮。研究表明，齡期2個月水膠比為04的HPC，自干收縮率為001%，水膠比為03的HPC，自干收縮率為002%。HPC的總收縮中干縮和自收縮幾乎相等，水膠比越小自收縮所占比例越大。由此可知，HPC的收縮性與OPC完全不同，OPC以干縮為主，而HPC以白干收縮為主。問題的要害是：HPC自收縮過程開始于水化速率處于高潮階段的頭幾天，溫度梯度首先引發表面裂縫，隨后引發內部微裂縫，若混凝土變形受到約束，則進一步產生收縮裂縫。這是高標號混凝土容易開裂的主要原因之一。
2.2設計方面
2.2.1選用合理的設計模型及適宜的長度或體積。特別考慮溫度變化和混凝土收縮對結構的影響。現行《混凝土結構設計規范》GB50011-2002中對此提出了幾項具體措施：一是設置伸縮縫，對不同結構形式、外露環境有不同的要求。二是混凝土澆筑采用后澆帶分段施工。這只能解決混凝土收縮應力問題，不能解決溫度縫問題。三是采用專門的預加應力措施，以此抵消溫度、收縮應力的影響。還有其它措施，如加強結構的薄弱環節，以提高其抗裂性能;采用可靠的滑動措施，以減小約束變形的摩擦阻力等。
2.2.2適當加強構造配筋，提高配筋率，盡量配置細而密的鋼筋，以減少裂縫的寬度。在溫度收縮應力較大的地方配置溫度收縮鋼筋。但對大體積混凝土，提高配筋率沒有太大效果，因為其配筋率往往很低。
2.3施工管理問題
混凝土配合比設計是否科學合理，水泥與外加劑是否相適應，砂石級配及其含泥量是否符合規范要求，混凝土坍落度控制是否合理，這些都影響到混凝土的質量及其收縮變形。
邊墻拆摸板過早(1～3d)，混凝土水化熱正處于高峰，內外溫差最大;混凝土易“感冒”開裂。
混凝土養護十分重要，但許多施工單位忽視這一環節，尤其是墻體和柱梁的保溫保濕養護不到位，容易產生收縮裂縫。某些露天構筑物盡管當地濕度很大，但由于吹風影響，加速了混凝土水分蒸發速度，亦即增加干縮速度，容易引起早期表面裂縫。這也許是夏季比秋冬季，南方比北方出現結構裂縫較多的原因。
除上述技術因素外，施工管理不嚴，趕進度，偷工減料，工人素質差，施工馬虎等也是造成結構裂縫的人為因素。
2.4對維護缺乏認識
我們發現不少結構是在澆筑完3～6個月，甚至在l～2年內出現裂縫。除荷載問題外，主要是環境溫度和風速引起的收縮變形所致。有些地下室不及時復土;上部結構不及時做好封閉;出人口長期敞開，屋面防水層破壞不及時修補等。這些與施工和業主對結構維護缺乏認識有關。
3.混凝土構件裂縫的處理
在現實工程實踐中，裂縫是不可能避免的。混凝土構件的裂縫大致分三類。第一類是很細小的裂縫，或者說是規范所允許范圍內的裂縫。這種裂縫一般不需要處理，第二類是超出規范允許范圍內的，但并不影響結構安全問題的裂縫。這種裂縫一般需處理才能滿足使用功能以及結構耐久性等，第三類是裂縫較大，影響到結構安全性的裂縫，這種裂縫的構件往往需要進行結構加固處理或拆除重建。
處理方法大致兩種，一是抹面處理，材料可為高強微膨脹砂漿，抗滲聚合物砂漿或用環氧玻璃封閉;二是壓力灌漿法，材料可為水泥灌漿，水泥―水玻璃灌漿，環氧樹脂以及現在所應用的一些化學聚合物等。
4.體會及建議
隨著混凝土材料的廣泛(使用，這種材料的性能也越來越為人們所熟悉和掌握。混凝土構件的裂縫問題也一直為工程技術人員所討論。筆者認為，查清引起混凝土裂縫產生的全部原因是解決裂縫這個“癌癥”的基礎。只要我們全體混凝土工作者共同努力，先查清原因，后解決問題，裂縫問題最終總有一天會得到解決。相信我們在設計、施工和選材方面做好各項控制措施，防裂于未來，混凝土這種材料，必將更廣泛的應用于工程實踐，更好的服務于社會。
參考文獻：
[1]混凝土結構設計規范GB 50010-2002.中國建筑工業出版社2002，北京。
[2]建筑施工手冊(第四版)縮印本中國建筑工業出版社出版、發行2003，北京。
[3]楊文科.試論抗壓與抗折的辯證關系及綜合值的概念.全國建筑科學核心期刊2003年8期
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