钢筋混凝土结构裂缝产生机理及其控制

闫宏生

(包头铁道职业技术学院，内蒙古包头 014040)

钢筋混凝土材料因具备承载能力高、耐久性好、施工方便、成本低廉等特点，广泛应用于民用建筑、铁路、公路、机场、水利等各类建设工程之中。然而在施工和使用过程中，经常会在结构物表面出现不同形式、不同程度的裂缝，它已成为广大工程技术人员十分关注的热点问题。这是因为在结构物表面、内部出现裂缝后，不仅会影响这些构筑物的施工质量，还会导致结构物表面保护层脱落，引起混凝土的碳化反应以及钢筋出现锈蚀现象，降低结构物的强度、使用性能和耐久性。所以，对钢筋混凝土结构产生开裂的机理进行深入研究，并提出相应控制措施，在实际工程中具有十分重要的理论价值和实践意义。

1 引起钢筋混凝土结构出现裂缝的机理

致使钢筋混凝土结构物产生裂缝的机理很多，既有材料自身因素，也有外部环境作用影响，具体体现在以下几个方面:

1.1 结构设计

(1)构件承载力不足。由于结构物中各受力构件受力分析不清晰、内力和配筋计算失误，导致主要受力构件在荷载作用下因承载力不足而产生开裂。如钢筋混凝土框架结构中的框架梁，可因纵向受力钢筋配置数量较少而在梁跨中下侧部位产生竖向裂缝;也可因箍筋数量配置数量过少而在支座附近产生斜向裂缝。

(2)在构件受力分析中忽略约束性质，没有充分考虑构件的收缩变形，结构刚性过大，致使混凝土结构物表面产生开裂。例如受多边约束的钢筋混凝土现浇板，在结构设计中如果没有采取积极有效的阻裂措施，可以因现浇板收缩变形过大而在现浇板表面出现垂直于长边约束的裂缝。

(3)在结构设计中因构造钢筋设置数量较少，没有很好发挥构造钢筋的抗裂作用而导致构件内部出现裂缝。如钢筋混凝土现浇板，可因构造钢筋设置不合理而在板角上表面产生裂缝。

(4)设计中未能充分考虑基础不均匀沉降。当结构物的形式、整体刚度、地基土质等存在差异时，会因基础产生不均匀沉降量而在结构内部产生一定的附加应力。如果基础构件受力钢筋数量较少，则导致上部结构产生开裂。

(5)材料性能未得到充分发挥。由于设计人员在混凝土的工程应用方面存在“混凝土强度等级越高，抗裂性能越好”的错误认识，在结构设计中盲目使用高强度等级混凝土，致使水泥用量增加，增大了混凝土的收缩量，提高了混凝土结构物产生开裂的机率。

1.2 施工工艺

1.2.1 原材料选用不合理。众所周知，钢筋混凝土是一种复合材料，如果钢筋混凝土原材料选用不合理，可以在钢筋混凝土结构内部或表面出现裂缝，影响施工质量。

(1)水泥的选用 为加快施工进度、缩短工程建设时间，在施工时往往选用高强度等级水泥或增加水泥用量，而使钢筋混凝土结构产生开裂。众所周知，水泥强度等级越高，水泥矿物组成中C3A、C3S含量越高，加快了水泥的水化速度。在较短时间内因过大的水化热而使结构物内部与外表面之间存在较大的温差，产生较大的温度应力，从而导致钢筋混凝土在施工过程中出现裂缝。水泥用量的加大，提高了钢筋混凝土结构内部产生裂缝的概率。

(2)骨料的选用 骨料粒径的大小、颗粒形状及级配的优劣，都对钢筋混凝土结构的开裂有着一定程度的影响。骨料级配质量降低，可在骨料之间形成较多的孔隙，用以填充孔隙的水泥浆数量增多，致使混凝土收缩量增大，引起钢筋混凝土结构开裂。骨料粒径小，单位体积混凝土水泥用量及用水量增多，收缩量增大。骨料中泥块含量与石粉含量的提高，混凝土硬化时容易在水泥石与骨料表面之间形成微小裂缝，导致钢筋混凝土结构产生开裂。

(3)外加剂的使用 在钢筋混凝土中掺入外加剂，不仅能够改善混凝土的各项技术性能，还可以取得良好的经济效益。然而外加剂使用不当时，也容易在钢筋混凝土结构内部出现裂缝。当高效减水剂掺量过大时，容易在施工过程中出现泌水现象，加快裂缝的形成。

1.2.2 水胶比(W/B)不能得到严格控制 钢筋混凝土浇筑过程中水胶比不能得到严格控制，施工人员为便于施工操作，存在随意加水的现象，使得混凝土拌合物水胶比过大，导致混凝土在凝结硬化过程中，因自由水分的蒸发，增加混凝土的干缩量，从而引起钢筋混凝土出现开裂。另外，水胶比过大还可以使混凝土在施工浇筑过程中产生离析分层现象，硬化后在钢筋混凝土内部形成裂缝。

1.2.3 混凝土施工工艺不能严格执行国家规范 部分施工单位在混凝土施工操作时不能严格执行国家规范、标准，导致钢筋混凝土结构产生开裂。如混凝土在施工操作时，往往会因混凝土浇筑速度过快、浇筑顺序不当、漏振或过振、混凝土保护层厚度过大或过小、模板移动、过早拆除模板等现象的存在而使混凝土内部产生微小裂缝;也会因施工人员脚踩受力钢筋使其位置下移，减小了现浇板的有效截面高度，导致现浇板承载能力不足，在板顶处沿支座边缘产生裂缝，降低工程质量。

1.3 钢筋代换

在施工现场时常会遇到受力构件中受力钢筋的等级或规格与设计要求不符而需要进行钢筋代换，如用直径为28mm的粗钢筋替代直径为20mm的细钢筋，或用HPB300钢筋替代HRB335钢筋。钢筋经代换后，如果施工技术人员未及时进行构件裂缝宽度验算，则容易在钢筋混凝土结构表面产生开裂。

1.4 混凝土养护

混凝土在浇筑过程中往往会因养护技术措施不得当、养护时间不充足而产生温度收缩和干燥收缩。这些收缩相互作用，致使钢筋混凝土构件于养护初期在其内部或表面形成裂缝。

1.4.1 干燥收缩 混凝土在硬化时水泥石可因自由水的蒸发受到一定的压力作用。在这种压力作用下，混凝土结构往往会产生一定的收缩。由于钢筋混凝土构筑物的表面与内部水分蒸发速度不同，产生的收缩量存在差异，致使钢筋混凝土构筑物表面产生的收缩变形会因受到混凝土内部的约束作用而产生拉应力。当混凝土内部拉应力σt高于混凝土抗拉强度ft时，可使钢筋混凝土结构表面产生开裂。

相关资料表明:混凝土干燥收缩量大小与环境相对湿度、环境温度、混凝土强度等级等因素有关。钢筋混凝土结构的收缩量εs(d)可用式(1)计算[1]。

式中εs(d)——钢筋混凝土结构任意时期的收缩量;α1——混凝土养护方法影响系数;α2——混凝土强度等级影响系数;α3——钢筋混凝土结构构件截面尺寸影响系数;α4——相对湿度影响系数;d——混凝土的硬化龄期。

1.4.2 温度收缩 桥梁、堤坝等大体积混凝土结构物在施工、使用过程中，存在结构物表面散热较快而内部散热较慢现象，致使大体积混凝土结构物内外表面之间产生较大温差。当混凝土抗拉强度低于因温差而产生的温度应力时，很容易在结构物内部形成裂缝。

混凝土结构温度应力σ(t，x)的变化可用式(2)表示[1]。

式中σ(t，x)——混凝土结构截面上任意一点由于温度变化而产生的应力值;H(t，τ)——混凝土应力松弛系数;α——混凝土线膨胀系数;x——钢筋混凝土结构物截面上任意一点至截面中心的距离;Ec——混凝土弹性模量;h——钢筋混凝土结构物截面厚度;μ——混凝土泊松比;△t——钢筋混凝土结构内外表面之间的温差。

大量研究资料表明:钢筋混凝土结构物内外表面之间的温差高于30℃时，混凝土内部的温度应力σ(t)即高于混凝土抗拉强度，即可在结构物内部产生裂缝。

2 钢筋混凝土结构裂缝控制

基于钢筋混凝土结构产生裂缝机理的分析，应从以下几方面采取必要的技术措施，将钢筋混凝土结构裂缝控制在最小范围内。

2.1 结构设计方面

(1)合理设置构造钢筋[2]。在结构设计中应设置一定数量的构造钢筋，充分发挥构造钢筋的抗裂作用。如在调整钢筋混凝土现浇板板周边约束的同时，应设置必要的构造钢筋，构造钢筋的数量、伸入构件内部的长度均应满足规范要求，优先选用细钢筋，以防止因约束应力的加大而导致涵洞顶板表面开裂。

(2)采用合理的结构形式，合理设置“加强带”及伸缩缝，力争做到“三缝合一”。

2.2 原材料选择

(1)根据工程特点、具体要求合理选用水泥品种，优先选用水化热低、收缩量较小的粉煤灰硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥。

(2)优化混凝土配合比设计。在满足混凝土强度、耐久性和施工工艺的前提下，降低单位体积混凝土水泥用量和用水量，并且砂率不宜过大。

(3)选用级配优良、泥块含量和石粉含量低、粒径较大的砂石材料，用以降低单位体积混凝土用水量和水泥用量，减少混凝土收缩量，避免混凝土开裂。

(4)掺入适量纤维材料和外加剂。掺入适量合成纤维、玻璃纤维及钢纤维等纤维材料可以显著提高混凝土的抗裂性能和抗拉强度，消除因混凝土的早期收缩而产生的裂缝;掺加引气型减水剂，通过引入的气泡提高混凝土的抗裂性能，减少裂缝的形成。

2.3 施工方面

(1)严格控制水胶比。文献[1]的研究结果显示“当单位体积混凝土用水量增加50%时，干燥收缩变形量将增加1倍，致使钢筋混凝土结构开裂;必要时可采用双掺技术(即掺加高效减水剂和矿物超细粉)，以减少混凝土收缩量，避免混凝土开裂”。

(2)应加强钢筋工程的质量验收，在施工现场注意检查钢筋的直径、间距、钢筋锚固长度、上下层钢筋之间的距离、混凝土保护层厚度等是否符合设计要求。

(3)加强养护，确保浇水养护时间符合规范要求。同时，还应采取必要的技术措施(如“外保内降”)，控制混凝土养护温度，降低钢筋混凝土结构物内外温差，避免因存在较大温差而使钢筋混凝土结构开裂。

(4)降低混凝土拌合物的拌合温度及浇筑温度。

(5)控制混凝土浇筑速度，采用二次振捣和多次摸压工艺。

(6)模板应具有足够的刚度和坚固、可靠的支撑，尽量推迟拆模时间。严禁在混凝土未达到设计强度之前强行拆除模板，更不得过早上施工人员、堆放施工材料和器具。

(7)合理运用混凝土补偿收缩技术。要充分考虑不同品种、不同掺量的膨胀剂所起的膨胀效果，膨胀剂的最佳掺量必须通过试验确定。

(8)采用商品混凝土时，严禁在混凝土泵送过程中加水。因为此时加入的水均为游离状，在混凝土凝结硬化过程中，大部分游离水不参与水泥的水化反应，水胶比增大，可使混凝土结构产生开裂的机率大大增加。

2.4 钢筋代换应合理

钢筋代换时应充分了解结构设计意图和被代换材料的性能，严格遵守《混凝土结构设计规范》中各项规定，以保证构件的承载力要求。钢筋经代换后，应及时进行受力构件裂缝宽度的验算。凡重要受力构件中的受力钢筋需要进行代换，必须征得设计单位同意方可进行。

2.5 其他

对于裂缝控制较为严格的构件，为充分利用预应力混凝土抗裂性能好的特点，可优先采用预应力混凝土。钢筋混凝土结构出现裂缝后，应结合裂缝的性质、宽度和长度，采取表面修补、压力灌浆封堵[3]、碳纤维布(CFRP)加固[4]、混凝土置换、外包钢加固、仿生自愈合等技术措施进行处理。

3 结论

通过对裂缝产生的机理分析可知，钢筋混凝土结构裂缝的产生是各种因素共同作用的结果。我们应认真分析钢筋混凝土结构开裂机理，根据不同情况采取相应的技术措施，尽可能对裂缝的扩展进行有效控制，以保证钢筋混凝土结构物的耐久性及安全性。

[1]王铁梦.工程结构裂缝控制[M].北京:中国建筑工业出版社，1997

[2]刘德平.建筑物常见裂缝原因分析及防治措施[D].上海:同济大学，2007

[3]刘群.房屋维修与管理[M].北京:高等教育出版社，2003

[4]陈绍元.结构检测中的钢筋混凝土裂缝评定与处理[J].武汉工程职业技术学院学报，2006，18(6):1－4