混凝土结构的裂缝研究综述

邱万厚

摘要：混凝土在现在的水利水电、土建、海岸港口、甚至军用等领域都有着重要的应用，然而混凝土由于其自身的性质以及周围环境共同影响下会导致其开裂形成混凝土裂缝。轻则造成钢筋混凝土承载力降低，重则使结构丧失承载力导致工程事故。因此如何最大程度地解决混凝土开裂问题已是工程中需迫切解决的问题。本文就混凝土开裂的一系列研究进行综述，分析和总结了混凝土裂缝的形成机理、如何有效控制裂缝的产生和发展，希望借此向大家传达一个简单明了的混凝土开裂概念，希望对实际的工程应用有所帮助。

关键词：混凝土裂缝；裂缝分析与控制；裂缝危害；裂缝的处理

中图分类号： TV331 文献标识码： A

0 引言

在混凝土材料中，裂缝是不可避免的，它是材料自身固有的性质所导致的[1]。但是混凝土裂缝的形成与发展会影响到混凝土的性能，从而影响到建筑物或构筑物的安全，从安全的角度讲我们要尽量避免混凝土裂缝的形成与发展。另外一个方面可以通过现在的裂缝检测技术来判断混凝土材料的工作状况，目前比较成熟的技术有超声波检测方法。本文主要讨论混凝土裂缝的形成机理、裂缝的发展、检测以及裂缝的危害以及控制裂缝的措施。

1.混凝土裂缝说明

混凝土裂缝是不可避免的而又可以尽量减少的灾害。有尺寸限制的裂缝在工程结构中实际是允许的，混凝土出现裂缝后采取有效的补救措施是不至于造成重大损失的。适当的预测混凝土裂缝宽度和间距和初选裂混凝土裂缝对于建筑的安全是有利的考虑，我们通常限制混凝土的裂缝来保证混凝土构件的安全和正常工作[2]。世界上各个国家对混凝土裂缝的限制都有各自的规范，例如我国在干燥环境中对裂缝的限制为0.2-0.3mm，而新西兰国家允许的裂缝则为0.4mm。美国ACI224委员会规定[3]，在干燥的环境中，混凝土的裂缝允许值为0.4mm，潮湿环境或者是在土中允许值为0.3mm。可见混凝土材料所处的环境对混凝土自身裂缝的影响及要求是有变化的。

在混凝土结构中，其裂缝是一种很常见的现象。据长久以来的工程实践和相关科学研究的结果表明，混凝土结构是一种带裂缝工作的材料，也是它不可避免的一种特性。所以我们对待混凝土裂缝要保持理性的严谨的科学态度，混凝土裂缝的形成有各种各样的原因，是混凝土材料自身性质、外界荷载条件、温度环境条件等综合作用的结果[4]。因此在研究裂缝的形成与发展时，要将不同原因导致的混凝土裂缝分开讨论及研究。

2.混凝土裂缝形成机理研究

混凝土开裂的机理可以用图1中所示理想情况来表示。假定在开始硬化的湿润和温热状态下混凝土处于没有受力的情况（图1a），它在此时可以自由地进行变形和收缩，那么其内部就不存在应力（图1b）[5]。但如果混凝土的两端同时受到外部约束固定而不能自由变形和收缩，那么拉应力就会产生在混凝土的内部（图3c），这是因为在应力作用促使混凝土的徐变产生，或者可以说，当变形固定不变时，随时间增长原有应力会慢慢减小，也就是说发生应力松弛（图1d）。使得拉应力从应有值降到净拉应力值（图1e）。混凝土的收缩、拉应力、净拉应力和混凝土的抗拉强度随时间变化如图2所示，但从图中我们可以看出，影响混凝土开裂至少应该有以下所列因素（1）收缩，（2）约束（3）徐变，（4）弹性模量（5）抗拉强度或抗拉变形[6]。对于图3，其构件并无外界约束，但是因为内外温度升降不一样，就会导致内外有温差。

图1 收缩开裂过程示意图

Fig3.Illustration of crack development

图2 外部约束时混凝土开裂

Fig.2 Cracking of concrete with external constrains

图3 内外温差引起的混凝土拉应力

Fig.3 Tensile stresses in concrete due to temperature differences in the interior and on the surface of concrete

3.混凝土裂缝的发展

研究表明，随着荷载的增大，损伤程度及其损伤范围均在增大。当损伤区的微裂缝相互贯通、演化发展到一定程度时，将导致宏观裂缝的失稳扩展。即当损伤区的长度超过某一临界值时, 混凝土中的宏观裂缝失稳扩展。在此，把复合型裂缝在静力作用下，临界断裂时所对应的损伤区长度定义为混凝土的复合型裂缝静力允许损伤尺度[7]。可见混凝土裂缝的发展与外界荷载的变化息息相关，随着荷载的增加，裂缝的尺寸也越来越大，当其超过复合型裂缝静力允许尺度时，裂缝就会对结构的安全产生巨大的影响，导致混凝土构件不再安全工作，不能提供相应的承载力，最终导致结构失稳破坏。

4.裂缝对钢筋混凝土结构的危害

裂缝及其宽度对钢筋锈蚀是有影响的,而且裂缝宽度不同其影响程度也不同[8]。钢筋混凝土结构及其构件在使用若干年后,由于环境因素以及荷载情况会使混凝土出现局部碳化、甚至会出现大小不一的纵横向裂纹。这些现象轻则影响到建筑物美观，重则可危及到结构的安全性和耐久性。因此，正确分析和防治混凝土碳化,处理好已形成的裂缝,对结构中的钢筋锈蚀、病害将有一定的抑制作用。

5.混凝土裂缝的检测

超声波检测混凝土裂缝原理[9]：根据声时或声速的变化，能够有效判断混凝土缺陷的存在以及缺陷的尺寸大小，当混凝土构件存在缺陷时，超声波在传播过程中将发生一系列不同的反射、折射现象，相对而言，其高频成份比低频成份衰减快，分析其接收信号频率产生的变化，根据这一变化也可作为判断混凝土缺陷存在的参量[8-10]。通过超声波判别缺陷的另外一种方式为通过超声波在缺陷的界面上的复杂反射、折射和声波传播的相位发生叠加，叠加的结果导致接收信号的波形发生不同程度的畸变，根据波形畸变，经过分析就可获得混凝土内部的缺陷情况。

6.混凝土开裂原因及裂缝处理的有效措施

6.1 混凝土开裂原因

混凝土的裂缝的产生是多种因素的共同作用的结果。按其是否因为结构产生的裂缝分为结构性裂缝由各种外荷载引起的裂缝，也称荷载裂缝和非结构性裂缝，包括多种形变导致的裂缝以及由于干缩湿胀、不均匀沉降和温差等因素导致的裂缝。造成此类裂缝的原因也有可能是结构变形被限制时产生的内应力引起的。根据国内外大量的工程实例和研究资料分析，工程中占了绝大多数的裂缝（大约占了80%）是非结构性裂缝（主要是收缩裂缝）。按其阶段分可分为施工裂缝和腐蚀裂缝。施工裂缝是由于施工中操作不当或构件本身的刚度不够等导致的。腐蚀裂缝是由于结构长期处于腐蚀性气液的环境下引起的，它包括混凝土自身的腐蚀以及钢筋的锈蚀。

6.2 处理混凝土开裂的有效措施

混凝土的开裂对结构是有有害的作用的，尤其是以前所建的建筑已经暴露在不良环境中很长时间，其表面及内部产生裂缝，因此无论从工程实际还是研究层面我们都有必要找出处理已经产生的裂缝的有效措施。下面就是根据现有的工程技术总结出的解决办法：（1）填堵法，（2）压力灌浆法，（3）表面封闭法。

7.结语

混凝土作为一种性能良好的建筑材料，自从其问世以来便受到广泛的应用，然而由于其自身的性质，及外部环境不可避免地导致其会在工作阶段发生程度不等的裂缝，有的不会影响其正常使用和其承载力，而当裂缝超过其允许范围时，就会对结构构件产生不可忽略的影响，甚至会使建筑结构产生致命破坏如失稳、坍塌等。因此，对于裂缝的形成机理及其发展趋势的研究闲的尤为重要，另外对于裂缝的分析可以有效地预测结构的健康状况，然后对其及时地解救可以挽回巨大的经济损失和人员伤亡。目前我们用的检测手段主要是超声波检测法，也可以用运用有限元分析方法和数据分析模拟预测分析混凝土的裂缝状况。

参 考 文 献

[1] 陈肇元，崔京浩，朱金铨，安明喆.钢筋混凝土裂缝机理与控制措施，工程力学，第23卷增刊I,Vol.23 Sup.I

[2] 徐秀春 , 单学政,现浇钢筋混凝土裂缝分析及预防,混凝土，2006 年第7 期( 总第201 期)Number 7 in 2006(Total No.201)

[3] 邓宗才，聂雪强，郑俊杰，混凝土裂缝在拉应变下的损伤与断裂分析，华中理工大学学报，第27 卷第2 期，Vol.27 No.2

[4] 常立新,丁煜祥,程泽和,徐斌,混凝土裂缝对钢筋锈蚀的影响,工业建筑，2006 年第 36 卷增刊 903，Industrial Construction Vol. 36 , Supplement ,2006

[5] 李俊如,高建光,王耀辉超声波检测混凝土裂缝及裂缝成因分析,岩土力学，第22卷第3期，Vol .22,NO.3

[6] 朱耀台, 詹树林.混凝土裂缝成因与防治措施研究,材料科学与工程学报,第21 卷 第5期,Vol1 2 1 No1 5

[7] 徐铮澄.商品混凝土裂缝的成因与防治[J]1 混凝土, 2002,(5).

[8] 吕文良,混凝土裂缝防治技术在工程中的应用,混凝土，2011 年第10 期（ 总第264 期），Number 10 in 2011（Total No.264）

[9] 徐世烺，赵艳华,混凝土裂缝扩展的断裂过程准则与解析,工程力学，第25 卷增刊II Vol.25 Sup.II

[10] 徐秀春,单学政.现浇钢筋混凝土裂缝分析及预防,混凝土，2006 年第7 期( 总第201 期)Number 7 in 2006(Total No.201)