混凝土开裂及维护综述

梁少阳

（宁夏大学 土木与水利学院 宁夏 银川 750021）

混凝土开裂及维护综述

梁少阳

（宁夏大学 土木与水利学院 宁夏 银川 750021）

混凝土结构广泛应用于工民建筑、桥隧、海港等工程中，而其却有易开裂的缺点。相对大体积混凝土来说，即使有严格的裂缝控制措施，这些混凝土结构仍然会有裂缝。近几年，混凝土开裂机理及其对结构承载力和稳定性的影响已然成为一个热点问题。

混凝土裂缝；成因；控制；维护

0 前言

混凝土材料诞生至今，因具有坚固耐久性和良好耐火性、可模性等优点而成为各种工程建设中不可或缺的建筑材料。然而，由于混凝土材料固有的力学特性，它具有易开裂的缺点，一般混凝土结构使用过程都是带有裂缝的。裂缝的存在和发展，不仅仅影响了建筑物的外观，当微观裂缝逐渐变成了宏观裂缝，将导致结构承载力受到相应削弱，危及建筑物的正常使用，甚至直接导致混凝土结构丧失承载能力。有些特殊结构构件如核电站的混凝土安全壳、混凝土水池、地下混凝土结构等对裂缝有着严格要求，防裂工作显得尤为重要。因此，裂缝是混凝土结构使用过程中不可避免的不利因素之一。混凝土是一种多相的复合材料，结构的裂缝产生、发展至结构破坏，整个过程是相当复杂的[1]。对于裂缝控制等级高的结构构件来说，了解混凝土开裂的原因，掌握其开展过程，将有助于采取相应措施把裂缝宽度控制在规定的范围内。

1 混凝土裂缝类型及产生成因

混凝土是一种复杂非均质多相复合材料，在其微观结构相组成间主要结合力是范德华力，因此其抗拉强度远小于抗压强度。当拉应力超过其抗拉强度时，就会产生裂缝[2]。混凝土结构开裂成因繁多且复杂。据研究[3]，裂缝的类型主要分为两大类：结构性裂缝和非结构性裂缝。

外部荷载引起的裂缝，叫做结构性裂缝。混凝土自身应力引起的裂缝，叫做非结构性裂缝。调查资料[4]表明，建筑结构中只有 20%的裂缝源于荷载，而另外80%的裂缝却是由于温度、收缩、不均匀等变形变化引起的。对裂缝原因和类型进行分析，可对其修复和危害性评定提供依据，确定裂缝修补加固方案，可有效地避免突发性事件发生。

1.1 结构性裂缝(受力裂缝)

结构性裂缝，其分布和宽度与外荷载有关。包括由外荷载作用下结构次应力引起的裂缝和外荷载直接应力引起的裂缝。结构性裂缝一旦产生，就标志结构承载力可能不足或有严重问题，也可能是由设计缺陷或施工方法不当引起的。

直接应力裂缝是指由外荷载引起的直接应力产生的裂缝。产生的原因有：①在设计阶段，计算模型不合理；②在施工阶段，不加考虑堆放机具、材料；③在使用阶段，超出了设计使用载荷。

次应力裂缝是指由外荷载引起的次生应力产生的裂缝。产生的原因有：①在设计外荷载作用下，由于结构实际工作状态与理论计算有偏差或计算时未考虑到，从而在某些部位引起次应力导致裂缝产生；②结构中经常需要凿槽、开洞等，在理论计算中难以用准确的图式进行模拟计算，一般根据经验设置受力筋。如果处理不当，在构件形状突变处、转角处或受力筋截断处也容易开裂[3]。结构受力形式不同，裂缝特征也不同，如有：弯曲裂缝、拼接裂缝、剪切裂缝、局部承压缝、差动裂缝。

1.2 非结构性裂缝

由变形引起的裂缝，叫做非结构性裂缝，主要有收缩裂缝、温度裂缝、钢筋锈蚀裂缝等几类[3]，下面分别进行介绍。

1.2.1 收缩裂缝

混凝土凝固过程中，体积缩小，称为凝缩；另外，混凝土中多余水分蒸发，使体积缩小，称为干缩。凝缩与干缩合称为收缩。收缩过程主要是干缩 ，约占总收缩量的 85%，混凝土成形时，其干燥过程是由外到内的，由于截面上存在温度差，因此产生表面收缩大、内部收缩小的不均匀收缩，当表面收缩受到约束时，混凝土中会产生拉应力，当所受拉力超过其抗拉强度时，便会产生收缩裂缝。收缩裂缝常常是因为早期养护不当导致的。

在实际工程中，最常见的是收缩裂缝。在混凝土收缩种类中，体积变形的主要原因是缩水收缩和塑性收缩，另外还有碳化收缩和自生收缩。碳化收缩裂缝是碳化作用所产生的游离态水蒸发，引起的浆体收缩所致。碳化作用是指大气中的二氧化碳和水与水化产物作用生成铝胶、硅胶、碳酸钙和游离水，这部分水蒸发引起混凝土体积收缩，其实质是碳酸对水泥石的腐蚀。自生收缩裂缝是由于水泥熟料在水化反应过程中，反应后的生成物平均密度变小而引起体系体积收缩所致，与外界湿度变化无关。所以，水泥水化产物中化学结合水量的多少决定了自生收缩量的大小。

1.2.2 温度裂缝

当温度变化时，混凝土结构将发生变形，如果变形受到了约束，就会产生拉应力，当拉应力大于抗拉强度时，混凝土即会产生温度裂缝。温度裂缝最典型的特征是可随温度的改变而扩张或合拢。温度裂缝按结构的温度场、温度变形及温度应力的不同，可分为三种类型：①截面上下温差裂缝；②截面内外温差裂缝；③截面均匀温差裂缝。

1.2.3 钢筋锈蚀裂缝

混凝土质量差或者保护层厚度不足，都会导致 CO2侵蚀碳化到钢筋表面，使其周围混凝土碱度减小或氯离子含量增多，最终导致钢筋表面氧化膜破坏，此后，进入的氧气和水与钢筋发生锈蚀反应，使钢筋周围混凝土膨胀，导致保护层开裂或剥落，从而使得混凝土与钢筋之间的握裹力削弱，承载力下降，甚至导致结构破坏。

1.3 其它分类方法

1.3.1 按裂缝产生的时间划分

根据文献[3]，有：①施工期间出现的裂缝，有塑性收缩裂缝、干燥收缩裂缝、沉降收缩裂缝、温度裂缝、自身收缩裂缝、早期冻胀作用裂缝、施工操作不当裂缝以及不规则裂缝等。②使用期间出现的裂缝，有钢筋锈蚀膨胀裂缝、冻融循环裂缝、碱骨料反应裂缝、盐碱类介质及酸性侵蚀气液的裂缝以及循环动荷载作用下损伤累积裂缝等。

1.3.2 按裂缝的形状划分

裂缝按形状可分为：①横向裂缝，主要由温差、荷载等引起；②纵向裂缝，主要由钢筋的锈蚀引起；③剪切裂缝，主要由震动位移或竖向荷载引起；④斜向裂缝、“八”字裂缝，主要由地基不均匀沉降引起； ⑤“X”形裂缝，主要由地震作用或瞬间撞击作用引起；⑥各种不规则裂缝。

2 混凝土裂缝的维护

针对裂缝国内外一般都采用3类修补材料：①无极修补材料，主要用来修补用普通水泥或特种水泥配置的水泥基材料；②有机材料和无机复合材料；③有机高分子材料，如环氧树脂等。

具体处理方法[5]有：①表面处理法：又称表面封闭法，是使用无机胶凝材料,合成树脂材料及防水材料，涂抹在表面上的裂纹，以恢复其耐水性和耐久性的一种常见的裂纹修复方法。这个方法操作简单，但涂料不能深入到裂缝深部。适用于修补宽度不大于0.2mm的微细裂缝。基于延长耐久性，应选择较高的结合强度和抗老化性能较好的合成树脂或无机胶凝材料；基于防渗目的的裂缝修复，应选择极限延伸率较大的弹性材料。②灌浆法：是为使结构的完整性、耐久性和耐水性得到恢复，并在一定时间内，给以防水剂或胶粘剂一定压力，将其灌注到裂缝深部，达成修复裂缝目的。这种方法适用于缝深较深、裂缝宽度不小于0.3mm的裂缝修补。灌浆材料的选择根据不同的修复目的而有区别，当裂缝修补更加注重防水时，建议采用水溶性聚氨醋、改性丙烯酸醋等抗渗性好和延伸率大的材料，活动性裂缝除填充弹性材料外还需在表面粘贴纤维布。比较看重耐久性和承载力时，应选用丙烯酸甲醋、聚氨醋等粘结力强、强度高的材料；对某一宽度的裂缝也可通过水泥浆进行修补。③填充密封法：沿裂缝走向凿出宽b≥15mm、深d≥20mm的“U”形沟槽，用弹性填缝材料，并在外面用纤维复合材料封闭填缝表面；这个方法适宜用于处理W＞O.5mm的裂缝。待填充完毕后，在其外表面做好防护层。

3 结论与展望

近来有很多科学家专注于裂缝的维护修复，如生物沉积自修复混凝土裂缝的方法，利用细菌诱导碳酸钙晶体在混凝土表层沉积的晶相、微观形貌及生物沉积对混凝土裂缝进行修复。研究发现：混凝土的裂缝被生物沉积修复以后，抗压强度会随着缝深增加而增大，最大增加了15.3%；梁试件跨中极限荷载随裂缝深度增加而减小，极限荷载最大增加了8.5%，浅层裂缝恢复效果较深层裂缝明显。

前文描述的是一些混凝土裂缝的成因和人工修复及维护，但针对裂缝问题，专家提出了材料损伤自诊断和自我修复概念。创造一个自我修复的材料，并延长其生命的想法。研究开发新型混凝土自修复技术、找到适应混凝土特性的修复材料，可以主动、自动对部位进行损伤修复并改善混凝土性能已成为混凝土结构和功能一体化的发展趋势。

[1]贾君玉.混凝土裂缝扩展仿真系统研究[D].大连理工大学,2012.

[2]廉慧珍.混凝土施工中裂缝的控制[A].混凝土结构耐久性设计与施工论文集[C].:2004:10.

[3]黄贻凤.桥梁混凝土开裂理论及数值分析[D].武汉理工大学,2005.

[4]王铁梦.工程结构裂缝控制,中国建筑工业出版社,1997.

[5]盛红,徐建雄,李建波.钢-混凝土组合板混凝土早期裂缝对策[J]. 建筑结构,2008,08:138-139.

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1007-6344（2016）07-0262-01

梁少阳（1992年—），男，河北邢台人，宁夏大学、硕士研究生、主要研究方向：混凝土结构，宁夏大学，宁夏 银川，750021