钢筋混凝土结构裂缝成因及防治措施

冯立勇，舒必仁，邓翀

（1. 中交二航武汉港湾新材料有限公司，湖北 武汉 430040；2. 海工结构新材料及维护加固技术湖北省重点实验室，湖北 武汉 430040）

0 引言

钢筋混凝土以其力学性能、可模性、整体性及耐久性等诸多优点，已经成为建筑行业用途最广泛的结构材料。且随钢筋混凝土结构的设计理论逐步完善、施工技术及经验日益成熟，在今后相当长的时间内，钢筋混凝土仍将作为建筑结构的主要承重体系。钢筋混凝土裂缝作为其自身缺陷的一种，对混凝土的耐久性及结构的营运安全性危害极大。混凝土裂缝的存在形成了混凝土的内部通道，增大了结构的渗透性，有利于空气中的有害气体或物质渗入，从而导致钢筋锈蚀、混凝土过早破坏，同时深层裂缝和贯穿性裂缝更是破坏了结构的整体性，改变了设计的应力状态和结构物的受力条件，可能使结构物的局部或整体发生破坏，直接影响建筑物安全。裂缝作为钢筋混凝土结构最常见的一种质量通病，一直备受建筑行业及相关人士关注。故正确分析钢筋混凝土结构裂缝成因，并据此提出有效的预防措施，杜绝结构有害裂缝、尽量减少表面裂缝，对保证结构的整体性和正常使用具有重要意义。

1 裂缝的分类[1]

1.1 按照产生原因分类

（1）荷载作用下的裂缝（结构性裂缝约 10%）；（2）变形作用下的裂缝（非结构性裂缝约 80%）；（3）混合作用（荷载与变形共同作用）下的裂缝（约5%～10%）；（4）碱骨料反应；（5）质量力（惯性力）引起的裂缝。

1.2 按裂缝有害程度分类

（1）有害裂缝指的是贯穿性纵深和浅层的裂缝（达到受力钢筋位置），对有抗渗、防腐蚀以及防辐射等特别要求的有害裂缝宽度要依据生产要求进行规定。（2）无害裂缝。微观裂缝、表面裂缝和裂缝宽度小于规范允许宽度的宏观裂缝。针对表层裂缝大于允许宽度，长度短，影响使用功能者，仍然要按照轻度有害裂缝进行处理。

2 钢筋混凝土裂缝产生的原因

2.1 混凝土收缩[2~6]

收缩裂缝起因于混凝土的自由收缩变形受到约束，而在无约束条件下，混凝土收缩本身并不会引起开裂。混凝土结构自浇筑、硬化至后期运行阶段，收缩可分为塑性沉降、自收缩、化学收缩、温度收缩及干燥收缩等。对普通混凝土而言，其收缩的主要形式是干燥收缩，而高性能混凝土，不容忽视的则是自收缩问题。正确区分不同的收缩类型，有助于我们采取必要的措施，对混凝土的开裂问题进行提前预防或减轻其开裂程度。

2.1.1 塑性沉降

在混凝土刚搅拌完成后，骨料颗粒在具有一定稠度的浆体中悬浮，而浆体的密度又相对较低，水灰比为0.6，浆体的密度仅为骨料的二分之一，因此，浆体中的骨料会出现下沉现象，且内部的水泥颗粒密度又比水大得多，导致刚搅拌完的混凝土内的水分被挤压到上层，即发生“沉降”与“泌水”现象。泌水减少了混凝土内的多余水份，对混凝土硬化后的强度提升起到较大帮助。然而沉降与泌水的危害相对更大。水份的上移及骨料的沉降会导致钢筋的水平线下侧出现空隙并造成水份的积聚，易产生锈蚀；水份的上移还会导致粗骨料底部有水份残留，使得骨料与浆体间的界面更加薄弱，并逐渐产生空隙（见图 1），对混凝土的抗冻及抗渗性产生较大的影响；在沉降颗粒碰触到水平螺栓或钢筋时，抑或与侧面的模板产生摩擦遇到阻力时，就会被拦截产生沉降差，最终导致混凝土顶部出现塑性沉降裂缝。

2.1.2 自生收缩

自干燥指的是混凝土密封后其内部的相对湿度由于水泥的不断水化而逐渐降低。就高性能混凝土而言，因为其水胶比例非常低，强度发展较快而快速消耗了内部的自由水，使得其孔系内的相对湿度不超过 80%。另外，高性能混凝土有着更为紧密的结构，外部水份很难进入其中，在该状况下就出现了自收缩现象。相关研究数据显示，水胶比例在 0.4 左右，两个月龄期的混凝土，其自收缩是 1×10-4；水胶比为 0.3 的高性能混凝土的自收缩为 2×10-4；水胶比为 0.17 的高性能混凝土的自收缩为 8×10-4。在总收缩内，高性能混凝土的自收缩几乎与干收缩相等。越低的水胶比例，越细的掺合料，就会出现比例越大的自收缩。在高性能混凝土开始出现自收缩且水化率最高的几天时间里，混凝土表面失水，湿度降低会使其表面出现裂缝，其后导致内部出现微裂，如果混凝土再因为受到约束发生变形，就会再次出现收缩裂缝。

图1 塑性沉降造成的钢筋底部空隙

2.1.3 化学收缩

化学收缩也就是我们通常所说的水化产物收缩，不管何种凝胶材料，都存在水化后减缩的现象，这是因为水化反应前和水化反应后，材料的平均密度出现了差异。水泥水化反应主要生成 C-S-H 凝胶，其体积比水域水泥的总体积要小，也就是增加了固相体积的同时，减小了水—水泥的绝对体积。多数的硅酸盐水泥在水化反应完全后，体积都会有 7%～9% 的减小。在水泥彻底硬化前，固相体积的增加是对之前水占据空间的填充，增加水泥的密实程度，减缩其宏观体积；在硬化完全后，体积保持不变，但水—水泥体系则会在反应减缩后产生孔隙。所以，水泥硬化完全前，该减缩过程不会对混凝土的性质产生影响，但硬化完全后，会基于不同的水灰比产生数量不等的孔隙，进而对混凝土的性质产生较大影响。化学收缩与水泥的组成有关，C3A 的含量越大收缩越大。在掺加一些细料时，细料的活性和减缩过程密切相关，越高的活性就会导致越大的化学收缩。

2.1.4 干燥收缩

干燥收缩指的是在停止养护混凝土后，在空气不饱和的环境中因为凝胶孔及毛细孔中吸附水的减少所产生的收缩，且这种收缩是不可逆的。越低的相对湿度，就会导致越严重的水泥干缩。水泥的内部孔隙和干燥收缩之间有着较大的关联，水泥的水化反应产物主要是碳—硫—氢凝胶及大量的微孔（被水填充），这些微孔内有一定量的水化反应残留的水。在干燥的混凝土中，水的蒸发速率会大于混凝土中水份外泌的速率，所以，表层的水减少，且伴随蒸发过程的持续，水份减少开始由外到内发展，凝胶孔及毛细孔内的水份也开始蒸发。水份流失使得毛细孔内出现负压，孔壁出现拉应力，进而导致了水泥的收缩现象。

2.1.5 温度收缩

混凝土在硬化过程中水泥水化产生水化热，并通过边界把部分热量向四周传递。硬化初期，水泥水化速度快，放出的热量大于散热量，使混凝土升温，在大体积混凝土内部可高达 80℃以上，其必须达到环境温度才可以趋于稳定，因此，在较长的时间内（最少是验收前），混凝土出现的温差主要包括两个部分：一个是混凝土结构本身内部与表面的温差；一个是其与外界环境之间的温差。温应力出现的主要原因就是温差的存在，越大的温差就会产生越大的收缩应力，在收缩应力超过一定值时，混凝土就会出现开裂。基于温差所导致的混凝土收缩通常称作温度收缩。

2.2 基础不均匀沉降

由于基础竖向不均匀沉降或水平方向位移，使结构中产生附加应力，超出钢筋混凝土结构的抗拉能力，导致结构开裂。裂缝定向与沉降情况有关，一般表现为垂直或是 30～40 度角度方向发展。基础不均匀沉降的主要原因有：地质勘察精度不够、试验资料不准；地基地质差异太大；结构荷载差异太大；结构建成以后，原有地基条件变化等。

2.3 荷载裂缝

荷载裂缝指钢筋混凝土结构在常规静、动荷载及次应力下产生的裂缝，这种裂缝多出现在结构的受拉部位、剪拉区或有严重振动的部位。归纳起来主要有直接应力裂缝、次应力裂缝两种。直接应力裂缝是指外荷载引起的直接应力产生的裂缝，次应力裂缝是指由外荷载引起的次生应力产生的裂缝。裂缝产生的原因有：（1）在设计外荷载的影响下，因为内结构物的真实工作情况和常规运算之间存在一定差异或者计算过程中没有将其考虑在内，导致在一些位置出现次应力使得结构开裂。（2）局部应力集中，在结构中通常需凿槽、开洞以及设置牛腿等，在常规运算中很难使用精确的图式完成模拟计算，通常依据经验对受力钢筋进行设置。

2.4 钢筋锈蚀[7]

在混凝土裂缝类型中，钢筋锈蚀是较为常见的一类，钢筋混凝土中钢筋会被外界锈蚀，其锈蚀产物的体积约为原来的 2～4 倍，随着钢筋锈蚀程度不断加剧，钢筋周围的混凝土产生受拉应力，即锈胀力。当受拉应力达到混凝土抗拉强度时，混凝土保护层开始开裂，随着锈蚀程度的加剧，裂缝会向表面扩展，最后贯通保护层，严重影响混凝土结构的耐久性。此类裂缝称为侵蚀性介质到钢筋表层的通道，所以加快钢筋的锈蚀。如果不采用有效措施，那么钢筋锈蚀将会不断发展直到保护层剥落。图2 为钢筋混凝土锈蚀胀裂的过程。

图2 钢筋混凝土锈蚀胀裂过程

3 裂缝控制的综合技术措施[8,9]

裂缝是钢混结构中广泛存在的一类现象，导致混凝土出现裂缝的原因比较复杂，事实上每条裂缝的出现都是受到多种因素的共同作用，故施工过程中应从设计、材料、配合比、施工及环境、管理等各方面综合考虑，统筹处理。

3.1 材料方面

选用的各种材料均应符合国家现行规范和有关标准的规定，骨料应优选洁净、级配良好的中砂和级配良好、空隙率较小的粗骨料，砂石的含泥量对于混凝土的抗拉强度与收缩影响很大，应严格控制。为了降低混凝土的早期温升，大体积混凝土应优选中、低热水泥，同时掺加缓凝型高效减水剂。

3.2 配合比方面

优良的配合比是预防混凝土开裂的关键，应通过不断优化配合比配制高抗裂、低温升、低收缩的混凝土。在满足施工要求的条件下，尽量采用较小的坍落度和较小的砂率。控制混凝土单位用水量，用水量不宜大于170kg/m3。对于大体积混凝土，应尽量降低胶凝材料用量及水泥用量，以降低混凝土的温升。为提高混凝土抗拉强度，混凝土可适量掺加纤维。

3.3 施工工艺方面

模板与支架的稳定性、刚性及承载力要足够强，安装模板时要保证其不渗浆、不漏水且结构紧密，拆除支架和底模时要保证混凝土质量可以满足要求。当运送到现场的混凝土不符合施工需求时，不得随意加水，可在试验后对其坍落度进行合理调整。施工时要特别注意混凝土的养护，比如：保证其相对湿度、温度等。冬天施工时要保证混凝土不被冻坏。因为混凝土容易出现收缩现象，因此在灌浆后的 3～4 小时要再次进行压实作业。

3.4 设计方面

设计时既要分析承载能力，更要对形变问题引起足够的重视。结合结构布置图，尽量减少混凝土受到的约束。强度等级要合理选择，在对温度收缩力进行严谨计算后采取必要的应对措施。普通混凝土有着较好的韧性、较低的收缩和水化热，而高性能混凝土有着较高的强度，较大的密度，但也有着较大的脆性、较高的收缩度及水化热。在工况允许的情况下，应基于实际条件选择合理的技术手段，比如降低水泥的使用量，加大掺合料的比例，延长混凝土的养护时间等。

4 结语

钢筋混凝土结构产生裂缝的原因繁多，影响因素复杂，混凝土约束条件下的收缩变形、基础不均匀沉降、荷载作用及钢筋锈蚀等都将导致钢筋混凝土结构产生裂缝。保证完全不出现裂缝是较难实现的，但应从材料、混凝土配合比、施工工艺及设计方面着手，尽最大努力预防结构裂缝的产生，并采取相应的措施，从而确保结构的耐久性及使用安全性。