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大体积混凝土裂缝形成过程




一、前言


混凝土是一种由砂石骨料、水泥、水及其他外加材料混合而形成的非均质脆性材料。由于混凝土施工和本身变形、约束等一系列问题，硬化成型的混凝土中存在着众多的微孔隙、气穴和微裂缝，正是由于这些初始缺陷的存在才使混凝土呈现出一些非均质的特性。微裂缝通常是一种无害裂缝，对混凝土的承重、防渗及其他一些使用功能不产生危害。但是在混凝土受到荷载、温差等作用之后，微裂缝就会不断的扩展和连通，最终形成我们肉眼可见的宏观裂缝，也就是混凝土工程中常说的裂缝。
    混凝土建筑和构件通常都是带缝工作的，由于裂缝的存在和发展通常会使内部的钢筋等材料产生腐蚀，降低钢筋混凝土材料的承载能力、耐久性及抗渗能力，影响建筑物的外观、使用寿命，严重者将会威胁到人们的生命和财产安全。很多工程的失事都是由于裂缝的不稳定发展所致。近代科学研究和大量的混凝土工程实践证明，在混凝土工程中裂缝问题是不可避免的，在一定的范围内也是可以接受的，只是要采取有效的措施将其危害程度控制在一定的范围之内。钢筋混凝土规范也明确规定[1]：有些结构在所处的不同条件下，允许存在一定宽度的裂缝。但在施工中应尽量采取有效措施控制裂缝产生，使结构尽可能不出现裂缝或尽量减少裂缝的数量和宽度，尤其要尽量避免有害裂缝的出现，从而确保工程质量。
    混凝土裂缝产生的原因很多，有变形引起的裂缝：如温度变化、收缩、膨胀、不均匀沉陷等原因引起的裂缝；有外载作用引起的裂缝；有养护环境不当和化学作用引起的裂缝等等。在实际工程中要区别对待，根据实际情况解决问题。


二、混凝土工程中常见裂缝
    1、干缩裂缝
    干缩裂缝多出现在混凝土养护结束后的一段时间或是混凝土浇筑完毕后的一周左右。水泥浆中水分的蒸发会产生干缩，且这种收缩是不可逆的。干缩裂缝的产生主要是由于混凝土内外水分蒸发程度不同而导致变形不同的结果：混凝土受外部条件的影响，表面水分损失过快，变形较大，内部湿度变化较小变形较小，较大的表面干缩变形受到混凝土内部约束，产生较大拉应力而产生裂缝。相对湿度越低，水泥浆体干缩越大，干缩裂缝越易产生。干缩裂缝多为表面性的平行线状或网状浅细裂缝，宽度多在0.05~0.2mm之间，大体积混凝土中平面部位多见，较薄的梁板中多沿其短向分布。干缩裂缝通常会影响混凝土的抗渗性，引起钢筋的锈蚀影响混凝土的耐久性，在水压力的作用下会产生水力劈裂影响混凝土的承载力等等。混凝土干缩主要和混凝土的水灰比、水泥的成分、水泥的用量、集料的性质和用量、外加剂的用量等有关。
    2、塑性收缩裂缝


混凝土塑性裂缝一般可分为两类，即塑性沉降裂缝和塑性收缩裂缝，这两种裂缝的形成过程都与混凝土的泌水有关，泌水是指混凝土浇筑捣实后尚未凝结硬化之前，从外表看在混凝土的浇筑面上山现一层清水或者从模扳缝中渗出部分水的一种现象，这是因为水在混凝土拌合物各组分中密度最小。当混凝土成型后的静止过程中，部分密度较大的固体颗粒还会向下沉积，而水则只能向上浮动，一部分水泌出到混凝土的外表面，称为外泌水；另一部分被截留在钢筋及粗骨料的下面形成水囊，水分蒸发后产生孔隙及界面裂缝，从而降低了钢筋与混凝土之间的粘结强度以及水泥石与骨料之间的界面强度，致使混凝土的抗冻、抗渗和抗腐蚀能力减弱，抗压抗折强度降低，这部分水称为内泌水，只有当水泥水化产生的胶结强度足以阻止固体颗粒相对运动或者各种固体颗粒经过迁移已达到紧密堆积状态时，沉积相对停止，泌水才告结束，泌水使混凝土的体积缩小，促成了混凝土塑性裂缝的产生。


混凝土塑性裂缝是指混凝土浇筑成型后还未硬化，仍处于可塑状态时产生的裂缝，塑性裂缝的出现不仅会影响混凝土构件的外观质量，更重要的是会造成混凝土防水性能下降、钢筋容易锈蚀等不良后果，影响混凝土结构的使用年限，关于这一点应在设计和施工过程中给予充分的重视。
    塑性收缩裂缝一般在干热或大风天气出现，裂缝多呈中间宽、两端细且长短不一，互不连贯状态。常发生在混凝土板或比表面积较大的墙面上，较短的裂缝一般长20~30cm，较长的裂缝可达2~3ｍ，宽1~5mm。从外观分为无规则网络状和稍有规则的斜纹状或反映出混凝土布筋情况和混凝土构件截面变化等规则的形状，深度一般3～10cm，它与塑性沉降裂缝相比，贯穿整个混凝土板的裂缝是极少的，而且塑性收缩裂缝通常延伸不到混凝土板的边缘，这一点可做为混凝土早期塑性收缩裂缝与混凝土长期干燥收缩裂缝相区别的依据，在实际上很难区别塑性收缩裂缝与塑性沉降裂缝，但如果裂缝的走向与钢筋布置的形状和混凝土构件的几何形状有关，则可以判定沉降在裂缝的形成过程中起了一定的作用，有时这两种裂缝是同时存在的，只不过是以何种为主罢了。影响混凝土塑性收缩开裂的主要因素有水灰比、混凝土的凝结时间、环境温度、风速、相对湿度等等。


混凝土可以被认为是一种人造的沉积岩，混凝土刚刚浇筑成型后，由于混凝土各种固体颗粒在减水剂的作用下形成了溶剂化层，导致各种固体颗粒之间存在一层水膜，在混凝土的表面处则形成凹形液面，在一般情况下，水分挥发会使固体颗粒进一步靠近，毛细管进一步变细，增大了将水从混凝土内层提升到表面的能力，同时混凝土的泌水也有利于水上升到混凝土表面。普通混凝土所含的水分少在泌水和毛细管的双重作用下使混凝土的体积收缩小而且较均匀，所以普通混凝土较少产生塑性收缩裂缝。对于泵送混凝土而言，因其所含的水分较多，若环境温度高风速大而且干燥，水分挥发迅速，混凝土的泌水和毛细管提升水的综合作用还低于水的挥发作用时，使混凝土表层脱水速度远大于混凝土内层提供水的速度，造成了混凝土面层体积收缩大，若这时混凝土还未产生足够的强度，则在混凝土表面产生塑性收缩裂缝，商品混凝土因运输距离长，为防止流动性损失过大，常常加入缓凝剂、保塑剂等，更增加了形成塑性收缩裂缝的可能。因混凝土的塌落度大，对模板的侧向压力也大，使模板容易发生变形也会形成塑性裂缝，消除塑性收缩裂缝的积极方法与消除塑性沉降裂缝的方法基本相同，也可以采用二次振捣工艺，所不同的是可以采用平板振动器进行施工，特别是对表面积大而厚度小的混凝土板，通过振捣使混凝土的体积收缩减小而且均匀，而有的施工单位采用碾压和抹平的方法来消除塑性裂缝，其效果是值得怀疑的。
    3、沉陷裂缝
    沉陷裂缝的产生是由于结构地基土质不匀、松软，或回填土不实或浸水而造成不均匀沉降所致；或者因为模板刚度不足，模板支撑间距过大或支撑底部松动等导致，特别是在冬季，模板支撑在冻土上，冻土化冻后产生不均匀沉降，致使混凝土结构产生裂缝。此类裂缝多为深进或贯穿性裂缝，其走向与沉陷情况有关，一般沿与地面垂直或呈30°~45°角方向发展，较大的沉陷裂缝，往往有一定的错位，裂缝宽度往往与沉降量成正比关系。裂缝宽度受温度变化的影响较小。地基变形稳定之后，沉陷裂缝也基本趋于稳定。
    4、温度裂缝
    温度裂缝多发生在大体积混凝土表面或温差变化较大地区的混凝土结构中。混凝土浇筑后,在硬化过程中,水泥水化产生大量的水化热，（当水泥用量在350～550 kg/m3，每立方米混凝土将释放出17500～27500kJ的热量，从而使混凝土内部温度非法信息70℃左右甚至更高）。由于混凝土的体积较大，大量的水化热聚积在混凝土内部而不易散发，导致内部温度急剧上升，而混凝土表面散热较快，这样就形成内外的较大温差，较大的温差造成内部与外部热胀冷缩的程度不同，使混凝土表面产生一定的拉应力（实践证明当混凝土本身温差达到25℃~26℃时，混凝土内便会产生大致在10MPa左右的拉应力）。当拉应力超过混凝土的抗拉强度极限时，混凝土表面就会产生裂缝，这种裂缝多发生在混凝土施工中后期。在混凝土的施工中当温差变化较大，或者是混凝土受到寒潮的袭击等，会导致混凝土表面温度急剧下降，而产生收缩，表面收缩的混凝土受内部混凝土的约束，将产生很大的拉应力而产生裂缝，这种裂缝通常只在混凝土表面较浅的范围内产生。


温度裂缝的走向通常无一定规律，大面积结构裂缝常纵横交错；梁板类长度尺寸较大的结构，裂缝多平行于短边；深入和贯穿性的温度裂缝一般与短边方向平行或接近平行，裂缝沿着长边分段出现，中间较密。裂缝宽度大小不一，受温度变化影响较为明显，冬季较宽，夏季较窄。高温膨胀引起的混凝土温度裂缝是通常中间粗两端细，而冷缩裂缝的粗细变化不太明显。此种裂缝的出现会引起钢筋的锈蚀，混凝土的碳化，降低混凝土的抗冻融、抗疲劳及抗渗能力等。
    5、化学反应引起的裂缝
    碱骨料反应裂缝和钢筋锈蚀引起的裂缝是钢筋混凝土结构中最常见的由于化学反应而引起的裂缝。混凝土拌和后会产生一些碱性离子，这些离子与某些活性骨料产生化学反应并吸收周围环境中的水而体积增大，造成混凝土酥松、膨胀开裂。这种裂缝一般出现中混凝土结构使用期间，一旦出现很难补救，因此应在施工中采取有效措施进行预防。主要的预防措施：一是选用碱活性小的砂石骨料。二是选用低碱水泥和低碱或无碱的外加剂。三是选用合适的掺和料抑制碱骨料反应。
    由于混凝土浇筑、振捣不良或者是钢筋保护层较薄，有害物质进入混凝土使钢筋产生锈蚀，锈蚀的钢筋体积膨胀，导致混凝土胀裂，此种类型的裂缝多为纵向裂缝，沿钢筋的位置出现。通常的预防措施有：一是保证钢筋保护层的厚度。二是混凝土级配要良好。三是混凝土浇注要振捣密实。四是钢筋表层涂刷防腐涂料。


三、结 论


裂缝是混凝土结构中普遍存在的一种现象，它的出现不仅会降低建筑物的抗渗能力，影响建筑物的使用功能，而且会引起钢筋的锈蚀，混凝土的碳化，降低材料的耐久性，影响建筑物的承载能力，因此要对混凝土裂缝进行认真研究、区别对待，采用合理的方法进行处理。我们掌握了几种常见的裂缝形式后，可以根据工程中遇见的实际情况进行分析研究，并在施工中采取各种有效的预防措施