钢筋混凝土结构常见裂缝成因与预防

徐益宁

广梅汕铁路有限责任公司惠州房建公寓段广东省惠州市516023

摘要：本文从房屋钢筋混凝土结构常见裂缝成因分析着手，通过对不同环节的主要矛盾进行分析，有针对性地找出了其系统成因与预防控制重点，并就专项治理有效实施提出了程序性解决方案。

关键词：混凝土；裂缝；预防

一、影响结构安全控制的因素分析

目前铁路单位维护使用的房屋（含桥房一体房屋）都是钢筋混凝土结构，混凝土结构随着使用时间的延续，受结构使用条件变化及环境侵蚀等因素的影响，会使结构受到不同程度的损伤，使结构安全功能退化，使用功能逐步降低乃至完全丧失。工程统计数据表明，裂缝是反映混凝土结构病害的晴雨表，混凝土结构的任何损伤与破坏，都是先在混凝土中出现裂缝。裂缝问题已经引起了人们的广泛关注。因此，探讨钢筋混凝土结构裂缝的产生原因及其预防补救措施是有积极的社会意义和经济意义。本文根据多年的工作实践对该项工作有效控制进行了探索。

结构受到破坏和损伤后，需要对结构损伤原因和程度进行分析，确定结构损伤后的使用功能受影响程度，以及在此基础上针对裂缝成因对结构进行加固改造，根据价值分析和社会需要进行维修、加固或拆除重建等整治活动决策。

二、裂缝的种类和形成原因

混凝土结构引起裂缝的原因很多，本文中将其归纳为两大基本类别：

第一类：由外荷载引起的裂缝，称为结构性裂缝（又称为受力裂缝），其裂缝的分布及宽度与外荷载有关。这种裂缝的出现，预示结构承载力可能不足或存在其他严重问题。

第二类：由变形引起的裂缝，称为非结构性裂缝，如温度变化、混凝土收缩等因素引起的结构变形受到限制时，在结构内部就会产生自应力，当此应力达到混凝土抗拉强度极限值时，即会引起混凝土裂缝，裂缝一旦出现，变形得到释放，自应力也就消失了。

两类裂缝有明显的区别，危害效果也不相同，有时两类裂缝叠加在一起。相关统计资料表明，在两类裂缝中以变形引起的裂缝占主导的约占80%；以荷载引起的裂缝占主导的约占20%。

1．结构性裂缝（受力裂缝）

混凝土的抗拉强度相比较其抗压强度而言很低，一般地抗拉极限应变大约为。就是说在混凝土即将开裂的瞬间，钢筋的应力只有。事实上，在正常使用阶段钢筋的应力远大于此值，所以说在正常使用阶段钢筋混凝土结构出现裂缝是避不可免的。习惯上又将这种裂缝称为正常裂缝。实践证明，在正常条件下，裂缝宽度≤0.30mm时，钢筋不致生锈。新修订的<公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范>JTGD62-2004（以下简称<桥规JTGD62>）规定：钢筋混凝土构件计算的特征裂缝宽度不应超过下列规定的限值：

Ⅰ类及Ⅱ类环境0.2mm

Ⅲ类及Ⅳ类环境0.15mm

结构性裂缝可根据构件的受力特征判断。图1所示为钢筋混凝土简支梁的典型结构性裂缝分布示意图。

图1钢筋混凝土梁结构裂缝

图1中①所示的跨中截面附近下缘受拉区的竖向裂缝，是最常见的结构性裂缝。在正常设计和使用情况下，裂缝宽度不大，间距较密，分布均匀。若竖直裂缝宽度过大，超过规范规定的限值，预示结构正截面承载力不足；图1中②所示为支点（或腹板宽度变化处）附近截面由主拉应力引起的斜裂缝。在正常设计和使用情况下很少出现斜裂缝，即使出现裂缝宽度也很小。若斜裂缝宽度过大，预示结构的斜截面承载力不足，存在发生斜截面脆性破坏的潜在危险，应引起足够的重视。有些结构性裂缝（受力裂缝）是由设计错误和施工方法不当所造成的。例如：钢筋锚固长度不足、计算图式与实际受力不符、构件刚度不足、次内力考虑不全面和施工安装构件支承吊点错误等都可以使构件产生裂缝。在超静结构中基础不均匀沉降，将引起结构的内力变化，可能导致结构出现裂缝。基础不均沉降引起的上部结构的裂缝，实质上是属于结构性裂缝（受力裂缝）范畴，裂缝的分布和宽度与结构形式、基础不均沉降情况及大小等多种因素有关。这种裂缝对结构安全性影响很大，应在基础不均匀沉降停止或采用加固地基方法消除后，才能进行上部结构的裂缝处理。

2．非结构性裂缝

混凝土的非结构性裂缝根据其形成的时间可分为：混凝土硬化前裂缝、硬化过程裂缝和完全硬化后裂缝。非结构性裂缝的产生受混凝土材料组成、浇筑方法，养护条件和使用环境等多因素影响。

（1）收缩裂缝

混凝土凝固过程，混凝土中多余水分蒸发，体积缩小称为干缩。同时，水泥和水起水化作用逐渐硬化而形成的水泥骨架不断紧密，体积缩小，称为凝缩。收缩中以干缩为主，占总收缩量的8/10-9/10。收缩量随时间增长而不断加大，初期收缩较快，尔后日趋缓慢。普通混凝土在标准状态下的极限收缩变形约为3.24×10－4。当混凝土成形后，表面水份蒸发，这种水份蒸发总是由表及里逐步发展，截面上温度形成梯度，内外干缩量不一样，因而混凝土表面收缩变形受到混凝土内部约束或其他约束限制时，即在混凝土中产生拉应力，引起混凝土开裂。尤其是混凝土早期养护不当，混凝土表面直接受到风吹日晒的影响，表面水份蒸发过快，产生较大的拉应力，混凝土早期强度低，很容易出现收缩裂缝。

收缩裂缝发生在混凝土面层，裂缝浅而细，宽度多在0.05-0.2mm之间。对板类构件多沿短边方向，均匀分布于相邻两根钢筋之间，方向与钢筋平行。对高度较大的钢筋混凝土梁，由于腰部水平钢筋间距过大，在腰部（或腹板）产生竖向收缩裂缝，但多集中在构件中部，中间宽两头细，至梁的上、下缘附近逐渐消失，梁底一般没有裂缝。大体积混凝土在平面部位收缩裂缝较多，侧面也有所见。收缩裂缝对构件承载力影响不大，主要影响影响结构外观和耐久性。

（2）温度裂缝

钢筋混凝土结构随着温度变化将产生热胀冷缩变形，这种温度变形受到约束时，在混凝土内部就会产生拉应力，当此应力达到混凝土的抗拉强度极限值时，即会引起混凝土裂缝。这种裂缝称为温度裂缝。按结构的温度场不同、温度变形、温度应力不同，温度裂缝可分为三种类型：

截面均匀温差裂缝：一般结构为杆件体系长细结构，当温度变化时，构件截面受到均匀温差的作用，可忽略横截面两个方向的变形，只考虑沿梁长度方向的温度变形，当这种变形受到约束时，在混凝土内部就会产生拉应力，出现裂缝。例如：连续梁预留伸缩缝的伸缩量过小，或有施工散落的混凝土碎块等杂物嵌入伸缩缝，或堆集于支座处没有及时清理，使伸缩缝和支座失灵等，当温度急剧变化时，结构伸长受到约束，上部桥跨结构就会出现这种截面均匀温差裂缝，严重者还可能造成墩台的破坏。

截面上、下温差裂缝：以结构中大量采用的箱形梁为例，当外界温度骤然变化时，会造成箱内外的温度差，可以认为在沿梁长方向箱内外的温差是一致的，沿水平横向没有温差。可将三维热传等问题简化为沿梁的竖向温度梯度来确定，一般假设梁的截面高度方向、温差呈线性变化。

在这种温差作用下，梁不但有轴向变形，还伴随产生弯曲变形。梁的弯曲变形在超静定结构中不但引起结构的位移，而且因多余约束存在，还要产生结构内部温度应力。当上、下温差变形产生的应力达到混凝土抗拉强度极限值时，混凝土就要出现裂缝，这种裂缝称为截面上、下温差裂缝。

截面内外温差裂缝：水泥在水化过程产生一定的水化热，其大部分热量是在水泥浇筑后3天以内放出的。大体积混凝土产生的大量水化热不容易散发，内部温度不断上升，而混凝土表层散热较快，使截面内部产生非线性温度差。另外，预制构件采用蒸气养护时，由于混凝土升温或降温过快，致使混凝土表面剧烈升温或降温，也会使截面内部产生非线性温度差。在这种截面温差作用下，结构将产生弯曲变形，且符合平截面假设，截面纵向纤维因温差的伸长将受到约束，产生温度自应力。对超静定结构还会产生阻止挠曲变形的约束应力。有时此温度应力是相当大的，尤其是混凝土早期强度比较较低，很容易造成混凝土裂缝。

混凝土温度裂缝有以下特点：

①裂缝发生在板上时，多为贯穿裂缝；发生在梁上多为表面裂缝。

②梁板式结构或长度较大的结构，裂缝多是平行于短边。

③大面积结构（例如桥面铺装）裂缝多是纵横交错。

④裂缝宽度大小不一，一般在0.5mm以下，且沿结构全长没有多大变化。

预防温度裂缝的主要措施是合理设置温度伸缩缝，在混凝土组成材料中掺入适量的磨细粉煤灰，减少水化热，加强混凝土养护，严格控制升温和降温速度。

温度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。

（4）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所致，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。

（3）钢筋锈胀裂缝（顺筋裂缝）

钢筋混凝土结构的裂缝与钢筋的腐蚀相互作用。裂缝会增加混凝土的渗透性，使钢筋的腐蚀加重，另一方面钢筋腐蚀后，腐蚀产物体积膨胀，使混凝土保护层沿纵筋方向出现裂缝，严重者混凝土保护层会完全脱落。对预应力混凝土构件而言，由于预压应力过大或管道灌浆受冻、膨胀等原因也可能出现顺筋裂缝。这种裂缝是不可恢复的，会加剧预应力筋的腐蚀（又称应力腐蚀），预应力筋腐蚀又会进一步加剧顺筋裂缝的扩展。如此恶性循环，带有极大的危险性。

三、预防裂缝产生的措施

从裂缝产生的原因可以看出，混凝土裂缝不仅取决于设计计算、材料的选用、也贯穿于混凝土的施工及使用过程，为了防止和减少混凝土的裂缝，可采取许多适当的技术措施。

（1）水泥尽量选用水化热较低的水泥。骨料尽可能选择非活性骨料，粗骨料宜选用表面粗糙、质地坚硬、级配良好、空隙率和含砂率小的石料，细骨料宜选用颗粒较粗、空隙较小、含泥量较低的中砂，以提高混凝土抗裂强度。

（2）根据地质条件，选择合理的基础类型和结构形式，以防产生不均匀沉降，开挖基槽时需注意不要扰动其原状结构。大体积混凝土应采取合理的分层、分块、分缝措施。如预先设置好必要的伸缩缝、变形缝和沉降缝，以减少温度裂缝。

（3）配制混凝土时，应根据混凝土强度等级和质量检验以及混凝土和易性的要求确定配合比，严格控制水灰比和水泥用量，合理掺加减水剂，从而减小收缩和水化热及减少混凝土坍落度。

（4）混凝土浇筑时要防止离析现象，加强混凝土的浇灌振捣，提高密实度，有条件可采用两次振捣技术，改善混凝土强度，提高抗裂性。

（5）加强混凝土早期养护，并适当延长养护时间。当表面发现微细裂缝时，应及时抹压一次，再覆盖养护。

（6）应安排合理的拆模时间及顺序，严格执行混凝土结构工程施工及验收规范中规定的混凝土强度和工程设计要求。严禁混凝土构件(尤其是悬挑构件)尚未达到规定的强度就拆除模板，以防裂缝产生。拆模的顺序一般应按照“先支的后拆，后支的先拆，先拆非承重部位，后拆承重部位”的原则。

（7）严格控制使用期间的荷载不超过设计承载值，杜绝活载超限现象的出现。

结论与建议

综上所述，环境的影响、设计的错误、不合格的材料、低劣的施工水平以及过度使用是构件产生裂缝的主要原因。在实践中，应根据裂缝的不同特点采用不同的治理方法，使裂缝对构件或结构的危害降到最小，以延长构筑物的使用寿命，从而使混凝土构筑物能够安全可靠地运行。

参考文献

[1]《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》JTGD62-2004.

[2]《桥梁工程》(21世纪交通版高等学校教材)陈宝春、范立础，人民交通出版社.