混凝土结构裂缝产生原因及控制措施

张磊

张磊

中铁大桥局第二工程有限公司南京210015

摘要：大体积混凝土结构开裂后，其性能与原状混凝土性能相差很大，则严重影响结构的长期安全和耐久运行。并从各个环节提出了预防裂缝的综合措施，用以确保混凝土的质量，减少裂缝的发生。

关键词：混凝土；裂缝；水泥水化热；温度应力

一、混凝土结构裂缝产生的原因

钢筋混凝土结构的裂缝产生的原因主要分为四个：（1）由于结构的实际工作状态与设计模型的差异而产生的结构次应力引起的裂缝；（２）由外部荷载引起的裂缝缝隙，按常规计算的各种荷载而引起的；（3）由温度差、收缩、膨胀、不均匀沉降等因素产生的变形应力而引起的裂缝，施工中可以采取措施避免。（4）大体积混凝土结构中，由于结构截面大，水泥用量多，水泥水化释放的水化热能产生很大的温度变化和收缩作用，是导致大体积混凝土裂缝的主要原因。

（一）水化热产生裂缝的机理

1、大体积混凝土结构的截面尺寸较大，在施工过程中，由水泥水化过程中释放出大量水化热量，由于混凝土体积大，热量散发不易，造成温升较大，从而导致混凝土体积增大。当这种变形不受约束时，混凝土结构内部不会产生应力。但实际上这种变形肯定会受到约束，约束有两种。一是混凝土与外部环境温度差异引起的约束；另一种是由于内部的条件而不同产生的约束，以上两种约束产生的应力为温度应力。

2、其次，湿度变化引起的混凝土内部各单元体之间相互约束，产生的应力为干缩应力。因为湿度传导率远小于热度传导率，所以，它主要产生在混凝土表面附近：另外，混凝土自身体积变形不能自由伸缩所产生的应力，称为自身体积变形应力；还有地基不均匀沉降、模板走样也会产生相应的变形应力。在以上非结构荷载的作用下所产生的应力中，主要是温度应力和变形应力。对于大体积混凝土结构施工中，当混凝土浇筑体的边界无约束时，在早期水化热的温度迅速升高阶段，由于混凝土内、外散热条件不同，形成温度梯度，表面受拉，内部受压。当拉应力超过混凝土抗拉强度时，混凝土表面就产生裂缝。在混凝土的降温阶段，混凝土的温差引起的变形加上混凝土的体积收缩变形，受到地基和结构边界条件的约束时，在浇筑体的中央断面产生了内部拉应力，当该拉应力超过混凝土抗拉强度时，混凝土整个截面就产生了贯穿裂缝。

（二）温度应力的分析

根据温度应力的形成过程，将其可分为以下三个阶段：

1、初期：自浇筑混凝土开始至水泥放热基本结束，一般约需30天。这个阶段有两个特征，一是混凝土弹性模量的急剧变化，二是水泥放出大量的水化热。由于弹性模量的变化，这一时期在混凝土内形成了残余应力。

2、中期：自水泥放热作用基本结束时起至混凝土冷却到稳定温度时止，这个过程时间中，温度应力主要是由于混凝土的冷却和外界气温的变化所引起，这些应力与早期形成的残余应力相叠加，在这个期间混凝土的弹性模量变化不大。

3、后期：混凝土完全冷却以后的运转时期。温度应力主要是由外界气温变化所引起的，这些应力与前两种的残余应力相叠加。

二、裂缝控制的基本原理及预防措施

1、大体积混凝土结构的裂缝控制是指杜绝有害裂缝，同时减少或避免不影响使用的混凝土表面裂缝。裂缝控制原理是：降低混凝土外部约束与非线性降温和收缩所产生的拉应力，提高混凝土相应龄期的抗拉强度和极限拉伸，以确保混凝土抗裂的安全度要求。裂缝控制方法采取温差与温度应力双控制方法，避免结构物出现温度裂缝，同时调整混凝土表面湿度以防止表面干缩裂缝。结构裂缝产生的主要原因是降温和收缩。任一降温温差包含水化热引起的温差和收缩当量温差，又都可以分解为均匀降温差和非均匀降温差两钟。前者产生外约束力，它成为贯穿性裂缝的主要原因；后者引起自约束力，形成表面裂缝；只有同时控制好这两钟降温差，才能减少和避免混凝土裂缝的产生。

2、控制混凝土裂缝。必须从混凝土产生裂缝的几个主要原因着手，才能有效地将裂缝控制在允许范围内。一般可分为两个控制阶段：设计阶段和施工阶段。设计阶段由设计人员对混凝土强度等级、钢筋的品种、规格、建筑物的结构形式等统筹设计，有效的进行裂缝的控制。施工阶段则采取：（1）加入外加剂的方式改善混凝土性能、降低水泥水化热、降低混凝土内外温差、结构中设置施工缝或变形缝、加强混凝土中的配筋率等措施来减少混凝土的收缩，防止混凝土产生有害裂缝（2）①严格控制混凝土的出机口温度（搅拌温度），从而降低混凝土的浇筑温度。②设置冷却水管，通冷却循环水进行内部水管冷却降温。③对混凝土表面进行保温保湿养护，防止混凝土表面散热过快。④优先选用低热硅酸盐水泥或低热矿渣硅酸盐水泥，进一步优化混凝土配合比设计。⑤分层浇筑混凝土、设置抗裂钢筋网片等方式防止水化热导致混凝土裂缝的产生。

3、合理的设计施工配合比。由于大体积混凝土结构各项指标均要求较高，并且普遍都采用泵送混凝土，因此合理设计配合比是有效控制和预防混凝土裂缝发生的基础。应该根据工程所处条件，对水灰比、砂石率、水泥用量及掺合料的用量等进行优化设计，选择最优最合理的方案。

三、混凝土结构原料的控制

1、材料的选择，应优先采用水化热低的水泥配制大体积混凝土，如矿渣硅酸盐水泥。在施工中避免使用含泥量高的集料，因使用含泥量高的集料会导致集料表面与水泥石的机械粘结力降低，而且会增加混凝土拌合物的用水量，不仅增加了混凝土的收缩，同时降低了混凝土的抗拉强度，导致收缩裂缝发生。

2、采用降低水泥用量的方法来降低混凝土的绝对温升值，可以使混凝土浇筑后的内外差和降温速度控制的难度降低。

3、掺合料和外加剂的控制。

（1）掺合料的质量对混凝土裂缝有显著的影响，当前用的掺合料主要是粉煤灰或矿粉，它们可以提高混凝土的和易性大大改善混凝土工作性能和可靠性，粉煤灰对混凝土的早期干缩影响很大，使用细度较粗或含碳量高的粉煤灰会大幅度增加混凝土的需水量，从而加大混凝土的收缩导致开裂。

（2）外加剂主要指减水剂、缓凝剂和膨胀剂。混凝土中掺入减水剂，不仅使混凝土工作性能有了明显的改善，同时又减少拌和用水，节约水泥，从而降低了水化热。

四、浇筑时的控制措施

1、加强混凝土的浇灌振捣，提高密实度。

2、混凝土尽可能晚拆模，拆模后混凝土表面温度不应下降15℃以上。

3、采用两次振捣技术，改善混凝土强度，提高抗裂性。

4、加强混凝土的养护及测温工作。

五、严格把关材料质量和配比关系

为了有效控制现浇混凝土结构中收缩和温差裂缝的出现，我们在施工阶段更应该加倍重视，采取有效控制措施。首先要对所选用的各种材料进行严格的检查和验收，不合格材料一律禁止使用。同时，要按规定的各项技术标准做好混凝土配比设计，并进行试配试验。施工时选用良好级砂石骨料和低热或中热水泥，严格把关砂石含泥量和外加剂的掺用量，避免使用过量粉砂，严格控制水灰比和坍落度。

六、切实做好混凝土的搅拌、运输、浇筑及养护等工作

1、混凝土的搅拌要严格按照规范进行，搅拌时间必须充足，配有外加剂的更要搅拌均匀，否则可能造成同一块板中混凝土的性质不同，收缩凝结不均匀而引起开裂。另外，使用外加剂的量必须计算准确，用法正确，要对各种外加剂与不同水泥的相容性匹配关系有明确标识。混凝土的运输、浇筑和振捣必须在初凝前完成，专人负责振捣。

2、施工接茬处应该用钢丝刷清洗干净缝口，并扫水泥浆，必要时还要在接茬处设置钢丝网或采取其他可行措施防止产生收缩裂缝。混凝土的养护对控制混凝土的收缩裂缝起着举足轻重的作用。因此，混凝土浇筑完成后，必须掌握好养护时间，在规定时间内保持混凝土的湿度，控制其表面温度，避免混凝土的内外温差过大而导致裂缝。

七、结论

混凝土结构裂缝的发生的原因很复杂也是不可避免的，混凝土裂缝的防治重点在于“防”，而不在于“治”在采取了上述综合性控制措施后，由于各种原因仍可能有少量的混凝土裂缝发生，施工过程中可根据现场实际情况采取适当的措施，尽量减少裂缝造成的危害。