混凝土裂缝的成因与控制

混凝土裂缝的成因与控制
1 概论
1.1 本课题的目的、意义以及范围
随着我国国民经济的高速增长,促进了建筑业的快速、持续的发展。

混凝土因其取材广泛,价格低廉,抗压强度高,可浇注成各种形状,并且耐火性好,不容易风化,且养护费用低,成为当今世界建筑结构中使用最广泛的建筑材料之一。

而随着商品混凝土的诞生，由于其施工方便快捷，性能稳定，质量可靠，劳动强度低，生产效率高，同时又可减少噪音，保护环境等综合优点，更是把混凝土推向了一个顶峰。

混凝土的裂缝是不可避免的，其微观裂缝是本身物理力学性质决定的，但它的有害程度是可以控制的，有害程度的标准是根据使用条件决定的。

目前世界各国的规定不完全一致，但大致相同。

在实际工程中, 往往是各种因素多重作用引起混凝土开裂。

宽度小于或等于0.05mm的裂缝通常对使用无大的危害, 叫做无害裂缝, 而结构物的有害裂缝不仅会降低力学性能和承载力, 而且直接影响结构耐久性, 缩短使用寿命。

施工中应采取措施使结构尽量不出现裂缝, 或减少裂缝的数量和宽度, 特别是避免出现有害裂缝。

本课题就以如何减少混凝土裂缝的产生以及产生裂缝后如何快速有效的处理提出较好的处理方案。

1.2 国内外研究情况
与国外相比，我国对混凝土收缩与徐变的研究工作起步较晚，在上世纪50-60年代的钢筋混凝土结构设计计算中，主要是参考国外的有关数据，不能足以解决工程设计中的很多问题。

在上世纪80 年代末我国科技人员根据我国的原材料特点，进行了大量的试验和研究工作，由中国建筑科学研究院混凝土研究所负责的“混凝土收缩与徐变的试验研究”专题，是根据原建工总局科技局1982 年建筑发展计划的要求，组织天津大学等十个单位成立专题研究组，经过三年多的努力，在资金缺乏、试验条件差的情况下克服了各种困难，按计划地完成了试验研究工作，取得了大量的规律性较好的可贵资料。

研究人员分别对强度等级为C20, C30, C40和
C50 的普通混凝土和强度等级为C20 和C30 的轻骨料混凝土标准试件进行了为期一年的收缩与徐变试验研究，得出了在标准条件下，混凝土收缩与徐变的基本表达式，公式中试验系数的取值随着混凝土品种和强度等级的变化而变化；其中，混凝土品种对其收缩值和徐变系数有较大的影响，在标准条件下，轻骨料混凝土的收缩值比普通混凝土的约高46%，徐变系数约低13%；在非标准状态下，分别考虑了相对湿度、构件尺寸、养护方法、加荷龄期、粉煤灰掺量和应力水平这些系数对混凝土收缩与徐变的影响，用多系数表达式来计算混凝土的收缩与徐变。

通过这些专题的研究，不仅填补了我国在这一方面的空白，而且大大缩短了与国外的差距。

但因混凝土收缩与徐变本身的复杂性与试验的艰巨性，某些数据还不够，还有很多问题(诸如水泥用量、水灰比等材料因素，配筋率等结构因素对混凝土收缩与徐变的影响；混凝土收缩与徐变的试验数据采集手段；以及改善混凝土收缩与徐变的措施方面等)需进一步地展开研究工作。

1989 年10 月，中国建筑科学研究院建材所与广东省交通科学研究所联合，对广东省洛溪大桥高强混凝土收缩和温度变形的特性，影响因素以及温度收缩裂缝的成因和基本特点，以便于设计人员建立起最基本的概念，从而有针对性地结合具体工程特点来考虑防止和减轻温度收缩裂缝的具体措施。

国外的研究进展与评述国外对混凝土早期开裂的问题研究较早，在20 世纪30 年代的北美一座坝体施工过程中，人们就己经认识到大体积水工混凝土会因为水泥水化时放热而产生明显的温升，并在随后的降温过程体积收缩受约束而出现开裂，开始采用掺火山灰的方法减少水化热的影响；对于大面积结构物因失水收缩产生的开裂，采用浇水、喷雾的方法来加以解决。

欧共体国家进行的联合科研项目研究了高性能混凝土从水泥水化，体积变形，早期力学性质到现场实测方法等方面的研究，并提出了一套用于设计和施工阶段控制早期混凝土裂缝的专家系统。

瑞典认为混凝土结构早龄期的温度分布、相连结构的温度、早期混凝土瞬时的力学性质和约束条件都是影响混凝土开裂的重要参数。

计算结果进行了比较，结果表明自生收缩对试验的混合构件中应变和内部应力的发展起到了重要的影响作用。

就自然环境中混凝土的收缩展开了试验研究，试验的混凝土强度等级变化范围为C30}C70 混凝土分为两种(掺加钢纤维和不掺加钢纤维)，将测得的混凝土收缩试验结果与ACI209 中收缩应变的计算公式值进行了比较，结果表明：自然环境中变化的相对湿度和温度对混凝土干燥或自生收缩的影响不明显，在混凝土中掺加钢纤
维对C30 混凝土的收缩影响可以忽略，但随着混凝土强度等级的提高，钢纤维对混凝土收缩的约束影响明显增强；ACI209 公式仅适用于中低强度混凝土(C30}C45)收缩应变的计算，不适用于高强混凝土的收缩应变计算。

国内外对因荷载作用引起的“荷载裂缝”展开了大量的研究工作，编制出规范中有关“荷载裂缝”方面的设计规定，在工程中发挥了较好的裂缝控制作用；而对因变形原因引起的“非荷载裂缝”则主要是在设计和施工中规定了一些构造措施(如伸缩缝间距)来防止和减轻，所以对其发生发展机理函待更深入的研究并建立起有效的裂缝控制措施。

一些构造措施的采用在实际工程中并不能有效地防止“非荷载裂缝”的发生。

我国建设部曾将控制和防治结构物裂缝的问题列入重点攻关计划，但由于对“非荷载裂缝”的机理研究得不够深入，在我国新颁布实施的“混凝土结构设计规范”GB50010-2002 中对防止“非荷载裂缝”也未能取得明显突破，而将这一课题留待下一次修订时解决。

在此情况下，对工程中常见的收缩变形裂缝展开进一步的深入研究是十分现实和迫切的。

2 混凝土裂缝类型及成因
2.1 混凝土裂缝的类型
1、塑性沉降裂缝
此类裂缝产生的主要原因是由于混凝土骨料沉降时受到阻碍（如钢筋、模板）而产生的。

这种裂缝大多出现在混凝土浇注后0.5小时至３小时之间，混凝土尚处在塑性状态，混凝土表面消失水光时立即产生，沿着梁及板上面钢筋的走向出现，主要是混凝土塌落度大、沉陷过高所致。

另外在施工过程中如果模板绑扎的不好、模板沉陷、移动时也会出现此类裂缝。

2、塑性收缩裂缝
此类裂缝产生的主要原因是混凝土浇筑后，在塑性状态时表面水分蒸发过快造成的。

这类裂缝多在表面出现，形状不规则、长短宽窄不一、呈龟裂状，深度一般不超过50mm。

产生的原因主要是混凝土浇注后３—４小时左右表面没有被覆盖，特别是平板结构在炎热或大风天气混凝土表面水分蒸发过快，或者是基础、模板吸水过快，以及混凝土本身的水化热高等原因造成混凝土产生急剧收缩，此时混凝土强度趋近于
零，不能抵抗这种变形应力而导致开裂。

混凝土中蒸发和吸收水分的速度越快，塑性收缩裂缝越容易产生，而商品混凝土由于为了满足可泵性、流动性、出机时混凝土的塌落度和砂率比普通混凝土大很多，早期强度低所以其水分特别容易散失，表面容易形成裂缝。

3、温度应力裂缝
此类裂缝产生的主要原因是由于混凝土浇筑后，聚积在内部的水泥水化热不易散发，造成混凝土的内部温度升高，而混凝土表面散热较快，这样形成较大的内外温差，使混凝土内部产生压应力，表面产生拉应力。

如果在混凝土表面附近存在较大的温度梯度，就会引起较大的表面拉应力，此时混凝土的龄期很短，抗拉强度很低，如果温差产生的表面拉应力，超过此时的混凝土极限抗拉强度，就会在混凝土表面产生表面裂缝。

这种裂缝一般产生很早，多呈不规则状态，深度较浅，属表面性质。

表面裂缝易产生应力集中，能促使裂缝进一步开展。

4、施工工艺质量引起的裂缝
在钢筋混凝土结构浇注、构件制作、起模、运输、堆放、拼装及吊装过程中,若施工工艺不合理,施工质量低劣,可能产生各种形式的裂缝,特别是细长薄壁结构更容易出现裂缝。

裂缝出现的部位和走向、裂缝宽度因产生原因而异,比较典型且常见的如下:①钢筋混凝土保护层过厚,或乱踩绑扎的上层钢筋,使承受负弯矩的钢筋保护层加厚,导致构件的有效高度减小,形成与受力钢筋垂直方向的裂缝。

②混凝土震捣不密实、不均匀,出现蜂窝、麻面、空洞,导致钢筋锈蚀或形成其它荷载裂缝的起源点。

③混凝土浇注过快,混凝土流动性较低在硬化前因混凝土振捣不足,硬化后沉实过大,容易在浇注数小时后发生裂缝,即塑性收缩裂缝。

④混凝土搅拌、运输时间过长,水分蒸发过多,引起混凝土塌落度过低,使得在混凝土表面出现不规则的收缩裂缝。

⑤用泵送混凝土施工时,为保证混凝土的流动性,增加水和水泥用量,或因其它原因加大了水灰比,导致混凝土凝结硬化时收缩量增加，混凝土表面出现不规则裂缝。

⑥混凝土分层或分段浇注时,接头部位处理不好,易在新、旧混凝土和施工缝之间出现裂缝。

⑦混凝土早期受冻,使构件表面出现裂纹,或局部剥落,或脱模后出现空鼓现象。

⑧施工时模板刚度不足,在浇注混凝土时,因侧向压力的作用使得模板变形,产生与模板变形一致
的裂缝。

⑨施工时拆模过早,混凝土强度不足,使得构件在自重或施工荷载作用下产生裂缝。

4、原材料质量引起的裂缝
混凝土主要由水泥、砂、骨料、拌和水及外加剂组成。

混凝土所采用材料的质量不合格,可能导致结构出现裂缝。

①砂石含泥量超过规定,不仅降低混凝土的强度和抗渗性,还会使混凝土干燥时产生不规则的网状裂缝。

砂石的级配差,或砂颗粒过细,用这种材料拌制的混凝土常造成侧面裂缝。

碱骨料反应。

骨料中含有泥性硅化物质与碱性物质相遇,水、硅反应会生成膨胀的胶质,吸水后造成局部膨胀和拉应力,则构件产生爆裂状裂缝,在潮湿的地方较为多见。

②拌和用水及外加剂拌和用水或外加剂中氯化物等杂质含量较高时对钢筋锈蚀有较大影响。

采用海水或含碱泉水拌制混凝土,或采用含碱的外加剂,可能对碱骨料反应有影响。

2.2 混凝土裂缝的产生原因
塑性沉降裂缝产生原因分析
因泵送混凝土具有较多的水分，泌水对其沉降裂缝的产生起到至关重要的作用。

泌水是指混凝土浇筑成型后尚未凝结硬化之前，混凝土内部水分从混凝土中迁移出来的一种现象。

这是因为在混凝土拌合物的各组分中水的密度较小，在混凝土浇筑完毕后，部分密度较大的粗骨料及固体颗粒还会向下运动，而混凝土中的部分自由水则被迫向上移动，泌到混凝土的外表面，称为外泌水；另一部分则被截留在钢筋及粗骨料下面的空隙内，形成水囊（如图1）待水分参予水泥水化作用和部分蒸发后，在此水囊处产生孔隙，这部分水称为内泌水。

泌水是混凝土内部颗粒运动的外在表现，它使混凝土的体积缩小，促成了混凝土塑性沉降裂缝的产生。

塑性收缩裂缝产生原因分析
塑性收缩裂缝多产生于新浇混凝土表面，大多产生于混凝土初凝后、终凝前。

混凝土表面水分蒸发速度超过其内部初、终凝硬化的速度，致使混凝土表面收缩，这种收缩受到结构构件和下层配筋约束会使混凝土产生浅层开裂，有时还有收缩与压缩的叠加。

裂缝多呈外宽内窄，常见为不规则的多边形或与钢筋方向相互平行，一般自表
面开始，有些也可发展成贯穿裂缝。

在环境气温高、风速大，气候干燥的情况下易于出现。

高性能混凝土特别容易产生这种裂缝。

主要成因分析：①混凝土浇注后未及时覆盖，表面水分蒸发过快，产生急剧的体积收缩，而此时混凝土强度极低，不能抵抗这种变形应力而导致开裂；②水泥用量过多，或使用过量粉砂，或混凝土水灰比过大；③使用有渗透性的柔性模板，模板、垫层过于干燥，吸水大；④振捣不足。

温度应力裂缝产生原因分析
混凝土中产生裂缝有多种原因，主要是温度和湿度的变化，混凝土的脆性和不均匀性，以及结构不合理，原材料不合格（如碱骨料反应），模板变形，基础不均匀沉降等。

混凝土硬化期间水泥放出大量水化热，内部温度不断上升，在表面引起拉应力。

后期在降温过程中，由于受到基础或先凝混凝上的约束，又会在混凝土内部出现拉应力。

气温的降低也会在混凝土表面引起很大的拉应力。

当这些拉应力超出混凝土的抗裂能力时，即会出现裂缝。

许多混凝土的内部湿度变化很小或变化较慢，但表面湿度可能变化较大或发生剧烈变化。

如养护不周、时干时湿，表面干缩形变受到内部混凝土的约束，也往往导致裂缝。

混凝土是一种脆性材料，抗拉强度是抗压强度的1／10左右，短期加荷时的极限拉伸变形只有（0.6～1.0）×104，长期加荷时的极限位伸变形也只有（1.2～2.0）×104.由于原材料不均匀，水灰比不稳定，及运输和浇筑过程中的离析现象，在同一块混凝土中其抗拉强度又是不均匀的，存在着许多抗拉能力很低，易于出现裂缝的薄弱部位。

在钢筋混凝土中，拉应力主要是由钢筋承担，混凝土只是承受压应力。

在素混凝土内或钢筋混凝上的边缘部位如果结构内出现了拉应力，则须依靠混凝土自身承担。

一般设计中均要求不出现拉应力或者只出现很小的拉应力。

但是在施工中混凝土由最高温度冷却到运转时期的稳定温度，往往在混凝土内部引起相当大的拉应力。

有时温度应力可超过其它外荷载所引起的应力，因此掌握温度应力的变化规律对于进行合理的结构设计和施工极为重要
施工工艺质量引起的裂缝产生原因分析
施工质量不良如浇筑工艺不当：墙体等垂直结构分层浇筑时，如浇筑速度太快，下层混凝土在硬化初期可能发生沉降，产生横向裂缝。

如两层间浇筑相距时间太长，则会产生冷缝。

振捣不足部位混凝土构造比较疏松，拆模后易出现蜂窝、麻面，过
振部位则粗骨料下沉，表面泌浆、泌水，中间砂浆富集，易由表及里发生塑性裂缝和干缩裂缝。

混凝土浇筑后不及时养护，养护时间达不到规范规定的天数，或并不覆盖保湿养护，混凝土处于养护不足状态，使混凝土开裂程度增加，增加收缩，降低混凝土的长期龄强度和混凝土的耐久性。

２影响混凝土开裂的因素上面谈到有许多类型的裂缝，有许多因素如材料、配合比、施工、设计、使用与暴露条件等方面的原因使混凝土产生这类裂缝，影响混凝土开裂的因素可以总结如下：水灰比或每立方米混凝土的用水量是个重要的因素或许是最重要的因素，用水量愈多收缩的趋势就愈大，既增加收缩又降低强度。

水泥水泥用量多混凝土的收缩也大，磨得比较细的水泥和含硅量比较多的水泥相对地收缩也大,但开裂的可能不一定大，碳化产生初始收缩但会减少以后的干缩。

应用膨胀剂可以减少或消除由于干缩引起的开裂。

集料集料的矿物成分、形状、表面构造、和级配会影响混凝土的配合比、热膨胀系数、干缩、刚度、徐变和强度。

集料最大粒径愈小的混凝土收缩愈大，粒径较大的集料比较小的集料对收缩具有较大的局部约束。

外加剂外加剂可以影响混凝土的硬化速度、混凝土的用水量、混凝土的收缩和徐变，从而对混凝土的开裂产生影响。

泌水新浇筑混凝土产生泌水，泌水积聚在大颗粒集料和钢筋下方会形成内部裂缝。

浇筑混凝土的浇筑条件和浇筑速度通过下述因素如泌水、模板内的离析、温度、模板变形和地基的不均匀沉陷等对混凝土的开裂产生影响。

养护养护湿度是一个很重要的条件，混凝土表面的干燥会引起潜在的收缩并导致干裂。

养护时间长会影响干缩，但影响很小，能提高混凝土强度因而能增加抗裂的效果。

温度在最初几小时当混凝土变成固体时会产生大量水化热，随后冷却又产生收缩，这就是温度对混凝土开裂的主要影响。

暴露暴露的气候条件对混凝土的开裂有很大的影响。

很大的温度梯度和很大的湿度梯度会在混凝土表面和内部或背面之间产生很大的内部约束。

约束由基础或邻近的结构造成过大的刚性约束会导致混凝土开裂，一段未设伸缩缝的很长的墙或板，肯定会在一定间隔的部位产生裂缝。

同时，混凝土内部也会产生约束，如块体各部分温度不同会产生约束导致开裂。

综上所述，由于混凝土是多元、多相、非匀质的复合材料，许多因素都可以导致混凝土产生不同程度的裂缝。

特别是采用商品混凝土浇筑新措施后，泵送混凝土具有量大、砂率小、水灰比大、骨料粒径小、浇筑快等特点，给裂缝的有效控制增加了一定的难度。

3 混凝土裂缝的控制措施
3.1 设计中的“抗”与“放”
在建筑设计中应处理好构件中‘抗’与‘放’的关系。

所谓‘抗’就是处于约束状态下的结构，没有足够的变形余地时，为防止裂缝所采取的有力措施，而所谓‘放’就是结构完全处于自由变形无约束状态下，有足够变形余地时所采取的措施。

设计人员应灵活地运用‘抗一放’结合、或以‘抗’为主、或以‘放’为主的设计原则。

来选择结构方案和使用的材料。

3.2 采用补偿收缩混凝土技术
在常见的混凝土裂缝中，有相当部分都是由于混凝土收缩而造成的。

要解决由于收缩而产生的裂缝，可在混凝土中掺用膨胀剂来补偿混凝土的收缩，实践证明，效果是很好的。

3.3 设计上要注意容易开裂部位
根据调查，各类结构的易裂部位如下： 1.框架机构和剪力墙结构房屋中的现浇混凝土楼板易裂部位(1)房屋平面体形有较大凹凸时，在凹凸交接处的楼板；(2) 两端阳角处及山墙处的楼板；(3) 房屋南面外墙设大面积玻璃窗时，与南向外墙相邻的楼板；(4) 房屋顶层的屋面层(5) 与周梁、柱、墙等构件整浇且受约束较强的楼板；(6) 楼板中有预埋管线时，洞的四角处；(7) 楼板开距形洞时，洞的四角处；(8) 设有后浇带的楼板，沿后浇带两侧部位。

2.框架结构房屋中的框架梁在以下部位易出现裂缝(1) 顶层纵向和横向框架梁的截面上部区域；(2) 长度较长的端部或中部纵向框架梁；(3) 横向框架梁截面中部。

3.剪力墙结构房屋中在以往部位易出现裂缝(1) 端山墙；(2) 开间内纵墙；(3) 顶层和底层墙体；(4) 长度较大（＞10m）的墙。

4.当冬季停工春季再继续施工时，地下室在以下部位易出现裂缝(1) 地下室顶板；(2) 地下室的窗上墙和窗下墙。

对以上易出现裂缝的部位，目前在设计中通常采用了“放”、“抗”或“抗放结合”的控制裂缝措施，工程经验表明在于材料、施工等部位密切配合的情况下，可取得较好的效果。

3.1.5 重视构造钢筋在结构设计中，设计人员应重视对于构造钢筋的配置，特别是于楼面、墙板等薄壁构件更应注意构造钢筋的直径和数量的选择。

4 混凝土裂缝的处理方法
4.1表面处理法
表面涂抹和表面贴补法表面涂抹适用范围是浆材难以灌入的细而浅的裂缝，深度未达到钢筋表面的发丝裂缝，不漏水的缝，不伸缩的裂缝以及不再活动的裂缝。

表面贴补（土工膜或其它防水片）法适用于大面积漏水（蜂窝麻面等或不易确定具体漏水位置、变形缝）的防渗堵漏
4.2填充法
用修补材料直接填充裂缝，一般用来修补较宽的裂缝，作业简单，费用低。

宽度小于0.3mm，深度较浅的裂缝、或是裂缝中有充填物，用灌浆法很难达到效果的裂缝、以及小规模裂缝的简易处理可采取开Ｖ型槽，然后作填充处理。

4.3灌浆法
此法应用范围广，从细微裂缝到大裂缝均可适用，处理效果好。

利用压送设备（压力0.2~0.4Mpa）将补缝浆液注入砼裂隙，达到闭塞的目的，该方法属传统方法，效果很好。

也可利用弹性补缝器将注缝胶注入裂缝，不用电力，十分方便效果也很理想。

4.4结构补强法
因超荷载产生的裂缝、裂缝长时间不处理导致的混凝土耐久性降低、火灾造成的裂缝等影响结构强度可采取结构补强法。

包括断面补强法、锚固补强法、预应力法等混凝土裂缝处理效果的检查包括修补材料试验；钻心取样试验；压水试验；压气试验等。

4.5混凝土置换法
混凝土置换法是处理严重损坏混凝土的一种有效方法，此方法是先将损坏的混凝土剔除，然后再置换入新的混凝土或其他材料。

常用的置换材料有：普通混凝土或水泥砂浆、聚合物或改性聚合物混凝土或砂浆。

4.6电化学防护法
电化学防腐是利用施加电场在介质中的电化学作用，改变混凝土或钢筋混凝土所处的环境状态，钝化钢筋，以达到防腐的目的。

阴极防护法、氯盐提取法、碱性复原法是化学防护法中常用而有效的三种方法。

这种方法的优点是防护方法受环境因素的影响较小，适用钢筋、混凝土的长期防腐，既可用于已裂结构也可用于新建结构。

4.7仿生自愈合法
仿生自愈合法是一种新的裂缝处理方法，它模仿生物组织对受创伤部位自动分泌某种物质，而使创伤部位得到愈合的机能，在混凝土的传统组分中加入某些特殊组分(如含粘结剂的液芯纤维或胶囊)，在混凝土内部形成智能型仿生自愈合神经网络系统，当混凝土出现裂缝时分泌出部分液芯纤维可使裂缝重新愈合。

5 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，并在施工中采取各种有效的预防措施来预防裂缝的出现和发展，保证建筑物和构件安全、稳定地工作。