鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中常見質(zhì)量通病、成因及防治措施
摘要：混凝土的病害是多種多樣的，最為常見的病害是裂縫。裂縫產(chǎn)生的原因是多種多樣的。本文就針對混凝土產(chǎn)生的裂縫成因進(jìn)行分析。
關(guān)鍵詞：混凝土質(zhì)量通病 裂縫成因 裂縫防治 控制措施
Abstract: Concrete diseases are diverse; the most common disease is a crack. The causes of cracks are varied. This paper analyzes the reasons of concrete cracks.
Key words: quality of concrete, a common problem; crack causes; Cracks; control measures
中圖分類號：TU375 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號：
一、 混凝土結(jié)構(gòu)裂縫的類型和成因
混凝土裂縫的成因復(fù)雜而繁多，甚至是多種因素相互影響，但每一條裂縫均有其產(chǎn)生的一種或幾種主要原因。對于各種裂縫，就其產(chǎn)生的主要原因及影響因素，大大致可分為以下幾類。
(一) 荷載引起的裂縫
鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)在荷載作用下變形過大而產(chǎn)生的裂縫。一般多出現(xiàn)在構(gòu)件的受拉區(qū)域、受剪區(qū)域或振動嚴(yán)重等部位。產(chǎn)生的主要原因是結(jié)構(gòu)設(shè)計、施工錯誤、承載能力不足、地基不均勻沉降等等。
鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)是由混凝土和鋼筋共同承擔(dān)極限狀態(tài)的承載力,結(jié)構(gòu)設(shè)計師需根據(jù)地基情況,靜、動荷載,環(huán)境因素、結(jié)構(gòu)耐久性等控制荷載裂縫。從國內(nèi)外有關(guān)規(guī)范可知,對結(jié)構(gòu)變形作用引起的裂縫問題,存在著兩類學(xué)派:一是設(shè)計規(guī)范規(guī)定很靈活,沒有驗(yàn)算裂縫的明確規(guī)定,而由設(shè)計人員自由處理。另一類則是設(shè)計規(guī)范有明確規(guī)定,對于荷載裂縫有計算公式并有嚴(yán)格的允許寬度限制,如我國《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(GB50010 - 2002) ,工程師對結(jié)構(gòu)變形裂縫控制考慮不周,是結(jié)構(gòu)荷載裂縫發(fā)生過多的主要原因。
(二) 溫度變化引起的裂縫
混凝土具有熱脹冷縮的性質(zhì)，當(dāng)外部環(huán)境或結(jié)構(gòu)內(nèi)部溫度發(fā)生變化時，混凝土將發(fā)生變形，若變形遇到約束，則在結(jié)構(gòu)內(nèi)將產(chǎn)生應(yīng)力，當(dāng)應(yīng)力超過混凝土抗拉強(qiáng)度時，即產(chǎn)生溫度裂縫。引起溫度裂縫的主要因素如下。
(1) 年溫差：一年四季溫度不斷變化，尤其是像青海這樣溫差較大的地區(qū)，拿橋梁結(jié)構(gòu)來說，影響主要是導(dǎo)致橋梁的縱向位移，一般可通過橋面伸縮縫、支座位移或設(shè)置柔性墩等結(jié)構(gòu)措施加以解決，只有結(jié)構(gòu)的位移受到限制時才會引起溫差裂縫。
(2)日照溫差：對于橋面板、箱梁頂板或橋墩側(cè)面在受到太陽暴曬后，溫度明顯高于其他部位，混凝土從表面到內(nèi)部的溫度變化梯度呈非線性分布。尤其是現(xiàn)在大部分橋梁都采用橋面黑色化(瀝青混凝土鋪裝)，瀝青材料在大量吸收熱量溫度升高，更容易造成橋梁主體結(jié)構(gòu)各部位較大溫差。由于結(jié)構(gòu)受到自身的約束作用，導(dǎo)致局部結(jié)構(gòu)拉應(yīng)力增大，超過其極限抗拉強(qiáng)度時就會出現(xiàn)裂縫。日照升溫和驟然降溫是導(dǎo)致結(jié)構(gòu)溫度裂縫的最常見原因。
(3)驟然降溫：突降大雨、冷空氣襲擊、日落等可導(dǎo)致結(jié)構(gòu)外表溫度突然下降，但因?yàn)閮?nèi)部溫度變化相對較慢而產(chǎn)生溫差裂縫。
(4)水化熱：出現(xiàn)在施工過程中，大體積混凝土(厚度超過2.0m)澆筑之后由于水泥水花放熱集中，致使內(nèi)部溫度很高(可達(dá)攝氏70℃以上)而由于體積大散熱緩慢。施工中采取的其他散熱技術(shù)措施又不當(dāng)，內(nèi)外溫差太大，導(dǎo)致表面出現(xiàn)裂縫。
(5)蒸汽養(yǎng)護(hù)或冬季施工時措施不當(dāng)：采用蒸汽養(yǎng)護(hù)或在冬季施工時所采取的施工措施不當(dāng)，升溫降溫速度太快，使混凝土驟冷驟熱，結(jié)構(gòu)內(nèi)外溫度不均，而出現(xiàn)裂縫。
(6)施工氣候炎熱：試驗(yàn)研究表明，高溫下的混凝土強(qiáng)度隨溫度的升高而明顯降低，鋼筋與混凝土的粘結(jié)力也隨之下降。由于受熱，混凝土體內(nèi)的游離水大量蒸發(fā)也可產(chǎn)生急劇收縮而產(chǎn)生裂縫。
(7)構(gòu)件較長兒兩端受到較大約束力或構(gòu)件與底模摩擦力較大，由于周圍環(huán)境溫度變化產(chǎn)生附加溫度應(yīng)力兒產(chǎn)生裂縫。
(8)新舊混凝土接縫處，沿接縫面中部的垂直方向開裂。新混凝土由于硬化時的水化熱與已經(jīng)硬化并冷卻的舊混凝土之間有溫差;另外由于舊混凝土齡期較長，收縮大部分已經(jīng)完成，而新澆筑混凝土的收縮又受到舊混凝土的約束而產(chǎn)生裂縫，這在澆筑橋面鋪裝混凝土?xí)r由于其厚度較小而面積較大尤為明顯。
(9)混凝土結(jié)構(gòu)中預(yù)埋件焊接措施不當(dāng)，使鋼件附近混凝土產(chǎn)生過大溫差，致使預(yù)埋件混凝土局部產(chǎn)生裂縫。
(三) 收縮引起的裂縫
混凝土是由氣態(tài)、液態(tài)、固態(tài)三相組成的假固體(指澆筑過程到養(yǎng)護(hù))，其中尚有未水化的水泥顆粒，還需吸收周圍水分。液、固相間的膠凝體，因水分散失，體積會縮小，引起收縮裂縫�；炷恋氖湛s主要有塑性收縮、縮水收縮(干縮)和自身收縮及碳化收縮。
(1)塑性收縮：塑性收縮發(fā)生在施工過程中，混凝土澆筑后約4~5h，此時水泥水化反應(yīng)激烈，分子鏈逐漸形成，出現(xiàn)泌水和水分急劇急劇蒸發(fā)，混凝土失水收縮，同時骨料因自重下沉，而此時混凝土尚未硬化，可產(chǎn)生塑性收縮。
(2)縮水收縮(干縮)：混凝土硬結(jié)以后，隨著表層水分的逐步蒸發(fā)，濕度逐步降低，混凝土體積縮小，發(fā)生縮水收縮。因混凝土表層水分損失快，內(nèi)部水分損失慢，因此產(chǎn)生表面收縮大、內(nèi)部收縮小的不均勻收縮，表面收縮變形受到內(nèi)部混凝土的約束，致使表面混凝土承受拉力，當(dāng)表面拉應(yīng)力超過其抗拉極限強(qiáng)度時，便產(chǎn)生收縮裂縫。混凝土硬化后收縮主要就是縮水收縮。如配筋率較大的構(gòu)件(超過3%)，鋼筋對混凝土收縮的約束比較明顯，混凝土表面容易出現(xiàn)龜裂裂紋。
(3)自身收縮：混凝土在硬化過程中，水泥與水發(fā)生水化反應(yīng)生成新的物質(zhì)，導(dǎo)致自身體積縮小。這種收縮與外界溫度無關(guān)，有時候是正的(即收縮)，也可以是負(fù)的(即膨脹)。
(4)碳化收縮：大氣中的二氧化碳與水泥的水化物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)引起的收縮變形。其中有的在濕度50%左右才能發(fā)生，且隨二氧化碳濃度增加而加快。碳化收縮量級不大，一般可不予考慮。
將收縮裂縫作為引起裂縫的原因之一，一般來說與溫差引起的裂縫相比作用小的多。特別是在非炎熱的季節(jié)這種作用基本上可以忽略不計。而在熱而干燥環(huán)境中，構(gòu)件面積大而厚度小(如橋面鋪裝混凝土)，養(yǎng)護(hù)不及時，收縮就會引起新混凝土的開裂。
(四) 基礎(chǔ)變形引起的裂縫
由于基礎(chǔ)豎向不均勻沉降或水平方向位移，使結(jié)構(gòu)物中產(chǎn)生附加應(yīng)力，超過結(jié)構(gòu)物的抗拉能力，導(dǎo)致整個結(jié)構(gòu)開裂。主要的原因有以下幾點(diǎn)。
(1)地質(zhì)勘查精度不夠，試驗(yàn)資料不準(zhǔn)。在沒有充分掌握地質(zhì)資料的情況下就設(shè)計、施工，這是造成地基不均勻沉降的主要原因。
(2)地基地質(zhì)差別太大：建造在山區(qū)溝谷大的橋梁，河溝處的地質(zhì)與山坡處的相對變化較大，河溝中甚至存在著軟弱地基，地基由于不同的壓縮性能引起不同的沉降。
(3)結(jié)構(gòu)荷載差異太大：在地質(zhì)情況較均勻的情況下，各部分基礎(chǔ)荷載差異太大時，也可能引起不均勻沉降。
(4)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)類型差別大：如在同一聯(lián)橋梁中，使用不同的基礎(chǔ)類型(如橋臺為擴(kuò)大基礎(chǔ)，橋墩為樁基礎(chǔ))，或同時采用樁基礎(chǔ)但樁徑或樁長差別較大時，或同時采用擴(kuò)大基礎(chǔ)但基底標(biāo)高差異較大時，也可能引起不均勻沉降。
(5)分期建造的基礎(chǔ)：在原有橋梁附近新建橋梁時或者對于舊橋加固或加寬改造工程，新建橋梁荷載或基礎(chǔ)處理時引起地基土重新固結(jié)，均有可能對原有橋梁基礎(chǔ)造成較大沉降。
(6)地基凍脹：在低于零度的條件下含水率較高的地基土因冰凍膨脹;一旦溫度回升，凍土融化，地基出現(xiàn)下沉。
(7)橋梁基礎(chǔ)置于滑坡體、溶洞或活動斷層等不良地質(zhì)時，可能造成不均勻沉降。
(8)構(gòu)造物建成后原有地質(zhì)條件發(fā)生變化。大多數(shù)天然地基和人工地基浸水后，尤其是素黃土、黃土、膨脹土等特殊地基土，土體強(qiáng)度遇水下降，壓縮變形較大。在軟體地基中，因人工抽水或干旱季節(jié)導(dǎo)致地下水位下降，地基土重新固結(jié)下沉，同時對基礎(chǔ)的上浮力減小，負(fù)摩擦力增加，使地基承受的荷載增大，最終造成基礎(chǔ)產(chǎn)生不均勻的沉降而出現(xiàn)裂縫。
(五) 鋼筋銹蝕引起的裂縫
由于混凝土質(zhì)量較差或保護(hù)層厚度不足，二氧化侵蝕碳化至鋼筋表面，使鋼筋周圍混凝土堿度降低，或由于氯化物浸入，鋼筋周圍氯離子含量較高，均可能引起鋼筋表面氧化膜破壞，鋼筋中鐵離子與浸入到混凝土中的氧氣和水分發(fā)生銹蝕反應(yīng)，其銹蝕物氫氧化鐵體積比原來增長約2~4倍，從而對周圍混凝土產(chǎn)生膨脹應(yīng)力，導(dǎo)致保護(hù)層混凝土開裂、剝落，沿鋼筋縱向產(chǎn)生裂縫，并有銹跡滲到混凝土表面。另外由于銹蝕，使鋼筋有效斷面積減小，鋼筋與混凝土粘結(jié)力削弱，結(jié)構(gòu)承載力下降，將會誘發(fā)其他形式的裂縫，加劇鋼筋銹蝕，甚至最終導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞。
(六) 凍脹引起的裂縫
大氣溫度在低于零度時，吸水飽和的混凝土出現(xiàn)冰凍，游離的水變成冰，體積膨脹9%，因而混凝土產(chǎn)生膨脹應(yīng)力;同時混凝土膠孔中的過冷水(結(jié)冰溫度在-78℃以下)在微觀結(jié)構(gòu)中遷移和重分布引起滲透壓，使混凝土強(qiáng)度降低，并導(dǎo)致裂縫出現(xiàn)。溫度低于零度和混凝土吸水飽和是發(fā)生凍脹破壞的必要條件。當(dāng)混凝土中骨料空隙多、吸水性強(qiáng)，骨料中含泥土等雜志過多，水灰比偏大、振搗不密實(shí)，養(yǎng)護(hù)不良，是混凝土早期受凍等，均可導(dǎo)致混凝土產(chǎn)生凍脹裂縫。
(七) 原材料質(zhì)量不良引起的裂縫
混凝土主要由水泥、砂、粗骨料、拌合水及外加劑組成�；炷了捎玫脑牧腺|(zhì)量不合格，可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)出現(xiàn)裂縫。
(1)水泥：使用不合格水泥會出現(xiàn)早期不規(guī)則的裂縫。
(2)砂石材料：砂石料含泥量超標(biāo)、級配差或骨料含有酸性硅化物質(zhì)，會降低混凝土的強(qiáng)度和抗?jié)B性，還會使混凝土干燥時產(chǎn)生不規(guī)則的網(wǎng)狀裂縫。
(3)拌合水及外加劑：拌合水或外加劑中氯化物等雜志含量較高時對鋼筋銹蝕有較大影響。采用海水或含堿泉水拌制混凝土，或采用含堿的外加劑，對堿骨料反應(yīng)也有影響。
(八) 施工工藝質(zhì)量引起的裂縫
一座構(gòu)造物從施工到建成使用，牽涉到設(shè)計、施工、監(jiān)理、營運(yùn)管理各個方面，那一方面不慎均可能使工程質(zhì)量失控而出現(xiàn)裂縫。因此，嚴(yán)格按照國家有關(guān)規(guī)范、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計、施工和監(jiān)理，是保證結(jié)構(gòu)安全耐用的前提和基礎(chǔ)。在營運(yùn)管理中，進(jìn)一步加強(qiáng)巡查和管理，及時發(fā)現(xiàn)和處理問題，也是相當(dāng)重要的一個環(huán)節(jié)。
在構(gòu)件或結(jié)構(gòu)澆筑、起模、運(yùn)輸、堆放、拼裝及吊裝過程中，若施工工藝不合理，施工質(zhì)量低劣，可能產(chǎn)生各種形式的裂縫，特別是細(xì)長薄壁結(jié)構(gòu)更容易出現(xiàn)裂縫。裂縫出現(xiàn)的部位和走向、裂縫寬度因產(chǎn)生的原因不同而異，比較典型且常見的如下：
(1)保護(hù)層過厚或由于操作人員亂踩已經(jīng)綁扎好的上層鋼筋，使承受負(fù)彎矩的鋼筋保護(hù)層加厚，導(dǎo)致構(gòu)件的有效高度減小，降低結(jié)構(gòu)抗彎承載能力，形成與受力鋼筋垂直方向的裂縫。此種裂縫是屬于嚴(yán)重的內(nèi)部質(zhì)量問題;
(2)混凝土振搗不密實(shí)、不均勻，出現(xiàn)蜂窩、麻面或空洞，導(dǎo)致鋼筋銹蝕或形成其他其他荷載裂縫的起源點(diǎn);
(3)混凝土澆筑過快，混凝土流動性較低，在硬化前因混凝土振搗不足，硬化后沉實(shí)過大，容易在澆筑數(shù)小時后發(fā)生裂縫，即塑性收縮裂縫;
(4)混凝土拌制、運(yùn)輸時間過長，水分蒸發(fā)過多，引起混凝土坍落度過低，使得混凝土表面出現(xiàn)不規(guī)則裂縫;
(5)混凝土初期養(yǎng)護(hù)不好，致使表面急劇干燥，使得混凝土與大氣接觸面上出現(xiàn)不規(guī)則收縮裂縫;
(6)用泵送混凝土施工時，為保證混凝土的流動性，增加水和水泥用量，或因其他原因加大了水灰比，導(dǎo)致混凝土硬結(jié)硬化時收縮量增加，混凝土表面出現(xiàn)不規(guī)則裂縫;
(7)混凝土配合比不理想，設(shè)計時未充分考慮混凝土的收縮變形因素;
(8)夏季高溫季節(jié)施工未采取有效措施，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)產(chǎn)生裂縫;
(9)片面追求施工進(jìn)度，提高混凝土早期強(qiáng)度，致使水泥水化熱集中在早期的很短時間內(nèi)，產(chǎn)生溫度裂縫;
(10)混凝土分層澆筑時，接頭部位處理不好，易在新、舊混凝土的施工方之間出現(xiàn)裂縫;
(11)施工前對支架基礎(chǔ)壓實(shí)不足、支架剛度不夠或未按要求進(jìn)行荷載預(yù)壓或預(yù)壓荷載不足，澆筑混凝土后支架發(fā)生不均勻下沉，導(dǎo)致混凝土出現(xiàn)裂縫。
(12)施工人員操作不當(dāng)，質(zhì)量意識差，不能很好貫徹技術(shù)人員的意圖。
二、混凝土結(jié)構(gòu)裂縫的防治措施
混凝土結(jié)構(gòu)的裂縫出現(xiàn)也是不可避免的，有些裂縫直接影響到結(jié)構(gòu)的質(zhì)量，有些裂縫不宜察覺，在結(jié)構(gòu)營運(yùn)過程中，如果不加以妥善的處理，也會給混凝土結(jié)構(gòu)造成隱患，影響混凝土結(jié)構(gòu)的使用年限。混凝土結(jié)構(gòu)出現(xiàn)裂縫，是有多種因素造成的，除了設(shè)計原因外，施工質(zhì)量是主要原因。
混凝土裂縫雖然不可能完全避免，但可以盡最大努力減少裂縫。
(一) 在大跨徑預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土中施工時張拉必須嚴(yán)格按照程序進(jìn)行。
(二) 要注意支架和模板的沉陷及變形�；炷翝仓皩χЪ芎湍０遄鲱A(yù)壓可減少或消除底板出現(xiàn)貫通裂縫。
(三) 要注意混凝土的澆筑質(zhì)量及養(yǎng)護(hù)。混凝土澆筑過程，因振搗不好或漏振等，都是導(dǎo)致混凝土出現(xiàn)裂縫的原因，所以在施工時要特別注意，后期養(yǎng)護(hù)也一定要做好。
(四) 要注意混凝土原材料的質(zhì)量和配合比的選擇。嚴(yán)把原材料質(zhì)量關(guān)，是保證混凝土質(zhì)量的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。首先在配置混凝土配合比時應(yīng)考慮施工季節(jié)、結(jié)構(gòu)形狀、模板形式(在混凝土澆筑和拆模之前，鋼板模要比木模散熱快的多)，混凝土強(qiáng)度等級、配筋率及鋼筋抗裂性等不易改變的因素對結(jié)構(gòu)抗裂想性能的影響，對于其他一些可以改變的因素就應(yīng)盡力提高標(biāo)準(zhǔn)，如盡量使砂中的含泥量少，級配良好，慎用早強(qiáng)劑，采用較小的水灰比和較小的坍落度等�；虿扇∑渌行Т胧鐡郊愉摾w維或石棉、礦棉、玻璃棉等纖維，摻加粉煤灰、沸石粉或硅粉等活性摻合物。
(五)炎熱季節(jié)施工時，在各種不利因素的綜合作用下，容易產(chǎn)生裂縫，在施工中應(yīng)采取多種方法措施以預(yù)防混凝土開裂，一般的措施有以下幾種：
(1)可將原材料降溫，可以在砂石料中加入冰塊;
(2)采用含泥量盡可能小的粗細(xì)骨料;
(3)水泥用量不宜過大;
(4)不宜采用水化熱比較集中的早強(qiáng)水泥;
(5)水灰比不能過大，坍落度不能過大;
(6)混凝土澆筑盡量安排在夜間溫度較低的時間進(jìn)行;
(7)盡量使用鋼模板，不但混凝土表面光潔度好，而且鋼模板較木模板散熱快，對防止開裂有幫助;
(8)將模板降溫，在澆筑混凝土之前及初期養(yǎng)護(hù)時間內(nèi)用水澆濕模板，使模板加快表面散熱速度，從而使混凝土體內(nèi)散熱加快，溫度降低;
(9)加強(qiáng)養(yǎng)護(hù)，使混凝土結(jié)構(gòu)始終保持濕潤狀態(tài);
(10)在混凝土內(nèi)部預(yù)先設(shè)置降溫循環(huán)水管，以循環(huán)水帶走混凝土體內(nèi)的熱量。
三、結(jié)束語：綜上所述，混凝土結(jié)構(gòu)的裂縫產(chǎn)生的原因是多種的，我們可以通過改善施工環(huán)境，加強(qiáng)施工管理來防止和減少混凝土結(jié)構(gòu)的裂縫，也可能在以后的施工中通過施工技術(shù)的提高或摻加新型的摻加劑來防止和減少混凝土結(jié)構(gòu)的裂縫;這需要科研人員的不懈努力和工程技術(shù)人員的經(jīng)驗(yàn)積累才能達(dá)到。最主要是在施工中采取各種有效的預(yù)防措施來預(yù)防裂縫的出現(xiàn)和擴(kuò)展，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)裂縫問題將會逐漸在設(shè)計、施工和營運(yùn)當(dāng)中得到圓滿的解決。這樣才能保證建筑物和構(gòu)件安全、穩(wěn)定的工作。
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