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淺析混凝土結構的裂縫及控制
柳州市廣廈工程建設監理公司 蔡凜
摘要：本文就混凝土結構常見裂縫的種類、成因進行了分析，并結合工程實踐經驗提出預控措施。
關鍵詞：混凝土結構、裂縫、成因、預控
裂縫是混凝土結構較常見的一種質量通病，其產生有很復雜的原因，其外觀表現形式為從混凝土表面延伸至混凝土內部的縫隙，其危害程度視裂縫產生的部位、長度、寬度和深度等具體情況而定。雖然并非所有裂縫都會危及建筑結構安全，但由于裂縫往往都是混凝土結構破壞的前兆，是滲漏的禍首，因此，裂縫的存在總會使人產生一種隱患的感覺。當前我國大量的民用建筑在勘察、設計、施工及材料使用等各環節均存在技術和管理弱點，包括缺乏對混凝土結構的裂縫控制進行有效的理論研究和實踐指導，而且在此方面國外也無先進的經驗可以借用，因此對工程建設過程中的混凝土裂縫如何采取有效措施加以控制，一直是廣大工程技術人員關注的重點和難點，本文亦就此問題作一些探討。
1、現澆結構常見裂縫的種類
1.1溫差裂縫
由于溫度變化，混凝土熱脹冷縮而形成的裂縫。其表現形式一般為走向無一定規律性，寬度大小不一，沿全長沒有多大變化，多發生在施工期間或工程竣工一段時間后，其中大體積砼澆筑尤其易產生溫度裂縫。大體積混凝土溫差裂縫主要由于水化熱而產生混凝土內外溫差，使混凝土內部溫度升高引起體積膨脹，而外部混凝土因溫度較低體積膨脹較小，從而在混凝土表面產生拉應力，當拉應力超過混凝土的抗拉強度時，就會在混凝土表面產生裂縫。另外，對于現澆混凝土樓板來說，由水化熱引起的混凝土內外溫差較小，因此，混凝土表面產生的拉應力也較小，但是在施工和使用過程中由于環境溫度的變化而產生體積變化則較大。在夏季，外墻與樓板之間有較大的溫差，外墻受熱產生線膨脹大于樓板受熱產生的線膨脹，于是，外墻對樓板產生拉應力，當拉應力超過混凝土的抗拉強度時便產生裂縫。
1.2收縮裂縫
混凝土在凝結、硬化過程中，由于材料收縮而形成的裂縫。其形成機理在于砼表面和內部收縮變形的速度快慢不一致，一般是表面快，內部慢。進而在構件表面產生較大的拉應力，當拉應力超過混凝土的抗拉強度時，就會產生收縮裂縫。
收縮裂縫一般為表面性的、寬度較細、長向縱橫交錯且無一定規律性的裂縫。通常在混凝土露天養護一段時間后在砼表面或側面出現，并隨濕度和溫度變化而逐漸發展。
1.3 沉降裂縫
沉降裂縫一般指結構或構件下地基未經處理產生不均勻下沉而形成的裂縫。另外，砼澆筑早期模板強度、剛度或穩定性不足使混凝土結構變形過大亦會引起沉降裂縫。
沉降裂縫一般為貫穿性裂縫，其走向與沉陷情況有關，一般與地面垂直或成30o~45 o角的方向發展，較大的不均勻沉降裂縫，往往上下或左右有一定差距，縫寬受溫度變化影響小，因荷載大小而異，且與不均勻沉降量成正比。
1.4 荷載裂縫
指在非正常或不合理的受力下，混凝土結構變形過大而產生的裂縫。一般情況下，鋼筋混凝土結構是允許帶裂縫工作的。按規范規定，不同情況下，裂縫的最大允許寬度為0.2~0.3mm，一般肉眼不易察覺。而當施工操作或使用不當時，如早期受震、拆模過早或拆模方法不當、施工超載、構件的堆放、運輸、吊裝時的墊塊或吊點位置不合理、預應力張拉過量等均可產生超過規范允許值的裂縫。
1.5 構造裂縫
指由于設計構造不當而可能產生的結構裂縫，比如筏板基礎的厚薄轉變部位，基礎或集水坑等部位，剛度變化較大，應力較集中，若未設置構造配筋，由于砼的抗拉強度較小，因而易產生裂縫。又如現澆樓板厚度一般為80~100 mm，若住宅設計中將PVC電線管均敷設于樓板內，則凡有PVC管處的混凝土保護層減薄，就容易出現構造裂縫。
2、混凝土裂縫的成因分析
2.1 材料方面
混凝土由水泥、骨料、水以及留存在其中的氣體組成，是一種多相非均勻的脆性材料。有關研究表明，當環境溫度、溫度變化及混凝土硬化時，混凝土的體積會發生變化，并使其內部產生變形，由于混凝土中各種材料某些性能的不同，這種變形是不均勻的。水泥石收縮較大，而骨料收縮很小；水泥石的熱膨脹系數較大，而骨料較小。同時，它們之間的變形不是自由的，相互之間有約束，從而在混凝土內部產生粘著微細裂縫、水泥石微裂縫和骨料裂縫等三種裂縫，因此，混凝土內部微細裂縫的存在是混凝土材料本身固有的一種物理性質。另外，水泥、砂、石子等原材料的質量對混凝土的質量影響很大。比如水泥安定性不合格，某些品種水泥水化熱大引起過高升溫，砂、石的級配差、含泥量大，含有害雜質等均會對砼強度降低及裂縫的產生有一定的影響。
2.2施工工藝
施工工藝涉及的范圍較多，主要有以下幾方面：
2.2.1 水泥或水用量過多
某些結構砼強度等級高，水泥用量加大，水化熱溫升較高，降溫散熱相對較慢，這樣收縮與降溫共同作用，很容易引起溫度裂縫，對于大體積砼來說更是如此。
另外，目前普遍采用預拌商品砼施工，大量使用大流態泵送砼，其含砂率由普通砼的35~36%增加到42~45%，水灰比由0.5增加到0.7，砼的流動性很大，在澆灌后1~3h,尚處于塑性階段，使結構產生裂縫的概率大為增加，通常容易形成干縮裂縫。
2.2.2 砼配合比不合理，粗、細骨料的用量控制不準，拌合不均勻，砼的和易性差，振搗不實，就容易導致砼內部有蜂窩孔洞，造成鋼筋和砼之間有水分和空隙，鋼筋與砼之間的握裹力差，必然容易出現裂縫。
2.2.3 砼的施工工序安排不合理，澆筑順序有誤，接槎面間歇時間過長，形成人為施工縫，當人為施工縫處置不當或處于不合理位置時，就很容易產生結構裂縫。
2.2.4 模板構造不當，漏水、漏漿、支撐剛度不足，支撐地基下沉，過早拆模等都有可能造成混凝土開裂。
2.2.5 大量農民工進入建筑施工第一線，受素質低、培訓少、質量意識差等諸多不利因素影響，使民工的施工操作經常出現不規范行為，如果再加上缺乏嚴格到位的現場管理，則振搗不實甚至漏振，踩踏鋼筋凌亂變形移位，過早地加荷載或施工超載諸多違規操作就得不到及時糾正，從而給結構留下質量隱患，這也是產生結構裂縫的一個原因。
2.2.6 砼施工方案不周全，比如對后澆帶施工就必須充分考慮澆筑時間，澆筑前的處理及澆筑后的養護等。如果方法不當，控制措施不力或管理不到位等，就容易在后澆帶部位產生裂縫。又比如對大體積砼澆筑施工，必須考慮采取保溫控制措施，如果每層澆筑太厚，而混凝土初凝時間短，使砼內部產生的水化熱來不及釋放，砼內部溫度急劇升高，與外界溫差過大，則必將產生裂縫。
2.2.7 砼養護特別是早期養護與裂縫關系密切
養護不當，不及時養護，養護時間不足等最容易使砼結構產生干縮裂縫，特別對泵送砼來說，用水量較大，但其中80%的水分是蒸發掉的，僅有約20%的水是水泥水化所必需的，在凝固過程中最后失去的自由水幾乎不引起收縮，但隨著砼繼續凝結而使結合水逸出，水分進一步減少，則會出現干燥收縮。由于砼表面與外界大氣接觸面大，散熱快，收縮也快，而砼中心干燥收縮比較緩慢，這樣，砼表面干縮受到中心部位約束，致使砼表面出現較大的拉應力。此時，如果養護不及時，當砼表面拉應力超過砼同期自身的抗拉強度時，就會出現裂縫，甚至產生有害的深層裂縫或貫穿裂縫。
2.3建筑和結構構造方面的缺陷造成的裂縫
主要包括以下幾方面：
（1）設計未作裂縫寬度驗算，致使跨度較大的梁，因設計不當而出現較寬的裂縫。
（2）漏配鋼筋。設計或施工疏忽造成一些構造鋼筋漏配，如較高梁的抗收縮筋，集中荷載作用處的附加橫向鋼筋等漏配， 梁上就會產生豎向縫。
（3）梁總長度太長，因收縮應力過高而在梁跨中產生豎向裂縫。
（4）結構整體性或樓、屋蓋的整澆層不按規定分塊設縫，導致溫度收縮應力加大而產生裂縫。
（5）變形縫設置不當，應力集中，超載或其它違反設計規范的規定，如因隨意預留孔洞而在受拉區截斷縱向受拉鋼筋等均易產生裂縫。
2.4地基變形引起的裂縫主要有地基沉降大、地基凍脹、地基土水平位移、相鄰建筑影響等幾方面原因。
3、混凝土結構裂縫的預控
混凝土結構裂縫的產生，最直接的后果就是影響建筑物的安全和正常使用，對商品住宅來說，更是關系到廣大老百姓能否安居的問題。近年來，開裂、滲漏一直是商品房質量投訴的熱點，不但令房開商頭痛不已，更損害了眾多建筑施工企業的聲譽。因此，如何在施工過程中采取一些必要的預防性措施來控制混凝土結構裂縫的出現成了廣大工程技術人員研討攻堅的方向，結合多年工程實踐，筆者對此進行了一些經驗總結。
3.1 大體積混凝土溫度裂縫的預控措施
大體積混凝土施工中由于水泥水化熱大量積聚，而散發很慢，造成混凝土內部溫度高，表面溫度低，形成內外溫差；在拆模前后或受寒潮襲擊，使表面溫度降低很快，造成溫度陡降（驟冷）；混凝土內達到最高溫度后，熱量逐漸散發直至使用溫度或最低溫度，它們與最高溫度的差值即為內部溫差。這三種溫差都可能導致混凝土裂縫，內外溫差、溫度陡降引起表面裂縫；內部溫差引起內部裂縫或貫穿性裂縫。因此，控制溫差，減少溫度應力就成了預防溫度裂縫的關鍵。在此，以柳州市某項目筏基工程為例，具體介紹溫度裂縫的控制措施及效果。在該工程中，筆者作為項目總監參與了整個工程的施工監理工作。該筏基厚1.5~2.8m，東西向長34m，南北向長72.5m，砼強度C40，S8，砼工程量3520m3。這是典型的大體積砼筏板基礎，如何控制溫度應力，避免裂縫的產生，在施工準備階段，我們就督促施工單位項目部組成技術小組著手考慮此問題并制定了相應的專項施工方案，其主要措施為：
（1）制定合適的允許溫差
溫度裂縫的主要原因是各種溫差太大，為了防止裂縫發生，必須規定各種溫差，包括內外溫差，內部溫差和溫度陡降容許值。根椐以往工程的實踐經驗以及本工程基礎約束不大的具體特點，并結合理論計算，確定砼內部與表面溫差不超過25℃，溫度陡降不超過10℃，砼表面與外界環境溫差也不能超過25℃。
（2）加強施工中的溫度觀測
為了準確測溫，首先，配置了質量和數量均滿足需要的測溫工具設備，如測溫管、棒式酒精溫度計等，并對測溫人員進行了技術培訓，明確技術要領，落實工作責任等；其次，事前預先定好檢測孔的平面布設及埋深方案，其中測孔深度分別為200mm、950mm、1400mm、1800mm、2100mm、2300mm六種，測溫孔共52個；最后，要求測溫人員按預定方案進行嚴格測溫并做好記錄，平均每四小時記錄一次。整個過程保溫與測溫工作持續到砼溫度與大氣平均混度差在15℃以內，砼強度達到設計強度85%以上，并經技術審核同意后方可終止。
（3）采取適當的溫度控制措施
1）、采用冷水澆淋砼泵送管、遮陽防曬等措施降低澆筑溫度；
2）、通過采用減水劑、采用大粒徑石料并用人工級配減小孔隙率、選擇合理的配合比等措施降低水泥用量，以達到降低水化熱溫升的目的；
3）采取覆蓋保溫、搭設保溫棚及延遲拆模時間等措施，達到提高砼表面溫度、防止溫度陡降、減小內外溫差的目的。本工程采用三層麻袋保濕覆蓋養護，且隨時使砼表面處于潮濕環境中，確保水泥充分水化，提高早期抗拉強度，減少砼基礎內部溫度梯度，充分發揮砼自身抗裂能力和利用砼應力松弛的特性，使砼內部因溫差產生的拉應力值小于砼本身同期抗拉強度，達到避免產生有害的深層裂縫和貫穿裂縫的目的。
（4）控制效果分析
1）理論計算數椐與施工實際檢測數椐基本一致。深孔最高溫度66±2℃，個別點達到70℃，計算最高溫升值68.5℃，淺孔最高溫升值44±2℃，大氣溫度27±2℃。從溫度曲線看，砼中心與表面溫度差均在25℃以內，符合原定方案對溫度控制的要求。
2）測溫度資料表明：采用普通硅酸鹽水泥配制的砼，澆筑后48小時開始大量產生水化熱，最高值出現在72h~144h之間；砼澆筑厚度越薄，水化熱溫升階段越短，最高溫度值出現也越早，并很快有降溫趨勢；反之厚度越厚，則水化熱溫升階段越長，溫度峰值出現也稍后，且持續時間越長。加外，外界氣溫愈高，砼內部愈不易散熱，則溫升階段縮短，溫度峰值出現時間更早，且持續時間更長。故早期的溫度監測非常重要，且覆蓋養護工作必須及時到位。
3）測溫記錄數椐還表明，在溫升階段，砼內部的最低溫度均發生在邊角處，原因在于該部受環境氣溫變化影響較大，故加強砼邊角部位的保溫覆蓋養護對防止由于溫度散失過快而產生裂縫有重要意義。
4）該筏板基礎施工完成至今已有近兩年，實體質量檢查沒有發現裂縫，說明所采取的各項控制措施是有效、可行的。
3.2 混凝土干縮裂縫的預控措施
混凝土凝結干燥的過程總是由表及里逐步發展，因濕度不均勻，故收縮變形也不均勻，在約束作用下產生的收縮應力大于抗裂強度時，即產生干縮裂縫。因此，預防干縮裂縫的重點在于減弱收縮變形，降低收縮應力，具體措施如下：
（1）在結構斷面薄弱處及應力集中處采取結構加強措施。比如在樓板大角增設放射筋，對長度過長的桃雨蓬考慮設置施工后澆帶，對現澆梁增設構造加強筋等均可提高結構易變形部位的抗裂強度，達到減少裂縫產生的目的。
（2）采用減水劑，適當減小水灰比，同時施工中注意嚴格要求，做到灌漿、振搗等按規范操作，避免形成混凝土分層離析、表面浮漿等，且在混凝土初凝前用木抹子再過一次面可有效減小混凝土收縮量，避免混凝土表面產生龜裂現象。
（3）防止隨意提高混凝土強度等級，使收縮加大而開裂。近年來，有的設計為了提高安全度，或施工為了趕進度而提高強度的實例不少。據統計，強度由C20提高到C30，單位水泥用量增加70~100Kg左右，收縮將增加（0.4~0.5）×10-4。經驗證明，一些現澆大梁和框架梁中的裂縫與提高強度關系密切。
（4）加強施工管理，杜絕野蠻施工及施工荷載超載現象。目前，建筑工地上的施工工人大量使用的是臨時雇傭性質的農民工，他們的責任意識和質量意識均不強，故在工作中野蠻施工行為十分普遍。以混凝土澆筑施工為例，野蠻操作行為主要表現為隨意踩踏樓板負筋變形移位，砼運輸道或泵送管安拆過程中大力沖撞鋼筋和模板，另外用手推車倒漿時利用慣性隨手甩脫車把使漿車傾倒時猛烈沖擊模板，這些都會對已澆筑完畢接近初凝的混凝土結構造成致命的硬傷，并大大增加了裂縫產生的可能性。筆者在所主管的某商品房樓板砼澆筑施工中曾留心注意存在野蠻施工行為的部位，日后果然發現在這些部位或附近產生了裂縫。分析其原因，應該是在混凝土初凝過程中由于鋼筋或模板的振動，破壞了鋼筋與混凝土之間的粘結握裹力，從而降低了結構抗裂強度。別外，施工過程中荷載超載或者養護時間不夠就過早上荷載，比如樓板澆完剛過24小時就開始上磚或其它超重設備，這都增加了因結構應力與收縮應力疊加而出現裂縫的機會。
（5）加強養護及成品保護工作
混凝土澆筑完成后12小時內應對混凝土加以覆蓋和澆水，澆水養護時間不得少于7天，對摻用外加劑的混凝土不得少于14天。施工現場必須安裝供澆水養護的水管，高層建筑尚應設計有足夠揚程的臨時水泵和水源。后續工序施工時應采取措施，保證連續澆水養護不受影響，否則必須在混凝土表面覆蓋塑料薄膜。另外，在養護期內，混凝土強度小于1.2Mpa時，不得進行后續工序的施工；混凝土強度小于10Mpa時，樓板上不得吊運堆放重物，在滿足混凝土強度大于10Mpa的情況下，吊運重物及重物堆放位置應采取有效措施，減輕對樓板的沖擊影響。
3.3 沉降裂縫的預防
沉降裂縫的預防著重應考慮地基承載力問題，具體措施如下：
（1）充分利用密實土層作為持力層，做到“輕基淺埋”；
（2）盡量減少作用于地基上的壓力，或鋪設砂墊層以提高地基承載力；
（3）施工速度和加荷速度不宜太快，且應做到均衡加荷。比如在超長建筑中，施工縫兩側的建筑應盡量同時建起，防止因人為因素一側已做完第五層，另一側還沒開始第二層的施工混亂現象，以免導致因荷載相差過于懸殊使地基變形不均勻而產生裂縫；
（4）對于深基礎或鄰近有高大建筑物的項目，在土方開挖施工中應注意做好護壁支護工作，避免因地基土水平位移而產生裂縫。
3.4 荷載及構造裂縫的預防
純粹由于荷載或者建筑結構構造因素造成的裂縫并不多見，這類裂縫多為貫穿性的，一旦產生則難以補救，且危害較大。常見的構造裂縫通常是由于設計上考慮欠周，未在薄弱部位設置溫度配筋或構造配筋，當遇到較大的溫度變形或干縮變形時即較易產生裂縫。因此，預防構造裂縫的關鍵在于開工前，施工技術人員應根椐工程實踐經驗認真審核圖紙設計的完善性，發現有缺陷時及時向設計人員提出修改或補充建議，并在今后的實體施工中重點予以關注，避免留下質量隱患。
對于施工中超載或過早拆除梁板底模造成的裂縫，上文已提及不再重復，這里值得指出的是建筑物交付使用中因荷載過重原因而造成的裂縫問題。比如一般住宅樓房的陽臺，設計荷載考慮的僅為結構自重及正常情況下的活荷載，而一些家庭卻在陽臺堆放過多過重的雜物甚至搞一個大體積的水缸養魚，這就不是通常設計所考慮到的荷載了。陽臺懸挑結構在長時間的重負下，一旦產生結構裂縫，其后果是不堪設想的。預防此類裂縫只能是加大設計安全系數并進行必要的抗裂驗算。另外，在建筑物完工交付使用時，應嚴格執行使用說明書制度，加強物業管理維護，杜絕胡拆亂鑿的隨意裝修行為，確保建筑物在結構安全的情況下正常使用。
4．結束語
混凝土結構裂縫的產生無論如何總說明了結構存在一定程度的質量缺陷，它不可避免地總會影響到結構的安全度和使用功能，對此，那怕是外行的普通百姓都會有一些認識，因此，我們沒有理由不對此問題加以重視。雖然混凝土結構裂縫問題已有較成熟的理論分析基礎，但由于其形成機理的復雜性，決定了其預控措施的多樣性，并且針對裂縫的產生往往涉及眾多因素并貫穿于設計、施工及使用的全過程的特點，故在實際施工過程中，工程人員應全方位考慮問題并采取相應措施，力爭把裂縫消滅在最終產品形成以前。當然，不可否認，控制裂縫是一項艱巨的工作，是一項有待成熟和完善的課題，廣大工程技術人員仍需為此而付出艱辛的努力。
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