混凝土裂縫成因分析與處理措施
莫宏杰 歐漢國
（廣西桂能工程咨詢集團有限公司 廣西南寧市 530023）
【摘要】 混凝土裂縫普遍存在于工程之中，影響建筑物的外觀、結構安全和使用壽命，是監理工程師質量控制的重點。本文著重介紹了監理工程師對廣西八一鐵合金（集團）有限責任公司2×16500kVA電爐主廠房17.0m層電爐結構梁側及梁底混凝土出現裂縫進行成因分析和采取的處理措施，為今后處理類似工程問題提供參考。
【關鍵詞】 混凝土裂縫；成因分析；處理措施
1 前言
混凝土是一種由砂石骨料、水泥、水及其他外加材料混合而形成的非均質脆性材料。由于混凝土施工和本身變形、約束等，硬化成型的混凝土中存在著眾多的微孔隙、氣穴和微裂縫。微裂縫通常是一種無害裂縫，對混凝土的承重、防滲及其他一些使用功能不產生危害。但是在混凝土受到荷載、溫差等作用后，微裂縫就會不斷的擴展和連通，最終形成肉眼可見的宏觀裂縫，也就是混凝土工程中常說的裂縫。
混凝土建筑和構件通常都是帶縫工作的，由于裂縫的存在和發展通常會使內部的鋼筋等材料產生腐蝕，降低鋼筋混凝土材料的承載能力、耐久性及抗滲能力，影響建筑物的外觀、使用壽命，嚴重者將會威脅到人們的生命和財產安全。很多工程的失事都是由于裂縫的不穩定發展所致。科學研究和大量的混凝土工程實踐證明，在混凝土工程中存在裂縫是不可避免的，在一定的范圍內也是可以接受的，只要采取有效的措施將其危害程度控制在一定范圍之內即可。但在施工中應盡量采取有效措施控制裂縫的產生，使結構盡可能不出現裂縫或盡量減少裂縫的數量和寬度，尤其要盡量避免有害裂縫的出現，確保工程質量。
2 混凝土工程施工中常見裂縫的成因
混凝土裂縫產生的原因很多，有變形引起的裂縫：如溫度變化、收縮、膨脹、不均勻
[作者簡介] 莫宏杰（1972.05～），男，廣西貴港人，建設部注冊監理工程師，從事工程建設監理工作。歐漢國（1973.12～），男，廣西貴港人，建設部注冊監理工程師，從事工程建設監理工作。
沉陷等原因引起的裂縫；有外載作用引起的裂縫；有養護環境不當和化學作用引起的裂縫等。
混凝土工程施工中常見的裂縫有干縮裂縫、塑性收縮裂縫、沉陷裂縫、溫度裂縫及混凝土內部化學反應引起的裂縫等。
2.1 干縮裂縫
干縮裂縫多出現在混凝土養護結束后的一段時間或是混凝土澆筑完畢后一周左右。水泥漿中水分的蒸發會產生干縮，且這種收縮是不可逆的。干縮裂縫的產生主要是由于混凝土內外水分蒸發程度不同而導致變形不同的結果。混凝土受外部條件的影響，表面水分損失過快，變形較大，內部濕度變化較小變形較小，較大的表面干縮變形受到混凝土內部約束，產生較大拉應力而產生裂縫。相對濕度越低，水泥漿體干縮越大，干縮裂縫越易產生。干縮裂縫多為表面性的平行線狀或網狀淺細裂縫，寬度多在0.05~0.2mm之間，大體積混凝土中平面部位多見，較薄的梁板中多沿其短向分布。干縮裂縫通常會影響混凝土的抗滲性，引起鋼筋的銹蝕，影響混凝土的耐久性，在水壓力的作用下會產生水力劈裂，影響混凝土的承載力等。混凝土干縮主要和混凝土的水灰比、水泥的成分、水泥的用量、集料的性質和用量、外加劑的用量等有關。
2.2 塑性收縮裂縫
塑性收縮是指混凝土在凝結之前，表面因失水較快而產生的收縮。塑性收縮裂縫一般在干熱或大風天氣出現，裂縫多呈中間寬、兩端細且長短不一，互不連貫狀態。較短的裂縫一般長20~30cm，較長的裂縫可達2~3ｍ，寬1~5mm。其產生的主要原因為：混凝土在終凝前幾乎沒有強度或強度很小，或者混凝土剛剛終凝而強度很小時，受高溫或較大風力的影響，混凝土表面失水過快，造成毛細管中產生較大的負壓而使混凝土體積急劇收縮，而此時混凝土的強度又無法抵抗其本身收縮，因此產生龜裂。影響混凝土塑性收縮開裂的主要因素有水灰比、混凝土的凝結時間、環境溫度、風速、相對濕度等。
2.3 沉陷裂縫
沉陷裂縫的產生是由于結構地基土質不勻、松軟，或回填土不實或浸水而造成不均勻沉降所致；或者因為模板剛度不足，模板支撐間距過大或支撐底部松動等導致，特別是在冬季，模板支撐在凍土上，凍土化凍后產生不均勻沉降，致使混凝土結構產生裂縫。此類裂縫多為深進或貫穿性裂縫，其走向與沉陷情況有關，一般沿與地面垂直或呈30°~45°角方向發展，較大的沉陷裂縫，往往有一定的錯位，裂縫寬度往往與沉降量成正比關系。裂縫寬度受溫度變化影響較小。地基變形穩定之后，沉陷裂縫也基本趨于穩定。
2.4 溫度裂縫
溫度裂縫多發生在大體積混凝土表面或溫差變化較大地區的混凝土結構中。混凝土澆筑后，在硬化過程中，水泥水化產生大量的水化熱，當水泥用量在350~550kg/m3，每m3混凝土將釋放出17500~27500kJ的熱量，從而使混凝土內部溫度升達70℃左右甚至更高。由于混凝土的體積較大，大量的水化熱聚積在混凝土內部而不易散發，導致內部溫度急劇上升，而混凝土表面散熱較快，這樣就形成內外的較大溫差，較大的溫差造成內部與外部熱脹冷縮的程度不同，使混凝土表面產生一定的拉應力（實踐證明當混凝土本身溫差達到25℃~26℃時，混凝土內便會產生大致在10MPa左右的拉應力）。當拉應力超過混凝土的抗拉強度極限時，混凝土表面就會產生裂縫。這種裂縫多發生在混凝土施工中后期。在混凝土施工中當溫差變化較大，或者是混凝土受到寒潮的襲擊等，會導致混凝土表面溫度急劇下降，產生收縮，表面收縮的混凝土受內部混凝土的約束，將產生很大的拉應力而產生裂縫，這種裂縫通常只在混凝土表面較淺的范圍內產生。
溫度裂縫的走向通常無一定規律，大面積結構裂縫常縱橫交錯；梁板類長度尺寸較大的結構，裂縫多平行于短邊；深入和貫穿性的溫度裂縫一般與短邊方向平行或接近平行，裂縫沿著長邊分段出現，中間較密。裂縫寬度大小不一，受溫度變化影響較為明顯，冬季較寬，夏季較窄。高溫膨脹引起的混凝土溫度裂縫是通常中間粗兩端細，而冷縮裂縫的粗細變化不太明顯。此種裂縫的出現會引起鋼筋的銹蝕，混凝土的碳化，降低混凝土的抗凍融、抗疲勞及抗滲能力等。
2.5 化學反應引起的裂縫
堿骨料反應裂縫和鋼筋銹蝕引起的裂縫是鋼筋混凝土結構中最常見的由于化學反應而引起的裂縫。混凝土拌和后會產生一些堿性離子，這些離子與某些活性骨料產生化學反應并吸收周圍環境中的水而體積增大，造成混凝土酥松、膨脹開裂。這種裂縫一般出現中混凝土結構使用期間，一旦出現很難補救，因此應在施工中采取有效措施進行預防。由于混凝土澆筑、振搗不良或者是鋼筋保護層較薄，有害物質進入混凝土使鋼筋產生銹蝕，銹蝕的鋼筋體積膨脹，導致混凝土脹裂，此種類型的裂縫多為縱向裂縫，沿鋼筋的位置出現。
3 混凝土裂縫出現原因分析
3.1 工程概況
廣西八一鐵合金（集團）有限責任公司2×16500kVA電爐主廠房土建工程，位于廣西來賓市鳳凰鎮八一鐵合金（集團）有限責任公司冶煉廠內。工程總造價1200多萬元，2003年3月開工建設，2004年1月竣工驗收，2004年2月投產。
主廠房建筑面積11000m2，為框架混凝土結構及鋼結構，混凝土結構主要樓層分為五層：6.00m層、9.28m層、12.5m層、17.0m層、24.5m層。混凝土強度等級為C60。鋼結構主要是6.00m層的③~⑥、⑧~11跨；9.28m層的A、C相變壓器室，12.5m層懸掛鋼平臺，17.0m層平面的鋼料斗，23.7m平面鋼平臺及24.5m層高架鋼料倉以及屋面鋼架等。
17.0m層電爐結構為鋼筋混凝土框架結構，混凝土強度等級為C60，分別于2003年6月5日、6月11日開始澆灌混凝土。框架梁的模板拆除后，發現電爐結構梁側及梁底有分散的不均勻裂縫，裂縫寬度約0.2mm。2004年6月25日，由建設單位組織設計、監理、施工成立聯合調查組對17.0m層電爐框架梁裂縫的質量缺陷進行了現場調查。經現場查看，電爐跨（即B~C列與③/2－11/2軸間）的縱、橫梁（梁跨度為18m，梁高為2.3 m，梁寬為850mm）都不同程度的出現梁底梁側裂縫。梁側裂縫大多為豎向裂縫，長短不一，有的從梁頂至梁貫通，有的只在梁側底部約20~30cm長，寬度不一，最寬達0.55 mm。
3.2 原因分析
監理工程師在現場對17.0m層電爐結構框架進行了仔細勘察，并對參與施工的相關人員進行調查了解，又對施工過程中產生的相關技術文件記錄進行了審查。經過認真的分析，監理工程師認為，17.0m層電爐結構梁底模板養護12天左右拆除， 該層部分滿堂架子支撐在9.0m層，部分滿堂架子支撐在0.00m層土質地基上，梁底出現的裂縫可能是沉陷裂縫。對于梁底出現的裂縫，監理工程師認為是溫度裂縫，因為17.0m層電爐結構尺寸較大，梁的尺寸為長×寬×高=18m×0.85m×2.3 m，跨度18m，混凝土設計標號為C60，采用P.O52.5R水泥，水灰比較小（為0.33），水泥用量達480kg/m3，由于水泥用量很大，混凝土在硬化過程中產生大量的水化熱，導致混凝土內外出現溫差。裂縫大部分出現在梁側，而梁側模板拆除時間較晚，梁側混凝土水分損失不大，排除為干縮裂縫的可能。
施工單位對電爐結構裂縫的觀測結果：從2003年6月26日開始觀測以來，梁底部裂縫有少量擴展，最大裂縫寬度為0.55mm，但從2003年7月10日裂縫開始穩定無擴展。
由于沉陷裂縫對結構有影響，監理工程師要求對其進行結構加固處理，采取灌縫、封縫和增設支點加固等措施。而梁側裂縫基本無擴展，監理工程師認為此溫度裂縫對結構影響不大，只需對裂縫進行封閉處理即可。
4 裂縫處理措施
混凝土裂縫的處理根據裂縫的特點和性質進行。當裂縫影響到混凝土結構的性能時，考慮采取加固法對混凝土結構進行處理，加固法通常有：加大混凝土結構的截面面積，在構件的角部外包型鋼、采用預應力法加固、粘貼鋼板加固、增設支點加固以及噴射混凝土補強加固等。經現場調查分析及研究，聯合調查組決定對廣西八一鐵合金（集團）有限責任公司2×16500kVA電爐主廠房17.0m層電爐結構框架梁采用增設支點加固的方法進行加固處理，由施工單位提出方案，設計單位和監理工程師審批后實施。
4.1 處理方案
（1）對C軸上的次梁DL-2梁進行卸載。在DL-2梁底加設兩道鋼柱GZ1，減小DL-2梁跨度，將DL-2梁由18m跨改為三跨，相應的基礎進行加固處理，如圖一。
（2）對B軸上的次梁DL-1梁，利用9.18m掛鋼平臺梁柱，增加斜桿，改變混凝土梁的受力，形成組合桁架，相應的9.18m掛鋼平臺梁柱進行加固處理，如圖二。
（3）.對11/2、8/2、6/2、3/2軸框架梁DKL-2，DKL-3進行卸載。在DKL-2，DKL-3梁底加設鋼柱GZ2，減小DKL-2，DKL-3梁跨度，將DKL-2，DKL-3梁由18m跨改為兩跨，相應的基礎亦進行加固（加寬、加大）處理，如圖三。
采取以上措施處理后，對框架梁裂縫進行灌漿封閉。
4.2 灌縫和封縫
4.2.1 材料選擇
寬度大于0.2mm的裂縫采用灌縫法處理，寬度小于0.2mm的裂縫采用封縫法處理。灌縫法主要適用于對結構整體性有影響的混凝土裂縫的修補，利用壓力設備將膠結材料壓入混凝土的裂縫中，膠結材料硬化后與混凝土形成一個整體，從而起到封堵加固的目的。封縫法主要適用于穩定和對結構承載能力沒有影響的表面裂縫的處理，在裂縫的表面涂抹膠結材料。廣西八一鐵合金（集團）有限責任公司2×16500kVA電爐主廠房17.0m層電爐結構框架梁出現的裂縫采用YZJ-5建筑結構膠灌縫和在裂縫的表面涂抹YZJ-1建筑結構膠（粘鋼型）進行處理，其主要性能指標見下表。
YZJ-5建筑結構膠主要性能指標表
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膠體性能 |
粘結性能 |
疲勞
（萬次） |
工作環境 |
|
鋼—鋼 |
鋼—混凝土 |
|
抗壓強度（MPa） |
拉伸強度（MPa） |
彎曲強度（MPa） |
抗剪強度（MPa） |
抗拉強度（MPa） |
|
≥70 |
≥20 |
≥40 |
≥18 |
≥f0cr
混凝土破壞 |
200
（不破壞） |
-40－70℃ |
YZJ-1建筑結構膠（粘鋼型）主要性能指標表
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膠體性能 |
粘結性能 |
疲勞
（萬次） |
工作環境 |
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鋼—鋼 |
鋼—混凝土 |
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抗壓強度（MPa） |
拉伸強度（MPa） |
彎曲強度（MPa） |
抗剪強度（MPa） |
抗拉強度（MPa） |
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≥70 |
≥30 |
≥40 |
≥18 |
≥f0cr
混凝土破壞 |
200
（不破壞） |
-40－70℃ |
4.2.2 裂縫分類及處理工藝流程
（1）寬度大于0.2mm的裂縫采用灌縫法處理，工藝流程為：混凝土表面處理→埋設灌漿嘴→調膠→封縫→調膠→灌漿→封口→檢查、保養。
（2）寬度小于0.2mm的裂縫采用封縫法處理，工藝流程為：混凝土表面處理→調膠→封縫。
4.2.3 灌縫施工方法
（1）混凝土表面處理
沿寬度大于0.2mm的裂縫鑿出一條V型槽，寬度約60~100mm，采用鋼絲刷及壓縮空氣等工具消除裂縫表面的灰塵、白灰、浮渣及松散層等污物，然后用有機溶液把沿裂縫兩側20~30mm處擦洗干凈并保持干燥。
（2）埋設灌漿嘴
在裂縫的適當位置埋設灌漿嘴，埋設時，在灌漿嘴的底盤上抹一層封縫膠將灌漿嘴的進漿孔騎縫粘貼在預定的位置上。
（3）調膠
調膠按產品使用說明書進行，膠液一次配備數量，需以膠液的凝固時間及進漿速度來確定。
（4）封縫
封縫時應防止產生嚴重小孔和氣泡，要刮平整，保證封閉可靠。
（5）灌漿
1）灌漿機具、器具及管子在灌漿前應進行檢查，運行正常時方可使用。接通管路打開所有灌漿嘴上的閥門，用壓縮空氣將孔道及裂縫吹干凈。
2）根據裂縫區域大小，可采用單孔灌漿或分區群孔灌漿。在一條裂縫上灌漿可由一端到另一端。
3）灌漿時應待下一個排氣嘴出漿時立即關閉轉芯閥，如此順序進行。化學漿液的灌漿壓力常用0.2MPa；壓力應逐漸升高，防止驟然加壓。達到規定壓力后，應保持壓力穩定，以滿足灌漿要求。
4）灌漿停止的標志為吸漿率小于0.1L/min，再繼續壓注幾分鐘即可停止灌漿，關掉進漿嘴上的轉芯閥門。
5）灌漿結束后，應立即拆除管道，并洗干凈。
6）封口、保養
待縫內漿液達到初凝而不外流時，可拆下灌漿嘴，再用封縫膠把灌漿嘴處抹平封口。
7）檢查、保養
灌漿結束后，應檢查灌漿效果和質量，發現缺陷及時補救，確保工程質量。
4.2.4 封縫施工方法
（1）混凝土表面處理
采用鋼絲刷及壓縮空氣等工具消除裂縫表面的灰塵、白灰、浮渣及松散層等污物，然后再用有機溶液把沿裂縫兩側20~30mm處擦洗干凈并保持干燥。
（2）調膠
調膠按產品使用說明書進行，膠液一次配備數量需以膠液的凝固時間來確定。
（3）封縫
封縫時應防止產生嚴重小孔和氣泡，要刮平整，保證封閉可靠。
4.2.5 灌縫和封縫質量控制
（1）灌漿施工前，監理工程師先檢查施工準備工作，如混凝土表面處理、灌漿嘴埋設、以及專用灌縫設備是否準備好并符合修補方案的要求。
（2）對灌縫和封縫用的材料，如灌漿膠、封縫膠，進場前監理工程師檢查產品合格證和生產廠家提供的檢測報告，材料進場后抽查檢驗，全部檢查合格后方能使用。
（3）灌漿完畢使用壓縮空氣或壓水試驗檢查灌漿和封縫是否密實，沒有達到要求的，補灌或重新封縫至合格為止。
（4）做好養護工作，養護期過后方可使用。
（5）灌縫和封縫過程，監理工程師旁站監督和做好記錄。
5 裂縫處理后效果
廣西八一鐵合金（集團）有限責任公司2×16500kVA電爐主廠房17.0m層電爐結構框架梁出現的裂縫經處理后，經過長達五年多的觀察和測量，裂縫未發現有擴展，鋼筋也未見有銹蝕現象出現，建筑物運行安全，收到了良好的效果和效益。
6 結束語
混凝土裂縫是混凝土結構中普遍存在的一種現象，它的出現是多種因素所導致的。作為監理工程師，在混凝土結構施工前，要做好事前和事中控制。事前把好水泥、砂、石、水、外加劑等原材料的質量關，施工中做好運輸、入倉、振搗、養護等工作，盡量避免裂縫的出現。同時，認真做好事后控制。一旦出現裂縫，要對裂縫的成因進行認真研究分析，并采用合理的措施進行處理，以保證建筑物和構件的使用安全。
參考文獻：
[1] 《混凝土結構設計規范》（GB50010-2002）
[2] 《混凝土結構加固技術規范》（CECS25：90）
[3] 《建筑工程施工質量驗收統一標準》（GB50300-2001）
[4] 《混凝土結構工程施工質量驗收規范》（GB50204-2002）
[5] 《混凝土強度檢驗評定標準》
[6] 《建筑施工規范大全》（修訂編印本）
[7] 《建筑施工手冊》（第三版）
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桂公網安備 45010702001375號