浅析混凝土裂缝成因及防治措施
刘旭东 谢路
(桐庐县交通工程勘察设计有限公司，311500，桐庐) [摘要] 随着基础建设的迅速发展，桥梁建设中混凝土应用越来越多，混凝土在现代桥梁建设中占据了非常重要的地位，而随之出现的裂缝已成为普遍问题。本文以公路梁为例，归纳了裂缝形成的原因及种类，并分别提出防治方法，以便在具体实践中减少此类问题的出现。 [关键词] 混凝土；裂缝；防治措施 0 引言
从近代科学关于混凝土工作的研究及大量的混凝土工程实践证明，混凝土结构裂缝是不可避免的，混凝土结构的裂缝是一个具有普遍性的技术问题，虽然绝大部分的混凝土都是带裂缝工作的，但裂缝的产生和发展还是对混凝土结构的安全性、适用性和耐久性有着不容忽视的危害，在外界各种因素的作用下，裂缝会不断发展，从而降低混凝土的强度，损耗混凝土的耐久性，甚至引发严重的建筑质量事故。因此研究混凝土结构裂缝形成的原因，控制其在一定有效范围之内，提出防治的方法是十分必要的。混凝土结构裂缝的成因复杂而繁多，甚至多种因素相互影响，但每一条裂缝均有其产生的一种或几种主要原因。混凝土桥梁裂缝的种类，究其产生的原因，大致可以分为以下种: 1.荷载引起的裂缝成因及防治 1.1荷载作用引起的裂缝的成因
混凝土桥梁在常规静、动荷载及次应力下产生的裂缝称荷载裂缝，归纳起来主要有直接应力裂缝、次应力裂缝两种。
1、直接应力裂缝
直接应力裂缝是指外荷载引起的直接应力产生的裂缝。裂缝产生的原因有：①设计计算阶段，结构计算时不计算或部分漏算；计算模型不合理；结构受力假设与实际受力不符；荷载少算或漏算；内力与配筋计算错误；结构安全系数不够；结构设计时不考虑施工的可能性；设计断面不足；钢筋设置偏少或布置错误；结构刚度不足；构造处理不当；设计图纸交代不清等。②施工阶段，不加限制地堆放施工机具、材料；不了解预制结构结构受力特点，随意翻身、起吊、运输、安装；不按设计图纸施工，擅自更改结构施工顺序，改变结构受力模式；不对结构做机器振动下的疲劳强度验算等。③使用阶段，超出设计载荷的重型车辆过桥；受车辆、船舶的接触、撞击；发生大风、大雪、地震、爆炸等。
2、次应力裂缝
次应力裂缝是指由外荷载引起的次生应力产生裂缝。裂缝产生的原因有：①在设计外荷载作用下，由于结构物的实际工作状态同常规计算有出入或计算不考虑，从而在某些部位引起次应力导致结构开裂。例如两铰拱桥拱脚设计时常采用布置“X”形钢筋、同时削减该处断面尺寸的办法设计铰，理论计算该处不会存在弯矩，但实际该铰仍然能够抗弯，以至出现裂缝而导致钢筋锈蚀。②桥梁结构中经常需要凿槽、开洞、设置牛腿等，在常规计算中难以用准确的图式进行模拟计算，一般根据经验设置受力钢筋。研究表明，受力构件挖孔后，力流将产生绕射现象，在孔洞附近密集，产生巨大的应力集中。在长跨预应力连续梁中，经常在跨内根据截面内力需要截断钢束，设置锚头，而在锚固断面附近经常可以看到裂缝。因此，若处理不当，在这些结构的转角处或构件形状突变处，受力钢筋截断处容易出现裂缝。
1.2荷载作用引起裂缝的防治方法
严格按照国家规范对混凝土结构进行设计，对偏心构件进行局部受压验算，对一般结构，除对构件配筋、强度验算外，还应计算考虑正常使用阶段下的裂缝宽度验算。当裂缝宽度超过《混凝土结构设计规范》规定的允许值时，应复查荷载效应的组合、构件受力特征系数、钢筋的相对粘接系数等，确认计算无误；如仍超过允许值时，应对结构进行重新设计，可适当加大配筋率或加大构件截面尺寸等措施。对有裂缝的混凝土构件不易轻率的报废或者继续使用，而应进行细致的分析：若构件在使用中有缩小或闭合的趋势，那么此类构件就不要轻易报废,应根据裂缝的大小和构件使用条件,尽可能采取封闭或加固办法进行处理；若荷载裂缝是贯穿性的，使用阶段又有发展趋势，那么对这类构件就要认真对待，考虑其报废的可能。总之必须使构件在荷载作用下既满足正常使用功能要求又能满足承载能力要求。
2.温度裂缝成因及防治方法 2.1温度裂缝的成因
混凝土具有热胀冷缩性质，当外部环境或结构内部温度发生变化，混凝土将发生变形，若变形遭到约束，则在结构内将产生应力，当应力超过混凝土抗拉强度时即产生温度裂缝。在某些大跨径桥梁中，温度应力可以达到甚至超出活载应力。温度裂缝区别其它裂缝最主要特征是将随温度变化而扩张或合拢。
引起温度变化主要因素有：①年温差。一年中四季温度不断变化，但变化相对缓慢，对桥梁结构的影响主要是导致桥梁的纵向位移，一般可通过桥面伸缩缝、支座位移或设置柔性墩等构造措施相协调，只有结构的位移受到限制时才会引起温度裂缝，例如拱桥、刚架桥等。我国年温差一般以一月和七月月平均温度的作为变化幅度。②日照。桥面板、主梁或桥墩侧面受太阳曝晒后，温度明显高于其它部位，温度梯度呈非线形分布。由于受到自身约束作用，导致局部拉应力较大，出现裂缝。日照和下述骤然降温是导致结构温度裂缝的最常见原因。③骤然降温。突降大雨、冷空气侵袭、日落等可导致结构外表面温度突然下降，但因内部温度变化相对较慢而产生温度梯度。日照和骤然降温内力计算时可采用设计规范或参考实桥资料进行，混凝土弹性模量不考虑折减。④水化热。出现在施工过程中，大体积混凝土（厚度超过2.0米）浇筑之后由于水泥水化放热，致使内部温度很高，内外温差太大，致使表面出现裂缝。施工中应根据实际情况，尽量选择水化热低的水泥品种，限制水泥单位用量，减少骨料入模温度，降低内外温差，并缓慢降温，必要时可采用循环冷却系统进行内部散热，或采用薄层连续浇筑以加快散热。⑤蒸汽养护或冬季施工时施工措施不当，混凝土骤冷骤热，内外温度不均，易出现裂缝。
2.2温度裂缝的防治方法
在桥梁设计过程中，考虑到混凝土的蠕变特性，年温差内力计算时混凝土弹性模量应考虑折减。
对于由水化热引起的温度裂缝可通过以下措施防治：①选择水化热较低的水泥品种，一般选择收缩量较小的水泥，如粉煤灰水泥等。②将水泥用量控制在450kg/m3以下，降低水泥用量。③混凝土的干缩受水灰比影响较大，水灰比宜控制在0.6以下，降低水灰比，从而降低水化热。④对于由外界温度变化引起的混凝土裂缝可通过增设隔热层、设置伸缩缝、在施工中加强养护，采取减少水化热等措施来防治。
3.材料及配合比引起的裂缝的原因和防治措施 3.1材料及配合比引起的裂缝原因
材料质量及配合比引起的裂缝原因主要分为以下四类：①水泥不合格引起的裂缝。使用安定性不合格的水泥，在水泥凝结硬化的过程中，因为游离氧化镁、过量的石膏、游离氧化钙的影响，产生了剧烈的体积不均匀变化，进而造成构件内部应力严重不均，导致混凝土成型后强度下降，引发开裂。②砂、石质量不合格引起的裂缝。混凝土中大约75%为砂石材料，其质量的好坏直接影响混凝土的强度、刚度及耐久性。当砂石中有害物质含量较高或含泥量过大时，都会引起混凝土构件产生裂缝。有害物质与水泥或石膏中的钙离子作用，可产生硫酸钙与硫铝酸钙，造成混凝土体积的增大，导致裂缝出现；如果砂石中含泥量过高，会吸收过多的水分，硬化后，干缩量增大，产生干缩裂缝。③粗细集料含泥量过大，造成混凝土收缩增大，集料颗粒级配不良或采取不恰当的间断级配，容易造成混凝土收缩的增大，诱导裂缝的产生。④工程中设计不严谨的混凝土配合比不仅会浪费材料，严重时也能造成混凝土的开裂。砂率值不合理会造成混凝土拌合物离析和泌水，在混凝土的成型振捣过程中会发生重组分沉降、轻组分上浮现象，构件底部沉积大量粗骨料，过多的表面水分，造成混凝土表面出现干缩裂缝。骨料级配较差时，需要加大水泥用量和砂率，但这样可能会因混凝土干缩而产生裂缝。此外，外加剂的质量也对混凝土裂缝的产生有很大影响。 3.2材料质量及配合比引起的裂缝防治措施
具体可从以下几点着手：①严把质量关，对进入工地的水泥应根据不同品种、标号，进行相应的强度、安定性检验；根据不同的使用环境，按设计要求选用相应的水泥。②依据普通混凝土用砂石质量标准及检验方法对混凝土所用的砂石进行检验。检验项目包括颗粒级配、有害物质含量、砂石本身的强度等各方面，合格后方可使用。③选择级配优良的砂、石原材料，且含泥量应符合规范要求。④配合比是混凝土生产中最基本的依据，应由试验室根据《普通混凝土配合比设计规程》的规定，根据要求的强度等级、抗渗等级、耐久性等进行配合比设计，获得合理的配合比。试验员应针对现场的砂、石原材料情况及时调整施工配合比，协助现场搞好构件的养护工作。
4.沉陷裂缝的原因及防治措施 4.1沉陷裂缝的原因
由于基础竖向不均匀沉降或水平方向位移，使结构中产生附加应力，超出混凝土结构的抗拉能力，导致结构开裂。基础不均匀沉降的主要原因有：①地质勘察精度不够、试验资料不准。在没有充分掌握地质情况下，进行设计、施工，这是造成地基不均匀沉降的主要原因。②地基地质差异太大。建造在山区沟谷的桥梁，河沟处的地质与山坡处变化较大，河沟中甚至存在软弱地基，地基土由于不同压缩性引起不均匀沉降。③结构荷载差异太大。在地质情况比较一致条件下，各部分基础荷载差异太大时，有可能引起不均匀沉降。④结构基础类型差别大。同一联桥梁中，混合使用不同基础如扩大基础和桩基础，或同时采用桩基础但桩径或桩长差别大时，或同时采用扩大基础但基底标高差异大时，也可能引起地基不均匀沉降。⑤地基冻胀。在低于零度的条件下含水率较高的地基土因冰冻膨胀；一旦温度回升，冻土融化，地基下沉。因此地基的冰冻或融化均可造成不均匀沉降。⑥桥梁基础置于滑坡体、溶洞或活动断层等不良地质时，可能造成不均匀沉降。⑦桥梁地基土承载力较弱。大多数天然地基和人工地基浸水后，尤其是素填土、黄土、膨胀土等特殊地基土，土体强度遇水下降，压缩变形加大。
4.2沉陷裂缝的防治措施
为了防治地基不均匀沉降引起裂缝出现，首先在拟定地基加固和处理方案时，应将地基处理与上部结构处理统筹考虑，使其能协同工作，这样既降低了成本又更容易取得效果；其次应对松软土、回填土地基在上部结构施工前进行必要的夯实和加固；再者应防止混凝土浇筑过程中地基被水浸泡，使得地基附近土层进水软化；最后可以设置合理的沉降缝，采用合适的基础型式来加强结构整体刚度。
5.施工不当引起的裂缝的原因及防治 5.1施工不当引起的裂缝的原因
施工不当引起的裂缝：①施工中对混凝土的过分振捣而产生的裂缝。由于在混凝土浇筑振捣后，粗骨料沉落会挤出水分、空气，混凝土表面呈现泌水而形成竖向体积缩小沉落，形成表面砂浆层，它比下层混凝土有较大的干缩性能，待水分蒸发后，易形成凝缩裂缝。②由于模板、垫层过于干燥而产生的裂缝。在浇筑混凝土期间，对模板、垫层洒水不够，过于干燥，则模板吸水量大，引起混凝土的塑性收缩，产生裂缝。③混凝土浇筑过快，混凝土流动性较低，在硬化前因混凝土沉实不足，硬化后沉实过大，容易在浇筑数小时后发生裂缝，既塑性收缩裂缝。④施工时模板刚度不足，在浇筑混凝土时，由于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。⑤养护工程不到位产生的混凝土裂缝。有的施工单位为降低成本，配备模板套数不足，由此造成过早拆模，以及过早进行下道工序的问题，最终导致混凝土强度不足，为后期裂缝的产生带来了隐患。养护过程中重物冲撞，容易使板面出现不规则裂缝，亦应加以注意。⑥装配式结构，在构件运输、堆放时，支承垫木不在一条垂直线上，或悬臂过长，或运输过程中剧烈颠撞；吊装时吊点位置不当，侧向无可靠的加固措施等，均可能产生裂缝。
5.2施工不当引起的裂缝的防治方法
施工质量控制的重点应放在：①混凝土的振捣应遵循快插慢拔的原则，提倡采用二次振捣以排除泌水、混凝土内部的水分和气泡。振捣的间距及时间应遵循相应标准的规定。②浇筑混凝土之前，将基层和模板浇水均匀湿透，及时覆盖塑料薄膜等材料，保持混凝土终凝前表面湿润。③模板工程、养护工程应根据专业单位提供不同龄期混凝土自然养护试件强度，严格按照规范要求指导拆模、养护，且注意施工的先后顺序。④应加强施工技术人员的学习，掌握基本的施工知识和要求，严格按操作规程施工 ，牢固树立质量至上、安全第一的责任意识。
6.结论
根据以上所述，引起钢筋混凝土裂缝的原因是多种多样的，主要有荷载引起裂缝、温度裂缝、材料及配合比引起裂缝、沉陷裂缝以及施工不当引起裂缝。对于荷载引起应加强在设计阶段对结构验算复核，确保结构各项系数取值达到规范要求，确保结构受力满足要求；对于温度引起的裂缝，主要采取降低水化热、合理减少水泥用量、加强施工中养护、增设隔热层或伸缩缝等措施；对于材料及配合比引起裂缝，主要通过严格控制原材料进场质量、含泥量和调整使用最佳配合比等措施；对于沉陷引起裂缝，主要通过加固地基使地基承载力满足要求、或采取措施防止地基浸水软化、以及合理设置沉降缝等措施和合理设置基础形式加强结构整体刚度等措施；对于施工不当引起裂缝，主要通过严格控制施工质量、采用合理振捣方式、合理的养护拆模顺序以及加强施工人员质量意识、提高施工作业队伍专业素质等措施。最后引进先进的设计、施工及检测方法，加强裂缝形成原因及防治方法的研究，多方面同时推进，多管齐下才能起到良好的效果，保障桥梁结构的质量安全。
参考文献
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作者简介：
刘旭东 ，男，（1985-），学士； 工作单位：桐庐县交通勘察设计有限公司 电话：15555201177; 邮箱：102178896@qq.com
