一、前言

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)出現(xiàn)裂縫是不可避免的，在保證結(jié)構(gòu)安全和耐用性的前提下，裂縫是人們可以接受的材料特征。近十多年來，隨著鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的成長和復雜化，商品混凝土的大量普及和混凝土強度等級的提高，結(jié)構(gòu)裂縫的概率大幅增加，有些危及結(jié)構(gòu)的安全性和耐久性，有些地下工程裂縫影響了其使用功能。建設(shè)部對此十分重視，多次舉辦學術(shù)研討會，工程界各方專家提出多項技術(shù)措施，認為控制裂縫是一項系統(tǒng)工程。針對地下工程開裂比較普遍的現(xiàn)象，我國研發(fā)出了很多新型防水材料，建設(shè)部建議今后主要研發(fā)應(yīng)用環(huán)保型中、高檔防水材料，剛?cè)峤Y(jié)合，全面提高我國防水工程的質(zhì)量和耐用性。

本人根據(jù)長期性學研究和大量工程實踐，提出鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)裂縫控制和防水新技術(shù)，供工程界參考，請指出不妥之處。

二、結(jié)構(gòu)開裂產(chǎn)生原因

結(jié)構(gòu)開裂產(chǎn)生原因復雜，國內(nèi)外調(diào)查資料顯示，開裂有兩種原因，一種是由外載(靜、動載)直接應(yīng)力和結(jié)構(gòu)次應(yīng)力引起的開裂，其概率約為20%，一種是由溫度、膨脹、收縮、徐變和不均勻沉降等因素引起的開裂，其概率約為80%。開裂與材料、設(shè)計、施工和維護有關(guān)，現(xiàn)分析如下。

(1)材料缺陷

變形裂縫中收縮裂縫占80%的比例，混凝土性質(zhì)為

1.干燥收縮

研究表明，水泥加水后成為水泥硬化體，絕對體積減少。每100克水泥水化后的化學減縮值為7~9ml，混凝土水泥用量為350kg/m3時，孔縫體積約為25~30L/m3的巨大。這是混凝土抗拉強度低和極限拉伸變形小的根本原因。研究表明，每100克水泥漿體蒸發(fā)約6毫升水，混凝土水泥使用量為350kg/m3，混凝土在干燥條件下，蒸發(fā)水量為21L/m3。毛細孔縫中的水逸出產(chǎn)生毛細壓力，混凝土產(chǎn)生毛細收縮。由此，水泥砂漿的干收縮值為0.1~0.2%的混凝土的干收縮值為0.04~0.06%�；炷�土的極限拉伸值為0.01~0.02%，容易引起干收縮裂縫。

2.溫差收縮

水泥水化是個放熱過程，其水化熱為165～250焦爾/克，隨砼水泥用量提高，其絕熱溫升可達50～80℃。研究表明，混凝土內(nèi)外溫差為10℃時，產(chǎn)生的冷縮值為c=△T/α=10/110-5=0.01%，溫差為20~30℃時，其冷縮值為0.02~0.03%，超過混凝土極限拉伸值時，結(jié)構(gòu)破裂。

3.塑性收縮

混凝土初凝前泌水和水分急劇蒸發(fā)，引起失水收縮，骨料和水泥之間也發(fā)生不均勻的沉縮變形，發(fā)生在混凝土結(jié)束前的塑性階段，因此被稱為塑性收縮。其收縮量可達1%左右。混凝土表面，特別是涂抹不及時和養(yǎng)護不良部位出現(xiàn)龜裂，寬度達到1~2mm，是表面裂縫�；覊m比過大，水泥使用量大，加劑保水性差，粗骨料少，振動不良，環(huán)境溫度高，表面失水大，混凝土塑性收縮，表面破裂。

4.自收縮

密封的混凝土內(nèi)部的相對濕度隨水泥水化的進展而下降，稱為自干。由于干燥毛細孔的水分不飽和而產(chǎn)生負壓，混凝土的自生收縮。由于高灰比的普通混凝土(OPC)在毛細孔的間隙中儲存了大量的水分，自干燥引起的收縮壓力小，因此自生收縮值低而不引起注意。但是，低灰比的高性能混凝土(HPC)不同，初期強度高的發(fā)展率使自由水消耗快，孔系統(tǒng)的相對濕度低于80%。HPC結(jié)構(gòu)致密，外部水泥難以滲透補充，在這種情況下開始自我收縮。研究表明，年齡2個月的膠水比為0.4的HPC，自干收縮率為0.01%，膠水比為0.3的HPC，自干收縮率為0.02%。HPC的總收縮幾乎相等，膠水比越小，自收縮的比例越大。由此可見，HPC的收縮性與OPC完全不同，OPC以干縮為主，而HPC以自干縮為主。問題的關(guān)鍵是HPC自收縮過程開始于水化速度處于高潮階段的前幾天，濕度階段首先引起表面裂縫，然后引起內(nèi)部微裂縫，混凝土變形受到約束，進一步引起收縮裂縫。這是高標準混凝土容易破裂的主要原因之一。

5.減水劑的影響

80年代中期推進商品(泵送)混凝土以來，為什么結(jié)構(gòu)裂縫普遍增加？除了與混凝土的水泥用量和砂率提高有關(guān)外，減水劑引起的負面影響也被忽視了。例如，過去干硬性和預(yù)制混凝土的收縮變形約為4~6×10-4，但現(xiàn)在泵送混凝土的收縮變形約為6~8×10-4，混凝土的裂縫控制技術(shù)難度大幅度提高。研究表明，混凝土配合比相同時，混合減水劑的崩潰度可以增加100~150mm，但與基準混凝土的收縮值相比，增加了120~130%(見圖1)。因此，《混凝土減水劑》規(guī)范GB138076-97規(guī)定混合減水劑的混凝土和基準混凝土的收縮比≤135%。研究表明，混合不同類型的減水劑混凝土的收縮比不同，一般為木鈣減水劑>；凝固磺酸鹽減水劑>；三聚氰胺減水劑>；氨基磺酸減水劑>；聚丙烯酸減水劑。這表明商品混凝土澆筑的結(jié)構(gòu)破裂概率與減水劑帶來負面影響有關(guān)。其機理尚不清楚。

以上從水泥混凝土物理化學特性分析各種收縮現(xiàn)象，早期塑性收縮會導致結(jié)構(gòu)表面裂縫，混凝土進入硬化階段后，混凝土水化熱會導致結(jié)構(gòu)溫差收縮和干燥收縮(包括自干收縮)，這是引起裂縫的主要原因。近十年大量使用商品砼開裂增加，除與單方砼水泥和摻合料用量增加外，減水劑增加砼收縮值變形的負面影響也是一個重要因素。

6.混凝土后期膨脹出現(xiàn)裂縫，主要由

(1)水泥中游離CaO過高，Ca(OH)2體積膨脹引起的

(2)水泥中MgO過高，Mg(OH)2體積膨脹引起的

(3)水泥和添加劑堿含量過高，與材料中的活性硅等產(chǎn)生堿-材料反應(yīng)的

(4)有害離子Cl-、SO4=Mg+等侵入混凝土內(nèi)部，導致鋼筋生銹或二次鈣膨脹破壞。

7.結(jié)構(gòu)物在任意內(nèi)應(yīng)力作用下，除瞬時彈性變形外，其變形值隨時間的延長而增加的現(xiàn)象稱為徐變形�；炷�土逐漸變化有利于抗裂，一般可以提高鋼筋混凝土的極限拉伸值50%左右。混凝土壓力逐漸變小，一般考慮收縮變形和逐漸變形的計算。混凝土收縮經(jīng)驗公式多，但實際工程條件多變。一般采用以下任意時間混凝土收縮計算公式。

(t)=3.2410-4(1-e-0.01t)M1.M2……Mn

式中M1.M2……Mn-為水泥品種、骨料、灰塵比、溫度、養(yǎng)護和不同筋率等修正系數(shù)。

其中不同筋率的修正系數(shù)見表1.即限制收縮與自由收縮的比例，隨著筋率的提高而減少。

表1

肌肉配置率(%)0.000.150.20.250.250.300.300.400.40

修正系數(shù)M1.000.680.510.550次0.430.43次0.40

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)由混凝土和鋼筋共同承擔極限狀態(tài)的承載力，結(jié)構(gòu)設(shè)計師根據(jù)地基狀況，靜態(tài)、動載、環(huán)境因素、結(jié)構(gòu)耐久性等控制負載裂紋。這里不討論。從國內(nèi)外相關(guān)規(guī)范可以看出，結(jié)構(gòu)變形引起的裂縫問題客觀上有兩種學校:

第一種，設(shè)計規(guī)范規(guī)定靈活，沒有明確的裂縫檢查規(guī)定，設(shè)計方法留給設(shè)計者自由處理�；�本上采用破裂就堵塞，堵塞就排列的實際處理方法。

第二類，設(shè)計規(guī)范有明確規(guī)定，負荷裂縫有計算公式，有嚴格的允許寬度限制。變形裂縫沒有計算規(guī)定，只有規(guī)范留下伸縮裂縫，即留下裂縫不裂縫的設(shè)計原則。

大量的工程實踐證明，是否有裂縫，不是決定結(jié)構(gòu)變形裂縫的唯一條件，裂縫不一定不裂縫，裂縫不一定裂縫，裂縫與許多因素有關(guān)。我們認為控制裂縫應(yīng)該防患于未然，首先盡量預(yù)防有害裂縫，重點是預(yù)防。我國結(jié)構(gòu)工程發(fā)展成長、復雜，混凝土設(shè)計強度等級發(fā)展成C40~C60，設(shè)計師重視結(jié)構(gòu)安全，但對變形裂縫的控制不周到也是結(jié)構(gòu)裂縫增加的原因之一。

(3)施工管理問題

混凝土配合比設(shè)計科學合理，水泥與添加劑是否適應(yīng)，砂級配合及其含泥量是否符合規(guī)范要求，混凝土坍塌度控制是否合理，影響混凝土質(zhì)量及其收縮變形。

砼澆筑震搗不均勻密實，施工縫和細部處理馬虎，會帶來結(jié)構(gòu)開裂的后患；過震則使浮漿過厚，抹壓又不及時，則砼表面出現(xiàn)塑性裂縫，十分難看。

邊墻拆摸板過早（1～3d），砼水化熱正處于高峰，內(nèi)外溫差最大；砼易“感冒”開裂。

混凝土養(yǎng)護很重要，但很多施工部門忽視了這一環(huán)節(jié)，特別是墻壁和柱梁的保溫保濕養(yǎng)護不足，容易產(chǎn)生收縮裂縫。有些露天結(jié)構(gòu)盡管當?shù)貪穸却�，但由于吹風的影響，混凝土水分蒸發(fā)速度加快，也就是說干燥收縮速度增加，容易引起初期表面裂縫，風速對水分蒸發(fā)速度的影響表2.這可能是夏天比秋天和冬天南方比北方結(jié)構(gòu)裂縫多的原因。

從建設(shè)工程調(diào)查中發(fā)現(xiàn)，底板養(yǎng)護良好，裂縫概率低，底板外墻裂縫概率約占80%，與保溫保濕養(yǎng)護不足有很大關(guān)系。

除了上述技術(shù)因素外，施工管理不嚴格、趕進度、偷工減料、工人素質(zhì)差、施工疏忽等也是結(jié)構(gòu)裂縫的人為因素。

(4)對維護缺乏認識

我們發(fā)現(xiàn)很多結(jié)構(gòu)在澆筑后3~6個月甚至1~2年內(nèi)出現(xiàn)裂縫。除荷載問題外，主要是環(huán)境溫度和風速引起的收縮變形所致。有些地下室不能馬上復蓋土壤的上部結(jié)構(gòu)不能立即關(guān)閉的出入口長期開放，屋頂防水層破損不能立即修補等。這些與施工和業(yè)主對結(jié)構(gòu)維護缺乏認識有關(guān)。鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)與其他物體一樣具有熱膨脹收縮的特征，特別是長結(jié)構(gòu)更加明顯，因此應(yīng)重視澆筑結(jié)構(gòu)的保溫保濕維護。

三、有害裂縫和無害裂縫

裂縫根據(jù)其形狀分為表面、貫通、縱向、橫向等。裂縫形狀與結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)有直接關(guān)系。裂縫分為愈合、閉合、運動、穩(wěn)定的及不穩(wěn)定的等。例如，寬度為0.1~0.2mm的裂縫，開始漏水，水通過裂縫與水泥結(jié)合，形成氫氧化鈣和C-S-H凝膠，一段時間后裂縫不會自行愈合。有些裂縫在壓力作用下關(guān)閉。有些裂縫在周期性溫差和周期性重復荷載作用下產(chǎn)生周期性的擴展和閉合，稱為裂縫運動，但這是一種穩(wěn)定的運動。一些裂縫產(chǎn)生不穩(wěn)定的擴展，視其擴展部位而定，應(yīng)考慮加固措施。

根據(jù)國內(nèi)外設(shè)計規(guī)范和相關(guān)試驗資料，混凝土最大裂縫寬度的控制標準大致如下:

無侵蝕介質(zhì)無滲透要求，0.3~0.4mm.

輕微侵蝕，無滲透要求，0.2~0.3mm.

嚴重侵蝕，有滲透要求，0.1~0.2mm.

判斷裂縫是有害的還是無害的，首先是有害的結(jié)構(gòu)安全性和耐久性例如，地下和水工程，0.1~0.2mm以下的裂縫被視為無害的裂縫，簡單的表面封閉即可，柔性的防水層更加保險。大樓裂縫為0.3~0.4mm，結(jié)構(gòu)安全，視為無害裂縫，不予處理。對于受力的梁、柱，關(guān)系到結(jié)構(gòu)安全，裂縫應(yīng)妥善處理。

變形裂紋一般不影響承載力，但防水問題值得研究，工程調(diào)查顯示，裂紋引起的各種不利后果中漏水占60%。水分子的直徑約為0.310-6mm，可以通過任何肉眼可見的裂縫，理論上防水結(jié)構(gòu)物不允許裂縫，但實際情況并非如此，工程實踐表明裂縫寬度為0.2mm，開始漏水量為5L/h，一年后只有10mL/h當然，必須及時處理浸水裂縫，這不是問題。

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