馮英杰 王曉琴

(西北民族大學土木工程學院，甘肅蘭州 730124)

0 引言

混凝土作為明顯的脆性材料，其非彈性響應十分復雜，主要原因就在于這種非勻質性材料組織先天性缺陷，其內部存在孔洞、微裂縫、分層等細觀構造。當受到溫度變化、干濕變化、荷載作用、結構損傷等因素影響時，易產生明顯的表面裂縫，表面裂縫使混凝土結構外觀損傷，加劇混凝土碳化、鋼筋銹蝕，降低結構的剛度和強度，進而影響混凝土結構的安全性、使用性和耐久性。

許多研究證明，混凝土的表面開裂大多是內部微裂縫逐漸擴展的結果，破壞已是裂縫發(fā)展的最后階段。通過研究混凝土結構的幾何損傷特征、裂縫擴展趨勢，了解裂縫對耐久性的影響，判斷裂縫的性質，進而建立相應的防裂和提高耐久性的措施，在工程實際中具有重要意義。

對混凝土結構中廣泛存在的裂縫如何進行簡單、快速、準確的識別，已經成為工程技術人員探索的技術方向。目前，辨別混凝土結構裂縫常用的方法有:1)直接和間接觀察:通過裂縫出現(xiàn)的位置、時間、特征判斷裂縫的性質及產生的原因，采用各種技術儀器，如X射線、超聲波等對局部結構進行檢測;2)無損和有損測試:從結構中鉆芯取樣進行觀察測試，也可以從設計圖紙、施工和維護記錄中獲得信息，發(fā)現(xiàn)是否存在設計計算的錯誤和施工維護的不當等。

許多新理論、新方法引入的核心思想是其必須與結構損傷的特征因子相結合，通過對結構損傷因子的提取進而判斷結構的損傷程度，過程復雜。而混凝土結構的損傷最直觀信息即是表觀損傷，即表觀裂縫的出現(xiàn)、發(fā)展和變化，裂縫作為混凝土結構損傷的一個重要特征表象，已經成為研究混凝土結構健康狀況的重要對象之一，它也已經成為混凝土結構損傷的重要判斷依據。因此對混凝土結構的表面裂縫進行識別、分析混凝土裂縫的成因，以便采取有效的預防措施是非常必要的。

1 常見裂縫產生的原因及外觀形態(tài)

1．1 非作用效應引起的裂縫

1．1．1 塑性收縮裂縫

塑性收縮裂縫是在混凝土初凝后由于早期失水過快，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較低無法抵抗其本身收縮產生的拉應力，在收縮應力作用下導致開裂。干縮裂縫形狀常見的有兩種:一種是表面多呈不規(guī)則的網狀，這種裂縫發(fā)生在混凝土終凝前，如發(fā)現(xiàn)較早，及時抹實養(yǎng)護，可以消失;另一種是中間寬，兩側細且長短不一，互不連貫，有時出現(xiàn)在兩根鋼筋之間，并與鋼筋平行。如僅由于干縮造成的裂縫，其長度與寬度均較小，一般長20 cm～30 cm。當干縮與溫差等原因疊加而形成裂縫時，其長度與寬度有時較大，較長的裂縫可達2 m～3 m，寬1 mm～5 mm這種類型裂縫多發(fā)生在氣溫較高，大風干燥的環(huán)境中。如:1978年夏季，云南某機場托機道混凝土施工過程中出現(xiàn)的處于混凝土初凝到終凝期間的大量不規(guī)則裂縫。

1．1．2 水泥水化熱引起的溫度裂縫

水泥是混凝土的重要組分，水泥遇水發(fā)生水化反應，放出熱量，使混凝土內部溫度迅速升高，發(fā)生膨脹變形，當變形受到約束時，則產生溫度應力，當應力超過混凝土抗拉強度時即產生溫度裂縫。尤其在大體積混凝土施工中，由于混凝土體積較大，內部產生的水化熱不易散發(fā)，以至于內部溫度驟升，內外形成較大溫差。如果混凝土施工過程中環(huán)境溫差變化大，或者是混凝土受到寒潮襲擊，則導致混凝土表面溫度迅速下降，裂縫極易產生?；炷翜囟攘芽p的走向通常無一定規(guī)律，大面積結構(如橋面鋪裝)裂縫?？v橫交錯;裂縫通常只在混凝土表面較淺的范圍內產生。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(xiàn)，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。由于水泥的水化熱大部分在水化早期(7 d)內放出，因此由水化熱引起的裂縫大多出現(xiàn)在混凝土澆筑完成后兩周內。

1．1．3 鋼筋銹蝕引起的裂縫

混凝土的結構環(huán)境類別分為五類，不同的環(huán)境引起鋼筋銹蝕的機理不同，見表1。

表1 混凝土結構環(huán)境類別與鋼筋銹蝕機理

顯然構件所處環(huán)境條件越差，越容易引起鋼筋銹蝕。而導致鋼筋銹蝕的根本原因還是由于混凝土保護層被碳化或破壞。當保護層厚度不夠或密實性較差時，混凝土保護層受二氧化碳侵蝕碳化至鋼筋表面，使鋼筋周圍混凝土堿度降低，或者由于保護層被破壞氯化物侵入，破壞鋼筋表面的鈍化膜。鋼筋中鐵離子與侵入混凝土中的氧氣和水發(fā)生反應，生成的氫氧化鐵體積比原來增大約2倍～4倍，當此變形受到周圍混凝土約束時則產生膨脹應力，在膨脹應力大于混凝土抗拉強度時混凝土保護層開裂。裂縫通常沿鋼筋縱向產生，嚴重時有銹跡滲到混凝土表面，此種先銹后裂的縱向裂縫，一旦發(fā)生，便嚴重惡化，導致保護層混凝土成片脫落甚至鋼筋銹斷，如圖1所示。

1．2 作用效應引起的裂縫

1．2．1 不均勻沉陷裂縫

不均勻沉陷裂縫一般在建筑物下部出現(xiàn)較多，由于基礎產生豎向不均勻沉降或水平方向位移，使結構中產生附加應力，當其超過混凝土結構的抗拉強度時，結構開裂。通常裂縫寬度較大，多為橫向或斜45°貫通性裂縫(見圖2)。裂縫位置多在沉降曲率較大的位置出現(xiàn)。裂縫的形狀一般都是一端寬，一端細。裂縫尺寸大小變化較多，在地基接近剪切破壞或出現(xiàn)較大沉降差時，裂縫尺寸可能較大。大多數出現(xiàn)在房屋建成后不久，也有少數工程在施工中明顯開裂，嚴重的甚至無法繼續(xù)施工。隨著時間及地基變形的發(fā)展，裂縫也會發(fā)生變化，如裂縫尺寸加大，數量增多，當地基穩(wěn)定后，裂縫不再擴展。

圖1 鋼筋混凝土縱梁底部嚴重銹裂

圖2 基礎沉降引起的裂縫

1．2．2 荷載作用引起的裂縫

結構受到外荷載作用引起裂縫。這種裂縫一般是與受力鋼筋以一定角度相交的橫向、斜向裂縫。

受彎構件常見的有垂直裂縫和斜裂縫兩類。在梁、板構件彎矩最大的截面或斷面突然削弱處(如主筋切斷處附近)(見圖3)，從受拉區(qū)邊緣開始出現(xiàn)與受拉方向垂直的裂縫，并逐漸向中和軸方向發(fā)展。采用螺紋鋼筋時，裂縫間可見較短的次裂縫。當結構配筋較少時，裂縫少而寬;斜裂縫通常發(fā)生在剪力最大的部位，如梁支座附近，多數是剪力與彎矩共同作用而造成。裂縫由下部開始，一般沿45°方向向跨中上方伸展(見圖4)。

圖3 彎矩作用引起梁體垂直裂縫

圖4 剪壓作用引起梁體斜裂縫

軸心受壓構件一般不出現(xiàn)裂縫，若出現(xiàn)則裂縫表現(xiàn)為平行于受力方向的短而密的平行裂縫，表示受壓區(qū)混凝土壓裂，預示結構開始破壞。小偏心受壓構件和受拉區(qū)配筋較多的大偏心受壓構件的裂縫和破壞情況，與軸心受壓構件相似。大偏心受壓且受拉區(qū)配筋不多的構件，類似于受彎構件。

軸心受拉構件在荷載不大時，混凝土將產生裂縫，其特征是沿正截面開始，和鋼筋拉力作用線相垂直，各縫間距近似相等。沖切構件裂縫，例如柱下基礎底板，從柱的周邊開始沿45°斜面拉裂，形成沖切面。

扭彎構件裂縫，鋼筋混凝土構件受扭彎時，構件內產生近于裂縫方向常與短邊平行;當板有橫肋時，裂縫多與橫肋相垂直，常見的裂縫寬度是0．15 mm～0．5 mm。

1．2．3 溫度作用引起的裂縫

結構使用期間，受到高溫熱源的影響，較大的溫差造成混凝土結構內外不均勻的熱脹冷縮變形，從而使混凝土表面產生一定的拉應力。當拉應力超過混凝土的抗拉強度時，混凝土表面就會開裂。例如某廠鼓風爐車間，梁上出現(xiàn)了很多橫向裂縫，其寬度為0．1 mm～0．8 mm，經檢測發(fā)現(xiàn)在鼓風爐周圍和冷凝器下的混凝土梁表面溫度已達80℃～97℃;再如鋼筋混凝土煙囪受熱后較易產生裂縫，常見的豎向裂縫與水平裂縫。根據裂縫形成的時間，可將裂縫分為投產使用前和投產使用后兩種情況。前者裂縫較淺，一般裂至內、外表面下2 cm～3 cm到10余厘米，寬度大多在0．2 mm～2 mm左右。長期高溫作用下，鋼筋混凝土煙囪的裂縫，有時豎縫可達數10 m長，水平裂縫一般為1/5～1/2周長，有時貫通全圓周。

2 結語

混凝土結構通常在復雜的環(huán)境下使用，受到內部和外界各種因素的共同作用，幾種類型的裂縫同時存在，其開裂形式也是多種機理共同作用的結果，故在裂縫成因判斷工作中應綜合考慮各方面因素。結合裂縫前期調查工作，利用裂縫特征準確判斷裂縫形成原因。

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