裂缝产生原因的分析及其可以采取的措施

屠丹

对一个混凝土结构物的安全性，人们往往很注意其结构的受力状况，并配以足够的钢筋，使之能够保持良好的使用状态。但常常是事与愿违地或多或少地出现一些裂缝，这是一个带有普遍性的技术问题。您只要仔细观察就不难发现：几乎没有一个混凝土结构物是没有裂缝的，如果我们借助仪器，还可以进一步发现，裂缝时刻都在变化着、活动着，甚至还伴随有声响。在长期的施工实践中，人们不断地总结，对裂缝的认识不断地深化，措施也不断地完善。但是，由于建筑物的破坏往往始于裂缝，长期以来人们对裂缝的产生有一种不情愿看到的现象，甚至有的人一听到裂缝就产生出恐惧心理，这是一种消极的态度，是不可取的。正确的办法是主动地做好工作，严格操作规程，认真总结正反两个方面的经验和教训，使自己的工作和工程质量不断地提高。因此，就黄埔大道隧道工程具体裂缝的产生原因作出如下分析，作为在今后施工时可以采取的一些措施。

一、 关于混凝土的收缩和徐变

由于水分蒸发可以引起混凝土构件的体积收缩，增加水分又可以产生膨胀，这种体积变化就称作“干缩湿胀”。混凝土的干缩会引起构件表面产生不规则的龟裂裂缝。

另外，构件的尺寸对干缩有颇大的影响。一般是采用水力半径倒数作为反映截面在大气中的暴露程度来表示。所谓水力半径在水力学中的概念是河流横截面积与润周之比（润周是水与土基接触的周边长度）。相对于混凝土构件的水力半径倒数，即构件受包围截面的周长L（与大气接触的边长）与该周边所包围的截面面积F之比。例如：一个截面尺寸为（20×20）cm的棱柱体，其水力半径的倒数为

1/r = L/F = （20+20+20+20）/（20×20） = 0.2（cm）-1，

如为相同截面积之薄板，假设其板厚是2cm，宽为200cm，则水力半径的倒数为

1/r = L/F = （2+200+2+200）/（2×200） = 1.01（cm）-1。

从上述计算结果可知：截面积相同时，薄板的水力半径倒数是棱柱体的水力半径倒数的5倍多，也就是说薄板的干缩能力远大于柱体，这正如本工程中的大体积砼底板较易受干缩作用而产生较大拉应力甚至出现裂缝的缘故。

为防止和减少由于混凝土的收缩而产生的裂缝，本工程宜采取设置“后浇带”的措施，这只是在施工期间保留的临时性温度收缩变形缝，被称为“后浇带”，它与温度收缩应力有关。“后浇带”根据具体的施工情况，保留一定时间以便混凝土收缩完成一部分后，再用微膨胀混凝土填充封闭。所以，这是一种特殊的施工缝，目的是为取消结构中的永久伸缩缝而设置的。为此，它既是设计中的临时性伸缩缝，又是一个临时性的施工缝。也就是说它既是设计手段，又是施工措施。

设置“后浇带”的间距应是最小伸缩缝的间距，一般定为20～30m，本工程砼底板面積较大，故采用30 m为宜。“后浇带”的保留时间在正常情况下不能少于40天，最宜是60天。在此期间，“早期温差”以及至少有30%的收缩都已完成。但这个保留时间多长才合理，这就要考虑施工和各种因素，综合研究比较最后决定。其填充的混凝土均要求比原标号高5～10MPa并掺有微膨胀剂。本工程的“后浇带”应以快硬微膨胀混凝土填充，膨胀率为万分之三。从以往的使用情况来看，“后浇带”是一项比较成功和有效的措施，效果显著，裂缝明显地减少。“后浇带”的优点较多又实用，但因其施工周期长，填缝的工艺要求较高且经济上有些损耗，所以对此需综合考虑，制定出最优方案为宜。

二、混凝土的温度应力

混凝土构件随着温度的变化而发生体积的膨胀或缩小，而箱体内外温差较大时就会出现不均匀变形，这些情况都会产生温度应力。当收缩变形受到约束而产生的温度应力超过混凝土的容许拉应力时，就会形成裂缝。由于混凝土导热性能不太好，故温度是引起混凝土温度应力及其变形乃至构件出现裂缝的主要原因之一。

影响混凝土构件温度的因素主要有：水泥用量及其在水化过程中要发出一定的热量即水化热；外界气温升降，尤其是气温骤升骤降；太阳光的照射；风吹雨淋等。这些都会引起混凝土构件不均匀的温度变化，尤其是构件内外温差较大时而产生的变形变位。

混凝土构件内部的中心最高温度一般是由浇筑温度、水泥水化热引起的绝热温升和混凝土浇筑后的散热3部分组成。混凝土构件内部的中心最高温度可用下式计算：

Tmax = Tj + T（τ）ξ， （1）

式中：Tj——混凝土的浇筑温度（℃）；

T（τ）——在龄期为τ时混凝土的绝热温升；

ξ——不同浇筑块厚度的温降系数。

而浇筑温度的计算式

Tj = Tc + （Tq一Tc） （A1 + A2 + A3 + … + An）， （2）

式中：，Tc——混凝土的拌和温度（℃）；

Tq——混凝土运输和浇筑时的室外气温（℃）；

A1，A2，A3，…，An 为温度损失系数，其值如下：

·混凝土装、卸和转运，每次A = 0.032。

·混凝土运输时A =θτ，τ为运输时间（以min计），θ值可另见有关计算表格。

·浇筑过程中A = 0.003τ，τ为浇捣时间（以min计）。

另外，混凝土在浇筑初期，升温速度快，混凝土内部温升的高峰值一般在3～5d内产生，3天之内可达到或接近最大温升。而混凝土的龄期为τ时的绝热温升T（τ）可按下式计算：

T（τ） = WQ/cρ （1一e-mτ） （3）

式中：w——每m3混凝土中水泥用量（kg/m3）；

Q——每kg水泥水化热量（kJ/kg）；

c——混凝土的比热容，在计算时可取0.97（kJ/（kg·K））；

ρ混凝土的容重，取2 400kg/m3。

影响混凝土表面温度的因素很多，除了混凝土本身的一些性质、结构形状以外，还有养护方法、气温波动、太阳辐射等许多因素。另外，混凝土与模板、覆盖层等之间的热传导也影响着混凝土表面温度。由于混凝土内外温差而产生温度应力，这种应力一旦大于混凝土的容许抗拉强度则会出现裂缝。所以，问题的关键是如何减小内外温差，把它降到最低，使之温度应力最小。从上式可知，主要措施是要减少水化热和混凝土的浇筑温度：

①减少水化热。在本工程中水泥水化热较高，应尽可能地减少水泥用量，同时选用水化热较小的水泥，其次在混凝土配比中掺人适量的优质粉煤灰，这样既可改善混凝土品质又能有效地减小水化热。另外，在满足设计值的前提下，可以适当降低些混凝土标号，减少水泥用量，使起到减小水化热的作用。事实上，在广州市内环路的一些工程中，由于结构形式相近，施工方法也大致差不多，由于在混凝土中掺了粉煤灰，有效地降低了水化热，其混凝土结构出现裂缝的几率都大大降低。

②降低混凝土的浇筑温度。首先，可将砂石料等原材料冷却，这要求原材料在砼搅拌站时必须做好相应的降温措施，另外考虑砼掺入冰块，此项措施要求精确掌握好冰块融化前后的体积变化造成的配合比误差，同时掺入冰块的时间何融化时间也要精确计算到。此外，施工最好安排在夜间气温最低的时候，同时还可以分层浇筑混凝土，使其散热速度加快。另外，可加快浇筑速度使混凝土人模时的温度尽可能地低。在本工程中将全部采用商品混凝土，且攪拌站几乎都设在郊区，再加上广州市区交通流量相当大，因此混凝土的运输颇费时间，这对混凝土的浇筑温度影响比较大。根据上述式（2）可知：如混凝土运输车的运输时间为60min时，根据查阅有关资料可知它的温度增加系数A = 0.25，相应增加混凝土的温度为3.75℃，这样就增加了混凝土入模时的浇筑温度。所以，混凝土运输的时间不宜太长。其次，根据实际情况可在混凝土中掺入缓凝剂，尤其是夏季高温时更要适当掺入缓凝剂，以减缓水泥的硬化速度，延长混凝土的凝结时间。再就是要加强混凝土的养生工作，特别是夏天高温水分极易蒸发，大风干燥之时表面降温很快，容易产生裂缝。

总之，可采用的有效措施和方法可以是多种多样的，但一定要因地因时制宜，既要有效又要经济。目的就是要降低混凝土内部温度，缩小内外温差，使温度应力尽可能地小，从而避免裂缝的出现，即使有也要控制在容许范围之内。

三、 合理地布置钢筋

钢筋与混凝土共同作用的基础是这两者之间的粘结力。因为钢筋的弹性模量大约是混凝土弹性模的7～15倍，所以当混凝土构件开裂时，钢筋所承受的应力却很小，大约不超过10～20MPa左右。因此，要想利用钢筋来防止混凝土的裂缝出现，就很难达到目的。但是，合理地布置钢筋，能够减轻混凝土的收缩程度，并限制裂缝开展宽度。有研究资料表明：合理地配筋可以提高混凝土的极限拉伸值，而且当钢筋的直径较细、间距较密时，对提高混凝土的抗裂效果较好。一般来说，分布钢筋的直径采用声6～8mm而其间距布置在100mm以下时，混凝土的裂缝宽度基本上可限制在0.05mm以下。在本工程中设计使用的钢筋一般都较粗大且间距亦大于100mm，所以混凝土构件的抗裂性能可能会受到一定影响，建议设计对分布筋的直径及其间距适当作些调整。

在工程中混凝土结构产生裂缝的原因是多方面的，一般来说有原材料的，也有施工方案和工艺不当的。如设计欠妥，周围环境的影响，荷载大幅度增加，甚至不可抗拒的外因等等。因此，很难对裂缝的产生原因只用一种因素来解释，要对不同具体情况分别进行具体分析，采取各种经济实用的有效措施防止裂缝的发生，至少使裂缝的宽度严格控制在规范容许的范围内，确保工程质量达到标准。