混凝土裂缝的危害与预防措施

（一）混凝土裂缝的成因

人们常说的混凝土结构出现裂缝，是指出现了肉眼可见的裂缝，即宏观裂缝。肉眼可见裂缝范围一般以0.02mm 为界。大于等于0.02mm的裂缝称为宏观裂缝。宽度小于0.02mm 的裂缝称为微观裂缝。实际上，混凝土结构中除了可见的宏观裂缝外，还隐含着大量肉眼看不见的裂缝，包括微观裂缝和部分宏观裂缝。

1.微观裂缝

微观裂缝是肉眼看不见需借助光学显微镜或其他显微镜才能看见的，缝宽小于0.02mm 的裂缝。这些裂缝的一部分是混凝土的原生裂缝，部分是混凝土结构受荷载或因结构变形引发的次生裂缝，见图3-1。浇筑完毕的混凝土在凝结硬化过程中，由于混凝土各组分密度的差异，粗骨料颗粒下沉，水分上升和蒸发而产生体积收缩。这种收缩是混凝土仍处于塑性状态时发生的，因此称为塑性收缩。作为塑性收缩的结果，在均匀下沉受到阻碍的部位，如钢筋或者大的粗骨料附近，就会有裂缝出现。混凝土中水分上升（称为泌水）过程中，若遇到钢筋或粗骨料，便会积聚在其下部形成水囊，混凝土硬化后形成裂隙。即使在不出现明显泌水的混凝土中，贴近粗骨料处也比远离粗骨料处所形成的水灰比高。由于高水灰比，在贴近粗骨料处水泥的水化产物（如氢氧化钙和钙矾石）含有较大的结晶，且板状氢氧化钙往往形成择优取向层。该部位是水泥石与骨料的过渡区，见图3-2。在过渡区内孔隙较多，强度较低。混凝土凝结硬化过程中易在过渡区发生裂缝。混凝土凝结硬化过程中，由于干燥失水，水泥石收缩较大，其收缩受到粗骨料的限制，就会在水泥石中产生微裂缝。混凝土结构的顶面，由于泌水的集中，该处混凝土水灰比较大，若环境干燥，混凝土大量泌水，造成较大的干缩，也会出现微裂缝甚至可见宏观裂缝。此外，混凝土所用粗骨料内部也会含有一定量的微裂缝。随着科学技术的发展，关于混凝土的现代化试验研究设备（如各种实体显微镜、X光照像设备、超声仪器、渗透观测仪等）的不断出现，尚未受荷的混凝土结构中存在着肉眼看不见的微观裂缝得到完全的证实。

图3-1　混凝土中的微观裂缝［7］

图3-2　混凝土过渡区示意图［8］

对于混凝土结构来说，部分微观裂缝是混凝土凝结硬化以后结构承受荷载或因结构变形引发的，如构件受荷挠曲引起的微细裂缝、混凝土碳化引起的微裂缝、干缩引起的微裂缝等。

2.宏观裂缝

宏观裂缝是肉眼看得见的裂缝。它属于混凝土的次生裂缝，也就是在混凝土凝结硬化以后，由于混凝土结构发生变形或承受荷载而引发的裂缝。宏观裂缝一般由微观裂缝发展而成。室内荷载试验表明，当混凝土受压，荷载在30%极限强度以下时，混凝土中的微裂缝几乎不发生变化，到30% ～70%极限强度时，微裂缝开始扩展并增加，到70% ～90%极限强度时，微裂缝显著地扩展并迅速增多，且微裂缝之间相互串连起来。根据王铁梦教授对国内外调查与资料统计，工程实际中结构物的裂缝原因，属于变形变化（温度、收缩、不均匀沉陷等）引起的约占80%，其中包括变形变化与荷载共同作用，但以变形变化为主引起的裂缝。属于荷载引起的约占20% ，其中包括由荷载和变形变化共同作用，但以荷载作用为主所引起的裂缝。

混凝土的宏观裂缝主要是由于混凝土中拉应力超过了抗拉强度，或者说是由于拉伸应变达到或超过了混凝土的极限拉伸值而引起的。混凝土的干缩、降温冷缩及自生体积收缩等收缩变形，受到基础及周围环境的约束时（称此收缩为限制收缩），在混凝土内引起拉应力，并可能引起混凝土的裂缝。例如配筋较多的大尺寸板梁结构，与基础嵌固很牢的建筑物底板，在老混凝土间浇填的新混凝土等。混凝土内部温度升高或因膨胀剂作用，使混凝土产生膨胀变形。当膨胀变形受到约束时（称此变形为限制膨胀），在混凝土内引起压应力，混凝土不会裂缝。当膨胀变形不受外界约束时（称此变形为自由膨胀），也会引起混凝土裂缝。大体积混凝土发生裂缝的原因主要有干缩和温度应力两方面，其中温度应力是最主要的因素。在混凝土浇筑初期，水泥水化放热，使混凝土内部温度升高，产生内表温差，在混凝土表面产生拉应力，导致表面裂缝，当气温骤降时，这种裂缝更易发生。在混凝土硬化后期，混凝土温度逐渐降低而发生收缩，此时混凝土若受到基础或周围环境的约束，会产生深层裂缝。此外，结构物受荷过大或施工方法欠合理以及结构物基础不均匀沉陷等都可能导致混凝土开裂。由于造成混凝土裂缝应力与变形的来源不同，混凝土宏观裂缝产生的原因也各异，可以分为以下几种类型。

（1）基岩及老混凝土约束引起裂缝。在坚硬岩基及老混凝土上浇筑大体积新混凝土，新浇筑混凝土由于内部水化热不易散失而使混凝土温度升高，当混凝土降温产生收缩时受到基础或老混凝土的约束产生拉应力。混凝土温度应力可近似按式（3 - 1）计算

式中：K 为约束系数；Ecl为混凝土的抗拉弹性模量；α为混凝土的温度变形系数；ΔT 为混凝土温升，混凝土最高温度与稳定温度之差；Ce 为混凝土的徐弹比（最终徐变变形与瞬时弹性变形的比值）。

从式（3-1）可见，基础对新浇筑混凝土的约束越大，即K 越大，则产生的温度应力越大；新浇筑混凝土的温升越大，温度应力越大。令σ等于混凝土的极限抗拉强度Rl，并假定混凝土受到基础的强烈约束（取K =1），则从式（3-1）可得它表示安全系数为1.0，100%的约束，温度应力等于混凝土极限抗拉强度时的温升值。

混凝土自生体积变形，干缩变形和偶然的寒潮袭击造成的拉应力与上述温度应力叠加，将使拉应力更加突出，裂缝更加严重。基础对新浇混凝土块的约束仅限于一定高度范围之内，超过一定高度，约束影响较小。约束的大小还与新浇筑混凝土块的长度有关，浇筑块越长，约束引起的拉应力越大。

（2）基础不平整或不均匀沉陷引发裂缝。某些混凝土的裂缝与基础不平整或基础不均匀沉陷有关。将混凝土浇筑在高低相差较大的基岩面上，混凝土从较高的温度降温过程中受到基础的约束产生较大的温度拉应力，由于基岩表面高低相差较大，在突变位置将产生较大的应力集中，加之突变部位左右两部分混凝土变形存在较大的差异，导致混凝土在突变部位开裂形成裂缝。当混凝土浇筑在不均质的基础上时，由于混凝土自身质量的作用，将使基础发生不均匀的沉陷。基础坚实、强度高的部位沉陷少，基础软弱、强度低的部位沉陷大。较大的沉陷差异使混凝土发生裂缝。基础不均匀沉陷引发的裂缝一般发生在基础内有较大的断层破碎带时。

（3）结构引发裂缝。混凝土结构物外形设计欠合理，造成应力集中引发的裂缝，称为结构引发裂缝。水工混凝土结构物不可避免地设有孔洞、牛腿等，这些部位若设计外形不合理，都容易产生巨大的应力集中而导致拉裂。为了避免这一类裂缝，应注意将孔洞的直角形棱角设计成45°斜角或圆角。对于较大的混凝土结构旁边伸出的较小断面的结构，由于两者散热条件相差太大，内表温差差别较大，很容易在联结处产生裂缝。此时若对两者有形成整体结构的要求，则应设计成渐变断面，若无整体结构要求，则可设伸缩缝分缝施工。

（4）干缩裂缝。混凝土的干缩是混凝土中水分散失引起的。当混凝土在空气中硬化时，由于水分蒸发，水泥石凝胶体逐渐干燥收缩，使混凝土产生干缩。混凝土干燥时的体积变化并不等于散失出去的水的体积。因为最初失去的毛细孔中的自由水并不引起收缩，随着混凝土的继续干燥而使吸附水开始逸出，混凝土开始收缩。混凝土干缩变形的大小用干缩率表示。一般采用100mm×100mm×500mm 的试件在温度为20±3 ℃，相对湿度55%～65%的干燥室（或干燥箱）中，干燥到规定龄期，测定干缩前后的试件长度，按式（3-3）计算干缩率

式中：Lb 为试件的测量标距；L0 为试件的初始长度；Lt 为试件干燥到规定龄期t（d）后的长度。

用这种方法测得的干缩率，其值可达3×10- 4～5×10- 4。而实际工程中构件的尺寸要比试件大得多，构件内部混凝土干燥过程缓慢得多，所以构件上混凝土干缩率较上述试验值也小很多。设计上常采用混凝土干缩率为1.5×10- 4。

影响混凝土干缩率的主要因素有：混凝土单位用水量、水灰比、骨料最大粒径及级配、水泥品种及细度，外加剂等。混凝土单位用水量越大，干缩率越大，一般混凝土用水量每增加1%，干缩率可增大2%～3%；混凝土水灰比越大，干缩率越大；混凝土骨料最大粒径越大、级配越良好，其干缩率越小。已有资料显示，将混凝土中的粗骨料最大粒径从6.3mm 增大到152mm，混凝土的干缩率减少为原来的1/3。水泥的品种及细度对混凝土的干缩率有很大的影响，火山灰水泥配制的混凝土干缩率最大。水泥越细，干缩率越大。当掺用促凝剂时，可使干缩率增大，例如掺用氯化钙将使混凝土的干缩率增大50%～100%。由于干缩是混凝土中水泥石凝胶体干燥收缩的结果，因此，混凝土中水泥石含量比例越高，其干缩率越大。同样，水泥浆的干缩率最大，砂浆次之，混凝土的干缩率最小。

在干燥环境中，混凝土的干缩持续进行着。有资料报导，甚至38年之后仍能观测到一些变化，但是长期收缩中的一小部分可能是由于碳化作用的结果，不过收缩的速率却随时间而急剧减小。如14d内的收缩为20年收缩的14%～34%，3 个月内的收缩为20年收缩的40% ～80% ，1年之内的收缩为20年收缩的66 % ～85 % 。

干缩变形可使混凝土表面产生拉应力，当拉应力超过混凝土当时的极限抗拉强度时，将引起混凝土表面裂缝。裂缝方向一般与构件长度方向垂直，从构件棱角开始逐渐向两边面发展。(www.xing528.com)

（5）寒潮袭击引起混凝土裂缝。混凝土也像大多数材料一样，受热时膨胀，冷却时收缩。由于温度变化引起的混凝土变形称为温度变形。温度变形的大小可用温度变形系数（α）表示，用式（3-4）计算，即

式中：L 为试件长度；ΔT 为温度变化；ΔL 为温度变化ΔT 时，试件长度的变化。

混凝土温度变形系数随骨料种类及配合比的不同而改变。当骨料为石英岩、石英砂岩或花岗岩时，α值较大；当骨料为石灰岩、白云岩或玄武岩时，α 值较小。骨料最大粒径较大的混凝土，其水泥浆较少，α值较小。当缺乏资料时，对石灰岩人工砂石骨料混凝土，可取α为0.5×10- 5～0.7×10- 5/℃；对硅质砂岩人工砂石骨料或天然砂石骨料的混凝土，可取为1.0×10- 5/℃。

从式（3-4）可见，混凝土由于温度降低造成的长度缩短与混凝土的温度变形系数大小有关，与构件的长度有关，与温度降低的幅度有关。混凝土结构物（特别是浇筑不久，混凝土内部温度较高，混凝土强度不高时）在寒潮到来之前若没有采取防护措施，混凝土表面温度迅速降低，此时混凝土存在较大的内表温差，表面受到较大的温度拉应力，可能引起混凝土开裂。寒潮袭击引发的裂缝，一般在寒潮到来之后较短时间内发生，裂缝方向一般与混凝土构件的长边大致垂直，裂缝一般也不太深，属表面裂缝。

（6）碳化引发混凝土裂缝。混凝土由于碳化作用也会产生收缩。混凝土干燥收缩的许多试验数据实际上包括了碳化作用的影响。然而，干燥收缩和碳化收缩在本质上是完全不同的。

存在于大气中的CO2 在湿度适宜的情况下，可与混凝土中水泥水化产物Ca（OH）2 发生反应生成CaCO3 并产生收缩。CO2的这种作用，即使在其浓度很低的情况下如在乡村空气中（CO2含量按体积计仅约占0.03%），也能发生。在通风不良的试验室中，CO2 含量可升高到0.1%以上。在大城市中CO2 平均含量达到0.3%，个别的达到1%。碳化速度随CO2 浓度增高而加快。完全干燥的混凝土不会发生碳化，因为碳化必须有一定的水分存在，使CO2 溶解于水变为碳酸，否则不能发生反应。过于潮湿或浸于水中的混凝土也不会发生碳化，因为空气难于深入混凝土中。碳化作用由混凝土表面向内部深入极其缓慢。碳化速度大致与时间的平方根成正比，也就是1年与4年之间碳化深度成倍增长。此外，碳化深度还与混凝土的水灰比、水泥品种及用量等因素有关。碳化深度随混凝土水灰比的加大而增加、随混凝土水泥用量的增大而减小。混凝土使用掺有混合材料的水泥比使用纯硅酸盐水泥时碳化较深。

碳化收缩使混凝土表面产生不规则的微观裂缝。碳化严重时，将影响钢筋混凝土的使用寿命。在硬化混凝土的孔隙中充满了饱和Ca（OH）2 溶液，此碱性介质便钢筋表面产生一层难溶的Fe2O3 和Fe3O4 薄膜，称为钝化膜，它能防止钢筋锈蚀。碳化后，混凝土碱度降低，当碳化深度超过钢筋保护层时，钝化膜遭到破坏，混凝土失去对钢筋的保护作用，钢筋开始生锈。生锈的钢筋体积膨胀，使混凝土保护层顺着钢筋方向出现宏观裂缝，加速了钢筋的锈蚀。

（7）荷载引发的裂缝。由外荷载（静、动荷载和其他荷载）作用引起的裂缝，也称荷载裂缝。荷载引发的裂缝往往是因为结构较复杂，计算应力与实际承受应力存在较大差异或者因为结构设计考虑不周，疏漏了某些荷载及影响荷载的因素造成结构内应力过大而引发。

（二）混凝土裂缝的类型及裂缝的危害

1.混凝土裂缝的类型如上所述，混凝土裂缝成因复杂而繁多，裂缝的型式也多种多样，可从各种角度将混凝土的裂缝划分为不同的类型。

（1）按裂缝的活动性质划分。根据裂缝是否随外界因素的改变而变化及变化情况，可将裂缝分为稳定裂缝、准稳定裂缝和不稳定裂缝三类。

1）稳定裂缝。开度和长度不再变化的裂缝称为稳定裂缝或称死缝。如地下防水工程或其他防水结构上存在的开度较小（0.1～0.2mm）的裂缝，在一定的水压下，开始有些渗漏，但渗漏水在迁移过程中不断溶解混凝土中的Ca（OH）2，使渗透液Ca（OH）2 的浓度逐渐提高，以致析出结晶沉积于孔隙中与渗漏水中携带的少量杂质逐渐堵塞渗漏孔隙和裂缝。随着渗漏时间的延长，渗漏量逐渐减少，最终渗漏停止。这种现象称为裂缝的自愈现象。稳定裂缝不影响结构的持久使用。另外，某些结构的初始裂缝，在后期荷载作用下，承受压应力而闭合（或没有完全闭合），尽管裂缝仍然存在，但也是稳定的。

2）准稳定裂缝。开度随季节或某种因素影响呈周期性变化，长度不变或变化缓慢的裂缝称为准稳定裂缝。许多防水工程冬季渗漏、夏季停止或冬季渗漏较大、夏季渗漏较小，就是这种裂缝的典型表现。

3）不稳定裂缝。开度和长度随外界因素的变化而增长的裂缝称为不稳定裂缝或动态缝。不少结构的荷载裂缝或沉陷引起的裂缝在初期均属此类。

（2）按裂缝的开度划分。混凝土裂缝按其开度（宽度）可分为微观裂缝和宏观裂缝。微观裂缝不仅开度小至肉眼看不见，且分布是不规则的，沿截面是非贯穿的。具有微观裂缝的混凝土是可以承受拉应力的。宏观裂缝是开度大于0.02mm、肉眼可看得见的裂缝。宏观裂缝一般由微观裂缝发展而成，属于混凝土中的次生裂缝。宏观裂缝依引发裂缝原因的不同，一般情况下在分布上（如裂缝方向、间距等）有一定规律。

（3）按裂缝发生的部位划分。宏观裂缝按发生在混凝土结构上的部位可分为表面裂缝、深层裂缝及贯穿性裂缝。

1）表面裂缝。这是指在混凝土表面上出现的深度不大的裂缝。表面裂缝可存在于结构物的顶面、侧面或底面。侧面上的表面裂缝可以是竖向的，也可以是水平的。表面裂缝占宏观裂缝的大多数。表面裂缝一般危害较小，但某些表面裂缝（如处于大坝上游面、基础部位、水闸底板等的表面裂缝）有可能发展成危害性较大的贯穿性或深层裂缝。稳定或准稳定的表面裂缝一般沿裂缝深度方向开度变小而逐渐尖灭。

2）深层裂缝。这是指深度较大、延伸至部分结构断面、对结构有一定危害性的混凝土宏观裂缝。此类裂缝一般是在两种或两种以上因素作用下由表面裂缝逐渐发展而成。深层裂缝一般都会影响结构的安全，需进行必要的处理。

3）贯穿裂缝。这是指延伸到整个结构断面，将结构分离，严重地破坏结构的整体性和防水性的混凝土宏观裂缝。贯穿裂缝一般易发生在基础部位。存在表面裂缝的基础部位混凝土与受到基岩约束形成的裂缝连通发展成贯穿裂缝。此外，较小构件往往由于中心受拉或偏心受拉而出现贯穿裂缝。坝体内外温差过大的部位也容易产生贯穿裂缝。

（4）按裂缝成因划分。按裂缝的成因可将混凝土的裂缝分为荷载裂缝和变形裂缝两大类。荷载裂缝是由外荷载（如静、动荷载）作用产生的应力超过混凝土当时的极限抗拉强度而引起的裂缝。变形裂缝是由结构变形超过混凝土当时的极限拉伸值引发的裂缝。它主要包括温度变形裂缝、干缩裂缝、不均匀沉陷裂缝等。此外，还有碱骨料反应引发的裂缝、钢筋锈蚀引起的裂缝等。

除上述之外，还有按裂缝形状进行划分的。如不规则裂缝、规则裂缝；上宽下窄、下宽上窄的裂缝；龟状裂缝、地图状裂缝、枣核状裂缝等。

2.混凝土裂缝的危害

如前所述，裂缝有各种类型，不同类型的裂缝引起的危害性是不同的。同一类型的裂缝，在不同的结构物上引起的危害可能不一样。这里只能一般地介绍裂缝的危害。

一般情况下，微观裂缝是无害的，但宏观裂缝是微观裂缝扩展的结果。由于混凝土中大量微观裂缝的存在，结构物在荷载作用或变形变化情况下，在微裂缝的尖端往往产生应力集中现象。由于应力集中，使裂缝尖端附近的应力超过混凝土极限抗拉强度，微裂缝便顺着裂缝尖端方向开裂扩展，逐渐形成宏观裂缝。

表面裂缝有时会诱发深层裂缝或贯穿裂缝。例如，浇筑不久的混凝土受到寒潮袭击时会产生一些表面裂缝。随着时间的延长，表面温度继续下降，温度梯度增大，裂缝逐渐加深形成深层裂缝。除基础约束引起的贯穿裂缝外，多数贯穿裂缝是由表面裂缝诱发而成。深层裂缝一般都影响结构的安全。贯穿裂缝往往严重地破坏结构的整体性，对结构的安全造成严重危害。不均匀沉陷裂缝不仅破坏了结构的整体性，对结构安全造成严重危害，更严重的是某些不均匀沉陷会给整个建筑物的正常运行带来危害。如，由于不均匀沉陷造成闸门无法开启；在高速水流区的不均匀沉陷裂缝引起混凝土被冲蚀破坏，使混凝土建筑物受到严重的危害。防水结构的裂缝引起建筑物的渗漏，加剧了混凝土的渗透溶蚀破坏和冻融破坏。碳化引起混凝土顺钢筋方向裂缝的发生，加剧了钢筋的锈蚀，严重时影响结构的安全。