摘要：本文分析了由收縮因素引起的混凝土結(jié)構(gòu)裂縫的成因。通過強(qiáng)化設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)、嚴(yán)把材料質(zhì)量關(guān)、提高施工水平；增強(qiáng)混凝土結(jié)構(gòu)的抗裂能力、減少材料收縮、允許結(jié)構(gòu)在一定范圍內(nèi)自由變位以減少約束、做好保溫隔熱養(yǎng)護(hù)等控制措施；業(yè)主、設(shè)計(jì)、監(jiān)理、施工單位緊密配合，可以有效的控制收縮引起的裂縫。
關(guān)鍵詞：混凝土結(jié)構(gòu)，收縮裂縫，裂縫成因，控制措施
1. 引言
混凝土結(jié)構(gòu)裂縫是一個(gè)具有普遍性的技術(shù)問題，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是建立在強(qiáng)度的極限承載力基礎(chǔ)上的，但大多數(shù)工程的使用標(biāo)準(zhǔn)卻是由裂縫標(biāo)準(zhǔn)來控制的；近二十年來，混凝土技術(shù)取得了前所未有的進(jìn)步，同時(shí)人們?cè)诨炷恋牧芽p控制方面進(jìn)行了許多研究，積累了許多經(jīng)驗(yàn)，但隨著混凝土的各種新型外加劑和高強(qiáng)、高能混凝土的應(yīng)用，以及大量超長(zhǎng)、超大跨度混凝土結(jié)構(gòu)，超大體積混凝土等結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)，使混凝土的裂縫出現(xiàn)了一些新特點(diǎn)新規(guī)律。
2. 混凝土結(jié)構(gòu)裂縫產(chǎn)生原因
混凝土結(jié)構(gòu)在實(shí)際使用過程中承受兩類荷載，第一類荷載：靜荷載、動(dòng)荷載和其它荷載；第一類荷載：變形荷載(溫度、收縮、膨脹、不均勻沉降等)。裂縫的主要成因兩類：
1）由第一類荷載直接作用產(chǎn)生的應(yīng)力，即常規(guī)計(jì)算的主要應(yīng)力(拉力、壓力、彎矩、扭矩、剪力)所引起的裂縫，當(dāng)結(jié)構(gòu)自重、使用荷載或環(huán)境因素超過設(shè)計(jì)初始設(shè)定值時(shí)，結(jié)構(gòu)為超負(fù)荷使用，造成結(jié)構(gòu)承載能力小于荷載應(yīng)力，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)裂縫產(chǎn)生；裂縫走向與主筋方向接近垂直，裂縫寬度一般較大，且沿長(zhǎng)度或深度方向有明顯變化。
2）由變形變化引起的裂縫，結(jié)構(gòu)由溫度、收縮和膨脹、不均勻沉降等因素引起的裂縫，這種裂縫的起因是結(jié)構(gòu)受第二類荷載作用產(chǎn)生變形，當(dāng)變形得不到滿足時(shí)引起結(jié)構(gòu)內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力，但應(yīng)力大小與結(jié)構(gòu)剛度大小有關(guān)，只有當(dāng)應(yīng)力超過一定數(shù)值才引起裂縫，裂縫出現(xiàn)后，變形得到滿足或部分滿足，同時(shí)結(jié)構(gòu)剛度下降，應(yīng)力就發(fā)生松弛，該類型裂縫分為：溫度變化、收縮、鋼筋銹蝕、凍脹、濕度變形、徐變、地基變形裂縫等。本文就由收縮引起混凝土結(jié)構(gòu)裂縫作一分析，并提出控制裂縫的措施。
3. 混凝土梁板收縮機(jī)理
矩形混凝土板中出現(xiàn)第一道方向與較長(zhǎng)邊垂直的裂縫，把一塊分成兩塊，然后出現(xiàn)第二、三道裂縫，如(圖1)，這是因?yàn)楫?dāng)結(jié)構(gòu)周圍的氣溫、濕度發(fā)生變化時(shí)，梁板都要產(chǎn)生變形：溫度變形及收縮變形，由于板的厚度小(100mm 左右) 且遠(yuǎn)小于梁，板全截面緊隨氣溫變化而變化，但梁較厚，其溫度變化滯后于板，特別是急冷急熱變化時(shí)更為明顯，由此產(chǎn)生兩種結(jié)構(gòu)(梁板)的溫差與收縮差變形，引起約束應(yīng)力，板內(nèi)呈拉應(yīng)力，與板應(yīng)力平行的梁內(nèi)呈壓應(yīng)力如(圖2)，由于降溫引起的應(yīng)力狀態(tài)一直到梁板溫度平衡時(shí)才消失，而收縮應(yīng)力將長(zhǎng)期保持下去，引起開裂的原因主要是收縮。
板的收縮大于梁，必然引起板內(nèi)拉應(yīng)力，梁內(nèi)壓應(yīng)力，即梁對(duì)板的收縮進(jìn)行了約束，尤其在高溫環(huán)境中，溫度急劇降低，混凝土收縮速度加快，加之板的收縮值遠(yuǎn)大于梁的收縮值，附加了熱收縮差，從而加重了板的拉應(yīng)力，容易導(dǎo)致開裂。同理產(chǎn)生梁的裂縫。裂縫方向取決于兩個(gè)因素：一是約束，二是抗拉能力，裂縫方向一般垂直于約束較大的方向和垂直于抗拉能力較弱的方向。
4. 實(shí)例分析
凱旋大廈，地上建筑面積18228M2，地下二層，地上十二層，室外地面起至主體結(jié)構(gòu)頂高度為49.9 米，抗震設(shè)防烈度為六度三級(jí)，主體框架結(jié)構(gòu)，地基土為卵石層，鋼筋混凝土片筏基礎(chǔ)，如(圖2、圖3)。
2005 年6 月中旬在B 區(qū)B1~B9/BD~BG 軸十二層屋面梁側(cè)面中部出現(xiàn)裂縫如(圖4、圖5), 裂縫寬度0.1~0.5mm，裂縫發(fā)展持續(xù)了5 個(gè)月，以后趨于穩(wěn)定，而板未見裂縫；經(jīng)專家組核查證實(shí)結(jié)構(gòu)計(jì)算書未發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤；根據(jù)施工及監(jiān)理記錄，該層板混凝土澆搗于2005.05.21，屋面預(yù)制混凝土架空隔熱層在2006.03.07 開始施工并于2006.03.24 完工。
根據(jù)2006 年5~9 月份現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量(取均值)板面最高溫度為T153.1°，梁中部為T227.4°（詳
下表）；板底配Φ10@120 鋼筋，(鋼筋直徑d=1.0cm，鋼筋面積Ag=654mm2)，板面配 Φ10@100，板厚為150mm，板寬H=3.9M，板長(zhǎng)L=6.9M。
混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C25，
混凝土軸心抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值ftk=1.78N/mm2，
混凝土彈性模量為E=2.80×104N/mm2 ，
板水平阻力系數(shù)Cx=1.4 M/mm3，
板換算寬度：H=0.4L=0.4×6.9=2.76M(H=3.9M> 0.4L=2.76M)，取H=H=3.9M。
ρ(配筋率)=100×Ag/As=100×654/(1000×150)=0.44 根據(jù)齊斯克列里關(guān)于鋼筋混凝土板的極限拉伸公式①[1]得：鋼筋混凝土板的極限拉伸為：
εpa=0.5 ftk (1+ρ/d)=0.5×1.78(1+0. 44/1) ×10-4 =1.2816×10-4
由于民用建筑板的實(shí)際收縮呈緩慢變化，在考慮板的徐變對(duì)鋼筋混凝土板的極限拉伸影響時(shí)，鋼筋混凝土板總的極限拉伸按下式計(jì)算：
ε0 pa=2εpa=2×1.28×10-4=2.56×10-4
則鋼筋混凝土板總的抗拉應(yīng)力[Rf]為：
[Rf]= ε0
paE=2.56×10-4×2.8×104=7.588Mpa
板在屋面未設(shè)隔熱板時(shí)由于受太陽輻射后晝夜驟降溫差所引起板的變形(ε)和應(yīng)力(σ)：(根據(jù)文獻(xiàn)[1 ]11.1 假設(shè)板受均勻溫差和均勻收縮[2])
ε=-α(T1-T2) ×(1-1/(chxL/2))
=-10×10-6×(53.1-27.4) ×(1-1/(chx8000/2))
=-2.3794×10-4
σ=εxE=2.46×10-4×2.80×104=6.88MPa
鋼筋混凝土板總的極限拉伸ε0pa >ε 溫差所引起板的變形，鋼筋混凝土板總的抗拉應(yīng)力[Rf]> σ 溫差所引起板的應(yīng)力。
根據(jù)以上計(jì)算公式和結(jié)果，表明板的抗裂能力與混凝土的軸心抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值ftk 成正比，與鋼筋直徑成非線性反比，與板的配筋率成非線性正比，該工程驟降溫差所引起板的變形(ε)和應(yīng)力(σ)均小于鋼筋混凝土板的極限拉伸(ε0pa)和板總的抗拉應(yīng)力[Rf]，經(jīng)專家組核查結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)符合現(xiàn)行國(guó)家規(guī)范要求，排除設(shè)計(jì)因素，同時(shí)板未發(fā)現(xiàn)裂縫，認(rèn)定屋面梁板的溫差及收縮不是該工程梁產(chǎn)生裂縫的第一因素。
后經(jīng)監(jiān)督站回彈及掃描檢測(cè)，本層混凝土強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)要求，但發(fā)現(xiàn)本層梁鋼筋綁扎質(zhì)量較差，特別是梁腰筋偏位現(xiàn)象比較嚴(yán)重，出現(xiàn)裂縫梁的腰筋掉至梁底。
根據(jù)約束引起梁板裂縫理論及新老《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》對(duì)高梁腰筋設(shè)置要求的說明，認(rèn)定該梁側(cè)裂縫是由于梁在內(nèi)熱外冷時(shí)產(chǎn)生變形和收縮應(yīng)力，梁側(cè)在無腰筋情況下，產(chǎn)生裂縫；又由于受到梁面梁底鋼筋的約束作用，對(duì)裂縫的擴(kuò)展起到限制作用，以至五個(gè)月后裂縫漸趨穩(wěn)定。認(rèn)為該裂縫經(jīng)修補(bǔ)后隔離鋼筋與空氣接觸，對(duì)結(jié)構(gòu)安全基本沒有影響。
這一狀況在新老《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》有一明顯體現(xiàn)：GBJ 10-89(老規(guī)范)第7.2.14條當(dāng)梁截面高度超過700mm 時(shí)，在梁的兩側(cè)沿高度每隔300~400mm 應(yīng)設(shè)置一根直徑不小于10mm 的縱向構(gòu)造鋼筋[3]；GB 50010-2002(新規(guī)范)10.2.16 條當(dāng)梁的腹板高度hw>=450mm時(shí)，在梁的兩個(gè)側(cè)面應(yīng)沿高度配置縱向構(gòu)造鋼筋，每側(cè)縱向構(gòu)造鋼筋(不含梁上、下部受力鋼筋及架力筋)的截面積不應(yīng)小于腹板截面積bhw 的0.1%且間距不宜大于200mm[4]。新規(guī)范的條文說明中也對(duì)此作了“當(dāng)梁的截面尺寸較大時(shí)，有可能在梁側(cè)面產(chǎn)生垂直于梁軸線的收縮裂縫”的解釋，驗(yàn)證了以上觀點(diǎn)。因此在高梁設(shè)置足夠腰筋，減少梁的約束，使用滑動(dòng)支座和設(shè)滑動(dòng)層等措施對(duì)收縮引起梁的裂縫非常有利。
5. 混凝土裂縫修補(bǔ)措施
在對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)中的裂縫進(jìn)行處理之前，必須先做如下工作：
1）先進(jìn)行觀察、檢測(cè)、分析，確定裂縫的性質(zhì)及裂縫產(chǎn)生的原因。
2）判斷裂縫是活動(dòng)的還是靜止的。
3）預(yù)估裂縫未來的變化（數(shù)值和方向）如何。
4）修補(bǔ)的主要目的是什么，是否需要加固處理。
然后再采用針對(duì)性的措施進(jìn)行處理。在未明了裂縫產(chǎn)生的原因之前，應(yīng)避免盲目對(duì)裂縫進(jìn)行處理。
5.1 表面修補(bǔ)方法
表面修補(bǔ)法主要適用于已穩(wěn)定和對(duì)結(jié)構(gòu)承載能力沒有影響的表面裂縫，大面積細(xì)裂縫防滲、防漏的處理；缺點(diǎn)是修補(bǔ)工作無法深入到裂縫內(nèi)部，對(duì)延伸裂縫難以追蹤其變化；處理方法如下：
1）表面涂抹水泥砂漿：將裂縫附近的混凝土表面鑿毛，或沿裂縫鑿成深15～20mm，寬150～200mm 的凹槽，掃凈并灑水濕潤(rùn)，先刷水泥凈漿一層，然后用1:2 的水泥砂漿分2～3 層涂抹，總厚度控制在10～20mm 左右，并用鐵抹抹平壓光，抹光后的砂漿面應(yīng)覆蓋塑料薄膜，并用支撐模板頂緊加壓。
2）表面涂抹環(huán)氧膠泥：先將裂縫附近80～100mm 寬度范圍內(nèi)的灰塵、浮渣用壓縮空氣凈，或用鋼絲刷、砂紙、毛刷清除干凈并洗凈，油污可用二甲苯或丙酮擦洗一遍，保持干燥，涂抹時(shí)，用毛刷或刮板均勻蘸取膠泥，并涂刮在裂縫表面。
3）表面涂刷油漆、瀝青，涂刷前,混凝土表面應(yīng)干燥，在均勻涂抹。
4）表面鑿槽嵌補(bǔ)：沿混凝土裂縫鑿一條深槽，槽內(nèi)嵌水泥砂漿或環(huán)氧膠泥、聚氯乙烯膠泥、瀝青油膏等，表面作砂漿保護(hù)層，做法同表面涂抹水泥砂漿。
5）采用環(huán)氧樹脂粘貼玻璃布：玻璃布使用前應(yīng)在堿水中煮沸30～60 分鐘，然后用清水漂凈并晾干，以除去油脂，一般貼1～2 層玻璃布，第二層玻璃布的周邊應(yīng)比下面一層寬10～12mm，以便壓邊。
5.2 內(nèi)部修補(bǔ)法即灌漿封堵法
適用于對(duì)結(jié)構(gòu)整體性有影響或有防滲要求的混凝土裂縫的修補(bǔ)，它是利用壓力設(shè)備將膠結(jié)材料壓入混凝土的裂縫中，膠結(jié)材料硬化后與混凝土形成一個(gè)整體，從而起到封堵加固的目的。處理方法如下：
1）水泥灌漿：一般用于大體積混凝土結(jié)構(gòu)的修補(bǔ)，主要施工程序是鉆孔、沖洗、止?jié){、堵漏、埋管、試水、灌漿。鉆孔孔距l(xiāng)～1.5m，除淺孔采用騎縫孔外，—般鉆孔軸線與裂縫呈30～45 度斜角，孔深應(yīng)穿過裂縫面0.5m 以上，當(dāng)有兩排或兩排以上的孔時(shí)，宜交錯(cuò)或呈梅花形布置，待縫面沖洗干凈后在裂縫表面用1:2 的水泥砂漿或用環(huán)氧膠泥涂抹。
2）化學(xué)灌漿：化學(xué)灌漿能控制凝結(jié)時(shí)間，有較高粘結(jié)強(qiáng)度和一定的彈性，恢復(fù)結(jié)構(gòu)整體性效果較好，適用于各種情況下的裂縫修補(bǔ)及堵漏、防滲處理。常用的灌漿材料有環(huán)氧樹脂漿液、甲凝、丙凝等。環(huán)氧樹脂漿液具有粘結(jié)強(qiáng)度高、施工操作方便、成本低等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用最廣。
先粘貼注漿嘴，用鍵包嚴(yán)。固化后周邊可能有裂口，必須反復(fù)用漿補(bǔ)上，2 以避免漏漿。注漿操作一般在粘嘴的第二天進(jìn)行，若氣溫高的話，半天就可注漿，操作時(shí)先用補(bǔ)縫器吸取注漿液，插入注漿嘴，用手推動(dòng)補(bǔ)縫器活塞，使?jié){液通過注漿嘴壓入裂縫，當(dāng)相鄰的嘴中流出漿液時(shí)，就可拔出補(bǔ)縫器，堵上鋁鉚釘。一般由上往下注漿，水平縫一般從一端到另一端逐個(gè)注漿。為了保證漿液充滿，在注漿后約半小時(shí)可以對(duì)每個(gè)注漿嘴再次補(bǔ)漿。
5.3 本工程修補(bǔ)措施
依據(jù)專家組對(duì)該裂縫的定性，決定采用ZL-HP 改性環(huán)氧樹脂漿液灌注，把鋼筋與空氣隔離，防止裂縫進(jìn)一步擴(kuò)展，具體施工工藝如下：
1）清除裂縫周邊各150mm 范圍梁表面的紙筋灰和水泥砂漿層。
2）用鋼絲刷清除裂縫表面及縫內(nèi)的灰塵、白灰、浮渣及松散層等污物。
3）用有機(jī)溶液丙酮把裂縫及裂縫兩側(cè)100mm 范圍擦洗干凈，并保持干燥。
4）每條裂縫設(shè)兩個(gè)注漿嘴，通過灌漿管連通，用注漿器進(jìn)行壓力灌漿，灌漿壓強(qiáng)大于0.5Mpa，灌滿漿后再繼續(xù)壓注3 至5 分鐘，待縫內(nèi)漿液達(dá)到初凝而不外流時(shí)，方可拆下灌漿嘴，再用膠粘網(wǎng)帶封閉裂縫處。
5）及時(shí)檢查補(bǔ)強(qiáng)效果及質(zhì)量，發(fā)現(xiàn)缺陷及時(shí)補(bǔ)救以保證質(zhì)量。裂縫修復(fù)完成后至2007.03.18 復(fù)檢，裂縫位未發(fā)現(xiàn)異常，同時(shí)其它位置也未發(fā)現(xiàn)新的裂縫產(chǎn)生，表明修補(bǔ)成功。
6. 結(jié)論
綜上所述，可以通過以下幾項(xiàng)措施達(dá)到有效控制裂縫的目的：
1）建筑在滿足使用功能的前提下，結(jié)構(gòu)平面力求簡(jiǎn)單，正確地設(shè)置沉降縫，限制伸縮縫間距，合理的使用后澆帶，讓一部分變形在施工階段得到滿足；重視對(duì)構(gòu)造鋼筋的配置，筋率越大，收縮越小，但配筋過量則會(huì)增加混凝土拉應(yīng)力，配筋宜細(xì)而密，不宜粗而稀，加強(qiáng)構(gòu)造配筋；積極采用補(bǔ)償收縮混凝土技術(shù)，在混凝土中摻用膨脹劑來補(bǔ)償混凝土的收縮，屋面保溫層必須滿足建筑節(jié)能的標(biāo)準(zhǔn)要求，對(duì)屋面保溫層進(jìn)行熱工計(jì)算。
2）建筑工程所采用的建筑材料應(yīng)符合有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定和設(shè)計(jì)文件的要求。所用的建筑材料在滿足材料強(qiáng)度要求前提下，應(yīng)盡量選擇收縮小、抗裂性能好的材料。施工單位應(yīng)有健全的質(zhì)量管理、質(zhì)量控制和檢驗(yàn)體系，有減少和控制混凝土裂縫的具體技術(shù)措施。
3）通過增強(qiáng)混凝土結(jié)構(gòu)自身的抗裂能力，減少材料收縮能力，減少約束，允許梁板在一定范圍內(nèi)自由變位；減少溫差來達(dá)到減少梁板的收縮，可以有效控制裂縫的產(chǎn)生。
參考文獻(xiàn)
[1] 侯寶隆,陳強(qiáng),蔣之峰.《建筑物的接縫處理》[M].北京:地震出版社,1993.
[2] 王鐵夢(mèng).《工程結(jié)構(gòu)裂縫控制》[M].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,1997.
[3] GBJ 10-89．《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》 [S].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,1996.
[4] GB 50010-2002．《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范 》[S].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2002
