混凝土裂缝对结构强度和耐久性的影响分析

混凝土裂缝对结构强度和耐久性的影响分析

陈强

长春市建设工程质量监督站经开分站吉林长春130000

摘要：混凝土结构自身带裂缝工作，是这种结构的固有特性，因此开裂是很难避免的。裂缝对结构安全、使用功能和耐久性等造成的影响也不尽相同。笔者就裂缝对混凝土耐久性的影响，结合新混凝土规范（2010版，以下简称新规范）的条文，阐述本人对于两者之间关系的理解，供大家参考。

关键词：混凝土结构；耐久性；裂缝控制

1、混凝土耐久性的影响因素

1.混凝土的抗渗性

混凝土的抗渗性，指混凝土抵抗压力水渗透的能力。混凝土阻碍液体向其内部流动的能力越好，混凝土的抗渗性越好。混凝土的耐久性与水和其它有害化学液体流入其内部的数量、范围等有关，因此抗渗性能高的混凝土，其耐久性就高。

2.混凝土的冻融破坏

当结构处于冰点以下环境时，部分混凝土内空隙中的水将结冰，产生体积膨胀，过冷的水发生迁移，形成各种压力，当压力达到一定程度时，导致混凝土的破坏。混凝土的抗冻性能与混凝土内部的气孔结构和气泡含量多少密切相关。气孔越少越小，破坏作用就越小，封闭气泡越多，抗冻性就越好。影响混凝土抗冻性的因素，除了气孔结构和含气量外，还与混凝土的饱和度、水灰比、混凝土的龄期、集料的空隙率及其间的含水率有关。

3.混凝土的碳化

混凝土的碳化，是指混凝土中的Ca（OH）2与空气中的CO2起化学反应，生成中性的碳酸盐CaCO3。未碳化的混凝土呈碱性，混凝土中钢筋保持钝化最低（临界）碱度是PH值为11.5，碳化后的混凝土PH值为8.5～9.5。碳化使混凝土的碳度降低，同时，增加混凝土孔隙溶液中氢离子数量，使混凝土对钢筋的保护作用减弱。当碳化超过混凝土的保护层时，在水与空气存在的条件下，就会使混凝土失去对钢筋的保护作用，钢筋开始生锈。钢筋锈蚀后，锈蚀产生的体积比原来膨胀2～4倍，从而对周围混凝土产生膨胀应力，锈蚀越严重，铁锈越多，膨胀力越大，最后导致混凝土开裂形成顺筋裂缝。裂缝的产生使水和CO2得以顺利的进入混凝土内，从而加速了碳化和钢筋的锈蚀。

4.混凝土侵蚀性

当混凝土结构处在有侵蚀性介质作用的环境时，会引起水泥石发生一系列化学-物理和物理-化学变化，而逐步受到侵蚀，严重的使水泥石强度降低，以至破坏。常见的化学侵蚀可分为淡水腐蚀、一般酸性水腐蚀、碳酸腐蚀、硫酸盐腐蚀、镁盐腐蚀五类。淡水的冲刷，会溶解水泥石中的组分，使用使水泥石孔隙增加，密实度降低，造成对水泥石的破坏，因此，淡水冲刷会对水工建筑有一定影响；当不中溶有一些酸类时，水泥石就会受到溶淅和化学溶解双重作用，腐蚀明显加速，这类侵蚀常发生在化工厂，碳酸在溶淅水泥石的同时，破坏混凝土内的碱性环境，降低水泥水化产物的稳定性，影响水泥石的密度、造成对混凝土的侵蚀；硫酸盐的腐蚀则表现为SO42-离子深入混凝土内与水泥组分反应，生成物体积膨胀开裂造成破坏；镁盐使硬化水泥石的结构组分分解造成混凝土的侵蚀。

5.混凝土的碱集反应

很多国家和地区由于天然集料资源贫乏或受到开采条件的限制，只能就地取材，采用活性氧化硅成份较高的石料，如果又使用碱总含量大于0.6%的水泥，则活性集料与水泥中的碱物质反应时将发生体积膨胀，导致混凝土胀裂、甚至破坏。因反应的因素在混凝土内部，其危害作用往往是不能根治的，是混凝土工程的一大隐患。

2、裂缝的主要成因及类型

1.由外荷载（如静、动荷载）引起的裂缝。由外荷载直接引起的裂缝。这是常规规范所计算的裂缝（如正截面裂缝和斜截面裂缝）。

2.结构由变形变化（如温度、收缩和膨胀、不均匀沉降等因素）而引起的裂缝。这种裂缝的起因是结构要求变形，当变形得不到满足时引起约束应力，当应超过一定的数值边在结构的薄弱部位率先出现裂缝。事实上，在工程结构中，肉眼可见的裂缝约有80%是由变形为主的作用引起的，由荷载为主引起的有约20%。因此，为保证结构耐久性，除了要把荷载裂缝控制可接受的范围内，更要通过设计、施工以及使用阶段的维护等综合措施来考虑和限制由变形所引起的裂缝。

3、裂缝宽度对钢筋腐蚀的影响

规范中有关钢筋混凝土结构耐久性规定的有五个方面：结构所处的环境类别、混凝材料的耐久性基本要求、钢筋的混凝土保护层厚度、不同环境条件下的耐久性技术措施、结构使用阶段的检测与维护要求。实际对设计起控制作用的是裂缝的宽度限制，并以它作为度量混凝土耐久性要求是否得到满足的标志。我们计算裂缝宽度的主要目的是防止钢筋锈蚀，保证结构的耐久性。而随着商品房的发展，裂缝逻辑是裂缝越宽，氧、水分及侵蚀性介质进入混凝土到达钢筋表面的份量就越多，钢筋的锈蚀就越严重。但从腐蚀的电化学机理来看，裂缝为空气和水分渗入混凝土达到钢筋表面创造了条件，从而使钢筋开始锈蚀的时间提前、锈蚀的前期发展加剧。但裂缝的作用仅仅是钢筋局部脱钝，使腐蚀过程得以开始，它并不对腐蚀的后续发展速度起主导控制作用，腐蚀的发展速度取决于混凝土的抗渗能力（密实性及保护层厚度）和使用环境，裂缝宽度与锈蚀量不不存在明显的依赖关系。经过为数众多的暴露实验和工程调查也表明：1）裂缝对短期内的钢筋锈蚀有明显的影响，但是随时间的增长这种影响逐渐减弱，对钢筋长期锈蚀的影响不明显；2）钢筋锈蚀情况与环境密切相关，在通常室内环境中，除个别钢筋存在轻微锈蚀以外绝大多数横向裂缝处钢筋均无锈蚀；而在潮湿环境和有害的侵蚀性介质存在的环境中，多数横向裂缝处钢筋都有不同程度的锈蚀，随着裂缝宽度的增大，钢筋锈蚀几率增大，锈蚀程度有所增加，但并非成正比例关系。

4、纵向裂缝的危害

对实际结构的调查表明，大多数出现腐蚀危害、甚至导致耐久性失效的钢筋混凝土构件的一个典型现象是，沿钢筋发生纵向劈裂裂缝，角部的保护层混凝土胀裂破碎。这种情况通常出现在横向裂缝处钢筋截面被显著削弱之前。主要是由于钢筋锈蚀以后产生的体积膨胀力使外围混凝土产生相当大的拉应力，此拉应力一旦超过外围混凝土的劈裂抗力，即导致沿钢筋的纵向劈裂。其锈蚀速度很快，接近10倍于横向裂缝处的钢筋锈蚀。另外，当引起裂缝的荷载移去时，横向裂缝将趋于闭合，而纵向裂缝仍会持续开展。因此平行于主筋的纵向裂缝，对于结构耐久性的影响要比垂直于主筋的横向裂缝严重的多，必须重视纵向裂缝的限制.限制纵向裂缝的主要措施是确保或提高外围混凝土的抗劈裂能力，而外围混凝土的抗劈裂能力取决于混凝土的密实性、抗拉强度、保护层厚度及横向约束钢筋的设置。

结束语

混凝土结构的耐久性研究已经成为现在建筑科学发展研究的前沿，而我国不论在耐久性的研究或者耐久性要求的设计水准方面，与发达国家相比在存在着很大的差距。我国现在正在进行空前的社会基础设施工程建设，改善混凝土结构的耐久性，设计出高标准的耐久水准已经迫在眉睫。

参考文献

[1]姚继涛，李琳，马景才.结构的时域可靠度和耐久性[J].工业建筑，2006（36）.

[2]王军，杜荣忠，刘艳萍.海工混凝土工程耐久性设计探讨[J].2006（02）.