钢筋混凝土裂缝的一般评定及对结构的危害

钢筋混凝土裂缝的一般评定及对结构的危害
邓清海
摘要：针对裂缝是造成钢筋混凝土结构破坏倒塌工程事故主要原因的实际情况，分析阐述了裂缝产生的成因和危害，并结合实际工作中的切身体会，提出了如何判定裂缝的形态、修补加固裂缝的有效措施，从源头上解决钢筋混凝土结构的保护层问题，最小程度的防止裂缝对构筑物所造成的负面影响，保证构筑物的安全、实用和美观。
关键词：钢筋混凝土裂缝危害

钢筋混凝土结构破坏倒塌的工程质量事故，绝大多数是从裂缝的扩展开始的。其实，只要仔细观察不难发现，普通的钢筋混凝土结构一般都是带裂缝受力工作的，如果借助仪器，甚至还可以发现裂缝是时刻发生变化的，随着裂缝的发展变化，结构构件的耐久性和适用性会不同程度的降低，严重的甚至会导致结构构件的破坏。所以研究裂缝的形态、分析裂缝产生的原因和裂缝对结构功能的影响并加以控制是一个十分重要的课题。
一、裂缝的形态判定及对裂缝的修补加固措施
（一）裂缝的形态
裂缝的形式多种多样，从裂缝的宽度来分，可分为微裂缝和宏观裂缝。一般将混凝土材料在化合过程中产生的宽度小于0.05mm的裂缝称之为微裂缝。它是混凝土材料固有的一种物理性质，微裂缝的产生几乎是不可避免的，它的分布不规则且不贯通，这种细微裂缝如果不扩展或是扩展在一定范围的话，它对一般的工业和民用建筑的正常使用是不会造成危害的，故这类裂缝又称为无害裂缝。但是，在实际使用过程中，因为混凝土结构的抗拉强度要比抗压强度低很多，所以在荷载作用下或是进一步产生温差和干缩的情况下，微裂缝会开始扩展并逐渐相互贯通，从而出现较大、肉眼可见的裂缝，这种裂缝称之为宏观裂缝，裂缝的宽度一般大于0.05mm。同时，按裂缝对结构影响的不同，裂缝又可以分为结构性裂缝和非结构性裂缝。非结构性裂缝主要是由于水泥硬化干缩、外界温度和湿度变化、施工缝处理不当、钢筋腐蚀等原因造成的；而结构性裂缝主要是由受力引起的，所以又称荷载裂缝，它是工程中最常见的裂缝。
（二）裂缝状态的判定
通过对建筑物外观的检查，可能会发现各种质量问题，其中裂缝是最为常见的现象之一。如果构件上出现裂缝后，首先需要判定裂缝是否稳定（裂缝是否已经停止扩展）、是否有害，根据裂缝的形成原因和特性，定性的判定结构受力的状态，评定结构的安全度、刚度以及抗裂度等性能，从而找出相应的防治修补措施。
1、裂缝是否稳定可以根据观测和计算的方法判定
（1）观测：定期对裂缝宽度、长度进行观测和记录。观测的方法可在裂缝的个别区段及裂缝顶端涂上石膏，用读数放大镜读出裂缝的宽度。如果在相当长的时间内石膏没有开裂，则说明裂缝已经停止扩展，趋于稳定状态。但这里也要注意有些裂缝是随时间和环境变化而变化的，譬如贯穿温度裂缝在冬天由于混凝土冷缩而增大，夏天则因材料的膨胀而缩小。收缩裂缝初期的发展速度迅速，在1~2年内方可趋于稳定状态，这些裂缝变化都是正常现象；所谓发展中不稳定裂缝，主要是随时间持续不断增大的荷载裂缝和沉降裂缝等。钢筋混凝土结构在各种荷载作用下，一般在受拉区是允许带裂缝工作的，只要裂缝发展是稳定的，宽度在规范允许的范围内都是正常的。但是，裂缝结构的稳定，裂缝会不会继续扩展还要视外界的环境是否稳定，环境的变化可能引起旧的裂缝继续扩展，甚至还会出现新的裂缝，所以还应根据构件所处的具体环境加以分析。
（2）计算：对于适筋梁，钢筋的应力δs是影响裂缝宽度的主要因素，因此可以通过对混凝土梁在按荷载短期效应组合下裂缝截面处纵向钢筋应力的计算来判定裂缝是否稳定，计算公式如下：
δss= Ms／Asηh0
式中：As——受拉钢筋的总面积；
η—裂缝截面处内力臂长度系数，通常取η=0.87；
h0—截面有效高度；
如果计算钢筋的应力δs小于0.8fy（fy为钢筋强度设计值），则可认为裂缝处于稳定状态，否则，裂缝是不稳定的。
2、裂缝是否有害的判定
判定裂缝是否有害，原则上根据裂缝的危害程度和后果而定，一般认为下列情况的裂缝是有害的；
（1）损害建筑物使用功能的裂缝，如水池、水塔开裂渗漏水进入而影响使用的；
（2）宽度超过规范规定限值裂缝，沿钢筋纵向裂缝，这类裂缝会引起钢筋的锈蚀，使保护层崩落；
（3）严重降低结构刚度或影响建筑物整体性的裂缝；
（4）严重损害建筑结构美观的裂缝。
对于这些裂缝应根据具体情况及时进行修补处理或采取加固措施，一般情况下从耐久远性和防水性考虑，必需修补与不需修补的裂缝宽度限值可按下表规定采用。
　　目的按耐久性考虑按水性考虑
修补后对钢筋腐蚀影响因素环境因素
恶劣的中等的优良的
（A）需要修补的裂缝宽度(mm) 大　　>0.4　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 >0.4　 >0.4　 >0.2
中 >0.4　 >0.4　
小 >0.6 >0.4　 >0.4　
（B）不需要修补的裂缝宽度（mm）大
<=0.1
<=0.2 <=0.2

<=0.05
中
<=0.3
小 <=0.2 <=0.3
当裂缝宽度介于表中必需修补（A）和无需修补（Ｂ）之间则需根据经验，并通过对结构的验算结果、开裂原因、裂缝宽度及密度、裂缝现状及环境条件等因素进行综合分析，判断确定是否需要对结构进行修补和补强加固。
（三）裂缝的修补和补强加固方法
1、非结构性裂缝的修补方法
对于结构受力影响不大的混凝土非结构裂缝，为了满足美观和使用上的要求，防止钢筋的锈蚀、减少渗漏、提高耐久性，也需对裂缝进行修补，这样的修补一般起到增加结构强度、刚度和抗裂度的作用，常用的修补方法分为表面修补和内部修补两类。
表面修补法是沿构件表面涂刷水泥浆、油漆、沥青、环氧树脂等材料来修补构件表面细小的混凝土裂缝，对于混凝土干缩裂缝常采用这种办法来进行修补。另外，对于中等宽度的温度裂缝，还可以采用向裂缝中填充刚性材料（水泥砂浆、膨胀浆和树脂砂浆等）和弹性材料（丙烯酸树脂、硅酸脂、聚硫化合物、合成橡胶等）以固定裂缝和阻止裂缝的扩张。
内部修补法是采用压力灌浆，它不仅修补混凝土表面的裂缝，而且能注入到构件的内部，以裂缝进行粘合封闭和补强，为了提高灌浆的饱满度，一般采用压力灌浆。目前常采用的灌浆材料有纯水泥土灌浆和环氧树脂灌浆，对于施工裂缝和大宽度裂缝多采用此方法进行修补。
2、结构性裂缝的加固补强方法
如前所述，由于结构性裂缝主要是由于构件在荷载作用下引起的，所以对于这类裂缝的加固，必须根据实际情况，通过计算分析方能确定其加固的方案，其计算方法在相关规范、技术标准和手册上均有介绍，在这里只简单罗列一些常用的加固方法。
加大截面法是采用增大原结构或构件的截面积，以提高其承载力和满足正常使用的加固方法，这种加固方法广泛使用在加固混凝土结构中的梁、板、柱和钢结构中的柱及屋架以及砖墙柱等。
外包钢加固法是在钢筋混凝土构件四周或两面包以型钢的一种加固方法，它适用于对混凝土柱、梁、屋架以及烟囱等构筑物的加固。
预应力加固法适用于混凝土承重（包括受拉、受压、受弯）结构的构件，要求提高承载能力、刚度、和抗裂度，同时又要求不占更多空间的构件。
外部粘贴钢板加固法是指用高强度的结构胶粘剂把钢板贴在构件外部的一种加固方法，这是一种新型的加固技术，它常被用来加固承受静力荷载作用下的钢筋混凝土（或型钢）受弯、受拉构件。
当然,对于结构裂缝的修补或补强加固措施还有很多,只有在实践过程中,根据实际情况,综合考虑安全性、适用性、经济性，在加固设计中提出相应的处理对策后再进行加固，从而避免裂缝对构件造成进一步的危害。
二、裂缝对结构的危害
当裂缝的宽度超过了一定的限值就成了有害裂缝，有害裂缝的存在严重影响结构物的耐久性和适用性，其危害主要表现如下：
1、冰冻的影响。这点在北方地区的表现更为恶劣，混凝土一旦产生裂缝，水分就会乘虚而入，即使渗入不是很深，但当外界气温降到-20c以下时，水分便会凝结成冰。水分结冰后体积膨胀约９％，导致裂缝边缘的散裂，而冰融循环一次这种散裂就发生一次，从而导致裂缝的逐渐加宽。
2、钢筋的锈蚀。纵向裂缝与钢筋锈蚀的关系比较复杂，有“先裂后锈”和“先锈后裂”两种情况。“先裂后锈”即由于钢筋混凝土收缩，导致塑性下降。同时，由于施工质量等原因引起的沿钢筋纵向裂缝和梁中沿箍筋的裂缝，常常成为空气、水分及其它侵蚀介质的通道，久而久之，使钢筋产生锈蚀，从而削弱了钢筋的受力截面积。特别是高强钢丝，因其表面积大而截面积小，锈蚀对其危害更大；“先锈后裂”即由于钢筋混凝土的炭化或氯盐的作用，使钢筋发生锈蚀。锈蚀物体积比原体积增大３～４倍，使钢筋周围的混凝土产生很大的拉力，从而引起沿钢筋长度方向的混凝土产生纵向劈裂裂缝，一旦保护层混凝土劈裂，钢筋与外界接触，甚至完全裸露于空气当中，导致锈蚀速度迅速加快。
在实际结构中，这两种情况是相互作用且同时进行的，裂缝的产生使钢筋锈蚀，钢筋锈蚀的发展又促进了裂缝的扩展，如此锈——裂——锈的恶性循环，最终导致混凝土保护层完全脱落，致使钢筋失去了抵抗锈蚀的保护，甚至结构被彻底破坏，从而引起建筑物的渗漏，影响建筑物的美观和使用功能。
三、结语
综上所述，了解裂缝分析产生的主要原因和对结构构件的危害，是确定对出现裂缝的构件如何处理的必须步骤，同时，也为选定经济有效的措施来保护钢筋混凝土具有重大意义。　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　