钢筋混凝土楼面屋面裂缝成因分析和防治措施的研究
钢筋混凝土楼面/屋面裂缝成因分析和防治措施的研究
摘要
随着商品混凝土的快速发展，现浇混凝土结构迅速发展起来，现浇混凝土楼板由于其整体性好、施工便捷成为了大多数设计师的选择。然而，现浇结构的收缩和温度变形作用较大，易出现钢筋混凝土楼面/屋面裂缝，成为一项经常发生的质量缺陷，这种质量问题在业主投诉中屡见不鲜。为了进一步探讨困扰工程界的裂缝问题，解决这一难题，本文首先在前人的基础上，对钢筋混凝土结构裂缝的基本概念及产生的机理进行了总结，据此着重从施工、设计和材料三个方面系统的阐述了钢筋混凝土楼板裂缝的成因、控制措施和裂缝修复处理措施。
关键词：钢筋混凝土楼面/屋面裂缝
前言
自从新中国成立后，中国在建筑行业取得了举世瞩目的成就，特别是预应力混凝土结构技术和混凝土结构技术迅速成长起来，取得了很多理论性的突破，也为我国跻身世界混凝土理论和规范设计先进水平做出了巨大的贡献。近年来，随着城市的建设的迅猛发展，城市基础设施及民用、商业、工业等建筑物日益增加的同时，许多混凝土结构、砌体结构等建筑物在建设和使用的过程中出现了不同程度、不同样式的裂缝。对于钢筋混凝土结构，裂缝的存在使大气中的二氧化碳很快渗透到混凝土中去，加快了裂缝处混凝土的炭化速度，从而缩短了结构从制作到钢筋开始锈蚀（炭化历程）所经历的时间。而化学介质、气体、氧分子及水分子等也同时侵入裂缝，破坏钢筋的钝化膜，在钢筋表面发生化学反应，引起钢筋锈蚀，影响结构的使用寿命。纵向裂缝的出现表明钢筋锈蚀的严重发展，结构的安全随之迅速降低，相当于使用寿命的终结。另外，对于结构物来说，裂缝的扩展将引起结构物的渗漏，降低结构物的刚度、耐久性和抗震性能，随着裂缝的进一步发展，将可能会威胁到人的生命和财产安全。
同时随着我国房改政策的进一步推进，住房货币化的完善，房屋已经作为一种商品推向市场，建筑物的裂缝已成为住户评判建筑物安全的一个非常直观、敏感和首要的质量标准。但是在现今的建筑尤其是商业住宅项目中，无论是施工阶段还是使用阶段，都出现了很多存在裂缝问题的工程，特别是大体积结构构件，如现浇楼板、地下筏板结构和地下连续墙结构极易出现收缩裂缝，屋面板由于受太阳直射易产生温度裂缝。裂缝严重影响到建筑的使用功能和美观，是工程设计和施工管理必须关注的问题。因此，如何准确分析混凝土裂缝的成因，如何有效地控制混凝土结构裂缝的出现以及如何经济、合理而有效地对混凝土裂缝进行处理这一研究课题，在当今社会就更显示出其紧迫性和重要的现实意义。本文以钢筋混凝土楼面/屋面裂缝为研究对象，分析其产生原因，并在此基础上提出相应的防止措施。
第一章钢筋混凝土裂缝的分类和机理
裂缝是指混凝土材料中的某种不连续现象，近代科学关于混凝土微观研究以及大量的工程实践所提供的经验数据表明：裂缝是一种可以接受的材料特征，结构物的裂缝是不可避免的，要想控制混凝土结构不开裂是很困难的，因而只能把裂缝宽度控制在一个合理的范围内(无害裂缝)。同时，结构的破坏和倒塌又都是从裂缝的扩展开始的，裂缝的扩展是结构破坏的初始阶段。因此，对混凝土结构的有害裂缝必须要引起高度重视，必须对其进行充分地调查、研究，分析出裂缝产生的真正原因，从而准确判断出裂缝的性质(有害或者无害)以及危害程度。
混凝土是由多种材料组成的非均质材料，在施工和使用的过程中出现不同程度和不同形式的裂缝，是相当普遍的现象。混凝土裂缝并非都是事故，从功能上讲，裂缝有有害裂缝和无害裂缝之分，不同裂缝的处理方法也不尽相同。由于混凝土组成材料、微观构造的不同和所受外界影响的不同，混凝土产生收缩裂缝的原因极其复杂，对结构功能的影响程度也是不一样的。混凝土裂缝种类及产生裂缝的原因有以下诸方面：
1.1塑性收缩裂缝
这种裂缝发生在混凝土浇筑后数小时仍处于塑性状态的时刻。发生这种裂缝的因素是多方面的，如混凝土早期养护不好，混凝土浇筑后表面没有及时覆盖，受风吹日晒，表面游离水蒸发过快，产生急剧的体积收缩，而此时混凝土强度很低，不能抵抗这种变形应力而导致开裂。
混凝土塑性收缩裂缝的量级很大，可达1％左右，一般出现在新浇筑构件表面，形状很不规则，类似干燥的泥浆，其宽度可大可小，小的细如发丝，大的可达数毫米，裂缝较浅，多为中间宽两头细，且长短不一，裂缝间距由数厘米到数米不等，互不贯通。大多在混凝土初凝后，外界风速大，气温高的情况下，或本身温度长时间过高(40℃以上)，而气候很干燥的情况下出现。塑性裂缝又叫龟裂，严格地讲属于干缩裂缝，出现很普遍。
防止这类裂缝的措施是：尽量降低混凝土的水化热，控制水灰比，采用合适的搅拌时间和浇筑措篪，以防止混凝土表面水分过快的蒸发。
1.2塑性沉降裂缝
在新拌混凝土中，骨料颗粒悬浮在一定稠度的胶结材浆体中，由于普通混凝土的浆体密度低于骨料，因而骨料在浆体中有下沉趋势。而浆体中水泥颗粒密度又大于粉煤灰并远大于水，从而使浆体中的粉煤灰与水向上漂移而产生沉降与离析、泌水现象。骨料下沉和水分上升会在水平钢筋底部和粗骨料底部积聚水分，干后形成空隙，还会使混凝土接近表面的部份由于粉煤灰组分多而降低强度。当下沉的固体颗粒遇到水平钢筋或受到侧面模板的摩擦阻力时，就会与周围的混凝土形成沉降差，在混凝土顶部表面形成塑性沉降裂缝。混凝土的坍落度越大，越易发生塑性沉降裂缝。
防止这种裂缝的方法是：采用合适的混凝土配合比(特别要控制水灰比)，防止模板沉陷，合适的振捣和养护等。在裂缝发生、混凝土塌落终止后，将混凝土表面重新抹面压光，可使裂缝闭合。
1.3干燥收缩裂缝
混凝土工程在硬化后，内部的游离水会由表及里逐渐蒸发失水，导致混凝土由表及里逐渐产生干燥收缩。在约束条件下，当收缩变形量导致的收缩应力大于混凝土的抗拉强度时，混凝土就会出现由表及里的干燥收缩裂缝。混凝土的干燥收缩是从施工阶段撤除养护开始的，早期的干燥收缩裂缝比较细微，往往不为人们所注意。随着时间推移，混凝土的蒸发量和干燥收缩量逐渐增大，裂缝也逐渐明显起来。一般混凝土90d干燥率为0.04%-0.06%，流动性混凝土为0.06%-0.08%，这是混凝土结构较普遍地发生裂缝的主要原因。干燥收缩裂缝在潮湿条件下可以逐渐缩减愈合，因此如果裂缝宽度不大于规定指标，对结构不致构成危害。
防止这类裂缝的措施是：改善水泥性能，合理减少水泥用量，降低水灰比，对结构合理分缝，配筋不要过高，降低材料含泥量，而加强潮湿养护尤为重要。
1.4温度收缩裂缝
混凝土是热的不良导体，传热很慢，混凝土浇筑后，在混凝上硬化初期，水泥的水化热使混凝土内部温度升高，一般每100Kg水泥可使混凝土温度升高10℃左右，加上混凝土的入模温度，在2-3d内，混凝土内部温度可达50~80℃，造成内外温差很大，形成温度梯度，而混凝土的线膨胀系数约为10×10-6／℃即温度每升高或降低10℃，混凝土会产生0.01%的线膨胀或收缩。经验表明，在无风天气，混凝土表面温度与环境气温之差大于25℃时，即出现肉眼可见的温差收缩裂缝。裂缝宽度一般在0.5mm左右。裂缝走向无规律性，有在构件表面较浅范围内的，有深入到构件内部较深的，深进和贯穿的温度裂缝对混凝土有很大的破坏性。
防止这种裂缝的主要措施是：合理地分层、分块、分缝，采用低热水泥，掺加拌合材料（如粉煤灰），埋入冷水管，预冷骨料，采用冰水，加强养护，注意天气预报，采取防寒措施。对于高温天气，要采取隔热措施，有时与防止干缩裂缝一起考虑。
1.5碳化收缩裂缝
碳化收缩是大气中的CO2在存在水的条件下与水泥水化产物作用生成CaC03仗、硅胶、铝胶和游离水而引起的表面体积收缩。产生收缩原因在于这些游离水的蒸发。碳化作用必定产生游离水，这些游离水蒸发时产生毛细管张力，从而引起浆体收缩。碳化作用的实质是碳酸对水泥石的腐蚀作用。而碳化收缩则是由于碳化作用所产生的游离水的蒸发引起，但浆体在充分干燥和水饱和的场合都不易产生碳化作用。因为在完全干燥的场合毛细管水己蒸发，CO2无法在毛细管中形成碳酸，因此无法与水化产物直接作用，当然也就不会产生碳化收缩。而在水饱和的状态下，CO2很难进入毛细孔内，也无法在毛细管内形成的碳酸。
正因为如此，碳化作用和碳化收缩均发生在混凝土表面。对碳化收缩影响最大的是相对湿度。由此所引起表面体积收缩，受到结构内部未碳化混凝土的约束而导致表面发生龟裂。在空气相对湿度较小的干燥环境中最为显著。另外在密闭不透风的地方，使用火炉加热保温，产生大量的CO2，常会使混凝土表面加快碳化，而产生这类裂缝。
1.6自身收缩裂缝
水泥在水化反应过程中，水化产物的绝对体积同水化前的水泥与水的体积之和相比有所减少的现象称水化收缩。硅酸盐水泥的水化收缩量约为l%-2%。水化收缩在初凝前表现为浆体的宏观体积收缩，初凝后则在已形成的水泥石骨架内生成孔隙。在水泥继续水化过程中不断消耗水分导致毛细孔中自由水减少，湿度降低，在外部养护水供应不充分的情况下，混凝土内部产生自干燥现象，由自干燥作用导致毛细孔内产生负压，引起混凝土内自干燥收缩。由于常态混凝土的水胶比较高，混凝土内有较为充裕的水分，在养护较好的情况下毛细管中很少出现缺水干燥现象，因而很少发生自生干燥收缩。对于水胶比小于0.35的混凝土，初凝后水化收缩与自生干缩率可达0.0l%-0.03%，据日本Tazawa的实验，水胶比0.2的加硅粉混凝土，2d自生干缩即高达0.05%。因此，对于水胶比低的混凝土，应在初凝时水泥石结构未到很密实的情况下及时饱水养护，否则极易产生混凝土自内而外的自生干缩裂缝。
第二章钢筋混凝土楼面/屋面裂缝成因分析
在前几年的住宅建设中，钢筋混凝土预制板是构成砖混结构房屋的重要构件，但是，其本身由于在构造上存在着一些致命的缺陷，即整体性及抗震性差，因此，在近几年的住宅建设中它逐步被钢筋混凝土现浇板所替代。现浇钢筋混凝土楼板对房屋的整体性、抗不均匀沉降性、结构安全性均有很大的提高。但也伴随产生了一些楼板裂缝的情况，大部分裂缝表现为：表面龟裂、纵向、横向裂缝、斜向裂缝等。虽然，这些裂缝一般被认为对使用无重大危害，但在实际设计与施工中仍有必要对其进行控制，特别是避免有害结构性裂缝的产生。
钢筋混凝土楼面/屋面裂缝的产生是应力集中的结果。但是裂缝的产生是多方面的原因共同作用的结果：内因是混凝土的材料性质、配合比和混凝土的结构设计情况，是保证混凝土结构正常使用，发挥结构性能的根据；外因是混凝土结构的受荷情况、施工状况等。下面从施工、设计及混凝土原材料等三方面的原因逐一进行具体分析。
2.1混凝土原材料方面的原因
（1）水泥凝结或膨胀不正常，如水泥安定性不稳定，水泥中含有生石灰或氧化镁，这些成分在和水化合后产生体积膨胀，产生裂缝。
（2）如果骨料中含泥量过多，则随着混凝土的干燥，会产生不规则的网状裂缝。
（3）碱----骨料反应：蛋白质、安山岩、玄武岩、辉绿岩、千枚岩等碱性骨料有可能与碱性很强的水泥起化学反应，生成有膨胀能力的碱--硅凝胶而引起混凝土膨胀破坏，产生裂缝。
（4）水灰比、塌落度过大，或使用过量粉砂混凝上强度值对水灰比的变化十分敏感，基本上是水和水泥计量变动对强度影响的叠加。因此，水、水泥、外渗混合材料外加剂溶液的计量偏差，将直接影响混凝土的强度。而采用含泥量大的粉砂配制的混凝土收缩大，抗拉强度低，容易因塑性收缩而产生裂缝，泵送砼为了满足泵送条件：坍落度大，流动性好，易产生局部粗骨料少、砂浆多的现象，此时，砼脱水干缩时，就会产生表面裂缝。
2.2施工质量方面的原因
（1）混凝土施工过分振捣，模板、垫层过于干燥混凝土浇筑振捣后，粗骨料沉落挤出水分、空气，表面呈现泌水而形成竖向体积缩小沉落，造成表面砂浆层，它比下层混凝土有较大的干缩性能，待水分蒸发后，易形成凝缩裂缝。而模板、垫层在浇筑混凝上之间洒水不够，过于干燥，则模板吸水量大，引起混凝土的塑性收缩，产生裂缝。
（2）混凝土浇捣后过分抹干压光会使混凝土的细骨料过多地浮到表面，形成含水量很大的水泥浆层，水泥浆中的氢氧化钙与空气中二氧化碳作用生成碳酸钙，引起表面体积碳水化收缩，导致混凝土板表面龟裂。
（3）施工工艺不当引起：在施工过程中由于施工工艺不当，致使支座处负筋下陷，保护层过大，固定支座变成塑性铰支座，使板上部沿梁支座处产生裂缝；楼板的弹性变形及支座处的负弯矩施工中在混凝土未达到规定强度，过早拆模，或者在混凝土未达到终凝时间就上荷载，造成混凝土楼板的弹性变形，致使砼早期强度低或无强度时，承受弯、压、拉应力，导致楼板产生内伤或断裂；大梁两侧的楼板不均匀沉降也会使支座产生负穹矩造成横向裂缝。
（4）后浇带施工不慎而造成的板面裂缝：为了解决钢筋混凝土收缩变形和温度应力，规范要求采用施工后浇带法，有些施工后浇带不完全按设计要求施工，例如施工未留企口缝；板的后浇带不支模板，造成斜坡搓；疏松混凝土未彻底凿除等都可能造成板面的裂缝。
（5）楼面垫层内铺设的暗装水管、电线套管铺设不当，如水管、电线套管铺设不够牢靠、集中铺设、上下交叠铺设致使水管、电线套管上皮在垫层厚度1/3以内，保护层厚度不足都可能造成板面沿管线长度方向产生裂缝。
（6）混凝土的收缩（温度裂缝）：众所周知，混凝土引起收缩的原因，在硬化初期主要是由于水泥的水化作用，形成一种新的水泥结晶体，这种结晶体化合物较原材料体积小，因而引起混凝土体积的收缩，即所谓的凝缩，后期主要是混凝土内自由水蒸发而引起的干缩。而且，如果混凝土处在一个温差变化较大的环境下，将会使其收缩更为加剧。如施工发生在夏季炎热气温下，石子表面温度升高，使石子体积膨胀，拌制成混凝土后，石子受冷收缩，使混凝土表面出现发丝裂缝；混凝土浇捣后未及时浇水养护，混凝土在较高温度下失水收缩，水化热释放量较大，而又未及时得到水分的补充，因而在硬化过程中，现浇板受到支座的约束，势必产生温度应力而出现裂缝，这些裂缝也首先产生在较薄弱的部位，即板角处。另外，室内外温差变化较大，也要引起一定的裂缝。
（7）目前在主体结构的施工过程中，普遍存在着质量与工期之间的较大矛盾。一般主体结构的楼层施工速度平均为5-7天左右一层，最快时甚至不足5天一层。因此当楼层混凝土浇筑完毕后不足24小时的养护时间，就忙着进行钢筋绑扎、材料吊运等施工活动，这就给大开间部位的房间雪上加霜。除了大开间的混凝土总收缩值较小开间要大的不利因素外，更容易在强度不足的情况下受材料吊卸冲击振动荷载的作用而引起不规则的受力裂缝。并且这些裂缝一旦形成，就难于闭合，形成永久性裂缝。
2.3设计方面的原因
（1）地基的不均匀沉降：在住宅建设中，有相当一部分的钢筋混凝土现浇板的裂缝，是由于地基不均匀沉降的原因而造成的。如在软土地基下采用扩展基础，则对于那些相对较长的条式楼来说，要想保正它们沉降均匀是相当困难的，因此，在这种情况下，有时也会由于基础的不均匀沉降，而引起楼房的拉裂和钢筋混凝土现浇板的开裂。
（2）荷载的作用：在住宅建设中，也有少部分钢筋混凝土现浇板的裂缝，是由于荷载作用方面的原因引起的。由于设计人员在进行现浇板的配筋计算过程中，通常只是根据其承载能力来确定配筋量的，而往往忽略了对板在正常使用阶段由其承受的荷载而引起的挠度及裂缝宽度的验算，由此而引起裂缝的产生，这些裂缝有时也会超过规范的最大允许值，这也应当引起足够的重视。
（3）结构体型突变及未设置必要的伸缩缝：房屋长度过长，而又未考虑设置伸缩缝，当房屋的自由伸缩达到应设置伸缩缝要求的间距时，就要引起裂缝的产生。另外，平面布局凹凸较多，即转角也越多，这些转角处由于应力集中形成薄弱部位，一受到混凝土收缩及温差变化易于产生裂缝。
（4）在楼房的设计中，设备专业特别是电气专业，大多将照明、有线电视、通讯等所需的管线直接敷设于现浇板中，而且有时集中于某一处现浇板中的管线多达7-8根，并且这些管线的直径多为2-3cm，由此就会使该处的现浇板厚度大大削弱，从而引起现浇板在该处开裂。
第三章钢筋混凝土楼面/屋面裂缝控制措施
虽然钢筋混凝土现浇板在使用过程中，存在出现裂缝这一重大缺陷，但它与预制板相比，还是优点要大于其缺点的，并且它的这一缺点在设计与施工过程中，可以通过一定的措施，使其影响控制在规范允许的范围内。现浇板的优点主要表现在结构性能方面，采用现浇板后，将使楼、屋盖的结构刚度及强度、
建筑物的整体抗震性能得到显著的提高。对于现浇板的裂缝问题，可以采取以下几个方面的措施，以减少或避免这些裂缝的出现。
3.1混凝土原材料质量方面的控制措施
（1）尽可能不使用民办小厂生产的水泥，如必须使用，应认真对水泥标号及安定性进行试验。不可盲目选择标号大的水泥，应选择适合本工程而且质量口碑过硬的水泥，控制混凝土的收缩变形。
（2）采取严把原材料进货关、认真地对进场砂石骨料进行检验，严格控制砂的粒径及含泥量。并做好各项试验，一经发现不合格材料进场必须立即停止使用并清除出场。
（3）严格控制混凝土施工配合比。根据混凝土强度等级和质量检验以及混凝土和易性的要求确定配合比，严格控制水和水泥用量，选择级配良好的石子，减小空隙率和砂率以减少收缩量，提高混凝土抗裂强度。
（4）严格控制砂的粒径及含泥量。混凝土用砂应采用中粗砂，如砂粒过细，砂的含泥量超过标准，不仅降低强度，也会使混凝土产生裂缝，这是因为泥的膨胀性大于水泥膨胀性的缘故。外加剂的选用一定要慎重，宜采用二次添加法，特别注意超细矿物质掺料对高强混凝土的性能影响，可以考虑采用微膨胀剂来减少混凝土的收缩。
（5）加强对商品混凝土质量的现场控制和验收。商品混凝土在出厂运输过程中和卸料时不可离析，不准随便加水和向运输泵车料斗中加水。泵送混凝土前，做好塌落度试验，塌落度超标的混凝土严禁使用。
（6）近十几年来，为实现文明施工，提高设备利用率，节约能源，商品混凝土的使用率逐年提高。但受剧烈的市场竞争，导致各商品砼厂商以采用大粉煤灰掺量，低价位、低性能的砼处掺剂，以及细度模数低、含泥量较高的中细砂作为降低价格和成本的主要竞争手段，导致商品混凝土质量显著下降；另一方面承包商在订购商品混凝土时，应根据工程的不同部位和性质提出对混凝土品质的明确要求，不能片面压价和追求低价格、低成本而忽视了混凝土的品质，导致混凝土性能下降和收缩裂缝增多。同时现场应逐车严格控制好商品混凝土的坍落度检查，以保证混凝土熟料的半成品质量。
3.2施工质量方面的控制措施
（1）在混凝土浇捣前，应先将基层和模板浇水湿透，避免过多吸收水分，浇捣过程中应尽量做到既振捣充分又避免过度。
（2）混凝土楼板浇筑完毕后，表面刮抹应限制到最小程度，防止在混凝土表面撒干水泥刮抹，并加强混凝土早期养护。楼板浇筑后，对板面应及时用材料覆盖、保温，认真养护，防止强风和烈日曝晒。
（3）严格施工操作程序，不盲目赶工。杜绝过早上传、上荷载和过早拆模。在楼板浇捣过程中更要派专人护筋，避免踩弯面负筋的现象发生。通过在大梁两侧的面层内配置通长的钢筋网片，承受支座负弯矩，避免因不均匀沉降而产生的裂缝。
（4）施工后浇带的施工应认真领会设计意图，制定施工方案，杜绝在后浇处出现混凝土不密实、不按图纸要求留企口缝，以及施工中钢筋被踩弯等现象。同时更要杜绝在未浇注混凝土前就将部分模板，支柱拆除而导致梁板形成悬臂，造成变形。
（5）对于较粗的线管或多根线管的集散处，可增设垂直于线管的抗裂短钢筋网加强，抗裂短钢筋采用Φ6-Φ8，间距≤150，两端的锚固长度应不小于300毫米。线管在敷设时应尽量避免立体交叉穿越，交叉布线处采用线盒，同时在多根线管的集散处宜采用放射形分布，尽量避免紧密平行排列，以确保线管底部的砼灌筑顺利和振捣密实。并且当线管数量众多，使集散口的砼截面大量削弱时，宜按预留孔洞构造要求在四周增设上下各2Φ12的井字形抗裂构造钢筋。
（6）对计划中的临时大开间面积材料吊卸堆放区域部位的模板支撑架在搭设前，就预先考虑采用加密立杆和搁栅增加模板支撑架刚度的加强措施，以增强刚度，减少变形来加强该区域的抗冲击振动荷载，并应在该区域的新筑砼表面上铺设旧木模加以保护和扩散应力，进一步防止裂缝的发生。
（7）加强对楼面砼的养护：砼的保湿养护对其强度增长和各类性能的提高十分重要，特别是早期的妥善养护可以避免表面脱水并大量减少砼初期伸缩裂缝发生。但实际施工中，由于抢赶工期和浇水将影响弹线及施工人员作业，因此楼面砼往往缺乏较充分和较足够的浇水养护延续时间。为此，施工中必须坚持