普通混凝土裂缝的成因探究
普通混凝土裂缝的产生，是一个涉及多方面因素的复杂问题。这些因素可能包括材料特性、施工工艺、环境条件等。深入了解这些原因，对于有效预防和处理混凝土裂缝至关重要。
荷载导致的裂缝
混凝土在承受常规静、动荷载以及次应力时，会产生不同类型的裂缝，这些裂缝统称为荷载裂缝。它们主要包括直接应力裂缝和次应力裂缝。
直接应力裂缝是由外荷载直接引起的应力所导致的裂缝，而次应力裂缝则是外荷载引发的次生应力所造成的。这两种裂缝的特征会因荷载的不同而有所差异，但它们通常出现在混凝土的受拉区、受剪区或振动剧烈的区域。
值得注意的是，如果受压区出现起皮现象或沿受压方向出现短裂缝，这往往是结构承载力达到极限的征兆，预示着结构即将破坏。这种情况通常是由于截面尺寸设计过小所引起的。
2. 收缩裂缝
混凝土因其热胀冷缩的特性，在遭遇外部环境或结构内部温度变化时，会产生变形。若这种变形受到限制，结构内部便会形成应力，一旦这种应力超过混凝土的抗拉强度，便会导致温度裂缝的产生。特别是在某些大跨径桥梁中，由于温度变化引发的应力甚至可能超越活载应力。温度裂缝的特点在于其会随着温度的升降而相应地扩展或收缩。
3. 荷载引起的裂缝
在混凝土工程中，由收缩引起的裂缝是一个普遍存在的问题。混凝土收缩的主要类型包括塑性收缩、缩水收缩（干缩）、自生收缩和炭化收缩。
塑性收缩通常发生在混凝土浇筑后的4~5小时内，此时水泥水化反应剧烈，导致混凝土失水收缩。由于混凝土此时尚未硬化，骨料因自重下沉，若受到钢筋阻挡，便会产生沿钢筋方向的裂缝。此外，在构件的竖向变截面处，如T梁和箱梁的腹板与顶底板交接处，由于硬化前的沉实不均匀，也可能发生顺腹板方向的裂缝。
为减少混凝土塑性收缩，施工时需要控制水灰比，避免过长时间的搅拌，同时确保下料缓慢、振捣密实，并在竖向变截面处采用分层浇筑的方法。另一方面，缩水收缩（干缩）则是混凝土结硬后，随着表层水分逐渐蒸发而产生的体积减小现象。由于混凝土表层水分散失速度快于内部，因此会产生表面收缩大、内部收缩小的现象，当表面混凝土承受的拉力超过其抗拉强度时，便会产生收缩裂缝。
此外，自生收缩是由水泥与水的水化反应引起的，这种收缩与外界湿度无关。而炭化收缩则是大气中的二氧化碳与水泥水化物发生化学反应所导致的。需要注意的是，炭化收缩一般只在湿度约为50%的环境下发生，且随二氧化碳浓度的增加而加速，但通常在计算中并不考虑。
混凝土收缩裂缝的特点是多数为表面裂缝，裂缝宽度较细，且呈现纵横交错、形似龟裂的形态，其分布没有任何明显规律。
4. 地基础变形导致的裂缝
当地基出现竖向不均匀沉降或水平方向位移时，会给结构带来额外的应力，当这些应力超出混凝土的抗拉强度时，便会导致结构开裂。
5. 钢筋锈蚀引发的裂缝
当混凝土质量欠佳或保护层厚度不够时，混凝土保护层会受到二氧化碳的侵蚀，导致钢筋周围的混凝土碱度降低。同时，若氯化物介入，钢筋周围的氯离子含量会升高，进而破坏钢筋表面的氧化膜。这样，钢筋中的铁离子会与侵入混凝土中的氧气和水分发生锈蚀反应，其产生的锈蚀物氢氧化铁体积会增大至原来的2~4倍，从而对周围混凝土产生膨胀应力，最终引发保护层混凝土的开裂和剥离，沿着钢筋纵向形成裂缝，并伴有锈迹渗出至混凝土表面。
钢筋锈蚀不仅会减小其有效断面面积，削弱钢筋与混凝土的握裹力，还会导致结构承载力下降，并可能诱发其他形式的裂缝，进一步加剧钢筋锈蚀，最终造成结构破坏。因此，在设计中应严格遵循规范要求，控制裂缝宽度，并确保足够的保护层厚度（但也要注意避免保护层过厚，以免减小构件的有效高度，增大受力时的裂缝宽度）。同时，在施工中应控制混凝土的水灰比，加强振捣以确保混凝土的密实性，从而防止氧气侵入。此外，还应严格控制含氯盐的外加剂用量，特别是在沿海地区或其他存在强腐蚀性空气和地下水的地区，更是需要格外谨慎。
6. 冻胀引发的裂缝
当大气温度降至零度以下时，吸水饱和的混凝土会开始冰冻，其中游离的水分转变为冰，造成体积膨胀达9%。这一过程产生的膨胀应力会对混凝土造成影响。同时，混凝土凝胶孔中存在过冷水（结冰温度低于-78度），这些水在微观结构中迁移并重新分布，形成渗透压，进一步加剧了混凝土内的膨胀力，导致强度降低并出现裂缝。
特别是在混凝土初凝阶段，受冻的影响最为显著，成龄后的混凝土强度可能损失高达30%~50%。此外，在冬季施工过程中，若预应力孔道灌浆后未采取适当的保温措施，也可能导致沿管道方向的冻胀裂缝出现。
7. 施工材料质量引发的裂缝
混凝土作为一种复合材料，其组成成分包括水泥、砂、骨料、拌和水以及外加剂。若在配置过程中使用了质量不合格的材料，便有可能导致结构出现裂缝。
8. 施工工艺质量导致的裂缝
在混凝土结构的施工过程中，包括浇筑、构件制作、起模、运输、堆放、拼装以及吊装等各个环节，若施工工艺不当或施工质量不佳，都可能引发各类裂缝，如纵向、横向、斜向、竖向、水平、表面、深进以及贯穿性裂缝。这些裂缝在细长薄壁结构中尤为常见，其出现的位置、方向和宽度均与产生原因密切相关。接下来，我们将探讨普通混凝土裂缝的处理方法。
1、表面修复
表面修复是处理混凝土裂缝的常用方法之一。具体包括压实抹平、涂抹环氧粘结剂、喷涂水泥砂浆或细石混凝土、压抹环氧胶泥、使用环氧树脂粘贴下班丝布、增加整体面层以及钢锚栓缝合等。这些方法适用于不同类型的裂缝，如细而浅的裂缝、发丝裂缝、不漏水的缝、不伸缩的裂缝以及不再活动的裂缝等。此外，对于大面积漏水的情况，如蜂窝麻面或变形缝，也可以采用表面贴补法进行处理，即使用土工膜或其他防水片进行覆盖和修补。
2、局部修复法
局部修复法包括充填法、预应力法以及部分凿除后重新浇筑混凝土等方法。对于较宽的裂缝，通常采用修补材料进行直接填充，这种方法操作简便且成本低廉。若裂缝宽度小于0.3mm、深度较浅，或裂缝中存在充填物导致灌浆法效果不佳，以及需要进行小规模裂缝的简易处理，可以采取开V型槽的方式进行填充处理。
3、水泥压力灌浆法
水泥压力灌浆法适用于宽度≥0.5mm的稳定裂缝修复。这种方法应用范围广泛，无论是细微裂缝还是大裂缝，都能取得良好的处理效果。通过压送设备（压力控制在0.2~0.4Mpa之间），将补缝浆液注入混凝土裂隙中，从而实现闭塞裂缝的目的。该方法虽然属于传统技术，但效果依然非常出色。另外，利用弹性补缝器将注缝胶直接注入裂缝，无需电力支持，操作简便且效果同样理想。
4、化学灌浆
化学灌浆技术适用于宽度≥0.05mm的细小裂缝。通过注入专用化学材料，这些裂缝能够得到有效的封闭和强化。
5、减少结构内力
为了减少结构内力，可以采取多种方法，例如卸荷或控制荷载，设置专门的卸荷结构，增设支点或支撑，以及将简支梁改为连续梁等。这些措施能够有效地降低结构所承受的内力，从而增强其稳定性。
6、结构补强
结构补强是针对因超荷载、长时间未处理的裂缝以及火灾等导致的结构强度受损所采取的措施。常用的方法包括增加钢筋、加厚板、外包钢筋混凝土、外包钢、粘贴钢板以及预应力补强体系等。此外，还有断面补强法、锚固补强法、预应力法等具体方法可供选择。对于混凝土裂缝处理效果的检查，则包括修补材料试验、钻心取样试验、压水试验以及压气试验等多种手段。
7、调整结构方案，提升整体刚度
针对框架结构中的裂缝问题，可以采取增设隔板深梁的方法进行处理，以增强结构的整体刚度。
8、混凝土置换法
混凝土置换法是一种针对严重受损混凝土的行之有效的处理方法。该方法首先涉及将受损的混凝土部分彻底清除，随后再填入新的混凝土或其他适宜材料。常见的置换材料包括普通混凝土、水泥砂浆，以及聚合物或改性聚合物混凝土和砂浆等。
9、电化学防护法
电化学防护法通过在介质中施加电场，利用电化学作用来改变混凝土或钢筋混凝土的环境状态，从而钝化钢筋，实现防腐效果。其中，阴极防护法、氯盐提取法以及碱性复原法是该领域内广泛采用且有效的三种技术手段。
这一方法的显著优势在于其防护效果相对稳定，不易受环境条件的影响，并且适用于钢筋和混凝土的长期防腐需求，无论是已开裂的结构还是新建结构均可得到有效保护。
10、仿生自愈合法
仿生自愈合法是一种创新的裂缝处理技术，其灵感源于生物体对创伤的自我修复机制。通过在混凝土中巧妙地加入含粘结剂的液芯纤维或胶囊等特殊组分，该方法构建了一个智能型的仿生自愈合系统。一旦混凝土产生裂缝，这些预先埋入的纤维会分泌出具有愈合能力的物质，从而促使裂缝自行闭合。这种方法的独特之处在于其智能性和自愈合能力，为混凝土结构的长期耐久性提供了有力保障。
11、其他处理方法
除了仿生自愈合法，还有拆除重做、改善结构使用条件、以及通过试验或分析论证决定是否处理等常用方法。
大体积混凝土裂缝的成因
大体积混凝土结构中，由于结构截面大、水泥用量多，水泥水化所释放的大量水化热会导致温度变化和收缩作用显著。这种温度收缩应力是引发钢筋混凝土裂缝的主要因素。裂缝可分为表面裂缝和贯通裂缝两种。表面裂缝是由于混凝土内外散热条件差异造成的，而贯通裂缝则是在混凝土强度发展到一定程度后，因降温和失水收缩受到约束而产生的拉应力超过混凝土抗拉强度所致。这些裂缝均属有害裂缝，对结构耐久性构成威胁。
此外，高强度混凝土由于早期收缩较大，也容易产生裂缝。这主要是由于高强混凝土中矿物细掺合料替代水泥的比例较高，高效减水剂的使用以及较低的水胶比，这些都改善了混凝土的微观结构，赋予了高强混凝土诸多优良特性。然而，这也增加了混凝土收缩裂缝的风险。高强混凝土的收缩主要包括干燥收缩、温度收缩、塑性收缩、化学收缩和自收缩等多种形式。根据混凝土初现裂纹的时间，可以进一步判断裂纹的具体原因。例如，塑性收缩裂纹多在浇筑后几小时到十几小时内出现，而温度收缩裂纹则大约在浇筑后2到10天内显现。自收缩主要发生在混凝土凝结硬化后的几天到几十天内，而干燥收缩裂纹则多出现在接近1年龄期内。
1、干燥收缩
当混凝土暴露在不饱和空气中，其内部毛细孔和凝胶孔所吸附的水分逐渐失去，导致混凝土发生干缩现象。值得注意的是，高性能混凝土因其较低的孔隙率，相较于普通混凝土，其干缩率也相应较低。
2、塑性收缩
塑性收缩是混凝土在硬化前的塑性阶段所面临的问题。由于高强混凝土的水胶比相对较低，其自由水分含量较少。同时，矿物细掺合料对水分的敏感性较高，导致高强混凝土几乎不泌水，表面水分散失速度更快。因此，高强混凝土相较于普通混凝土，其塑性收缩问题更易出现。
3、自收缩
随着水泥水化的进行，混凝土内部的相对湿度逐渐降低，这一现象被称为自干燥。自干燥使得毛细孔中的水分变得不饱和，从而产生负压，进而引发混凝土的自收缩。对于高强混凝土而言，其低水胶比特性导致自由水消耗迅速，使得孔体系中的相对湿度在早期就降至80%以下。由于高强混凝土结构致密，外界水分难以渗入补充，这进一步加剧了混凝土的自收缩。在总收缩方面，高强混凝土中干缩与自收缩的比例相当，且随着水胶比的降低，自收缩所占的比例逐渐增大。这与普通混凝土以干缩为主的情况截然不同，高强混凝土则以自收缩为主。
4、温度收缩
对于需要较高强度的混凝土，其水泥用量相应增加，从而产生更多的水化热。这使得温升速度加快，通常可达到3540℃，若再加上初始温度，最高温度甚至可能超过7080℃。由于一般混凝土的热膨胀系数为10×10-6/℃，当温度下降2025℃时，会产生22.5×10-4的冷缩量。然而，混凝土的极限拉伸值仅为1~1.5×10-4，因此这种冷缩往往会导致混凝土开裂。
5、化学收缩
水泥水化过程中，固相体积有所增加，但水泥-水体系的总体积却呈现减小趋势，这主要是由于水化反应形成了众多毛细孔缝。在高强混凝土中，由于水胶比相对较小，且掺入了矿物细掺合料，其水化程度受到一定限制，因此高强混凝土的化学收缩量相较于普通混凝土而言要小一些。
然而，当混凝土发生收缩并受到外部或内部的约束时，会产生拉应力，这有可能导致混凝土开裂。值得注意的是，尽管高强混凝土具有较高的抗拉强度，但其弹性模量也相应较高。在相同的收缩变形情况下，高强混凝土会产生更高的拉应力。同时，由于高强混凝土的徐变能力相对较低，应力松弛量较小，这使得高强混凝土的抗裂性能相对较差。
大体积混凝土的有害与无害裂缝判别标准
在核安全领域，与反应堆厂房底板、安全壳筒身及穹顶、汽轮机厂房蜗壳泵等关键部位密切相关的钢筋混凝土结构，原则上是不允许出现裂缝的。然而，由于众多因素的影响，裂缝的产生往往不可避免。为了更明确地判断混凝土裂缝是否构成危害，福清核电的相关单位（包括业主、监理、工程公司和施工单位）经过深入探讨，共同制定了混凝土裂缝的判别标准。
1、无害裂缝的标准为：
然而，当裂缝满足以下任一条件时，应视为有害裂缝：
此外，B代表沿裂缝长方向的结构宽度，常用于描述浇筑后的沉缩或塑性裂缝等特定情况。
无害裂缝的处理方法
在建筑领域，无害裂缝的处理是一个不可忽视的环节。这些裂缝虽然不会对结构造成实质性损害，但如果不加以妥善处理，可能会影响建筑的美观和耐久性。因此，掌握有效的无害裂缝处理方法显得尤为重要。
1、二次压面法
对于新浇混凝土产生的收缩裂缝，这通常出现在新浇筑且暴露在空气中的结构构件表面。这类裂缝包括塑态收缩、沉降收缩、干燥收缩、碳化收缩和凝结收缩等，其特点是宽度和深度均不大。针对这类裂缝，可以采取二次压面法进行处理。
1）若混凝土仍保持塑性，可简单地采用压抹一遍的方式进行处理，并确保充分的养护。
2）若混凝土已硬化，需向裂缝内注入水泥浆，随后用铁抹子将表面抹平并压实。
接下来，我们介绍另一种方法——表面涂抹砂浆法。首先，在裂缝周围的混凝土表面进行凿毛处理，或沿着裂缝凿成深15-20mm、宽100-200mm的凹槽，并清理干净、洒水湿润。接着，刷一层水泥净浆（或适用的界面剂），然后分2-3层涂抹1：1～2的水泥砂浆，总厚度控制在10～20mm，并压光。若存在渗漏水情况，需交替涂抹水泥净浆和水泥砂浆，并掺入适量的氯化铁防水剂，涂抹后覆盖并洒水养护3-4小时。
3、采用环氧胶泥涂抹（或粘贴环氧玻璃布）的方法
在涂抹前，必须彻底清洗裂缝附近的表面，清除油污，可用丙酮或二甲苯进行擦洗，并确保表面干燥。对于较宽的裂缝，应使用环氧胶泥进行填塞，并均匀地涂抹和压平胶泥，其宽度控制在80-100mm范围内。若基层干燥有困难，可以选择使用环氧煤焦油胶泥。若需要粘贴环氧玻璃布，应先对玻璃布进行脱钠和干燥处理，并根据具体情况决定是否采用“一布二油”或“二布三油”的工艺，同时确保第二层布的边缘比下一层宽出10～15mm。
4、采用表面凿槽嵌补法
当混凝土裂缝稀少但深度较大时，可沿裂缝方向凿出一条V型或U型槽。槽内表面需精心修整并清洗干净，同时保持干燥状态。接下来，将刚性材料如水泥砂浆或环氧胶泥，或柔性材料如聚氯乙烯胶泥、沥青油膏等填入槽内进行密封。在密封材料嵌入前，需先涂刷一层与嵌填材料混凝土性质相匹配的稀释涂料（可根据需要决定是否加设砂浆保护层），具体操作可参考图1。
图1 表面凿槽修补裂缝的处理方法
（a）常规裂缝处理
（b）渗水裂缝处理
（c）活动裂缝处理
（d）活动裂缝扩展后的情况
图中的符号解释：
1—裂缝；2—水泥砂浆或环氧胶泥；3—聚氧乙烯；4—1:2.5水泥砂浆或刚性防水五层做法；5—密封材料；6—隔离缓冲区；B—槽宽；δ—裂缝活动距离。
此外，对于施工缝表面的裂缝，处理时可以采取以下措施：在浇筑与其连接的施工段混凝土之前，按照表面凿槽嵌补法的要求，在裂缝位置处凿出V型或U型槽。请注意，该槽内无需填充其他材料，只需由该连接施工段浇筑的结构混凝土自然填充，从而确保施工缝处的混凝土质量。
5、表面贴条法
对于那些在多个平面内移动且存在防水需求，无法通过凿槽进行修补的活裂缝，我们可以采用一种称为表面贴条的方法进行处理。具体来说，就是将一条柔性的聚丁橡胶密封条放置在裂缝之上，并利用聚丁橡胶粘结剂将其边缘与混凝土紧密粘结（见图2）。这样，密封条的中部就可以随着裂缝的活动而自由移动。若裂缝较长，可以分段进行粘结和密封，同时确保每段密封条的连接处都采用聚丁橡胶粘贴搭接，并注意将搭接处的上下压搓切成斜面，以确保搭接长度达到100mm。
图2 柔性密封条的表面贴覆
在采用表面贴条法处理活裂缝时，我们需要将一条柔性的聚丁橡胶密封条紧密地贴附在裂缝之上，并利用聚丁橡胶粘结剂将密封条的边缘与混凝土牢固地粘结在一起。这样，密封条的中部就可以随着裂缝的活动而自由地移动，从而实现对活裂缝的有效密封。如果裂缝的长度较长，我们可以将其分段进行粘结和密封，同时要确保每段密封条的连接处都采用聚丁橡胶进行粘贴搭接，并注意将搭接处的上下压搓切成斜面，以确保搭接的长度达到100mm。
1—裂缝 2—油毡或塑料隔离层；3—聚丁橡胶密封条；4—粘结剂
有害裂缝的处理方法主要涉及四个步骤。首先，在裂缝处铺设一层油毡或塑料隔离层，以起到保护作用。接着，将柔性的聚丁橡胶密封条紧密贴附在裂缝之上，利用粘结剂将密封条边缘与混凝土牢固粘结。这样，密封条中部便能随裂缝活动而自由移动，从而实现有效密封。若裂缝较长，可分段进行粘结和密封，并确保每段密封条连接处都采用聚丁橡胶进行粘贴搭接，同时注意将搭接处上下压搓切成斜面，以保证搭接长度达到100mm。
1、水泥灌浆法
钻孔是水泥灌浆法的首要步骤。采用风钻进行钻孔，孔距控制在1-1.5米之间。除浅孔采用骑缝孔外，一般孔轴线与裂缝呈30—45度的斜角（见图3）。钻孔的深度应确保穿过裂缝面至少0.5米以上。若需设置两排或以上钻孔，则应交叉或呈梅花形进行布置。
图3 钻孔示意
在水泥灌浆法中，钻孔是至关重要的步骤。为了确保灌浆效果，钻孔的方向和深度都需严格控制。通常情况下，孔轴线与裂缝会呈30—45度的斜角，这样能更好地将灌浆材料注入裂缝中。同时，钻孔的深度至少要穿过裂缝面0.5米以上，以确保灌浆的充分性和有效性。如果需要设置多排钻孔，那么这些钻孔应交叉或呈梅花形进行合理布置，以提高灌浆的整体效果。
图3 钻孔示意
在水泥灌浆法中，钻孔后的处理流程同样至关重要。首先，钻孔完成后，必须用水进行冲洗，确保裂缝和孔洞的清洁。接下来是密封步骤，清洗后的缝面需涂抹1：1～2的水泥砂浆或环氧胶泥，以增强灌浆材料的粘附力。之后是埋管环节，通常选用ø19-38的钢管作为灌浆管，钢管外壁需用生胶带紧密缠绕，然后旋入孔中。孔中管壁周围的空隙需用水泥砂浆或硫磺砂浆封堵，以防止灌浆过程中的冒浆或管路脱出。
紧接着是试压阶段，通过0.1-0.2MPa压力水进行渗水试验，检查裂缝和管路的畅通情况。试验过程中，需关闭排气孔，检查止浆堵漏效果，并确保缝面湿润，以利于后续的粘结。最后是灌浆环节，选用合格且经设计批准的注射性水泥进行填缝。水泥净浆的水灰比控制在0.4，灌浆压力维持在0.3—0.5MPa。在整条裂缝处理完毕后，应确保孔内充满净浆，并填入净砂用棒捣实，以保证灌浆的密实性。
2、化学灌浆法
在化学灌浆法中，钻孔是首要步骤。通常采用风钻进行钻孔，孔距根据实际情况设定，范围在1-15米之间。钻孔方向一般与裂缝轴线呈30-45度斜角（具体见图3），且孔深需超过裂缝面0.5米以上。若需布置两排或以上的钻孔，建议采用交叉或梅花形布局。
紧接着是密封环节，清洗后的缝面需涂抹1：1至2的水泥砂浆或环氧胶泥，以增强灌浆材料的粘附力。
之后是埋管，通常选用ø19-38的钢管作为灌浆管，钢管外壁需用生胶带紧密缠绕，然后旋入孔中。孔中管壁周围的空隙则用水泥砂浆或硫磺砂浆进行封堵，以防止灌浆过程中的冒浆或管路脱出。
接下来是试压阶段，通过0.2-0.3MPa的压缩空气进行压力试验，检查裂缝和管路的密封性能。
最后是灌浆环节，选用环氧树脂浆液进行填缝。在整条裂缝处理完毕后，应确保孔内充满净浆，并填入净砂用棒捣实，以保证灌浆的密实性。
