1、预应力 T 梁横向裂缝的原因分析和处理 摘 要：本篇以学习借鉴别人有关资料而用来分析工地 T梁横向裂缝的实际问题，并非全为自己实作感受所得，仅为在工地相互交流，共同学习认识提高之用，此整理仅作记。 一、高强混凝土裂缝成因涉及的范围： 混凝土裂缝的产生主要是由于混凝土在约束条件下的体积变形引起。体积变形可分为膨胀变形和收缩变形。混凝土的收缩变形主要又有沉降收缩，自缩（也称 “ 自收缩 ” ），碳化收缩，温度收缩（简称 “ 冷缩 ” ），干燥收缩（简称 “ 干缩 ” ）各种表现形式。干燥收缩是指环境相对湿度小于 100%情况下产生的收缩，是一个很长的过程，其影响往往大于其它收缩变形，是一个值得重点
2、关注的对象。冷缩、干缩和基础不均匀沉降等引起的裂缝占绝大部分。混凝土裂缝成因涉及到结构的设计，施工技术，原材料质量，施工环境条件等各方面的因素。影响面宽，涉及的范围广 ，是个多因素的复杂问题。据所掌握的零星点滴认识记述于后，以便对照具体情况分析各开裂因素的影响。 1、混凝土集料和性质的影响： 胶凝材料体系对混凝土早期收缩开裂的影响很大。近年来片面追求提高水泥的早强和高强度，增加水泥单位用量，加细水泥的颗粒细度，添加高效减水剂等方法来达到目的，也导致与水泥的相容性不好的问题多有发生，导致水化热等问题的加剧，也增加了高强混凝土开裂的风险性。水泥磨细度增加会显著降低胶凝体系的抗裂性能，片面增加强度的
3、保险系数而引起的混凝土的水灰比降低也会对混凝土的抗裂性能不利 ，因此，尽可能用低水泥用量或掺加有粉煤灰或矿渣粉等的胶凝体系抗裂性能明显提高。但对高强混凝土中增加添加剂又往往为常规认识所不能真正理解。通过有关试验分析结论：从各个因素的影响程度由大到小来看，对纯硅酸盐水泥体系开裂的时间影响排序为：粉磨细度、水灰比、养护温度、碱含量、二氧化硫含量。 在胶凝材料浆体组成一定时，骨料体积含量越大收缩值越小，骨料体积在 68-70%范围内变化，对收缩影响最为敏感，当含量大于 70%时，最为有效。骨料中含泥量要最少，避免使用粒径分布集中的级配料，可在一定程度上减少混凝土的干缩 裂缝。 2、外加剂的影响： 减
4、水剂对砂浆干缩的影响： 目前为提高混凝土的强度所用的减水剂常有木钙磺酸盐类，糖密减水剂类，萘磺酸盐甲醛浓缩物减水剂、磺化三聚氰胺甲醛减水剂、氨基磺酸盐高效减水剂类，聚羧酸（ -COOH）羧基高效减水剂类。经过几代产品的发展，减水率趋势逐渐由 10%提高到 20%再到 30%左右。经科学试验表明：聚羧酸系高效减水剂使混凝土胶浆液表张力最低；氨基磺酸盐减水剂次之；而掺FDN 减水剂液面张力最高（略低于水表面张力，张力越高自生收缩性越大）；聚羧酸减水剂碱含量最低 ，而氨基磺酸盐碱含量与高浓缩型 FDN接近。因其减水率较高，与 FDN 掺相同减水率的碱含量较 FDN 低， FDN 碱含量最高。萘系外加
5、剂的掺用是常用手段，这也是导致低水胶比水泥基材自缩大的原因之一。增加 FDN掺量对混凝土抵抗收缩开裂带来不利影响。故常用木钙、糖密以及萘系高效减水剂虽可降低混凝土用水量或提高强度，并不能降低混凝土的干燥收缩。其中 FDN增加收缩比其它更较明显，其次是木钙，最后为糖密减水剂。而新一代聚羧酸高效减水剂，其含碱量和表面张力较其它有明显优势。常规掺量内既减水又不增加收缩，效果好。 在保持 单位体积用水量和骨料相同（既浆体体积含量也相同）的情况下，掺减水剂对砂浆干缩值的影响与采用的减水剂种类和水灰比有关。水灰比在 0.3至 0.4时，掺高效减水剂干缩值比空白样明显增加，而且水灰比越小，干缩值增加的幅度越
6、大；而水灰比为 0.5时，掺高效减水剂对干缩值影响较小。 掺减水剂使试件较早开裂，而且裂缝总宽度增加。开裂时对应的干缩值通常较低，而开裂后单位干缩值引起的裂纹宽度较大。 掺减水剂使砂浆干缩值发生变化的原因为：使水泥颗粒分散而细化毛细管，从而增大干缩值；改善过渡区的结构，减少了由于开 裂而引起的应力释放，从而使干缩值增大；降低溶液表面张力和降低毛细管张力，从而减少干缩值这主要是减水剂才能做到的；影响砂浆的强度，使砂浆抵抗变形的能力改变，从而对干缩值产生影响。 膨账剂的影响： 膨账剂的主要特性是掺入后能起抗裂防渗作用，补偿混凝土在硬化中的收缩，在限制条件下成自应力混凝土。 在水泥混凝土领域运用较多
7、的有铝粉和其它主要四种：钙矾石类膨账剂；MgO水化为 Mg(OH)2;CaO水化为 Ca(OH)2; 以及 Fe2O3水化为 Fe(OH)3。作为其膨账源的钙矾石 CaA(3CaSO4-32H2O)的成分生成必需要有充足的水分提供保证，过去高水胶比低强度等级混凝土较易满足；在低水胶比高性能混凝土中，水分不能完全提供，还需从外部满足，加强养护很重要。当然掺量有度，用量超过补偿收缩范围也有可能引起开裂。 减缩剂的影响： 减缩剂（ SRA）与通过膨账来补偿收缩的膨账剂原理完全不同，有机化学减缩剂主要依靠降低孔隙溶液的表面张力来抑制混凝土的收缩，由于减缩过程不依赖水源，因此对干燥环境下的收缩具有更好的
8、抑制作用。掺量为 2%时，高强混凝土 3d和 28d的总收缩分别降低 41%和 27%。试件高强混凝土环的开裂时间延迟，各龄期最大裂缝宽度减小。因此， SRA 减缩剂能明显降低高强混凝土的收缩开裂趋势， SRA 涂刷于表面也可作表面养护剂用，也能减少试件干燥收缩， 90 天干燥收缩减少了 25%35% 左右。 江苏建筑材料学科学研究院有限公司研究了有机减缩剂对不同强度等级混凝土干缩和自缩的抑制效果及机理。见下表： 减缩剂对表面张力的影响 类别 比表面张力 /（ MN/m） 比表面张力下降 （ %） 水溶液 65.1 0 SRA2%水溶液 42.7 34.4 SRA4%水溶液 39.3 39.6
9、 SRA6%水溶液 36.2 44.4 SRA10%水溶液 32.7 50.0 SRA100% 26.2 59.8 纯减缩剂的表面张力比水小 59.8%。表面张力的显著降低，可以降低水泥石中毛细管张力，减缩剂对水泥试件体的重量变化无明显影响，却能减少干缩，对自缩也有明显的减小。 防冻剂的影响： 抗冻化学剂一般为氯盐（ CaCI2,NaCI）可降低水的冰点，保持水泥的缓慢凝结硬化不致中断，但易使钢 筋生绣。采用氯盐阻锈防冻剂时，其中的亚硝酸钠或与复合剂中的硫酸钙会提高碱含量，增大诱发开裂因素。 3、混凝土的水胶比、配合比、配制参数的原则： 混凝土的性能除原材料的集料和性质，外掺剂对水泥石的影响外
10、，还与各种材料的配合比例关系密切，控制配制材料的比例参数很重要。 水胶比与收缩的影响： 混凝土水胶比越低，毛细管细，水化液面下降成月牙形，液表张力大而自生塑性收缩大；反之，水胶比越高，毛细管粗，除水化反应后（自缩小）多余水分的蒸发量大又形成干燥收缩率大导致混凝土开裂；自 生收缩与干燥收缩与水胶比高低互成反比变化。当然水胶浆多，用水泥量大也增大干燥收缩不利因素。 配比参数的控制原则： A、骨料体积含量最大原则： 在胶凝材料浆体组成一定时，骨料体积含量越大，收缩值越小。骨料体积在 68-70%范围内变化，对收缩影响最为敏感，当含量大于 70 %时，最为有效。 B、最佳水灰比范围原则： 骨料体积含量
11、一定时，存在使混凝土收缩变形小的胶凝材料浆体组成，此时， 0.500.60 为最佳水灰比范围。在最佳水灰比下，单位用水量的变化对混凝土 收缩变形的影响并不显著。 C、最佳石子的级配原则： 避免使用粒径分布集中，中间粒料颗粒少的粗骨料，采用少量小粒径石子调整级配，使粗骨料级配曲线接近级配要求范围的下限，且含有一定量的 2.510mm 骨料时（即级配曲线小于 10mm 部分接近级配范围下限）可在一定程度上减少混凝土的干燥收缩。 D、集料含泥量极少原则： 集料中含泥量高，影响胶浆与骨料的粘接力，降低强度又易产生微裂缝。 4、施工技术上的影响： 有好质量的原材料，好的外加剂和合理的胶浆比和配合 比，拌
12、制成满足要求工作度的混和料，在继后一步的操作中不当，造成浆体与骨料的不均匀性，不密实性，也会带来不佳的效果。容易形成裂缝隐患。 布料不均匀性，不即时性：施工中混凝土料供料不均衡，时缺时积，布料过厚过薄，导致混凝土泌水、离析、初凝、含接冷缝等。 混凝土过振，漏振，欠振，造成蜂窝麻面，孔洞，石沉浆浮，导致硬化应力差而开裂。 保证构件保护层厚度，不削弱尺寸。 养护到位，湿度充分，为水化和蒸发供水充足。 预应力张拉顺序合理，力度控制谨严准确。操作均衡 稳重。 灌浆即时，浆体稠度合理可行，力求饱满。 切丝按规定操作，封锚合理。 5、施工环境条件的影响： 季节气温变化差影响 日温差梯度对混凝土初凝的影响
13、空气湿度，日照，大风冰雪变化的影响。冰冻融性影响。 6、结构设计方面的因素： 受力钢筋布置和含量情况。 结构尺寸的合理性，保护层厚度的合理性。 确定拉力的大小的影响。 结构薄弱部位的控制，不利环境的施工操作考虑方面。 二、 混凝土常有裂缝分类和成因 混凝土是由水泥、掺合料、外加剂与水配制的胶结材料浆体将分散的砂、石经搅拌在一起的工程材料。硬结的混凝土含固相、液相、气相，是一种多元、多相、非匀质水泥基复合材料。混凝土又是弹性模量较高而抗拉强度较低的材料，在受约束条件下只要发生少许收缩，产生的拉应力往往会大于该龄期混凝土的的抗拉强度，导致混凝土发生裂缝。混凝土在浇注成形后，在环境温度、湿度、荷载等
14、因素作用下产生微裂缝，这些微裂缝可发展成肉眼可见的宏观裂缝。 塑性沉降裂缝 在新拌混凝土中，骨料颗粒悬浮 在一定稠度的胶浆中，由于普通混凝土的浆体密度低于骨料，会有下沉趋势。而浆体中的水泥颗粒又大于水，从而使浆体产生颗粒沉降和离析、泌水现象。骨料下沉和水分上升在水平钢筋底部和粗骨料底部积聚水分，干后形成空隙，固体颗粒下沉填补在受到水平钢筋或侧面模板摩擦力时，产生沉降差形而成塑性沉降裂缝。混凝土的坍落度越大越易发生塑形沉降裂缝。 塑性收缩裂缝 混凝土在初凝前由于水分蒸发，混凝土内部水分不断向表面迁移，形成混凝土塑性阶段体积收缩。一般混凝土的塑性收缩为 1%，大流动度混凝土塑性收缩可达 2%。当施
15、 工温度高，相对湿度低时，混凝土表面失水干缩受下面混凝土的约束，就会出现不规则的塑性收缩裂缝。此种塑性收缩裂缝在混凝土初凝前及时抹压或二次振捣可以愈合，如不及时处理和养护，可发展成贯穿性有害裂缝。 水化收缩及自生干缩裂缝 水泥在水化反应过程中，水化物产生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1%2% 。水化收缩在初凝前表现为浆体的宏观体积收缩，初凝后则形成的水泥石骨架内的孔隙。在水泥继续水化过程中不断消耗水分导致毛细管中自由水减少 ，湿度降低，在外部水分不充足的情况下，混凝土内部自生干燥现象，导致毛细管内产生负压，引起混凝土内部自生干燥收
16、缩。由于常态混凝土水胶比较高内部有充足的水分，毛细管内很少出现缺水干缩现象，也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收缩可达 0.01%0.03% ，据日本的试验，水胶比 0.2 的加硅粉混凝土， 2d自生干缩即高达 0.05%。因此，对水胶比低的混凝土，应在初凝时水泥结构未达到很密实时即时饱水养护，控制自生干缩裂缝。 温差胀缩裂缝 混凝土浇注后，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 度左右，加上混凝土的入模温度，在 2-3 天内，混凝土温度可达 50-80 度。而混凝土的线膨胀系数为十万分之一，在 10
17、度温差时会产生线膨胀万分之一。经验表明，在无风天气，混凝土表面温差大于 25 度时，即出现肉眼可见的温差收缩裂缝，这是大体积混凝土表面需要即时覆盖保温养护的原因。 干燥收缩裂缝 混凝土硬化后，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，收缩变形量导致的收缩应力大于混凝 土的抗拉强度时，会出现由表及里的干燥收缩裂缝。混凝土的干燥裂缝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，往往不为人所注意，随时间推移混凝土的蒸发和干燥收缩量逐渐增大而明显起来。一般混凝土 90 天干缩率为 0.04%-0.06%，流动性混凝土为 0.06-0.08%，这是混
18、凝土结构较为普遍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，因此裂缝宽度不大于指定指标，对结构不致构成危害。 原材料选用不当的影响 混凝土配制的原材料选择不当可能导致产生裂缝。如水泥中 C3A 含 量高、含碱量高或水泥细度过大都会使拌合物需水量大，早期水化快，早期水化热集中，导致早期水化热收缩，处理不当易出现塑性收缩裂缝，助长自生干缩裂缝和温差裂缝的发展。所用水泥温度过高，夏季极易产生塑性收缩裂缝。骨料的温度也不宜过高，温度高的混凝土拌合物水化速度快，坍落度损失大，不利远距离运输，浇注后易产生塑性收缩裂缝。骨料中含泥量大也是导致早期混凝土开裂因素之一。同时降低水泥与石子间的粘
19、接强度，易发展成贯穿性有害裂缝。粉煤灰遇高钙灰，一定要做净浆安定性试验，以免过多的游离态 CaO 造成混凝土因安定性不良膨胀开裂。 碱骨料反应的预防 配制混凝土必须重视预防碱骨料反应膨胀损坏。发生较多的碱硅反应一般经 10-20年，反应产物积累到一定程度出现吸水湿膨胀，导致混凝土开裂，并加速冻融、钢筋锈蚀等综合性破坏。遇碱硅反应活性骨料或掺合料一定要有控制抑制措施。对慢性膨胀型碱硅反应活性骨料，不宜用于设计寿命50 年以上的重要工程或潮湿环境的工程。由于碱碳酸盐反应一般 2-3 年即膨胀开裂，且尚未发现有效抑制措施，遇碱碳酸盐反应活性岩石，应避免做混凝土骨料。 浇注工艺不当产生的裂缝 振捣工艺
20、不当产 生的裂缝 养护不足引起的裂缝 钢筋锈蚀膨胀导致的裂缝 砂、石料中硫酸盐量超标或含方镁石导致的膨胀 砂、石中的硫酸盐主要是石膏，石膏在混凝土中会逐渐溶解，与水泥和掺合料中铝酸盐反应生成钙矾石体积膨账，导致混凝土出现膨胀裂缝。方镁石（ CaO） 在混凝土中缓慢水化，一般在一年左右水化反应生成水镁石Mg(OH)2, 体积膨胀约 2-3 倍 ,导致混凝土出现膨胀裂缝。 化冰盐环境导致混凝土开裂 接触化冰盐的构筑物，随着化冰盐渗进混凝土，化冰盐中氯 离子会导致钢筋锈蚀膨胀，化冰盐中的碱骨料会促进碱骨料反应膨胀，导致混凝土开裂。 硫酸盐环境混凝土腐蚀裂缝 构筑物接触含硫酸盐水或土壤， SO2 渗入
21、混凝土中与 C3A 或铝酸盐反应生钙矾石导致膨胀开裂。 冻融裂缝 由于水受冻结冰时体积膨胀约 9%，当水在摄氏 4 度时体积最小，气温由4 度下降到冰点，水体积会反膨胀，气温上升时体积反收缩，受冻融干湿反复作用，使混凝土发生网状裂缝并由表及里逐渐剥蚀。 施工荷载裂缝 5.处理修补措施 裂缝的危害 分析： 梁体裂缝是在混凝土的自缩和干燥收缩及温度收缩下形成的裂缝，一般认为对整个构件受力不会有影响。作为预应力桥梁工程会影响其使用寿命，应该进行封闭修补处理，保持其预应力钢绞线不受湿度影响而锈蚀，降低使用寿命。裂缝宽度多在 0.3mm以下，按钢筋混凝土结构最大裂缝宽度限值二类环境取值控制修补后使用。
22、建议裂缝修补处理方法：将裂缝宽度在 0.2mm 以上者，沿裂缝方向凿成深 20mm，宽 10mm 的 “U” 槽，用环氧树脂砂浆填实法修补封闭；缝宽等于或小于 0.2mm者，采用环氧树脂直接表面封涂处理封闭 。或者在可压力灌胶的裂缝采用压力灌环氧树脂胶浆法封闭处理。另外还可以在裂缝处进行碳纤维加强处理，在裂缝处经过上述处理后在梁体粘贴碳纤维补强，确保梁体受力满足要求。 碳纤维复合材料补强技术用于管道补强具有如下技术优点： 免焊不动火，可在带压运行状态下修复； 施工简便快捷，操作时间短； 碳纤维弹性模量与钢的弹性模量十分接近，有利于复合材料尽可能多的承载压力，降低含缺陷构件的应力水平，限制构件的
23、膨胀变形； 碳纤维的抗拉强度高，并且碳纤维复合材料的抗蠕变性能 优异，其强度随着服役时间增加基本保持不变； 碳纤维复合材料补强层厚度小，方便后续的防腐处理； 碳纤维补强缠绕、铺设方式灵活。可对环焊缝和螺旋焊缝缺陷 (包括高焊缝余高和严重错边 )补强；还可对弯管、三通、大小头等不规则管件修复； 可以用于腐蚀、机械损伤和裂纹等缺陷修复补强，也可用于整个管段的提压增强处理，应用范围广。 补强方案确定后的施工流程为： 对构件外表面进行预处理，清除防腐层； 使用电动除锈工具打磨构件表面，达到 St3 级的除锈要求； 使用清洗剂清洗构件表面并使之充分干燥； 在凹陷处涂抹填平树脂，修补至缺陷部位表面平整；
24、填平树脂初步固化后，缠绕高强度碳纤维复合材料，确保复合材料覆盖了缺陷部位，缠绕层数为 6 层； 对补强区域进行防腐处理即可。 碳纤维复合材料修复补强技术相对于其他类型的修复技术，具有更高的安全性、可靠性及适应性。为今后类似问题的解决提供了参考。 三、结束语 预应力混凝土裂缝产生涉及到多方面的因素，作为预制混凝土施工单位，一定要注意以下事项： 加强混凝土的原材料、外加剂及配合比的严格控制，保证混凝土的强度和工作度要求；改善混凝土的施工外界条件，提高施工操作技能，规范布料和振捣，做好养生，力求在气温稳定时浇注，保证混凝土质量。采用真空灌浆机灌浆，提高管道灌浆的饱满度；观察在气温升高后的施工中混凝土裂缝的变化动态、形成的原因。 只有合格的材料、合理的设计、规范的施工、养护，才能尽可能的减少、减小预应力混凝土裂缝的出现。在裂缝出现后，应综合各方面的原因，详细分析裂缝的形成的各个方面，才能提出相应的修正措施，确保构件质量，保证工程安全。 注：文章内所有公式及图表请以 PDF 形式查看。
