摘要：本文分析了由收縮因素引起的混凝土結構裂縫的成因。通過強化設計環節、嚴把材料質量關、提高施工水平；增強混凝土結構的抗裂能力、減少材料收縮、允許結構在一定范圍內自由變位以減少約束、做好保溫隔熱養護等控制措施；業主、設計、監理、施工單位緊密配合，可以有效的控制收縮引起的裂縫。
關鍵詞：混凝土結構，收縮裂縫，裂縫成因，控制措施
1. 引言
混凝土結構裂縫是一個具有普遍性的技術問題，結構設計是建立在強度的極限承載力基礎上的，但大多數工程的使用標準卻是由裂縫標準來控制的；近二十年來，混凝土技術取得了前所未有的進步，同時人們在混凝土的裂縫控制方面進行了許多研究，積累了許多經驗，但隨著混凝土的各種新型外加劑和高強、高能混凝土的應用，以及大量超長、超大跨度混凝土結構，超大體積混凝土等結構的出現，使混凝土的裂縫出現了一些新特點新規律。
2. 混凝土結構裂縫產生原因
混凝土結構在實際使用過程中承受兩類荷載，第一類荷載：靜荷載、動荷載和其它荷載；第一類荷載：變形荷載(溫度、收縮、膨脹、不均勻沉降等)。裂縫的主要成因兩類：
1）由第一類荷載直接作用產生的應力，即常規計算的主要應力(拉力、壓力、彎矩、扭矩、剪力)所引起的裂縫，當結構自重、使用荷載或環境因素超過設計初始設定值時，結構為超負荷使用，造成結構承載能力小于荷載應力，導致結構裂縫產生；裂縫走向與主筋方向接近垂直，裂縫寬度一般較大，且沿長度或深度方向有明顯變化。
2）由變形變化引起的裂縫，結構由溫度、收縮和膨脹、不均勻沉降等因素引起的裂縫，這種裂縫的起因是結構受第二類荷載作用產生變形，當變形得不到滿足時引起結構內部產生應力，但應力大小與結構剛度大小有關，只有當應力超過一定數值才引起裂縫，裂縫出現后，變形得到滿足或部分滿足，同時結構剛度下降，應力就發生松弛，該類型裂縫分為：溫度變化、收縮、鋼筋銹蝕、凍脹、濕度變形、徐變、地基變形裂縫等。本文就由收縮引起混凝土結構裂縫作一分析，并提出控制裂縫的措施。
3. 混凝土梁板收縮機理
矩形混凝土板中出現第一道方向與較長邊垂直的裂縫，把一塊分成兩塊，然后出現第二、三道裂縫，如(圖1)，這是因為當結構周圍的氣溫、濕度發生變化時，梁板都要產生變形：溫度變形及收縮變形，由于板的厚度小(100mm 左右) 且遠小于梁，板全截面緊隨氣溫變化而變化，但梁較厚，其溫度變化滯后于板，特別是急冷急熱變化時更為明顯，由此產生兩種結構(梁板)的溫差與收縮差變形，引起約束應力，板內呈拉應力，與板應力平行的梁內呈壓應力如(圖2)，由于降溫引起的應力狀態一直到梁板溫度平衡時才消失，而收縮應力將長期保持下去，引起開裂的原因主要是收縮。
板的收縮大于梁，必然引起板內拉應力，梁內壓應力，即梁對板的收縮進行了約束，尤其在高溫環境中，溫度急劇降低，混凝土收縮速度加快，加之板的收縮值遠大于梁的收縮值，附加了熱收縮差，從而加重了板的拉應力，容易導致開裂。同理產生梁的裂縫。裂縫方向取決于兩個因素：一是約束，二是抗拉能力，裂縫方向一般垂直于約束較大的方向和垂直于抗拉能力較弱的方向。
4. 實例分析
凱旋大廈，地上建筑面積18228M2，地下二層，地上十二層，室外地面起至主體結構頂高度為49.9 米，抗震設防烈度為六度三級，主體框架結構，地基土為卵石層，鋼筋混凝土片筏基礎，如(圖2、圖3)。
2005 年6 月中旬在B 區B1~B9/BD~BG 軸十二層屋面梁側面中部出現裂縫如(圖4、圖5), 裂縫寬度0.1~0.5mm，裂縫發展持續了5 個月，以后趨于穩定，而板未見裂縫；經專家組核查證實結構計算書未發現錯誤；根據施工及監理記錄，該層板混凝土澆搗于2005.05.21，屋面預制混凝土架空隔熱層在2006.03.07 開始施工并于2006.03.24 完工。
根據2006 年5~9 月份現場測量(取均值)板面最高溫度為T153.1°，梁中部為T227.4°（詳
下表）；板底配Φ10@120 鋼筋，(鋼筋直徑d=1.0cm，鋼筋面積Ag=654mm2)，板面配 Φ10@100，板厚為150mm，板寬H=3.9M，板長L=6.9M。
混凝土強度等級為C25，
混凝土軸心抗拉強度標準值ftk=1.78N/mm2，
混凝土彈性模量為E=2.80×104N/mm2 ，
板水平阻力系數Cx=1.4 M/mm3，
板換算寬度：H=0.4L=0.4×6.9=2.76M(H=3.9M> 0.4L=2.76M)，取H=H=3.9M。
ρ(配筋率)=100×Ag/As=100×654/(1000×150)=0.44 根據齊斯克列里關于鋼筋混凝土板的極限拉伸公式①[1]得：鋼筋混凝土板的極限拉伸為：
εpa=0.5 ftk (1+ρ/d)=0.5×1.78(1+0. 44/1) ×10-4 =1.2816×10-4
由于民用建筑板的實際收縮呈緩慢變化，在考慮板的徐變對鋼筋混凝土板的極限拉伸影響時，鋼筋混凝土板總的極限拉伸按下式計算：
ε0 pa=2εpa=2×1.28×10-4=2.56×10-4
則鋼筋混凝土板總的抗拉應力[Rf]為：
[Rf]= ε0
paE=2.56×10-4×2.8×104=7.588Mpa
板在屋面未設隔熱板時由于受太陽輻射后晝夜驟降溫差所引起板的變形(ε)和應力(σ)：(根據文獻[1 ]11.1 假設板受均勻溫差和均勻收縮[2])
ε=-α(T1-T2) ×(1-1/(chxL/2))
=-10×10-6×(53.1-27.4) ×(1-1/(chx8000/2))
=-2.3794×10-4
σ=εxE=2.46×10-4×2.80×104=6.88MPa
鋼筋混凝土板總的極限拉伸ε0pa >ε 溫差所引起板的變形，鋼筋混凝土板總的抗拉應力[Rf]> σ 溫差所引起板的應力。
根據以上計算公式和結果，表明板的抗裂能力與混凝土的軸心抗拉強度標準值ftk 成正比，與鋼筋直徑成非線性反比，與板的配筋率成非線性正比，該工程驟降溫差所引起板的變形(ε)和應力(σ)均小于鋼筋混凝土板的極限拉伸(ε0pa)和板總的抗拉應力[Rf]，經專家組核查結構設計符合現行國家規范要求，排除設計因素，同時板未發現裂縫，認定屋面梁板的溫差及收縮不是該工程梁產生裂縫的第一因素。
后經監督站回彈及掃描檢測，本層混凝土強度達到設計要求，但發現本層梁鋼筋綁扎質量較差，特別是梁腰筋偏位現象比較嚴重，出現裂縫梁的腰筋掉至梁底。
根據約束引起梁板裂縫理論及新老《混凝土結構設計規范》對高梁腰筋設置要求的說明，認定該梁側裂縫是由于梁在內熱外冷時產生變形和收縮應力，梁側在無腰筋情況下，產生裂縫；又由于受到梁面梁底鋼筋的約束作用，對裂縫的擴展起到限制作用，以至五個月后裂縫漸趨穩定。認為該裂縫經修補后隔離鋼筋與空氣接觸，對結構安全基本沒有影響。
這一狀況在新老《混凝土結構設計規范》有一明顯體現：GBJ 10-89(老規范)第7.2.14條當梁截面高度超過700mm 時，在梁的兩側沿高度每隔300~400mm 應設置一根直徑不小于10mm 的縱向構造鋼筋[3]；GB 50010-2002(新規范)10.2.16 條當梁的腹板高度hw>=450mm時，在梁的兩個側面應沿高度配置縱向構造鋼筋，每側縱向構造鋼筋(不含梁上、下部受力鋼筋及架力筋)的截面積不應小于腹板截面積bhw 的0.1%且間距不宜大于200mm[4]。新規范的條文說明中也對此作了“當梁的截面尺寸較大時，有可能在梁側面產生垂直于梁軸線的收縮裂縫”的解釋，驗證了以上觀點。因此在高梁設置足夠腰筋，減少梁的約束，使用滑動支座和設滑動層等措施對收縮引起梁的裂縫非常有利。
5. 混凝土裂縫修補措施
在對混凝土結構中的裂縫進行處理之前，必須先做如下工作：
1）先進行觀察、檢測、分析，確定裂縫的性質及裂縫產生的原因。
2）判斷裂縫是活動的還是靜止的。
3）預估裂縫未來的變化（數值和方向）如何。
4）修補的主要目的是什么，是否需要加固處理。
然后再采用針對性的措施進行處理。在未明了裂縫產生的原因之前，應避免盲目對裂縫進行處理。
5.1 表面修補方法
表面修補法主要適用于已穩定和對結構承載能力沒有影響的表面裂縫，大面積細裂縫防滲、防漏的處理；缺點是修補工作無法深入到裂縫內部，對延伸裂縫難以追蹤其變化；處理方法如下：
1）表面涂抹水泥砂漿：將裂縫附近的混凝土表面鑿毛，或沿裂縫鑿成深15～20mm，寬150～200mm 的凹槽，掃凈并灑水濕潤，先刷水泥凈漿一層，然后用1:2 的水泥砂漿分2～3 層涂抹，總厚度控制在10～20mm 左右，并用鐵抹抹平壓光，抹光后的砂漿面應覆蓋塑料薄膜，并用支撐模板頂緊加壓。
2）表面涂抹環氧膠泥：先將裂縫附近80～100mm 寬度范圍內的灰塵、浮渣用壓縮空氣凈，或用鋼絲刷、砂紙、毛刷清除干凈并洗凈，油污可用二甲苯或丙酮擦洗一遍，保持干燥，涂抹時，用毛刷或刮板均勻蘸取膠泥，并涂刮在裂縫表面。
3）表面涂刷油漆、瀝青，涂刷前,混凝土表面應干燥，在均勻涂抹。
4）表面鑿槽嵌補：沿混凝土裂縫鑿一條深槽，槽內嵌水泥砂漿或環氧膠泥、聚氯乙烯膠泥、瀝青油膏等，表面作砂漿保護層，做法同表面涂抹水泥砂漿。
5）采用環氧樹脂粘貼玻璃布：玻璃布使用前應在堿水中煮沸30～60 分鐘，然后用清水漂凈并晾干，以除去油脂，一般貼1～2 層玻璃布，第二層玻璃布的周邊應比下面一層寬10～12mm，以便壓邊。
5.2 內部修補法即灌漿封堵法
適用于對結構整體性有影響或有防滲要求的混凝土裂縫的修補，它是利用壓力設備將膠結材料壓入混凝土的裂縫中，膠結材料硬化后與混凝土形成一個整體，從而起到封堵加固的目的。處理方法如下：
1）水泥灌漿：一般用于大體積混凝土結構的修補，主要施工程序是鉆孔、沖洗、止漿、堵漏、埋管、試水、灌漿。鉆孔孔距l～1.5m，除淺孔采用騎縫孔外，—般鉆孔軸線與裂縫呈30～45 度斜角，孔深應穿過裂縫面0.5m 以上，當有兩排或兩排以上的孔時，宜交錯或呈梅花形布置，待縫面沖洗干凈后在裂縫表面用1:2 的水泥砂漿或用環氧膠泥涂抹。
2）化學灌漿：化學灌漿能控制凝結時間，有較高粘結強度和一定的彈性，恢復結構整體性效果較好，適用于各種情況下的裂縫修補及堵漏、防滲處理。常用的灌漿材料有環氧樹脂漿液、甲凝、丙凝等。環氧樹脂漿液具有粘結強度高、施工操作方便、成本低等優點，應用最廣。
先粘貼注漿嘴，用鍵包嚴。固化后周邊可能有裂口，必須反復用漿補上，2 以避免漏漿。注漿操作一般在粘嘴的第二天進行，若氣溫高的話，半天就可注漿，操作時先用補縫器吸取注漿液，插入注漿嘴，用手推動補縫器活塞，使漿液通過注漿嘴壓入裂縫，當相鄰的嘴中流出漿液時，就可拔出補縫器，堵上鋁鉚釘。一般由上往下注漿，水平縫一般從一端到另一端逐個注漿。為了保證漿液充滿，在注漿后約半小時可以對每個注漿嘴再次補漿。
5.3 本工程修補措施
依據專家組對該裂縫的定性，決定采用ZL-HP 改性環氧樹脂漿液灌注，把鋼筋與空氣隔離，防止裂縫進一步擴展，具體施工工藝如下：
1）清除裂縫周邊各150mm 范圍梁表面的紙筋灰和水泥砂漿層。
2）用鋼絲刷清除裂縫表面及縫內的灰塵、白灰、浮渣及松散層等污物。
3）用有機溶液丙酮把裂縫及裂縫兩側100mm 范圍擦洗干凈，并保持干燥。
4）每條裂縫設兩個注漿嘴，通過灌漿管連通，用注漿器進行壓力灌漿，灌漿壓強大于0.5Mpa，灌滿漿后再繼續壓注3 至5 分鐘，待縫內漿液達到初凝而不外流時，方可拆下灌漿嘴，再用膠粘網帶封閉裂縫處。
5）及時檢查補強效果及質量，發現缺陷及時補救以保證質量。裂縫修復完成后至2007.03.18 復檢，裂縫位未發現異常，同時其它位置也未發現新的裂縫產生，表明修補成功。
6. 結論
綜上所述，可以通過以下幾項措施達到有效控制裂縫的目的：
1）建筑在滿足使用功能的前提下，結構平面力求簡單，正確地設置沉降縫，限制伸縮縫間距，合理的使用后澆帶，讓一部分變形在施工階段得到滿足；重視對構造鋼筋的配置，筋率越大，收縮越小，但配筋過量則會增加混凝土拉應力，配筋宜細而密，不宜粗而稀，加強構造配筋；積極采用補償收縮混凝土技術，在混凝土中摻用膨脹劑來補償混凝土的收縮，屋面保溫層必須滿足建筑節能的標準要求，對屋面保溫層進行熱工計算。
2）建筑工程所采用的建筑材料應符合有關標準的規定和設計文件的要求。所用的建筑材料在滿足材料強度要求前提下，應盡量選擇收縮小、抗裂性能好的材料。施工單位應有健全的質量管理、質量控制和檢驗體系，有減少和控制混凝土裂縫的具體技術措施。
3）通過增強混凝土結構自身的抗裂能力，減少材料收縮能力，減少約束，允許梁板在一定范圍內自由變位；減少溫差來達到減少梁板的收縮，可以有效控制裂縫的產生。
參考文獻
[1] 侯寶隆,陳強,蔣之峰.《建筑物的接縫處理》[M].北京:地震出版社,1993.
[2] 王鐵夢.《工程結構裂縫控制》[M].北京:中國建筑工業出版社,1997.
[3] GBJ 10-89．《混凝土結構設計規范》 [S].北京:中國建筑工業出版社,1996.
[4] GB 50010-2002．《混凝土結構設計規范 》[S].北京:中國建筑工業出版社,2002
