摘要：本文分析了由收缩因素引起的混凝土结构裂缝的成因。通过强化设计环节、严把材料质量关、提高施工水平；增强混凝土结构的抗裂能力、减少材料收缩、允许结构在一定范围内自由变位以减少约束、做好保温隔热养护等控制措施；业主、设计、监理、施工单位紧密配合，可以有效的控制收缩引起的裂缝。
关键词：混凝土结构，收缩裂缝，裂缝成因，控制措施
1. 引言
混凝土结构裂缝是一个具有普遍性的技术问题，结构设计是建立在强度的极限承载力基础上的，但大多数工程的使用标准却是由裂缝标准来控制的；近二十年来，混凝土技术取得了前所未有的进步，同时人们在混凝土的裂缝控制方面进行了许多研究，积累了许多经验，但随着混凝土的各种新型外加剂和高强、高能混凝土的应用，以及大量超长、超大跨度混凝土结构，超大体积混凝土等结构的出现，使混凝土的裂缝出现了一些新特点新规律。
2. 混凝土结构裂缝产生原因
混凝土结构在实际使用过程中承受两类荷载，第一类荷载：静荷载、动荷载和其它荷载；第一类荷载：变形荷载(温度、收缩、膨胀、不均匀沉降等)。裂缝的主要成因两类：
1）由第一类荷载直接作用产生的应力，即常规计算的主要应力(拉力、压力、弯矩、扭矩、剪力)所引起的裂缝，当结构自重、使用荷载或环境因素超过设计初始设定值时，结构为超负荷使用，造成结构承载能力小于荷载应力，导致结构裂缝产生；裂缝走向与主筋方向接近垂直，裂缝宽度一般较大，且沿长度或深度方向有明显变化。
2）由变形变化引起的裂缝，结构由温度、收缩和膨胀、不均匀沉降等因素引起的裂缝，这种裂缝的起因是结构受第二类荷载作用产生变形，当变形得不到满足时引起结构内部产生应力，但应力大小与结构刚度大小有关，只有当应力超过一定数值才引起裂缝，裂缝出现后，变形得到满足或部分满足，同时结构刚度下降，应力就发生松弛，该类型裂缝分为：温度变化、收缩、钢筋锈蚀、冻胀、湿度变形、徐变、地基变形裂缝等。本文就由收缩引起混凝土结构裂缝作一分析，并提出控制裂缝的措施。
3. 混凝土梁板收缩机理
矩形混凝土板中出现第一道方向与较长边垂直的裂缝，把一块分成两块，然后出现第二、三道裂缝，如(图1)，这是因为当结构周围的气温、湿度发生变化时，梁板都要产生变形：温度变形及收缩变形，由于板的厚度小(100mm 左右) 且远小于梁，板全截面紧随气温变化而变化，但梁较厚，其温度变化滞后于板，特别是急冷急热变化时更为明显，由此产生两种结构(梁板)的温差与收缩差变形，引起约束应力，板内呈拉应力，与板应力平行的梁内呈压应力如(图2)，由于降温引起的应力状态一直到梁板温度平衡时才消失，而收缩应力将长期保持下去，引起开裂的原因主要是收缩。
板的收缩大于梁，必然引起板内拉应力，梁内压应力，即梁对板的收缩进行了约束，尤其在高温环境中，温度急剧降低，混凝土收缩速度加快，加之板的收缩值远大于梁的收缩值，附加了热收缩差，从而加重了板的拉应力，容易导致开裂。同理产生梁的裂缝。裂缝方向取决于两个因素：一是约束，二是抗拉能力，裂缝方向一般垂直于约束较大的方向和垂直于抗拉能力较弱的方向。
4. 实例分析
凯旋大厦，地上建筑面积18228M2，地下二层，地上十二层，室外地面起至主体结构顶高度为49.9 米，抗震设防烈度为六度三级，主体框架结构，地基土为卵石层，钢筋混凝土片筏基础，如(图2、图3)。
2005 年6 月中旬在B 区B1~B9/BD~BG 轴十二层屋面梁侧面中部出现裂缝如(图4、图5), 裂缝宽度0.1~0.5mm，裂缝发展持续了5 个月，以后趋于稳定，而板未见裂缝；经专家组核查证实结构计算书未发现错误；根据施工及监理记录，该层板混凝土浇捣于2005.05.21，屋面预制混凝土架空隔热层在2006.03.07 开始施工并于2006.03.24 完工。
根据2006 年5~9 月份现场测量(取均值)板面最高温度为T153.1°，梁中部为T227.4°（详
下表）；板底配Φ10@120 钢筋，(钢筋直径d=1.0cm，钢筋面积Ag=654mm2)，板面配 Φ10@100，板厚为150mm，板宽H=3.9M，板长L=6.9M。
混凝土强度等级为C25，
混凝土轴心抗拉强度标准值ftk=1.78N/mm2，
混凝土弹性模量为E=2.80×104N/mm2 ，
板水平阻力系数Cx=1.4 M/mm3，
板换算宽度：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 根据齐斯克列里关于钢筋混凝土板的极限拉伸公式①[1]得：钢筋混凝土板的极限拉伸为：
εpa=0.5 ftk (1+ρ/d)=0.5×1.78(1+0. 44/1) ×10-4 =1.2816×10-4
由于民用建筑板的实际收缩呈缓慢变化，在考虑板的徐变对钢筋混凝土板的极限拉伸影响时，钢筋混凝土板总的极限拉伸按下式计算：
ε0 pa=2εpa=2×1.28×10-4=2.56×10-4
则钢筋混凝土板总的抗拉应力[Rf]为：
[Rf]= ε0
paE=2.56×10-4×2.8×104=7.588Mpa
板在屋面未设隔热板时由于受太阳辐射后昼夜骤降温差所引起板的变形(ε)和应力(σ)：(根据文献[1 ]11.1 假设板受均匀温差和均匀收缩[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
钢筋混凝土板总的极限拉伸ε0pa >ε 温差所引起板的变形，钢筋混凝土板总的抗拉应力[Rf]> σ 温差所引起板的应力。
根据以上计算公式和结果，表明板的抗裂能力与混凝土的轴心抗拉强度标准值ftk 成正比，与钢筋直径成非线性反比，与板的配筋率成非线性正比，该工程骤降温差所引起板的变形(ε)和应力(σ)均小于钢筋混凝土板的极限拉伸(ε0pa)和板总的抗拉应力[Rf]，经专家组核查结构设计符合现行国家规范要求，排除设计因素，同时板未发现裂缝，认定屋面梁板的温差及收缩不是该工程梁产生裂缝的第一因素。
后经监督站回弹及扫描检测，本层混凝土强度达到设计要求，但发现本层梁钢筋绑扎质量较差，特别是梁腰筋偏位现象比较严重，出现裂缝梁的腰筋掉至梁底。
根据约束引起梁板裂缝理论及新老《混凝土结构设计规范》对高梁腰筋设置要求的说明，认定该梁侧裂缝是由于梁在内热外冷时产生变形和收缩应力，梁侧在无腰筋情况下，产生裂缝；又由于受到梁面梁底钢筋的约束作用，对裂缝的扩展起到限制作用，以至五个月后裂缝渐趋稳定。认为该裂缝经修补后隔离钢筋与空气接触，对结构安全基本没有影响。
这一状况在新老《混凝土结构设计规范》有一明显体现：GBJ 10-89(老规范)第7.2.14条当梁截面高度超过700mm 时，在梁的两侧沿高度每隔300~400mm 应设置一根直径不小于10mm 的纵向构造钢筋[3]；GB 50010-2002(新规范)10.2.16 条当梁的腹板高度hw>=450mm时，在梁的两个侧面应沿高度配置纵向构造钢筋，每侧纵向构造钢筋(不含梁上、下部受力钢筋及架力筋)的截面积不应小于腹板截面积bhw 的0.1%且间距不宜大于200mm[4]。新规范的条文说明中也对此作了“当梁的截面尺寸较大时，有可能在梁侧面产生垂直于梁轴线的收缩裂缝”的解释，验证了以上观点。因此在高梁设置足够腰筋，减少梁的约束，使用滑动支座和设滑动层等措施对收缩引起梁的裂缝非常有利。
5. 混凝土裂缝修补措施
在对混凝土结构中的裂缝进行处理之前，必须先做如下工作：
1）先进行观察、检测、分析，确定裂缝的性质及裂缝产生的原因。
2）判断裂缝是活动的还是静止的。
3）预估裂缝未来的变化（数值和方向）如何。
4）修补的主要目的是什么，是否需要加固处理。
然后再采用针对性的措施进行处理。在未明了裂缝产生的原因之前，应避免盲目对裂缝进行处理。
5.1 表面修补方法
表面修补法主要适用于已稳定和对结构承载能力没有影响的表面裂缝，大面积细裂缝防渗、防漏的处理；缺点是修补工作无法深入到裂缝内部，对延伸裂缝难以追踪其变化；处理方法如下：
1）表面涂抹水泥砂浆：将裂缝附近的混凝土表面凿毛，或沿裂缝凿成深15～20mm，宽150～200mm 的凹槽，扫净并洒水湿润，先刷水泥净浆一层，然后用1:2 的水泥砂浆分2～3 层涂抹，总厚度控制在10～20mm 左右，并用铁抹抹平压光，抹光后的砂浆面应覆盖塑料薄膜，并用支撑模板顶紧加压。
2）表面涂抹环氧胶泥：先将裂缝附近80～100mm 宽度范围内的灰尘、浮渣用压缩空气净，或用钢丝刷、砂纸、毛刷清除干净并洗净，油污可用二甲苯或丙酮擦洗一遍，保持干燥，涂抹时，用毛刷或刮板均匀蘸取胶泥，并涂刮在裂缝表面。
3）表面涂刷油漆、沥青，涂刷前,混凝土表面应干燥，在均匀涂抹。
4）表面凿槽嵌补：沿混凝土裂缝凿一条深槽，槽内嵌水泥砂浆或环氧胶泥、聚氯乙烯胶泥、沥青油膏等，表面作砂浆保护层，做法同表面涂抹水泥砂浆。
5）采用环氧树脂粘贴玻璃布：玻璃布使用前应在碱水中煮沸30～60 分钟，然后用清水漂净并晾干，以除去油脂，一般贴1～2 层玻璃布，第二层玻璃布的周边应比下面一层宽10～12mm，以便压边。
5.2 内部修补法即灌浆封堵法
适用于对结构整体性有影响或有防渗要求的混凝土裂缝的修补，它是利用压力设备将胶结材料压入混凝土的裂缝中，胶结材料硬化后与混凝土形成一个整体，从而起到封堵加固的目的。处理方法如下：
1）水泥灌浆：一般用于大体积混凝土结构的修补，主要施工程序是钻孔、冲洗、止浆、堵漏、埋管、试水、灌浆。钻孔孔距l～1.5m，除浅孔采用骑缝孔外，—般钻孔轴线与裂缝呈30～45 度斜角，孔深应穿过裂缝面0.5m 以上，当有两排或两排以上的孔时，宜交错或呈梅花形布置，待缝面冲洗干净后在裂缝表面用1:2 的水泥砂浆或用环氧胶泥涂抹。
2）化学灌浆：化学灌浆能控制凝结时间，有较高粘结强度和一定的弹性，恢复结构整体性效果较好，适用于各种情况下的裂缝修补及堵漏、防渗处理。常用的灌浆材料有环氧树脂浆液、甲凝、丙凝等。环氧树脂浆液具有粘结强度高、施工操作方便、成本低等优点，应用最广。
先粘贴注浆嘴，用键包严。固化后周边可能有裂口，必须反复用浆补上，2 以避免漏浆。注浆操作一般在粘嘴的第二天进行，若气温高的话，半天就可注浆，操作时先用补缝器吸取注浆液，插入注浆嘴，用手推动补缝器活塞，使浆液通过注浆嘴压入裂缝，当相邻的嘴中流出浆液时，就可拔出补缝器，堵上铝铆钉。一般由上往下注浆，水平缝一般从一端到另一端逐个注浆。为了保证浆液充满，在注浆后约半小时可以对每个注浆嘴再次补浆。
5.3 本工程修补措施
依据专家组对该裂缝的定性，决定采用ZL-HP 改性环氧树脂浆液灌注，把钢筋与空气隔离，防止裂缝进一步扩展，具体施工工艺如下：
1）清除裂缝周边各150mm 范围梁表面的纸筋灰和水泥砂浆层。
2）用钢丝刷清除裂缝表面及缝内的灰尘、白灰、浮渣及松散层等污物。
3）用有机溶液丙酮把裂缝及裂缝两侧100mm 范围擦洗干净，并保持干燥。
4）每条裂缝设两个注浆嘴，通过灌浆管连通，用注浆器进行压力灌浆，灌浆压强大于0.5Mpa，灌满浆后再继续压注3 至5 分钟，待缝内浆液达到初凝而不外流时，方可拆下灌浆嘴，再用胶粘网带封闭裂缝处。
5）及时检查补强效果及质量，发现缺陷及时补救以保证质量。裂缝修复完成后至2007.03.18 复检，裂缝位未发现异常，同时其它位置也未发现新的裂缝产生，表明修补成功。
6. 结论
综上所述，可以通过以下几项措施达到有效控制裂缝的目的：
1）建筑在满足使用功能的前提下，结构平面力求简单，正确地设置沉降缝，限制伸缩缝间距，合理的使用后浇带，让一部分变形在施工阶段得到满足；重视对构造钢筋的配置，筋率越大，收缩越小，但配筋过量则会增加混凝土拉应力，配筋宜细而密，不宜粗而稀，加强构造配筋；积极采用补偿收缩混凝土技术，在混凝土中掺用膨胀剂来补偿混凝土的收缩，屋面保温层必须满足建筑节能的标准要求，对屋面保温层进行热工计算。
2）建筑工程所采用的建筑材料应符合有关标准的规定和设计文件的要求。所用的建筑材料在满足材料强度要求前提下，应尽量选择收缩小、抗裂性能好的材料。施工单位应有健全的质量管理、质量控制和检验体系，有减少和控制混凝土裂缝的具体技术措施。
3）通过增强混凝土结构自身的抗裂能力，减少材料收缩能力，减少约束，允许梁板在一定范围内自由变位；减少温差来达到减少梁板的收缩，可以有效控制裂缝的产生。
参考文献
[1] 侯宝隆,陈强,蒋之峰.《建筑物的接缝处理》[M].北京:地震出版社,1993.
[2] 王铁梦.《工程结构裂缝控制》[M].北京:中国建筑工业出版社,1997.
[3] GBJ 10-89．《混凝土结构设计规范》 [S].北京:中国建筑工业出版社,1996.
[4] GB 50010-2002．《混凝土结构设计规范 》[S].北京:中国建筑工业出版社,2002
