現代營建 514---剖析近年混凝土裂縫情形以及預防對策

一、前言

近年國內無論是公共工程案件或是一般私人建築案件，常發現混凝土表面佈滿眾多且或大或小的裂縫，此狀況已對土木工程人員造成不少困擾，而此一現象似乎已成常態且具普遍性，裂縫的產生不僅對於混凝土本身的強度與安全性有所降低，對於耐久性而言甚至影響更多，現今網路或新聞上也充斥著眾多新建物滲漏水事件且層出不窮。因混凝土本身屬多孔隙複合型材料，經拌合澆置後產生的水化作用使混凝土內的水分消失並產生氣孔，加上材料體積因收縮差異(各材料收縮量均不同)與溫度差異所產生的溫度應力作用等，使混凝土內部形成眾多細微裂縫與氣泡，再加上環境影響因素或忽略施工細節等連帶造成混凝土表面產生相對較大的裂縫。簡言之，混凝土內外部裂縫形成屬必然之現象，無法避免，惟必須將其對結構本身有害程度控制在允許範圍內，一般工程實務或文獻資料對於以安全為考量下，允許表面裂縫寬度在0.3mm以內[1]，使其對於混凝土安全性與耐久性影響在可忍受範圍內。鑒於目前國內仍有許多工程人員對於裂縫所影響的因素、程度及範圍究竟衍生什麼額外不良作用，仍處於一知半解，為使國內工程人員可以更加瞭解裂縫成因與機理，藉以降低裂縫影響程度，筆者收集相關資料與彙整現場施工經驗後，進行較為粗淺的說明與探討。

二、混凝土裂縫基本概念

(一)混凝土因天生組成條件且須經水化反應作用後產生強度，而此反應恰恰使得材料內部產生裂縫無法避免，為讓混凝土材料符合設計所考量的使用要求及標準，首先必須瞭解混凝土裂縫影響程度為何並加以控制，藉由混凝土裂縫形成機制，事先進行預防措施及因應方式或是研擬改善方案，控制裂縫影響範圍，確保混凝土結構安全、使用及耐久性得到保障。又依國內目前相關規範中可知，對於混凝土的裂縫產生是允許的，其主要著重在控制裂縫的寬度於可接受範圍，以達到符合各種使用需求且兼具經濟效益。混凝土裂縫類型依產生機理大致可分成兩種，其一是外力作用所產生，屬外力所致裂縫，其二則屬內部作用引發，屬變形裂縫，其中外力裂縫約占總裂縫數量20%，變形裂縫則約80%，一般常見裂縫屬後者，而此亦為本文所要探討內容。
(二)混凝土的變形裂縫生成原因眾多且複雜，包含因水分消散所產生的各式收縮(自體、塑性或乾燥收縮)、溫度差異(溫度應力梯度)、塑性沉降等因素存在，且受混凝土自身結構勁度與束制條件影響，當勁度越高或束制條件越大，則相應所產生的作用應力則越高，此時若超過混凝土材料自身抗拉強度即造成裂縫產生。簡言之，裂縫的產生必要條件即為各式作用所生的拉應力高於自身混凝土材料的抗拉強度所導致，而當混凝土產生裂縫後，除了有各種外部有害因子(硫酸鹽、二氧化碳或氯離子等)與水分侵入造成混凝土材料品質劣化嚴重加劇裂縫，再加上地震反覆作用力，將裂縫逐漸擴大並串連一起，嚴重影響混凝土強度與耐久性，其中主要產生的劣化反應有：結構剛性與強度降低、建築撓度增加、加速混凝土中性化、硫酸鹽反應、鋼筋銹蝕體積膨脹和混凝土保護層剝落等。
(三)混凝土裂縫寬度對於建築物的具體限制，工程實務上可概略依設計性能分別如下：
1.安全性(強度)：混凝土硬固後倘內部裂縫過多，將降低混凝土強度，並導致與鋼筋間的握裹能力降低，而工程實務對於表面裂縫寬度一般允許值為0.3mm以下，視為對結構安全影響甚微，雖然有此冗統界定影響程度，然裂縫寬度對結構安全的確切影響至今規範仍未有一明確的界定，僅視各裂縫發生的建築物結構部位、範圍及裂縫尺寸以及建築物使用狀況，再加上使用者心理因素，對裂縫寬度的容忍程度有所不同。研判主要原因也是目前工程技術對於內部裂縫的多寡及影響程度難以掌握有關。
2.耐久性(水密性)：混凝土結構澆置後的表面若有產生裂縫，一定程度上將影響耐久與水密性，進而導致建築物在未到耐久年限前已發生嚴重混凝土劣化、剝落或鋼筋銹蝕使斷面積減少，進而連帶降低結構安全。工程實務上針對耐久性及水密性影響層面可區分為是否具備防滲需求、戶外和室內等予以區隔，混凝土裂縫容許寬度可依結構體環境分別為：
(1)屋內：限制裂縫寬度0.3mm以下。
(2)屋外：限制裂縫寬度0.2mm以下。
(3)滲水：限制裂縫寬度0.1mm以下。
3.參考美國ACI-224中對於各結構位處環境容許裂縫寬度，與國內一般工程實務的容許值接近。…更多文章內容，請參閱-現代營建雜誌514期；P67~P76。