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陶粒對混凝土裂縫預防與修復技術研究

文檔作者：桑騫文檔來源：安徽理工大學材料科學與工程學院		更新日期： 2026年08月18日	點擊數：
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技術應用與研究
鋼筋混凝土是世界上使用最多的建筑材料。混凝土
和鋼的結合會保證建筑物的牢固性和耐久性，但由于混
凝土的脆性和不均勻性，裂縫幾乎是不可避免的。裂紋
會促進腐蝕性物質進入鋼中，誘發鋼筋腐蝕威脅建筑物
安全。建筑結構的使用屬性主要包括其安全性、功能性
以及耐久性三個主要方面。隨著社會經濟的不斷增長，
城市化和現代化的步伐不斷加快，社會各界對混凝土的
綜合性能要求越來越高，不但要求混凝土具有良好的施
工性能還要求混凝土建筑的耐久性和自修復性良好。但
是鋼筋混凝土結構受到復雜的施工環境和惡劣的外界環
境等因素影響，建筑物經常會出現裂縫等結構缺陷降低
建筑的韌性，縮短房屋的使用壽命，威脅建筑結構的安
全。產生裂縫的建筑物修補難度較高，修補作業往往是
治標不治本，陶粒在混凝土結構中可以發揮內養護效應
減少收縮裂縫，平滑粗骨料受力，避免應力集中，還可
以搭載復合劑誘導混凝土裂縫修復，對維護混凝土結構
的穩定性起到很大的作用。
一、混凝土裂縫的成因
1.實際水灰比偏低
在混凝土實際配比混攪澆過程中，混凝土的種類繁
多，粗曠的施工手段，復雜的施工環境，經常會導致混
凝土的配合比不合理，實際水灰比低于預期。在地鐵隧
道、道路橋梁施工中，墻體支柱、基礎底板的厚度基本在
600mm以上，單次澆筑高度可達數米。建筑物的強度與膠
凝材料的用量成正比關系，在大跨度項目建設中膠凝材料
和水泥的用量都非常高，高性能水泥在水化過程中會產生
大量熱量，蒸發周圍水分，具有明顯的自干燥特征，建筑
結構中過高含量的水泥水化反應所帶來的熱量也使得結構
內部溫度高于較低的外部溫度，形成局部溫差。當混凝土
各部分內外溫差較大，水泥基質所包含的水分蒸發不均
時，就會出現顯著的自收縮效應，此時混凝土的各個部位
膨脹情況差距明顯，局部收縮帶來的拉應力超過混凝土抗
拉能力，從而促使收縮裂縫的出現。
2.施工工藝不規范
混凝土的處理工序較為復雜，在施工作業期間每一
個施工工序出現問題，都會影響建筑物的整體質量，由
于施工工期緊張，工序復雜，施工工藝不規范，混凝土
局部密度不均勻，經常會出現混凝土包含著氣泡等雜質
情況。為了獲得提高建筑物的長期可靠性，加強整體結
構約束能力，建筑結構內部的鋼筋布置密度高。這提升
了結構的整體剛度，但是鋼筋的空間密度高給混凝土澆
筑與振搗帶來困難。在前期的施工過程中，澆筑距離
長，養護不及時，振搗不均勻混凝土密實性較差都會人
為性產生建筑裂縫。這種由實際操作過程中的誤差導致
混凝土建筑物的缺陷會降低建筑結構的穩定性，給建筑
整體結構帶來不良影響，埋下安全隱患的種子。
3.外部承載不均勻
建筑物后天產生的裂縫主要來自于沉降不均勻和載
荷超過了局部受力區域的應變極限。混凝土在前期澆筑
過程中，水泥和粗骨料因為材質的不同，交界面會出現
不易察覺的細小裂縫，在受到外界周期性不均勻荷載作
用下，粗骨料相互擠壓，混凝土內部的薄弱處的微小裂
縫會出現嚴重的應力集中效應，局部的荷載平衡被破
壞，當外界的荷載大于混凝土建筑的結構抗力時，裂縫
會迅速增大蔓延，導致建筑物開裂。
二、混凝土裂縫的影響
1.加快鋼筋腐蝕
在建筑結構中，鋼筋和混凝土分別提供抗拉和抗壓
能力，兩者之間的穩定粘結是保證混凝土構件協同工
作的關鍵。硬化后的混凝土主要由水泥漿、細骨料、
粗骨料組成，它的內部是強堿性的環境，pH值約為
12~13，造成堿性環境的主要化學成分是水泥的水化產
陶粒對混凝土裂縫預防與修復技術研究
桑　騫　　安徽理工大學材料科學與工程學院
【摘　要】混凝土裂縫作為質量通病的一種對建筑物的穩定性有很嚴重的危害，會破壞混凝土結構的連續性降低建
筑結構的綜合性能。陶粒作為一種綠色環保材料，在混凝土中具有很廣泛的應用前景，可以降低自重提
高混凝土的彈性與塑性，提高抗震系數，避免應力集中預防開裂，還能夠調節水灰比，優化混凝土養護
性能防止收縮裂縫。陶粒搭載微生物時，能夠有效誘導CaCO3的沉淀來修復混凝土裂縫。作為混凝土輕
骨料的陶粒不但是混凝土載荷的主要承擔者，還維護了混凝土的耐久性與牢固性。
【關鍵詞】陶粒；混凝土裂縫；預防修復
【DOI】10.12316/j.issn.1674-0831.2022.14.029
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技術應用與研究
物Ca(OH)2。Ca(OH)2固化在水泥基質所形成的堿性環境
會使得鋼筋表面生成一層致密、難溶解的鈍化層，鈍化
層的主要成分是Fe2O3、Fe3O4以及來自水泥中的一些礦
物質，能有效地延緩鋼筋的氧化速度，提高鋼筋的抗銹
蝕性。建筑物的裂縫會破壞混凝土對鋼筋的保護作用，
當氯化物滲入混凝土內部時，它會與鈍化層發生反應，
破壞它的完整性，當鈍化層表面出現缺口時，裸露出的
鋼筋表面開始銹蝕。鋼筋受到環境侵蝕出現銹蝕膨脹，
交界層粉化，導致粘結性能劣化，降低鋼筋與混凝土
間的咬合力，削弱鋼筋與混凝土的互鎖作用，鋼筋的銹
蝕范圍、對混凝土的破壞程度的不斷擴大又將促進體積
膨脹，使裂縫不斷擴展，使用性能急劇下降，對建筑形
成更大的危害。鋼筋生銹不僅會使水泥的保護層脹裂脫
落，還會減少鋼筋承受力的實際截面積，直線型的降低
構件的承載力，破壞構件的韌性與延展性能，鋼筋嚴重
腐蝕的建筑物結構經常會在無前兆的前提下瞬間崩塌。
世界知名學者梅塔博士(P.K.Mheta)把鋼筋銹蝕歸結為影
響混凝土耐久性的首要因素，國內外建筑領域的有關混
凝土結構耐久程度的相關的研究也指出，因裂縫引發的
鋼筋部位銹蝕屬于建筑物結構的耐久性受到破壞最主要
的原因之一。
2.混凝土碳化
空氣中CO2經化學反應固定在混凝土中這個過程就被
稱為混凝土碳化，混凝土碳化是影響鋼筋混凝土結構耐
久性的重要因素之一。水泥水化的副產物Ca(OH)2可以填
滿混凝土孔隙，堿性介質的存在會對鋼筋混凝土的整體
結構起到一定保護作用。混凝土裂縫會使得防止腐蝕的
表面阻隔層受損，為外界腐蝕性化學物質打開了直達混
凝土內部的通道，外界氣候變化帶來的水分會滲進混凝
土結構中，混凝土水泥沙石組成的堿性環境被破壞，發
生如下方程式的反應。
Ca(OH)2＋CO2→CaCO3＋H2O
C-S-H＋CO2→CaCO3＋SiO2＋nH2O
僅管被碳化后的水泥基質內仍含有大量的Ca(OH)2，
但混凝土膠凝材料中包含的低鈣硅易與CO2反應生成
C-S-H凝膠，然后漿體中以顆粒形式存在的Ca(OH)2被
C-S-H凝膠快速包裹或隔離，這使得漿體中的Ca(OH)2無
法溶解到孔隙液中，維持混凝土內部的堿性環境。隨著
上述反應進行，最終導致混凝土碳化收縮現象，裂縫將
沿著鋼筋和砂漿界面開展，CO2通過新增裂縫繼續侵蝕
混凝土，建筑結構的脆性增大，碳酸鹽大量滲透使得混
凝土中性化，混凝土中氫離子數量增多，明顯降低混凝
土自身的保護功能。環境堿度明顯降低會導致化學反應
活躍，大氣所包含的CO2進入混凝土中，與水泥基質中
的堿性化學成分發生化學反應，生成水和碳酸鹽，使得
混凝土結構碳化，結構中的水灰比和膠凝材料的摻和量
越大，混凝土對碳化的抵抗能力就越差，越易在養護前
期就出現明顯的碳化現象。混凝土堿性成分與碳化反應
水繼續發生反應，建筑物就會產生局部鼓包與疏松的現
象，損害建筑物的美觀性與安全性。
3.降低混凝土耐腐蝕性
對于混凝土外表面，局部裂縫會加深結構被侵蝕的
程度，雨雪天氣帶來的氯離子、硫酸根離子會破壞建筑
物的穩定性。混凝土碳化產生的氫離子主要起到溶蝕作
用，氯離子滲透入水泥基質中與氫離子結合也會加劇腐
蝕現象。硫酸根離子在混凝土腐蝕過程中主要起膨脹作
用，硫酸根離子與被中性化的混凝土中的鈣離子發生如
下的化學反應：
Ca2++SO4
2-+2H2O →CaSO4·2H2O+2OH-
生成鈣礬石或者石膏等一系列膨脹性物質，使得混
凝土內部應力迅速增加，原有的裂縫不斷延伸和擴展，
混凝土由外向內逐層被腐蝕。侵入混凝土骨架的酸性物
質還會使混凝土水泥基質中的水化硅酸鈣和水化鋁酸鈣
的水解化學反應加速，破壞了水泥基質的孔隙結構，腐
蝕了作為混凝土骨架的凝膠體，導致建筑物局部的瓦
解、剝落、凹陷、甚至塌垮或掉渣，混凝土呈現出酥
松、軟化等特征，建筑外表面出現色染或析出結晶物質
富集等現象，顯著降低了鋼筋混凝土建筑物的耐腐蝕
性，嚴重威脅建筑物的使用安全。
4.降低混凝土綜合性能
混凝土的裂縫不僅影響建筑物的外觀、耐腐蝕性，
還嚴重降低了混凝土的綜合性能。裂縫帶來的腐蝕效應
會嚴重劣化抗壓、抗拉、抗剪切的力學性能。混凝土結
構中的裂縫在外部復雜力學荷載作用下將不斷擴展延
伸，使連續介質的混凝土材料變為非連續介質材料。建
筑物在面臨沖擊性荷載作用時，因整體剛度被嚴重破
壞，彈性模量受損，無法提供應對外界載荷的應力應
變，抗震能力下降，會出現嚴重的貫穿性裂縫導致結構
物的完全破壞。
三、陶粒對混凝土裂縫的預防
陶粒形狀一般呈圓球或橢球形，表面覆蓋一層堅硬的
陶質或釉質外殼具有隔水保氣作用，提升了陶粒的強度，
可以取代砂石在混凝土中骨料的支撐作用。陶粒作為粗骨
料的混凝土具有質量輕、抗滲性能好、適應性強的特點。
1.防止收縮開裂
混凝土收縮是這種水泥這種膠凝材料應用帶來的固
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技術應用與研究
有屬性，由此產生的裂縫問題會劣化其使用性能，為解
決這一問題，國內外學者嘗試在混凝土中加入膨脹劑，
但隨著水泥高強、高性能化的發展，混凝土水灰比例不
斷減小，補償混凝土收縮的膨脹劑和水化反應的水泥爭
奪水分，這就造成混凝土中存在一些未完全水化的水泥
顆粒，影響混凝土各項性能。浸水飽和后的陶粒在混凝
土中的應用可以從內部提供水源進行自養護，在混凝土
局部形成小型蓄水庫改善內部潮濕度，供給內部水化所
需水分，提供內養護條件。陶粒的自養護效應不僅緩解
混凝土收縮，避免混凝土開裂，還能夠降低外在養護標
準，獲得性質穩定的混凝土。這對于易發生收縮開裂和
不易養護的特殊結構，例如大跨度結構和大體積的混凝
土等有著重要的實用意義。
2.提高韌性
混凝土中摻加的陶粒可以避免應力集中，使得減壓
應力傳導均勻，平衡建筑物整體受力情況，提高建筑物
的彈性模量，抑制裂紋的形成和擴展。混凝土受外力荷
載破壞時，裂縫主要沿膠凝材料與骨料的界面開展，抗
壓強度的大小主要取決于膠凝材料體系的強度，預濕陶
粒的持續返水還可以促進水泥交界面的水化反應，內養
護使得水化產物能有效填充陶粒孔隙，從而提高陶粒骨
料自身強度、與水泥砂漿交界面的黏結強度，強化界面
區粘結效果提升混凝土的整體剛度。骨料強度、水泥石
強度和界面區黏結強度是混凝土強度的主要影響因素，
雖然陶粒筒壓強度低于石子，但其附帶的內養護功能，
改善了混凝土的孔隙特征與骨料界面特征，使得水泥基
質與陶粒嵌合度得到提高。在1976年發生的唐山大地震
中，天津建造的4棟陶粒混凝土建筑物未受到顯著破壞，
可以繼續維持正常使用，而其周圍相當數量的磚混建筑
都不同程度地受到震害，這與陶粒混凝土具有優良的
抗震性能有直接的關系。1976年意大利費留利地區發生
9級的強烈地震，統計資料表明，磚混建筑物損壞率達
40%～60%，框架結構黏土空心磚損壞率為33%，而陶粒
混凝土建筑損壞率只有5%。
3.提高抗凍抗腐蝕能力
受季節氣候變化影響，混凝土會因周期性的冰凍和
解凍循環劣化混凝土，水結晶的反復凍脹效應產生孔隙
與裂縫，使得斷面層疏松化，降低混凝土的密實度。混
凝土整體質量與強度隨著凍融次數的增加而降低，使得
混凝土局部粉化開裂。
由于陶粒的高孔隙率特征，陶粒混凝土的抗凍與抗
腐蝕能力比一般混凝土要好很多，混凝土中的孔隙可分
為骨料孔隙、界面孔隙和砂漿孔隙等，陶粒有效減少了
骨料與水泥石之間孔隙的形成，混凝土孔隙率隨陶粒
體積分數增大逐漸增大，但小孔徑范圍的數量相對增
加。陶粒混凝土中的直徑20~100μm氣孔數量幾乎占一
半以上，100~200μm直徑的孔隙占20%左右。隨著陶粒
含量的增加，直徑低于100μm的孔隙數量增加，孔徑
100~500μm的數量減少提升了混凝土的密實程度提升了
抗凍能力；陶粒內部非連通蜂窩狀高孔隙率的致密特征
不僅能有效改善混凝土由凍融循環帶來的開裂，還可有
效堵截侵蝕介質進入混凝土的內部通道，提高混凝土對
氯離子、氫離子、硫酸根離子的抗滲透性能。
四、陶粒對混凝土裂縫的修復
陶粒修復混凝土的技術是國內外土木工程領域的研
究熱點，陶粒修復混凝土裂縫的原理是利用微生物或搭
載劑反應沉積出CaCO3以實現填充修復裂縫。相比于其
他修復方式，修復過程不會對環境造成傷害，在未來具
有很大的潛力。混凝土中的高剪切應力堿性環境會導致
細菌無法存活，所以具備多孔結構和高生物相容性的多
孔陶粒作為細菌的保護性載體常被應用于混凝土中促進
裂縫自修復。在考慮初始損傷程度的情況下，生物基修
復的抗彎強度、抗壓強度和彈性模量的回復率最高并且
微生物誘導碳酸鹽沉淀工藝具有有效的裂縫封閉能力，
鋼筋的腐蝕可以被抑制，搭載的細菌可完全愈合的最大
裂縫寬度達至450μm，混凝土的吸水率大幅度降低。
五、結束語
綜上所述，為保證陶粒在防治混凝土裂縫的領域更
好的應用，有必要建立完善的陶粒混凝土施工研發體
系，加強陶粒混凝土施工技術的研究和應用，在確保有
關陶粒預防建筑裂縫形成研究充足的前提下，繼續研究
陶粒對混凝土裂縫的修復應用，以促進我國混凝土建筑
建設的進一步發展。
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作者簡介：桑騫（1995－），男，漢族，安徽淮南人，
碩士研究生，學生，安徽理工大學，研究方向：陶粒混
凝土。

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