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摘要:本文重點(diǎn)分析建筑鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)裂縫產(chǎn)生的各種原因,并根據(jù)多方面的科學(xué)研究和大量工程實(shí)踐提出控制鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)裂縫的預(yù)防措施。

關(guān)鍵詞:鋼筋混凝土結(jié)構(gòu);裂縫;原因分析;預(yù)防措施;裂縫處理

1前言

近年來(lái),隨著鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)大化和復(fù)雜化,以及商品混凝土的大量推廣和混凝土強(qiáng)度等級(jí)的提高,結(jié)構(gòu)裂縫出現(xiàn)機(jī)率大大增加,有些已危及結(jié)構(gòu)的安全性和耐久性,有的地下工程裂滲已影響其使用功能。筆者根據(jù)長(zhǎng)期的科學(xué)研究和大量工程實(shí)踐,提出鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)裂縫原因及控制、預(yù)防措施,供工程界參考,不妥之處請(qǐng)指正。

2結(jié)構(gòu)裂縫產(chǎn)生的原因及預(yù)防

結(jié)構(gòu)裂縫產(chǎn)生的原因很復(fù)雜,根據(jù)國(guó)內(nèi)外的調(diào)查資料,引起裂縫有兩大類原因,一種由外荷載(如靜、動(dòng)荷載)的直接應(yīng)力和結(jié)構(gòu)次應(yīng)力引起的裂縫,其機(jī)率約20%;一種是結(jié)構(gòu)因溫度、膨脹、收縮和不均勻沉降等因素由變形變化引起的裂縫,其機(jī)率約80%。裂縫發(fā)生與材料、設(shè)計(jì)、施工和維護(hù)有關(guān),現(xiàn)作以下分析。

2.1材料缺陷

在變形裂縫中收縮裂縫占有80%的比例,從混凝土的性質(zhì)來(lái)說(shuō)大概有:

2.1.1干燥收縮

研究表明,水泥加水后變成水泥硬化體,其絕對(duì)體積減小。每l00克水泥水化后的化學(xué)減縮值為7～9ml,如混凝土水泥用量為35Okg/m3,則形成孔縫體積約25～30l/m3之巨。這是混凝土抗拉強(qiáng)度低和極限拉伸變形小的根本原因。研究表明,每lOOg水泥漿體可蒸發(fā)水約6ml,如混凝土水泥用量為350kg/m3,當(dāng)混凝土在干燥條件下,則蒸發(fā)水量達(dá)2ll/m3。毛細(xì)孔縫中水逸出產(chǎn)生毛細(xì)壓力,使混凝土產(chǎn)生“毛細(xì)收縮”。由此引起水泥砂漿的干縮值為0.1%～0.2%;混凝土的干縮值為0.04%～0.06%。而混凝土的極限拉伸值只有0.01%～0.02%,故易引起干縮裂縫,干燥收縮裂紋出現(xiàn)在接近1年齡期內(nèi)。

2.1.2溫差收縮

對(duì)于強(qiáng)度要求較高的混凝土,水泥用量相對(duì)較多,水泥水化是個(gè)放熱過(guò)程,其水化熱為l65～250焦?fàn)?克,隨混凝土水泥用量提高,其絕熱溫升可達(dá)50～80℃。研究表明,當(dāng)混凝土內(nèi)外溫差10℃時(shí),產(chǎn)生的冷縮值εC=△T/α=10/l10-5=0.O1%,如溫差為20～30℃時(shí),其冷縮值為0.02～0.03%,而混凝土極限拉伸值只有0.01~0.015%,因而冷縮常引起混凝土開裂。

2.1.3塑性收縮

混凝土初凝之前出現(xiàn)泌水和水份急劇蒸發(fā),引起失水收縮,此時(shí)骨料與水泥之間也產(chǎn)生不均勻的沉縮變形,它發(fā)生在混凝土終凝之前的塑性階段,故稱為塑性收縮。其收縮量可達(dá)1%左右。在混凝土表面上,特別在抹壓不及時(shí)和養(yǎng)護(hù)不良的部位出現(xiàn)龜裂,寬度達(dá)l～2mm,屬表面裂縫。水灰比過(guò)大,水泥用量大,外加劑保水性差,粗骨料少,振搗不良,環(huán)境溫度高,表面失水大等都能導(dǎo)致混凝土塑性收縮而發(fā)生表面開裂現(xiàn)象。

2.1.4自生收縮

密閉的混凝土內(nèi)部相對(duì)濕度隨水泥水化的進(jìn)展而降低,稱為自干燥。高水灰比的普通混凝土(OPC)由于毛細(xì)孔隙中貯存大量水分,自干燥引起的收縮壓力較小,所以自生收縮值較低而不被注意。但是,低水灰比的高性能混凝土(HPC)則不同,早期強(qiáng)度較高的發(fā)展率會(huì)使自由水消耗較快,以至使孔體系中的相對(duì)濕度低于80%。而HPC結(jié)構(gòu)致密,外界水泥很難滲入補(bǔ)充,在這種條件下開始產(chǎn)生自干收縮。研究表明,齡期2個(gè)月水膠比為0.4的HPC,自干收縮率為0.01%,水膠比為0.3的HPC,自干收縮率為0.02%。HPC的總收縮中干縮和自收縮幾乎相等,水膠比越小自收縮所占比例越大。由此可知,HPC的收縮性與OPC完全不同,OPC以干縮為主,而HPC以白干收縮為主。問(wèn)題的要害是:HPC自收縮過(guò)程開始于水化速率處于高潮階段的頭幾天,溫度梯度首先引發(fā)表面裂縫,隨后引發(fā)內(nèi)部微裂縫,若混凝土變形受到約束,則進(jìn)一步產(chǎn)生收縮裂縫。這是高標(biāo)號(hào)混凝土容易開裂的主要原因之一。

以上是從水泥混凝土物理化學(xué)特性分析其各種收縮現(xiàn)象,早期塑性收縮會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)出現(xiàn)表面裂縫,混凝土進(jìn)入硬化階段后,混凝土水化熱使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生溫差收縮和干燥收縮(包括自干收縮),這是誘發(fā)裂縫的主要原因。

2.2設(shè)計(jì)方面

2.2.1選用合理的設(shè)計(jì)模型及適宜的長(zhǎng)度或體積。特別考慮溫度變化和混凝土收縮對(duì)結(jié)構(gòu)的影響?，F(xiàn)行《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50011-2002中對(duì)此提出了幾項(xiàng)具體措施:一是設(shè)置伸縮縫,對(duì)不同結(jié)構(gòu)形式、外露環(huán)境有不同的要求。二是混凝土澆筑采用后澆帶分段施工。這只能解決混凝土收縮應(yīng)力問(wèn)題,不能解決溫度縫問(wèn)題。三是采用專門的預(yù)加應(yīng)力措施,以此抵消溫度、收縮應(yīng)力的影響。還有其它措施,如加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié),以提高其抗裂性能;采用可靠的滑動(dòng)措施,以減小約束變形的摩擦阻力等。

2.2.2適當(dāng)加強(qiáng)構(gòu)造配筋,提高配筋率,盡量配置細(xì)而密的鋼筋,以減少裂縫的寬度。在溫度收縮應(yīng)力較大的地方配置溫度收縮鋼筋。但對(duì)大體積混凝土,提高配筋率沒有太大效果,因?yàn)槠渑浣盥释艿汀?/p>

筆者認(rèn)為,控制裂縫應(yīng)該防患于未然,首先盡量預(yù)防有害裂縫,重點(diǎn)在防。我國(guó)混凝土結(jié)構(gòu)工程向長(zhǎng)大化、復(fù)雜化發(fā)展,混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)向C40～C60發(fā)展,設(shè)計(jì)師多注重結(jié)構(gòu)安全,而對(duì)變形裂縫控制考慮不周,這也是結(jié)構(gòu)裂縫發(fā)生增多的原因之一。

2.3施工管理問(wèn)題

混凝土配合比設(shè)計(jì)是否科學(xué)合理,水泥與外加劑是否相適應(yīng),砂石級(jí)配及其含泥量是否符合規(guī)范要求,混凝土坍落度控制是否合理,這些都影響到混凝土的質(zhì)量及其收縮變形。

混凝土澆筑震搗不均勻密實(shí),施工縫和細(xì)部處理馬虎,會(huì)帶來(lái)結(jié)構(gòu)開裂的后患;過(guò)震則使浮漿過(guò)厚,抹壓又不及時(shí),則混凝土表面出現(xiàn)塑性裂縫,十分難看。

邊墻拆摸板過(guò)早(1～3d),混凝土水化熱正處于高峰,內(nèi)外溫差最大;混凝土易“感冒”開裂。

混凝土養(yǎng)護(hù)十分重要,但許多施工單位忽視這一環(huán)節(jié),尤其是墻體和柱梁的保溫保濕養(yǎng)護(hù)不到位,容易產(chǎn)生收縮裂縫。某些露天構(gòu)筑物盡管當(dāng)?shù)貪穸群艽?但由于吹風(fēng)影響,加速了混凝土水分蒸發(fā)速度,亦即增加干縮速度,容易引起早期表面裂縫。這也許是夏季比秋冬季,南方比北方出現(xiàn)結(jié)構(gòu)裂縫較多的原因。

從已建工程調(diào)查中發(fā)現(xiàn),底板養(yǎng)護(hù)較好,出現(xiàn)裂縫概率較低,而底板上外墻裂縫概率很高約占80%,這與保溫保濕養(yǎng)護(hù)不足有很大關(guān)系。

除上述技術(shù)因素外,施工管理不嚴(yán),趕進(jìn)度,偷工減料,工人素質(zhì)差,施工馬虎等也是造成結(jié)構(gòu)裂縫的人為因素。

2.4對(duì)維護(hù)缺乏認(rèn)識(shí)

我們發(fā)現(xiàn)不少結(jié)構(gòu)是在澆筑完3～6個(gè)月,甚至在l～2年內(nèi)出現(xiàn)裂縫。除荷載問(wèn)題外,主要是環(huán)境溫度和風(fēng)速引起的收縮變形所致。有些地下室不及時(shí)復(fù)土;上部結(jié)構(gòu)不及時(shí)做好封閉;出人口長(zhǎng)期敞開,屋面防水層破壞不及時(shí)修補(bǔ)等。這些與施工和業(yè)主對(duì)結(jié)構(gòu)維護(hù)缺乏認(rèn)識(shí)有關(guān)。鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)與其他物件一樣都存在“熱脹冷縮”的特征,尤其超長(zhǎng)結(jié)構(gòu)更為明顯,所以,應(yīng)重視已澆結(jié)構(gòu)的保溫保濕維護(hù)工作。

3混凝土構(gòu)件裂縫的處理

在現(xiàn)實(shí)工程實(shí)踐中,裂縫是不可能避免的。對(duì)裂縫的處理,首先要分析其形成原因,是由設(shè)計(jì)、施工、材料還是其它因素引起的?；炷翗?gòu)件的裂縫大致分三類。第一類是很細(xì)小的裂縫,或者說(shuō)是規(guī)范所允許范圍內(nèi)的裂縫。這種裂縫一般不需要處理,第二類是超出規(guī)范允許范圍內(nèi)的,但并不影響結(jié)構(gòu)安全問(wèn)題的裂縫。這種裂縫一般需處理才能滿足使用功能以及結(jié)構(gòu)耐久性等,第三類是裂縫較大,影響到結(jié)構(gòu)安全性的裂縫,這種裂縫的構(gòu)件往往需要進(jìn)行結(jié)構(gòu)加固處理或拆除重建。

處理方法大致兩種,一是抹面處理,材料可為高強(qiáng)微膨脹砂漿,抗?jié)B聚合物砂漿或用環(huán)氧玻璃封閉;二是壓力灌漿法,材料可為水泥灌漿,水泥—水玻璃灌漿,環(huán)氧樹脂以及現(xiàn)在所應(yīng)用的一些化學(xué)聚合物等。

4體會(huì)及建議

隨著混凝土材料的廣泛(使用,這種材料的性能也越來(lái)越為人們所熟悉和掌握?；炷翗?gòu)件的裂縫問(wèn)題也一直為工程技術(shù)人員所討論。筆者認(rèn)為,查清引起混凝土裂縫產(chǎn)生的全部原因是解決裂縫這個(gè)“癌癥”的基礎(chǔ)。只要我們?nèi)w混凝土工作者共同努力,先查清原因,后解決問(wèn)題,裂縫問(wèn)題最終總有一天會(huì)得到解決。相信我們?cè)谠O(shè)計(jì)、施工和選材方面做好各項(xiàng)控制措施,防裂于未來(lái),混凝土這種材料,必將更廣泛的應(yīng)用于工程實(shí)踐,更好的服務(wù)于社會(huì)。

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