混凝土裂缝分析与预防措施
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摘要:钢筋混凝土的裂缝控制问题是建筑工程中十分重要的课题。本文探讨了大体积混凝土施工裂缝产生的原因以及控制和预防裂缝的措施。
关键词:混凝土混凝土裂缝预防措施
钢筋混凝土的裂缝控制问题是建筑工程中十分重要的课题。特别是最近20年来,泵送商品混凝土获得广泛应用,混凝土的配合比有了较大的改变,裂缝控制的难度也随之增加了。
1. 大体积混凝土的定义
过去大体积混凝土的定义是根据几何尺寸决定的,其中厚度是主要因素,国际上一般是以0.8～1.0m为界限。自80年代以后大体积混凝土的定义有了改变,美国混凝土协会的定义是:“任意体量的混凝土,其尺寸大到足以必须采取措施减小由于体积变形引起的裂缝,统称为大体积混凝土”。由此可见,在近代泵送商品混凝土获得广泛应用的条件下,即便是很薄的结构,虽然水化热很低,但是其收缩很大,控制收缩裂缝的要求比过去任何时候都显得重要。
2. 产生裂缝的直接原因
由于结构在外荷载作用下的破坏和倒塌是从裂缝扩展开始的,因此人们对裂缝往往产生一种建筑破坏的恐惧感。近年来大量裂缝的出现,并非与荷载作用有直接关系,而是由于变形所引起,包括温度变形(水泥的水化热、气温变化、环境产生的热)、收缩变形(塑性收缩、干燥收缩、碳化收缩)及地基不均匀沉降(膨胀)变形。由于这些变形受到约束引起的应力超过混凝土的抗拉强度而导致的裂缝统称“变形作用引起的裂缝”。
2.1 收缩及水化热增加
商品混凝土大流动性泵送浇筑,水泥用量增加,水灰比增加,砂率增加,骨料粒径减小,用水量增加等均导致混凝土收缩及水化热增加。
2.2 混凝土强度等级日趋提高
有许多结构不适当地选择了过高的强度等级,人们习惯上认为:“强度等级越高安全度越大,就高不就低,提高强度等级没坏处”。有时迁就施工方便,采用高强混凝土,这是一种误导,导致水泥标号增加,水泥用量增加,水用量增加,细骨料及粗骨料粒径偏小,砂率偏大等都使水化热及混凝土收缩增加。
2.3 结构约束应力不断增大
结构规模日趋增大,结构形式日趋复杂,超长、超厚及超静定结构成为经常采用的结构形式(采用现浇施工),这种结构形式有着显著的约束作用,对于各种变形作用必然产生较大约束应力。
2.4 外加剂的负效应
2.5 忽略结构约束
国内外结构设计中都经常忽略构造钢筋的重要性,因而经常出现构造性裂缝。结构设计中经常忽略结构约束性质,缺乏相应的设计施工规范、规程。
3. 混凝土的某些基本物理力学性质
3.1 混凝土的收缩及水化热
泵送混凝土浇筑的构件收缩量很大,因此经常出现收缩裂缝。混凝土是具有大量孔隙的材料,其中水分蒸发引起孔壁压力的变化,导致混凝土体积的缩小。混凝土内除了少部分水提供水泥水化的需要,其余大部分水分都要蒸发掉,收缩变形同时发生,最终收缩完成的时间大约20年,但其主要部分的收缩是在最早的1～2年内。由于近来水泥活性和强度等级的增加,收缩量显著增加,并且拖延时间较长。影响收缩的因素很多,例如水泥品种采用矿渣水泥比普通硅酸盐水泥的水化热要低,但其收缩约大25%。
3.2 混凝土徐变
混凝土的徐变作用,给钢筋混凝土和预应力钢筋混凝土带来有利和不利两方面的影响。从不利方面看来,它可以造成预应力损失,增加挠度,可以降低钢筋和混凝土的粘着力等;从有利方面看来,它可以使弹性温度收缩应力大大地松弛,根据变形速率及混凝土龄期,它对应力降低的程度约0.3～0.8倍,保温保湿养护越好,降温越慢,松弛系数越小。
3.3混凝土的抗拉强度及极限拉伸
泵送混凝土浇筑后,其抗压强度和抗拉强度都随着时间而增长,但增长的速率,抗拉滞后于抗压,水泥标号的提高及水泥用量的增加,对抗压强度增长较为显著,而对抗拉强度增长较小,对于相对变形约束应力来说,混凝土的极限拉伸尤为重要。通过对双掺(减水剂及粉煤灰)混凝土的抗拉试验,发现混凝土随着荷载速率及养护条件,其极限拉伸和抗拉强度波动很大,在极慢速(接近实际温度和湿度缓慢变化速度)条件下,其极限拉伸相对变形可达(2～3)×10-4,显然这里包含了徐变变形,这对温度收缩应力是很有利的。
4. 部分裂缝成因与预防措施
4.1 龟裂
混凝土龟裂亦称塑性收缩裂缝,是指混凝土浇筑后仍处于塑性状态时,由于表面水分蒸发过快而产生的裂缝。
4.2 断板
断板是指混凝土板面出现横向断开条形裂缝。这种裂缝严重影响结构的使用性能,在施工中要严加禁止,一旦出现,须打掉重新浇筑混凝土。断板的成因主要有两个方面,一是由于混凝土收缩变形引起的,主要是物理收缩即干燥收缩;二是环境温度变化引起的,白昼高温,可使混凝土板体顶面温度高于底面温度,造成板体中间拱起,夜间温度降低,可使混凝土板体顶面温度低于底面温度,造成板体两头翘曲,环境温度变化引起热胀冷缩,从而产生温度应力,使混凝土被拉裂。这种裂缝常出现在混凝土板块中间、雨水口和检查井等薄弱部位。减少混凝土单位用水量,一般砾石≯160 kg/m3,碎石≯170 kg/m3。严格控制混凝土坍落度,商品防水混凝土≯(120±20) mm。严格控制水泥用量,增加骨料含量,水泥用量≮320kg/m3。施工方面要避免夏天在中午施工,要及耐覆盖并洒水养护。
4.3 开裂
开裂是指混凝土板面呈纵向和斜向断开的裂缝。这种裂缝短则几十厘米,长达十几米,该裂缝处理起来比较困难,一般以预防为主,一旦出现,只好打掉重新浇筑混凝土。
5. 结语
钢筋混凝土结构的裂缝是不可避免的,但又是可以控制的。一些大体积混凝土施工经过设计、监理以及施工单位的共同努力,混凝土浇筑后表面虽有些裂缝,但都满足施工规范的要求,取得了满意的效果。
参考文献:
[1]钱觉时,罗晖,王智.水泥混凝土高强化与强度尺寸效应.建筑材料学报,1998(2):134～138
[2]YB 9082-97钢骨混凝土结构设计规程