混凝土結構裂縫產(chǎn)生原因及控制措施研究

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摘  要

大體積混凝土結構開裂后，其性能與原狀混凝土性能相差很大，則嚴重影響結構的長期安全和耐久運行。本文分析了混凝土結構裂縫產(chǎn)生的原因和機理，并從各個環(huán)節(jié)提出了預防裂縫的綜合措施，用以確?；炷恋馁|(zhì)量，減少裂縫的發(fā)生。   關鍵詞：混凝土； 裂縫； 水泥水化熱； 溫度應力   混凝土結構裂縫產(chǎn)生原因及控制措施研究 一、混凝土結構裂縫產(chǎn)生的原因 鋼筋混凝土結構的裂縫產(chǎn)生的原因主要分為三個：（1）由于結構的實際工作狀態(tài)與設計模型的差異而產(chǎn)生的結構次應力引起的裂縫；（２）由外部荷載引起的裂縫縫隙，按常規(guī)計算的各種荷載而引起的；（3）由溫度差、收縮、膨脹、不均勻沉降等因素產(chǎn)生的變形應力而引起的裂縫，施工中可以采取措施避免。（4）大體積混凝土結構中，由于結構截面大，水泥用量多，水泥水化釋放的水化熱能產(chǎn)生很大的溫度變化和收縮作用，是導致大體積混凝土裂縫的主要原因。 （一）水化熱產(chǎn)生裂縫的機理 1、大體積混凝土結構的截面尺寸較大，在施工過程中，由水泥水化過程中釋放出大量水化熱量，由于混凝土體積大，熱量散發(fā)不易，造成溫升較大，從而導致混凝土體積增大。當這種變形不受約束時，混凝土結構內(nèi)部不會產(chǎn)生應力。但實際上這種變形肯定會受到約束，約束有兩種。一是混凝土與外部環(huán)境溫度差異引起的約束；另一種是由于內(nèi)部的條件而不同產(chǎn)生的約束，以上兩種約束產(chǎn)生的應力為溫度應力。 2、其次，濕度變化引起的混凝土內(nèi)部各單元體之間相互約束，產(chǎn)生的應力為干縮應力。因為濕度傳導率遠小于熱度傳導率（約為1/1600），所以，它主要產(chǎn)生在混凝土表面附近：另外，混凝土自身體積變形不能自由伸縮所產(chǎn)生的應力，稱為自身體積變形應力；還有地基不均勻沉降、模板走樣也會產(chǎn)生相應的變形應力。在以上非結構荷載的作用下所產(chǎn)生的應力中，主要是溫度應力和變形應力。對于大體積混凝土結構施工中，當混凝土澆筑體的邊界無約束時（如底、頂板頂面），在早期水化熱的溫度迅速升高階段，由于混凝土內(nèi)、外散熱條件不同，形成溫度梯度，表面受拉，內(nèi)部受壓。當拉應力超過混凝土抗拉強度時，混凝土表面就產(chǎn)生裂縫。在混凝土的降溫階段，混凝土的溫差引起的變形加上混凝土的體積收縮變形，受到地基和結構邊界條件的約束時，在澆筑體的中央斷面產(chǎn)生了內(nèi)部拉應力，當該拉應力超過混凝土抗拉強度時，混凝土整個截面就產(chǎn)生了貫穿裂縫。 3、現(xiàn)澆鋼筋混凝土結構梁、板產(chǎn)生裂縫的原因，綜合歸納起來可以分為兩大類：一是由于設計失誤、實際施工不當?shù)仍驅(qū)е碌慕Y構性裂縫；二是由于混凝土本身的收縮和溫差作用所產(chǎn)生的非結構性裂縫。有關資料統(tǒng)計及大量的工程實踐表明，一般工程中結構性裂縫約占20％，大部分為收縮和溫差裂縫約占80％，這些非結構性裂縫可以通過設計和施工階段采取相應的技術措施進行預防，從而將其控制在現(xiàn)行規(guī)范所允許的范圍之內(nèi)。從大量的工程實踐中我們可以發(fā)現(xiàn)，建筑結構中混凝土的收縮和溫差裂縫所出現(xiàn)的位置與構件部位和形狀關系的規(guī)律基本相同或類似。 （二）溫度應力的分析 根據(jù)溫度應力的形成過程，將其可分為以下三個階段： 1、初期：自澆筑混凝土開始至水泥放熱基本結束，一般約需30天。這個階段有兩個特征，一是混凝土彈性模量的急劇變化，二是水泥放出大量的水化熱。由于彈性模量的變化，這一時期在混凝土內(nèi)形成了殘余應力。 2、中期：自水泥放熱作用基本結束時起至混凝土冷卻到穩(wěn)定溫度時止，這個過程時間中，溫度應力主要是由于混凝土的冷卻和外界氣溫的變化所引起，這些應力與早期形成的殘余應力相疊加，在這個期間混凝土的彈性模量變化不大。 3、后期：混凝土完全冷卻以后的運轉(zhuǎn)時期。溫度應力主要是由外界氣溫變化所引起的，這些應力與前兩種的殘余應力相疊加。 4、根據(jù)溫度應力引起的原因可分為兩類：一是自生應力：邊界上沒有任何約束或完全靜止的結構，如果內(nèi)部溫度是非線性分布的，由于結構本身互相約束而出現(xiàn)的溫度應力的。例如，橋梁墩身、結構尺寸相對較大，混凝土冷卻時表面溫度低，內(nèi)部溫度高，在結構表面出現(xiàn)拉應力，在結構中間出現(xiàn)壓應力。二是約束應力：結構的全部或部分邊界受到外界的約束，不能自由變形而引起的應力。如箱梁頂板混凝土和護欄混凝土。這兩種溫度應力往往與混凝土的干縮所引起的應力相互共同作用。要根據(jù)已知的溫度準確分析出溫度應力的分布、大小是一項比較煩瑣的工作。在大多數(shù)的情況下，是需要依靠模型試驗或數(shù)值計算。混凝土結構的徐變使溫度應力有相當大的松弛，計算溫度應力時，必須考慮徐變產(chǎn)生的影響，具體計算這里就不再細述。 二、裂縫控制的基本原理及預防措施 （一）大體積混凝土結構的裂縫控制是指杜絕有害裂縫，同時減少或避免不影響使用的混凝土表面裂縫。裂縫控制原理是：降低混凝土外部約束與非線性降溫和收縮所產(chǎn)生的拉應力，提高混凝土相應齡期的抗拉強度和極限拉伸，以確?；炷量沽训陌踩纫?。裂縫控制方法采取溫差與溫度應力雙控制方法，避免結構物出現(xiàn)溫度裂縫，同時調(diào)整混凝土表面濕度以防止表面干縮裂縫。結構裂縫產(chǎn)生的主要原因是降溫和收縮。任一降溫溫差包含水化熱引起的溫差和收縮當量溫差，又都可以分解為均勻降溫差和非均勻降溫差兩鐘。前者產(chǎn)生外約束力，它成為貫穿性裂縫的主要原因；后者引起自約束力，形成表面裂縫；只有同時控制好這兩鐘降溫差，才能減少和避免混凝土裂縫的產(chǎn)生。 （二）控制混凝土裂縫。必須從混凝土產(chǎn)生裂縫的幾個主要原因著手，才能有效地將裂縫控制在允許范圍內(nèi)。一般可分為兩個控制階段：設計階段和施工階段。設計階段由設計人員對混凝土強度等級、鋼筋的品種、規(guī)格、建筑物的結構形式等統(tǒng)籌設計，有效的進行裂縫的控制。施工階段則采取加入外加劑的方式改善混凝土性能、降低水泥水化熱、降低混凝土內(nèi)外溫差、結構中設置施工縫或變形縫、加強混凝土中的配筋率等措施來減少混凝土的收縮，防止混凝土產(chǎn)生有害裂縫。 （三）合理的設計施工配合比。由于大體積混凝土結構各項指標均要求較高，并且普遍都采用泵送混凝土，因此合理設計配合比是有效控制和預防混凝土裂縫發(fā)生的基礎。應該根據(jù)工程所處條件，對水灰比、砂石率、水泥用量及摻合料的用量等進行優(yōu)化設計，選擇最優(yōu)最合理的方案。 1、砂石率的選擇。適當砂石率的選擇對控制混凝土的裂縫有積極作用，混凝土的干燥收縮隨砂石率的增大而增大。由于砂石率減小使粗骨料含量增大，在相同的條件下混凝土的彈性模量較高，收縮量較小，而且由于粗骨料對收縮的約束作用，可減少開裂的可能。使用粗骨料，盡量選用粒徑較大，級配良好的粗骨料，在厚大無筋或少筋的大體積混凝土中，摻總量不超過20%的大石塊，減少混凝土的用量，以達到節(jié)省水泥和降低水化熱的目的。 2、選用中低水化熱水泥，可使水泥在拌和過程中水化熱釋放較小，用以減少混凝土升溫，如選用礦渣硅酸鹽水泥，火山灰質(zhì)硅酸鹽水泥、普硅非早強型水泥。充分利用混凝土后期強度，減少每立方米混凝土中水泥用量。  3、采用混凝土雙摻技術，即在混凝土中加入優(yōu)質(zhì)粉煤灰，摻入的量一般為水泥用量的20%左右，摻入緩凝型減水劑，用量為水泥用量的 1.0%左右。通過采用雙摻技術，來減少水泥用量，從而降低水化熱并使混凝土在常溫下延長初凝時間。 4、加入UEA或AEA膨脹劑，用量為水泥用量的14%左右，使混凝土在凝固過程中不產(chǎn)生收縮，還可以提高混凝土自身的防水能力。 （四）構造設計方面的控制措施  1．合理設置伸縮縫和后澆帶  （1）同一材料的收縮和膨脹線性系數(shù)為一定值時，其面積越大、體形越大，那么收縮或溫差應力引起的變形及產(chǎn)生裂縫的可能性就越大。因此，合理設置長體形建筑的伸縮縫是控制混凝土溫差變形裂縫的一項有效措施。設計人員必須嚴格執(zhí)行各類規(guī)范，在其規(guī)定的最大間距內(nèi)設置伸縮縫，并應根據(jù)當?shù)貙嶋H環(huán)境氣候及具體工程結構特點適當減小伸縮縫的間隔，以有效防止混凝土結構的溫差裂縫。  （2）后澆帶是當建筑體形較大、高度差較大以及不規(guī)則形狀時，通常又不便設置伸縮縫，為了防止混凝土因沉降、收縮和溫差的變形產(chǎn)生裂縫，而特別澆筑的一種混凝土結構。設計施工圖時應該注意合理位置預留后澆帶，并明確提出施工中的注意事項。  2．適當?shù)脑龃蟀搴窈蜆嫾浣盥?nbsp; （1）在鋼筋混凝土結構中，鋼筋對于抵抗和控制收縮和溫差變形而產(chǎn)生的裂縫，發(fā)揮著主導作用。現(xiàn)行規(guī)范中除了對混凝土構件的縱向配筋規(guī)定了最小配筋率外，還規(guī)定當溫度等因素對結構產(chǎn)生較大的影響時，需要適當增加構件的配筋率。我國一些地方夏、秋季晝夜溫差很大，熱脹冷縮的不斷循環(huán)是造成混凝土結構產(chǎn)生溫差裂縫的主要原因。部分工程實踐表明，往往裂縫較多的構件，其配筋率較小，因此設計人員對此應該予以重視，在設計時要充分考慮工程所出區(qū)域的氣候特點和建筑物的不同部位（如外露構件），適當?shù)脑龃髽嫾呐浣盥省?nbsp; （2）常見的收縮和溫差裂縫與樓面板、屋面板的厚度有關，如果設計時只計算豎向荷載而未考慮溫差和收縮變形對樓板的影響，特別是對屋面板和框架平面以外板件的影響，而采用了較薄的板件，則難以避免在溫差和收縮應力反復作用下使結構產(chǎn)生裂縫。另外，樓板厚度不夠的情況下，施工偏差會影響到鋼筋保護層厚度和負彎矩的有效高度而產(chǎn)生裂縫。如果工程中的樓板暗埋管線比較多，也會直接影響板厚度，沿管線走向會產(chǎn)生集中應力而導致裂縫。為此，無論計算結果如何，即使板件跨度較小，也應該采取板厚≥100mm，且在溫差影響大的重點部位使板面負筋雙向通長。 （3）建筑物兩端樓梯間處的樓板平面剛度較小，容易產(chǎn)生裂縫，裂縫通常平行于板的長邊并貫通梁側(cè)。設計控制方法是加厚該處的樓板厚度，板面的負筋除了滿足計算配筋要求之外，還應配置≥Φ8@200雙向通長鋼筋，梁兩側(cè)加設縱向構造腰筋。  樓板四大角裂縫。產(chǎn)生的原因是荷載、收縮及溫差產(chǎn)生的應力向四角迭加成為剪力匯集區(qū)而引起的裂縫，一般呈45°角，距板角約600mm～1200mm，常為上下貫通。設計控制方法是除了滿足計算配筋要求之外，在整塊板的跨度范圍內(nèi)增設雙向Φ6或Φ8@200鋼筋網(wǎng)，且四角加密。  （4）框架柱網(wǎng)外的懸挑梁板處的裂縫一般平行于板的短邊并貫通封口梁側(cè)。產(chǎn)生的主要原因是該位置的構件受外界溫差影響產(chǎn)生較大的變形應力，因此外露梁板是溫差裂縫的多發(fā)區(qū)域。設計控制方法是在板面長度方向構造筋Φ8@200通長。  屋面板是收縮及溫差變形裂縫產(chǎn)生較多的地方，因此所有板的負彎矩筋不應切斷。 （三）混凝土結構原料的控制 1、材料的選擇，應優(yōu)先采用水化熱低的水泥配制大體積混凝土，如礦渣硅酸鹽水泥。在施工中避免使用含泥量高的集料，因使用含泥量高的集料會導致集料表面與水泥石的機械粘結力降低，而且會增加混凝土拌合物的用水量，不僅增加了混凝土的收縮，同時降低了混凝土的抗拉強度，導致收縮裂縫發(fā)生。 2、采用降低水泥用量的方法來降低混凝土的絕對溫升值，可以使混凝土澆筑后的內(nèi)外差和降溫速度控制的難度降低。 3、摻合料和外加劑的控制。 （1）摻合料的質(zhì)量對混凝土裂縫有顯著的影響，當前用的摻合料主要是粉煤灰或礦粉，它們可以提高混凝土的和易性大大改善混凝土工作性能和可靠性，粉煤灰對混凝土的早期干縮影響很大，使用細度較粗或含碳量高的粉煤灰會大幅度增加混凝土的需水量，從而加大混凝土的收縮導致開裂。 （2）外加劑主要指減水劑、緩凝劑和膨脹劑?；炷林袚饺霚p水劑，不僅使混凝土工作性能有了明顯的改善，同時又減少拌和用水，節(jié)約水泥，從而降低了水化熱。若是泵送混凝土，同時在炎熱的夏天，為了延緩凝結時間，要加緩凝劑，反之凝結時間過早，將影響混凝土的輸送和澆筑面的粘結，易出現(xiàn)層間縫隙，使混凝土防水、抗裂和整體強度下降。為了防止混凝土的初始裂縫，可摻加膨脹劑，如UEA膨脹劑等。 （四）澆筑時的控制措施 1、加強混凝土的澆灌振搗，提高密實度。 2、混凝土盡可能晚拆模，拆模后混凝土表面溫度不應下降15℃以上。 3、采用兩次振搗技術，改善混凝土強度，提高抗裂性 4、加強混凝土的養(yǎng)護及測溫工作。混凝土澆筑完畢后，應及時按溫控技術措施的要求進行保溫養(yǎng)護，保溫養(yǎng)護是大體積混凝土施工的關鍵環(huán)節(jié)，其目的主要是降低大體積混凝土澆筑塊體的內(nèi)外溫差值以降低混凝土塊體的自約束應力；其次是降低大體積混凝土澆筑塊體的降溫速度，充分利用混凝土的抗拉強度，以提高混凝土塊體的抗裂能力，同時，在養(yǎng)護過程中保持良好的濕度和抗風條件，使混凝土在良好的環(huán)境下養(yǎng)護。具體應使混凝土澆筑塊體的里外溫差及降溫速度滿足溫控指標的要求，保溫養(yǎng)護的持續(xù)時間應根據(jù)溫度應力加以控制、確定，保溫覆蓋層的拆除應分層逐步進行；在保溫養(yǎng)護過程中，應保持混凝土表面的濕潤。施工人員需根據(jù)事先確定的溫控指標的要求，來確定大體積混凝土澆筑后的養(yǎng)護措施，如采用蓄水法保溫養(yǎng)護等。 5、嚴格把關材料質(zhì)量和配比關系  為了有效控制現(xiàn)澆混凝土結構中收縮和溫差裂縫的出現(xiàn)，我們在施工階段更應該加倍重視，采取有效控制措施。首先要對所選用的各種材料進行嚴格的檢查和驗收，不合格材料一律禁止使用。同時，要按規(guī)定的各項技術標準做好混凝土配比設計，并進行試配試驗。施工時選用良好級砂石骨料和低熱或中熱水泥，嚴格把關砂石含泥量和外加劑的摻用量，避免使用過量粉砂，嚴格控制水灰比和坍落度。  6、切實做好混凝土的攪拌、運輸、澆筑及養(yǎng)護等細節(jié)性工作  （1）混凝土的攪拌要嚴格按照規(guī)范進行，攪拌時間必須充足，配有外加劑的更要攪拌均勻，否則可能造成同一塊板中混凝土的性質(zhì)不同，收縮凝結不均勻而引起開裂。另外，使用外加劑的量必須計算準確，用法正確，要對各種外加劑與不同水泥的相容性匹配關系有明確標識。混凝土的運輸、澆筑和振搗必須在初凝前完成并確保板厚，保持構件中各種鋼筋的正確位置，專人負責振搗?；炷翝仓髴乐惯^早在其上進行施工、堆積物料等活動。  （2）施工縫應按審批合格后的施工方案預留位置。雨季施工應采取防護措施，避免隨意停工留縫。施工接茬處應該用鋼絲刷清洗干凈縫口，并掃水泥漿，必要時還要在接茬處設置鋼絲網(wǎng)或采取其他可行措施防止產(chǎn)生收縮裂縫?；炷恋酿B(yǎng)護對控制混凝土的收縮裂縫起著舉足輕重的作用。因此，混凝土澆筑完成后，必須掌握好養(yǎng)護時間，在規(guī)定時間內(nèi)保持混凝土的濕度，控制其表面溫度，避免混凝土的內(nèi)外溫差過大而導致裂縫。  7、重視后澆帶的施工  （1）關于后澆帶的施工，還應該注意以下事項。后澆帶的相鄰板塊兩側(cè)的模板應支撐牢固，模板在后澆帶澆筑前不得拆除，且必須在后澆帶補澆混凝土的強度達到設計強度后方可拆除支撐模板。另外，對后澆帶施工縫部位的處理，要將施工縫兩側(cè)的舊混凝土表面鑿毛，用水徹底沖刷干凈，使舊混凝土充分濕潤，再掃兩次水泥漿后方能澆筑新混凝土，混凝土初凝后必須覆蓋養(yǎng)護。后澆帶施工縫的新澆混凝土的時間應根據(jù)工程的實際情況而定，一般應距原澆混凝土的時間不小于40天，補澆混凝土的強度應比原設計強度提高一級，并加入 10％膨脹劑。  （2）由于收縮和溫差變形這兩大因素所產(chǎn)生的非結構性裂縫，在一般情況下尚不至于造成明顯的危害，但對工程質(zhì)量和建筑結構的耐久性都有一定影響，因此這些裂縫應當引起我們的足夠的重視。我們應該在實際工程中針對裂縫產(chǎn)生原因和容易發(fā)生的部位，采取有效的設計控制措施及施工技術防范措施，從各個環(huán)節(jié)上下功夫，將非結構性裂縫嚴格控制在國家規(guī)范允許的范圍之內(nèi)，以確保我們施工的建筑“萬年常青”。 三、結論 混凝土結構裂縫的發(fā)生的原因很復雜也是不可避免的，混凝土裂縫的防治重點在于“防”，而不在于“治”在采取了上述綜合性控制措施后，由于各種原因仍可能有少量的混凝土裂縫發(fā)生。當這些裂縫發(fā)生后，必須先查明裂縫產(chǎn)生的原因，辨明裂縫的類型，才能正確的選擇處理方法，同時要通過合理設計混凝土配合比、正確選用原材料、合理設計建筑結構、加強施工監(jiān)控、嚴格遵守施工技術規(guī)程、提高施工技術水平，這樣才有可能最大程度減少混凝土結構裂縫的產(chǎn)生，把裂縫寬度控制在設計范圍內(nèi)，盡量減少裂縫造成的危害。   參考文獻 [1]  劉繼紅等.大體積混凝土施工裂縫控制.[J].鞍山科技大學學報.2006.3. 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