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止于至善

有混凝土的地方,就会有我

 
 
 

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关于我

闻宝联,工学博士,教授级高工,天津市市政工程研究院副总工程师,同济大学、天津大学校外硕士导师,新加坡《urban transportation &construction》杂志副主编,中国土木工程学会混凝土质量专业委员会委员,中国土木工程学会混凝土耐久性专业委员会委员,中国建筑业协会混凝土分会专家组成员,中国腐蚀与防护学会建筑工程专业委员会委员,中国商品混凝土企业联合会专家委员会主任委员,中国硅酸盐学会混凝土与水泥制品协会理事,数十项国家重点工程混凝土专项技术指导。

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钢筋混凝土结构裂缝的控制  

2016-06-29 06:31:25|  分类: 混凝土质量控制 |  标签: |举报 |字号 订阅

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前言

混凝土是建筑工程最重要的材料之一。自1824年水泥问世及随之诞生的混凝土与钢筋混凝土以来,至今已有100多年的历史。混凝土工程技术伴随着工程建设的需要和科学技术的发展而进步。在当今的工程建设中,大都采用钢筋混凝土结构,因为该结构的材料价廉物美、施工方便、承载力大、可装饰性强,日益受到人们的欢迎。但是,在使用混凝土的同时,由于对混凝土的性能了解不深,对混凝土的一些薄弱环节认识不足,特别是当混凝土结构出现了裂缝或其它不良反映,由此造成了担忧和后怕的感觉。一些搞混凝土技术的研究人员对混凝土结构的裂缝形成,进行了大量的研究和技术探讨,提出了许多解决混凝土裂缝的办法和意见,取得了积极的科研成果。目前对混凝土结构裂缝控制的探讨重点仍然是混凝土工程中具有普遍意义的技术问题。混凝土结构的破坏和建筑物的倒塌,都是从结构裂缝的扩展开始而引起的。如地下工程(地下室、地下仓库、地下变电所、地下人防工程等),若出现裂缝,将会产生大量的渗水,使地下工程的使用性能降低或不能使用;而厂房、住宅、办公楼的墙、板、柱、梁出现裂缝后,一是影响美观,二是影响使用寿命,当建筑物出现严重裂缝时将会威胁到人们的生命和财产的安全。因此在施工验收规范和工程中都不允许混凝土结构出现有明显的裂缝。

1裂缝的基本概念

裂缝是固体材料中的某种不连续现象,在学术上属于结构材料强度理论范畴。

钢筋混凝土的裂缝控制问题是建筑工程中重要的研究课题之一。特别是最近20年来,泵送商品混凝土获得广泛应用之后,在混凝土匀质性有了很大改善的同时,裂缝控制技术难度也大大增加了。但是,从近代科学关于对混凝土的研究及大量的混凝土工程实践证明,混凝土结构裂缝是难以避免的,裂缝是人们可以接受的一种材料特性,只是如何将有害程度控制在某一有效范围之内已成为我们目前必须解决的问题。因为混凝土是多种材料组成的一种混合体,而且又是一种脆性材料,在受到温度、压力和外力的作用下,都有出现裂缝的可能性。当结构出现裂缝后,就要分析哪些裂缝是有害裂缝,哪些裂缝是技术上允许的,通过分析,我们可以了解有害裂缝的形成原因并及时采取有效方法加以控制。

2国内研究现状

由于结构在外荷载作用下的破坏而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,这是可以理解的。早在20世纪30年代,有一位前苏联教授在钢筋混凝土强度理论中就指出,如正常配筋受弯构件的破坏状态是指受拉区钢筋到达屈服强度,受压区混凝土到达受弯的抗压强度,此状态称为承载力极限状态。这一状态全过程是伴随着荷载的不断增加,裂缝出现(钢筋应力只有4060MPa),裂缝扩展,受压区塑性不断发展,最后达到完全破坏。此时破坏荷载往往是裂缝出现荷载时的35倍,因此,很多大型钢筋混凝土结构,仅仅自重就超过了极限荷载的30%,在此条件下钢筋混凝土结构带有轻微裂纹是完全正常的,结构是安全的。

国内外关于荷载作用下钢筋混凝土结构的设计都有自己的经验公式,并已纳入有关规范。从目前的情况看,国内结构设计中对混凝土裂缝的控制有一定的范围要求。从我国的《混凝土结构设计规范》(GB500102002)中第334条的规定看,结构构件应根据结构类别的规定选用不同的裂缝控制等级及最大裂缝宽度限值。

近年来大量裂缝的出现,并非与荷载作用有直接关系,通过大量的调查与实测研究证明这种裂缝是由于变形作用引起,包括温度变形(水泥的水化热、气温变化),收缩变形(塑性收缩、干燥收缩、碳化收缩)及地基不均匀沉降变形。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导致裂缝,统称“变形作用引起的裂缝”。

3

钢筋混凝土结构裂缝分析

 

裂缝出现都是事出有因,有设计上的错误、原材料性能缺陷、施工质量低劣、环境条件的变化、使用不当、地基不均匀沉陷等原因,而建筑物的破坏往往始于裂缝。

31 从混凝土的某些基本物理力学性质分析

311 混凝土的收缩及水化热

在工民建领域,大部分结构构件均属薄壁结构,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。混凝土的收缩机理至今尚未统一,但大多数的研究成果认为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需要20年,但其主要部分的收缩是在最早的12年内。由于近来水泥活性和强度等级的增加,收缩量显著增大,并且拖延时间较长。影响收缩的因素很多,如水泥品种采用矿渣硅酸盐水泥比普通硅酸盐水泥水化热低,但其收缩约增加25%。遇到超厚的大底板基础或大块式基础,则水化热将起到控制作用,此时宜选用粉煤灰硅酸盐水泥或矿渣硅酸盐水泥。所以,我们应根据截面的厚度分别选用不同品种的水泥。其次水泥颗粒越细、活性越大、强度等级越高、用量越多,其收缩也越大。收缩是混凝土材料体积不稳定的一种表现,由于混凝土抗拉强度低,当收缩趋势受到约束后,容易产生开裂。

养护条件对混凝土的收缩影响很大,养护14天的收缩比养护3天的收缩降低约20%。环境的相对湿度越高,收缩越小,许多结构所处的环境湿度波动很大,低则有30%~40%,高则可达80%~90%。环境温度越高,风速越大,收缩越大。

312 混凝土徐变因素的考虑

徐变是混凝土材料粘弹性的表现,通常混凝土结构会因徐变而使变形不断增大或造成预应力损失导致钢筋和混凝土粘着力降低。但另一方面,徐变会使混凝土温度变形或其它收缩变形受约束时产生的应力得到松弛。有徐变才会使混凝土拉应力降低,这就是混凝土结构在早期未引起广泛开裂的一个很重要的原因。由于混凝土的徐变作用,给钢筋混凝土和预应力钢筋混凝土带来正负两方面的影响。从有利的方面来看,它可以使弹性温度收缩应力大大的松弛,根据变形速率及混凝土龄期,对应力降低的程度约为30%~80%,保温保湿养护越好,降温越慢,松弛系数越小。从不利的方面来看,它可以造成预应力损失,增加挠度,降低钢筋和混凝土的粘着力等。

313 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,水泥强度等级的提高及水泥用量的增加,对抗压强度增长影响较为显著,而对抗拉强度增长影响较小。

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的变化,其极限拉伸和抗拉强度波动很大。

值得注意的是,混凝土中的较大含泥量及其它杂质可以明显地降低混凝土的抗拉性能,有的混凝土集料中混入了有害膨胀物引起混凝土的崩裂,因此要求泵送混凝土必须遵循“精料供应”的原则。

32 从混凝土结构裂缝的种类分析

321 混凝土的裂缝大致可分为以下四种:

1)混凝土拌合物凝结前的沉降裂缝及干缩裂缝;

2)混凝土温度应力裂缝;

3)混凝土自应力裂缝;

4)混凝土受外力及荷重影响裂缝。

322 从实际情况来看,混凝土工程结构的裂缝情况可分为以下五个方面:

  (1)混凝土拌合物沉降裂缝

这种裂缝的发生,往往是采用大流动性混凝土拌合物时而发生的裂缝,大流动性混凝土拌合物在混凝土初凝前,混凝土拌合物中的粗集料始终处于一种自由体,虽然经过振动器械进行了振动,内部的孔隙也基本排除,但在混凝土内部的粗集料本身在自身重力的作用下缓慢下沉,若是素混凝土,内部的下沉是均匀的,在混凝土硬化过程中,表面的裂缝一般均为施工人员在操作过程中所留下的脚印用素浆找平后而形成的,因为这些裂缝是素浆在硬化时产生的收缩裂缝,只要在混凝土初凝时予以压光即可解决。对于钢筋混凝土结构,在混凝土没有达到初凝前,其内部的粗集料继续处于下沉状态,而混凝土沿着钢筋的下方继续下沉,由于在钢筋的作用下,钢筋上面的混凝土被钢筋支护,在钢筋上表面沿着钢筋的走向产生裂缝,这种裂缝的深度一般只达到钢筋表面为止。

2)早期混凝土干缩裂缝

这种裂缝一般出现在混凝土较薄的结构,如现浇楼板混凝土、道路混凝土、地坪等混凝土,在结构断面≤300mm、混凝土坍落度>100mm 时,最容易发生此种裂缝。这种裂缝产生的原因是混凝土拌合物在浇捣完毕后,混凝土拌合物内部的水分一部分泌出流失,一部分被水泥水化所用,另外一部分被蒸发,尤其是在干热、风较大的季节以及在空中的薄壁结构板,混凝土拌合物则更容易出现失水干缩而发生裂缝。这种裂缝出现的时间较早,一般混凝土在初凝前就已经发生,若不加以处理和养护,局部裂缝将会贯穿整个混凝土结构,部分裂缝也将达到结构1/31/2的深度。象这样的裂缝若在混凝土还没达到初凝之前,对其表面用木抹子进行再次拍压抹平,并立即在表面覆盖养护,即可消除该种裂缝的再次发生。这种裂缝在实际的施工过程中会经常遇到,但只要引起注意,混凝土早期出现裂缝的情况是可以避免的。

3)贯通性毛细孔和微细裂缝

在一般大流动性混凝土工程结构上容易产生贯通性的毛细孔。因为泵送混凝土的流动性大,相应的混凝土单位用水量也要比普通混凝土用水要多。在混凝土浇捣完毕后,一部分水泌出,一部分水蒸发,一部分水在水泥水化时被水泥吸收,而蒸发的这一部分水存在于混凝土内部,在一定的时间内慢慢挥发,原来水所占的体积就形成了一条毛细孔隙,当混凝土结构内外部存在水压力差情况下,这种贯通性的毛细孔就很容易产生渗漏。

微细裂缝主要反映在大流动性混凝土内部,由于在振捣时漏振或振捣不够,在混凝土硬化前,尤其是在钢筋下方的集料仍在继续下沉,而钢筋上部混凝土中的集料被钢筋所支撑不能下沉,在钢筋的下表面就形成了一道微细的水膜,以后它则会形成一条孔隙,水便会从此缝隙渗漏到混凝土结构物内部。

4)混凝土应力裂缝

1)混凝土温度应力裂缝

在混凝土硬化过程中,混凝土结构可能要承受各种温度和湿度及其它原因引起的变形,因为混凝土在内、外约束应力作用的情况下,结构的自约束应力由于非线性的不均匀变形引起,并可能产生局部裂缝或贯穿性裂缝。

当混凝土内部温度应力大于混凝土的拉应力时,混凝土结构将会出现裂缝,在《混凝土结构工程施工质量验收规范》(GB502042002)中第747条明确规定,“对大体积混凝土的养护,应根据气候条件按施工技术方案采取控温措施”。

因为混凝土拌合物内的水泥在水化时,要产生大量的水化热,当混凝土内外温差超过一定的限度,混凝土的拉应力小于混凝土的热胀应力时,便会产生温度应力裂缝。这种裂缝主要出现在大体积混凝土或在冬期施工的混凝土。

2)混凝土自应力裂缝

在混凝土硬化后,即使混凝土没有受任何荷重的作用,也会因其自身的收缩而产生裂缝。尤其是在夏季的混凝土施工中,更容易发生这种裂缝。这种裂缝往往是在混凝土墙板上产生,它的形式一般为上下贯通的裂缝,这种裂缝是混凝土的自应力引起的,原因是混凝土在水泥水化热达到一定温度的时候,混凝土的膨胀应力开始消失,而此时的混凝土开始产生收缩。这种收缩是均匀的收缩,所以在此种条件下,混凝土墙板的裂缝呈现出有规律性的裂缝。

5)荷载变形裂缝

这种裂缝一般由两种情况造成:一是在混凝土结构还未达到设计要求的强度时,被车辆或重物的碾压或撞、砸而造成的变形缝;二是即使混凝土已经达到了设计强度,而在混凝土墙板或薄壁结构物上撞击或超荷载堆放而造成的裂缝。后者出现的裂缝一般较为明显,属于贯穿性的裂缝。

33 从裂缝产生的直接原因分析

331 收缩及水化热增加

自从20世纪70年代末,我国混凝土施工工艺采用泵送商品混凝土工艺。现场搅拌混凝土从过去的干硬性、低流动性,转向集中搅拌、大流动性泵送浇筑。水泥用量增加,水灰比增加,砂率增加,集料粒径减小,用水量增加等导致收缩及水化热增加。

332 混凝土强度等级日趋提高

建筑结构混凝土强度等级日趋提高,也有许多结构不适当地选择了过高的强度等级。习惯上认为:“强度等级越高安全度越大,提高强度等级没坏处”。有时为了施工方便,采用高强混凝土,这是一种误导,导致水泥强度等级提高,水泥用量增加,用水量增加,砂率偏大等都使水化热及收缩增加。

333 结构约束应力不断增大

结构规模日趋庞大,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并采用现浇施工,这种结构形式有显著的约束作用,各种变形作用必然引起较大的约束应力。

334 外加剂的负效应

外加剂及掺合料种类繁多,只有强度指标,缺乏对水化热及收缩变形影响的研究和长期实验资料的积累(至少一年),有些试验资料并不严格,有许多外加剂在使用以后严重的增加收缩变形,有的甚至降低耐久性。

335 养护方法不当

目前在混凝土施工中采用的养护方法基本沿用过去简易的方法,这种方法已远不适应泵送混凝土较大温度收缩变形的要求。

336 混凝土抗拉性能不足

这种裂缝在抗力方面是由于混凝土抗拉性能不足引起的。泵送商品混凝土在混凝土的质量(匀质性)方面有很大的提高,在生产、运输、环保等方面有了质的飞跃,但是对混凝土裂缝控制的认识和研究还有待加强。

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。因此,泵送混凝土的薄壁结构也应当按照大体积混凝土的要求采取措施控制混凝土的收缩裂缝,特别是环境气温变化与收缩共同作用对于薄壁结构尤为不利。

34 从钢筋混凝土承受变形应力的特点分析

外荷载作用下结构的内力只与荷载及结构几何尺寸有关,但在变形作用条件下,结构的约束内力不仅与变形作用及结构几何尺寸有关,而且与结构刚度有关,这是约束内力与荷载内力的重要区别。

约束力矩不仅与温差和截面高度有关,而且与梁的抗弯刚度成正比,刚度越大,约束力矩越大,这适宜于裂缝出现及扩展阶段,钢筋混凝土的抗弯刚度是变化的。

当温差不断增加,钢筋混凝土构件进入极限状态时,裂缝充分发展,刚度下降并趋近于零时则力矩也趋近于零。所以,变形力矩不影响结构的极限状态。但是裂缝会影响使用(渗漏)及耐久性(钢筋锈蚀)。如果结构的承载力由抗剪、抗冲击决定,变形作用引起的贯穿性裂缝可能降低承载力。

4

裂缝的控制措施

 

钢筋混凝土结构的裂缝是难以避免的,但其有害程度是可以控制的,有害与无害的界限由结构使用功能所决定。裂缝控制的主要方法是通过设计、材料、施工等方面的综合技术措施将裂缝控制在科学、经济、满足安全和使用功能范围内。综合技术措施包括:合理选择结构形式,降低结构约束程度,对于水平构件梁、板、墙等采用中低强度等级混凝土,加强构造配筋,如板上部的受压区连续配筋,板的阳角及阴角配置放射筋,减少梁的腰筋间距,宜用螺纹钢筋,在长度方向的构造筋配筋率宜控制在05%左右。优选有利于抗拉性能的混凝土级配,尽量减小水胶比、减少坍落度,降低集料的含泥量及杂质含量。选用影响收缩和水化热较小的外加剂和掺合料。采取保温保湿的养护技术,尽量利用混凝土后期强度。对于超长结构可采取后浇带或加强带方法施工。少量有害裂缝可采用近代化学灌浆技术处理,从而满足正常使用和耐久性的要求。

目前控制住宅工程钢筋混凝土现浇楼板裂缝主要从以下四方面入手。

41 设计

1)住宅的建筑平面宜规则,避免平面形状突变。当平面有凹口时,凹口周边楼板的配筋宜适当加强。

2)应重视屋面结构的保温设计,屋面的传热系数宜≤10W/m2·K

3)当楼板平面形状不规则时,宜设置梁使之形成较规则的平面。

4)现浇楼板设计厚度不宜小于110mm(厨房、浴厕、阳台板不得小于90mm),单向板应≥L/30L为板的短向跨度)。

5)当房屋长度大于40米时,可在楼面中部设置后浇带或加强带。

6)房屋层面阳角处和跨度≥39m 的楼板,应设置双层双向钢筋,阳角处钢筋间距不宜大于100mm,跨度≥39m 的楼板钢筋间距不宜大于l50mm。钢筋直径不宜小于Φ8。外墙转角处尚应设置放射形钢筋,如设置焊接钢筋网片效果更佳,配筋范围应大于板跨的1/3,钢筋间距不宜大于100mm

7)现浇楼板强度等级不宜大于C30

42 材料

1)用于现浇楼板的混凝土的用水量不宜大于180kg/m3,采用减水效率较高的缓凝型外加剂以延缓水泥水化速度。

2)降低水泥用量(降低水化热),在保证混凝土强度的情况下,宜掺加粉煤灰和磨细矿渣粉的双掺活性掺合料(掺合料总量可达水泥用量的50%左右),利用两者之间很好的功能互补作用,早期发挥矿渣粉的火山灰效应,改善浆体和集料间界面,后期发挥粉煤灰滞后的火山灰效应所带来的孔径细化作用,使混凝土后期强度继续提高,同时掺加了粉煤灰和磨细矿渣粉后,由于功能互补作用,使混凝土的粘聚性提高,泌水性降低,进一步提高了混凝土的抗裂性能。

3)用于拌制现浇楼板混凝土的细集料细度模数应大于23,不得采用细砂、特细砂。

4)商品混凝土生产企业必须控制混凝土坍落度,保证现场浇捣时的坍落度高层应小于180mm、多层和中高层小于150mm

5)当工程结构需要时,可在混凝土中加入纤维及膨胀剂等抗裂材料。

6)商品混凝土生产企业应严把材料质量关,同时加强生产设备计量精度的控制。

43 施工

1)施工单位必须对现场浇捣的商品混凝土坍落度进行现场逐车检查,对不符合坍落度要求的不得使用。

2)施工单位必须采取有效措施保证楼板厚度和楼板钢筋保护层厚度。

3)混凝土楼板浇捣后,施工单位必须按设计和现行规范要求,采取适当养护措施。选择好浇筑混凝土的时间;合理安排各结构部位的浇筑顺序;采用合适的工艺手段保证混凝土的质量。

4)强调早期湿养护,水泥的水化在饱和状态下方能正常进行,当相对湿度小于80%时,水泥的水化几乎完全停止。随着建筑物高度的增加,越高供水越难,施工单位应采取有效方法来保证湿养护。如能保证湿养护7天,则裂缝会大大减少。

5)拆模应根据结构的特点采用合理的拆模顺序,如梁的侧模和墙板侧模宜早拆,特别是地下结构中的长墙更要注意此点,并及时对竖立面浇水养护。一般来说,在混凝土终凝后侧模尽量早拆,这样方能保证湿养护的充分。

44 后期管理

住宅工程竣工后、交付使用前,建设单位应加强管理和保养,防止温差和过分的干燥引起楼板裂缝,一般可采取室内喷洒水,提高湿度的方法进行保养,尤其在秋冬季节更应注意。

5结语

钢筋混凝土结构裂缝产生的原因很多,正确判断和分析混凝土裂缝的成因是控制和减少混凝土裂缝产生最有效的途径。随着科学技术的发展,在未来的建筑工程领域中,钢筋混凝土结构的裂缝控制技术会更趋合理化和科学化。

参考文献

1]吴之乃,郑念中. 我国混凝土工程技术的现状及发展.混凝土,112000)、3

2]王铁梦. 工程结构裂缝控制. 北京:中国建筑工业出版社,19988

3]王成祥,郭靳时,庄新玲等. 混凝土结构基本原理. 北京:中国建筑工业出版社,20028

4]富文权,韩素芳. 混凝土工程裂缝分析与控制. 北京:中国铁道出版社,20025

5]过镇海,时旭东. 钢筋混凝土原理和分析. 北京:清华大学出版社,200312

作者:张青 潘永芳

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