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摘要：近年来,随着钢筋混凝土结构的长大化和复杂化,以及商品混凝土的大量推广和混凝土强度等级的提高,结构裂缝出现机率大大增加。本人根据长期的科学研究和大量工程实践,提出钢筋混凝土结构裂缝原因及控制、预防措施,供工程界参考,不妥之处请指正。关键词：钢筋混凝土结构;裂缝;原因分析;预防措施;裂缝处理
Abstract: in recent years, with reinforced concrete structure of DaHua long and complicated, and a large number of promotion of commercial concrete and the strength of concrete levels increase, structural cracks appear probability increase greatly. I according to the long-term scientific research and a lot of engineering practice, it puts forward the reinforced concrete structure crack causes and control, the prevention measures, and engineering for reference, not the proper place please correct me.
Keywords: reinforced concrete structure; Crack; Reason analysis; Prevention measures; Crack processing
中图分类号：TU375 文献标识码：A文章编号：前言
本文重点分析建筑钢筋混凝土结构裂缝产生的各种原因,并根据多方面的科学研究和大量工程实践提出控制钢筋混凝土结构裂缝的预防措施。1、结构裂缝产生的原因及预防结构裂缝产生的原因很复杂,根据国内外的调查资料,引起裂缝有两大类原因,一种由外荷载(如静、动荷载)的直接应力和结构次应力引起的裂缝,其机率约20%;一种是结构因温度、膨胀、收缩和不均匀沉降等因素由变形变化引起的裂缝,其机率约80%。裂缝发生与材料、设计、施工和维护有关,现作以下分析。1.1 材料缺陷。在变形裂缝中收缩裂缝占有80%的比例,从混凝土的性质来说大概有:① 干燥收缩。研究表明,水泥加水后变成水泥硬化体,其绝对体积减小。每l00克水泥水化后的化学减缩值为7～9ml,如混凝土水泥用量为35Okg/m3,则形成孔缝体积约25～30l/m3之巨。这是混凝土抗拉强度低和极限拉伸变形小的根本原因。研究表明,每lOOg水泥浆体可蒸发水约6ml,如混凝土水泥用量为350kg/m3,当混凝土在干燥条件下, 则蒸发水量达2ll/m3。毛细孔缝中水逸出产生毛细压力,使混凝土产生“毛细收缩”。由此引起水泥砂浆的干缩值为0.1%～0.2%;混凝土的干缩值为0.04%～0.06%。而混凝土的极限拉伸值只有0.01%～0.02%,故易引起干缩裂缝,干燥收缩裂纹出现在接近1年龄期内。② 温差收缩。对于强度要求较高的混凝土,水泥用量相对较多,水泥水化是个放热过程,其水化熱为l65～250焦尔/克,随混凝土水泥用量提高,其绝热温升可达50～80℃。研究表明,当混凝土内外温差1 0℃时,产生的冷缩值εC= △T/α= 10/l10-5=0.O1%,如温差为20～30℃时,其冷缩值为0.02～0.03%,而混凝土极限拉伸值只有0.01~0.015%,因而冷缩常引起混凝土开裂。③ 塑性收缩。混凝土初凝之前出现泌水和水份急剧蒸发,引起失水收缩,此时骨料与水泥之间也产生不均匀的沉缩变形,它发生在混凝土终凝之前的塑性阶段,故称为塑性收缩。其收缩量可达1%左右。在混凝土表面上,特别在抹压不及时和养护不良的部位出现龟裂,宽度达l～2mm,属表面裂缝。水灰比过大,水泥用量大,外加剂保水性差,粗骨料少,振捣不良,环境温度高,表面失水大等都能导致混凝土塑性收缩而发生表面开裂现象。④ 自生收缩。密闭的混凝土内部相对湿度随水泥水化的进展而降低,称为自干燥。高水灰比的普通混凝土(OPC)由于毛细孔隙中贮存大量水分,自干燥引起的收缩压力较小,所以自生收缩值较低而不被注意。但是,低水灰比的高性能混凝土(HPC) 则不同,早期强度较高的发展率会使自由水消耗较快,以至使孔体系中的相对湿度低于80%。而HPC结构致密,外界水泥很难渗入补充,在这种条件下开始产生自干收缩。研究表明,龄期2个月水胶比为0.4的HPC,自干收缩率为0.01%,水胶比为0.3的HPC,自干收缩率为0.02%。HPC的总收缩中干缩和自收缩几乎相等,水胶比越小自收缩所占比例越大。由此可知,HPC的收缩性与OPC完全不同,OPC以干缩为主,而HPC以白干收缩为主。问题的要害是:HPC自收缩过程开始于水化速率处于高潮阶段的头几天,温度梯度首先引发表面裂缝,随后引发内部微裂缝,若混凝土变形受到约束,则进一步产生收缩裂缝。这是高标号混凝土容易开裂的主要原因之一。以上是从水泥混凝土物理化学特性分析其各种收缩现象,早期塑性收缩会导致结构出现表面裂缝,混凝土进入硬化阶段后,混凝土水化热使结构产生温差收缩和干燥收缩(包括自干收缩),这是诱发裂缝的主要原因。
1.2 设计方面。① 选用合理的设计模型及适宜的长度或体积。特别考虑温度变化和混凝土收缩对结构的影响。现行《混凝土结构设计规范》GB50011-2002 中对此提出了几项具体措施:一是设置伸缩缝,对不同结构形式、外露环境有不同的要求。二是混凝土浇筑采用后浇带分段施工。这只能解决混凝土收缩应力问题,不能解决温度缝问题。三是采用专门的预加应力措施,以此抵消温度、收缩应力的影响。还有其它措施,如加强结构的薄弱环节,以提高其抗裂性能;采用可靠的滑动措施,以减小约束变形的摩擦阻力等。② 适当加强构造配筋,提高配筋率,尽量配置细而密的钢筋,以减少裂缝的宽度。在温度收缩应力较大的地方配置温度收缩钢筋。但对大体积混凝土,提高配筋率没有太大效果,因为其配筋率往往很低。我认为,控制裂缝应该防患于未然,首先尽量预防有害裂缝,重点在防。我国混凝土结构工程向长大化、复杂化发展,混凝土设计强度等级向C40～C60发展,设计师多注重结构安全,而对变形裂缝控制考虑不周,这也是结构裂缝发生增多的原因之一。1.3 施工管理问题混凝土配合比设计是否科学合理,水泥与外加剂是否相适应,砂石级配及其含泥量是否符合规范要求,混凝土坍落度控制是否合理,这些都影响到混凝土的质量及其收缩变形。混凝土浇筑震捣不均匀密实,施工缝和细部处理马虎,会带来结构开裂的后患;过震则使浮浆过厚,抹压又不及时,则混凝土表面出现塑性裂缝,十分难看。边墙拆摸板过早(1～3d),混凝土水化热正处于高峰,内外温差最大;混凝土易“感冒”开裂。混凝土养护十分重要,但许多施工单位忽视这一环节,尤其是墙体和柱梁的保温保湿养护不到位,容易产生收缩裂缝。某些露天构筑物尽管当地湿度很大,但由于吹风影响,加速了混凝土水分蒸发速度,亦即增加干缩速度,容易引起早期表面裂缝。这也许是夏季比秋冬季,南方比北方出现结构裂缝较多的原因。从已建工程调查中发现,底板养护较好,出现裂缝概率较低,而底板上外墙裂缝概率很高约占80%,这与保温保湿养护不足有很大关系。除上述技术因素外,施工管理不严,赶进度,偷工减料,工人素质差,施工马虎等也是造成结构裂缝的人为因素。1.4 对维护缺乏认识我们发现不少结构是在浇筑完3～6个月,甚至在l～2年内出现裂缝。除荷载问题外,主要是环境温度和风速引起的收缩变形所致。有些地下室不及时复土;上部结构不及时做好封闭;出人口长期敞开,屋面防水层破坏不及时修补等。这些与施工和业主对结构维护缺乏认识有关。钢筋混凝土结构与其他物件一样都存在“热胀冷缩”的特征,尤其超长结构更为明显,所以,应重视已浇结构的保温保湿维护工作。2、混凝土构件裂缝的处理在现实工程实践中,裂缝是不可能避免的。对裂缝的处理,首先要分析其形成原因,是由设计、施工、材料还是其它因素引起的。混凝土构件的裂缝大致分三类。第一类是很细小的裂缝,或者说是规范所允许范围内的裂缝。这种裂缝一般不需要处理,第二类是超出规范允许范围内的,但并不影响结构安全问题的裂缝。这种裂缝一般需处理才能满足使用功能以及结构耐久性等,第三类是裂缝较大,影响到结构安全性的裂缝,这种裂缝的构件往往需要进行结构加固处理或拆除重建。处理方法大致两种,一是抹面处理,材料可为高强微膨胀砂浆,抗渗聚合物砂浆或用环氧玻璃封闭;二是压力灌浆法,材料可为水泥灌浆,水泥—水玻璃灌浆,环氧树脂以及现在所应用的一些化学聚合物等。3、体会及建议随着混凝土材料的广泛(使用,这种材料的性能也越来越为人们所熟悉和掌握。混凝土构件的裂缝问题也一直为工程技术人员所讨论。查清引起混凝土裂缝产生的全部原因是解决裂缝这个“癌症”的基础。只要我们全体混凝土工作者共同努力,先查清原因,后解决问题,裂缝问题最终总有一天会得到解决。相信我们在设计、施工和选材方面做好各项控制措施,防裂于未来,混凝土这种材料,必将更广泛的应用于工程实践,更好的服务于社会。
Abstract: in recent years, with reinforced concrete structure of DaHua long and complicated, and a large number of promotion of commercial concrete and the strength of concrete levels increase, structural cracks appear probability increase greatly. I according to the long-term scientific research and a lot of engineering practice, it puts forward the reinforced concrete structure crack causes and control, the prevention measures, and engineering for reference, not the proper place please correct me.
Keywords: reinforced concrete structure; Crack; Reason analysis; Prevention measures; Crack processing
中图分类号：TU375 文献标识码：A文章编号：前言
本文重点分析建筑钢筋混凝土结构裂缝产生的各种原因,并根据多方面的科学研究和大量工程实践提出控制钢筋混凝土结构裂缝的预防措施。1、结构裂缝产生的原因及预防结构裂缝产生的原因很复杂,根据国内外的调查资料,引起裂缝有两大类原因,一种由外荷载(如静、动荷载)的直接应力和结构次应力引起的裂缝,其机率约20%;一种是结构因温度、膨胀、收缩和不均匀沉降等因素由变形变化引起的裂缝,其机率约80%。裂缝发生与材料、设计、施工和维护有关,现作以下分析。1.1 材料缺陷。在变形裂缝中收缩裂缝占有80%的比例,从混凝土的性质来说大概有:① 干燥收缩。研究表明,水泥加水后变成水泥硬化体,其绝对体积减小。每l00克水泥水化后的化学减缩值为7～9ml,如混凝土水泥用量为35Okg/m3,则形成孔缝体积约25～30l/m3之巨。这是混凝土抗拉强度低和极限拉伸变形小的根本原因。研究表明,每lOOg水泥浆体可蒸发水约6ml,如混凝土水泥用量为350kg/m3,当混凝土在干燥条件下, 则蒸发水量达2ll/m3。毛细孔缝中水逸出产生毛细压力,使混凝土产生“毛细收缩”。由此引起水泥砂浆的干缩值为0.1%～0.2%;混凝土的干缩值为0.04%～0.06%。而混凝土的极限拉伸值只有0.01%～0.02%,故易引起干缩裂缝,干燥收缩裂纹出现在接近1年龄期内。② 温差收缩。对于强度要求较高的混凝土,水泥用量相对较多,水泥水化是个放热过程,其水化熱为l65～250焦尔/克,随混凝土水泥用量提高,其绝热温升可达50～80℃。研究表明,当混凝土内外温差1 0℃时,产生的冷缩值εC= △T/α= 10/l10-5=0.O1%,如温差为20～30℃时,其冷缩值为0.02～0.03%,而混凝土极限拉伸值只有0.01~0.015%,因而冷缩常引起混凝土开裂。③ 塑性收缩。混凝土初凝之前出现泌水和水份急剧蒸发,引起失水收缩,此时骨料与水泥之间也产生不均匀的沉缩变形,它发生在混凝土终凝之前的塑性阶段,故称为塑性收缩。其收缩量可达1%左右。在混凝土表面上,特别在抹压不及时和养护不良的部位出现龟裂,宽度达l～2mm,属表面裂缝。水灰比过大,水泥用量大,外加剂保水性差,粗骨料少,振捣不良,环境温度高,表面失水大等都能导致混凝土塑性收缩而发生表面开裂现象。④ 自生收缩。密闭的混凝土内部相对湿度随水泥水化的进展而降低,称为自干燥。高水灰比的普通混凝土(OPC)由于毛细孔隙中贮存大量水分,自干燥引起的收缩压力较小,所以自生收缩值较低而不被注意。但是,低水灰比的高性能混凝土(HPC) 则不同,早期强度较高的发展率会使自由水消耗较快,以至使孔体系中的相对湿度低于80%。而HPC结构致密,外界水泥很难渗入补充,在这种条件下开始产生自干收缩。研究表明,龄期2个月水胶比为0.4的HPC,自干收缩率为0.01%,水胶比为0.3的HPC,自干收缩率为0.02%。HPC的总收缩中干缩和自收缩几乎相等,水胶比越小自收缩所占比例越大。由此可知,HPC的收缩性与OPC完全不同,OPC以干缩为主,而HPC以白干收缩为主。问题的要害是:HPC自收缩过程开始于水化速率处于高潮阶段的头几天,温度梯度首先引发表面裂缝,随后引发内部微裂缝,若混凝土变形受到约束,则进一步产生收缩裂缝。这是高标号混凝土容易开裂的主要原因之一。以上是从水泥混凝土物理化学特性分析其各种收缩现象,早期塑性收缩会导致结构出现表面裂缝,混凝土进入硬化阶段后,混凝土水化热使结构产生温差收缩和干燥收缩(包括自干收缩),这是诱发裂缝的主要原因。
1.2 设计方面。① 选用合理的设计模型及适宜的长度或体积。特别考虑温度变化和混凝土收缩对结构的影响。现行《混凝土结构设计规范》GB50011-2002 中对此提出了几项具体措施:一是设置伸缩缝,对不同结构形式、外露环境有不同的要求。二是混凝土浇筑采用后浇带分段施工。这只能解决混凝土收缩应力问题,不能解决温度缝问题。三是采用专门的预加应力措施,以此抵消温度、收缩应力的影响。还有其它措施,如加强结构的薄弱环节,以提高其抗裂性能;采用可靠的滑动措施,以减小约束变形的摩擦阻力等。② 适当加强构造配筋,提高配筋率,尽量配置细而密的钢筋,以减少裂缝的宽度。在温度收缩应力较大的地方配置温度收缩钢筋。但对大体积混凝土,提高配筋率没有太大效果,因为其配筋率往往很低。我认为,控制裂缝应该防患于未然,首先尽量预防有害裂缝,重点在防。我国混凝土结构工程向长大化、复杂化发展,混凝土设计强度等级向C40～C60发展,设计师多注重结构安全,而对变形裂缝控制考虑不周,这也是结构裂缝发生增多的原因之一。1.3 施工管理问题混凝土配合比设计是否科学合理,水泥与外加剂是否相适应,砂石级配及其含泥量是否符合规范要求,混凝土坍落度控制是否合理,这些都影响到混凝土的质量及其收缩变形。混凝土浇筑震捣不均匀密实,施工缝和细部处理马虎,会带来结构开裂的后患;过震则使浮浆过厚,抹压又不及时,则混凝土表面出现塑性裂缝,十分难看。边墙拆摸板过早(1～3d),混凝土水化热正处于高峰,内外温差最大;混凝土易“感冒”开裂。混凝土养护十分重要,但许多施工单位忽视这一环节,尤其是墙体和柱梁的保温保湿养护不到位,容易产生收缩裂缝。某些露天构筑物尽管当地湿度很大,但由于吹风影响,加速了混凝土水分蒸发速度,亦即增加干缩速度,容易引起早期表面裂缝。这也许是夏季比秋冬季,南方比北方出现结构裂缝较多的原因。从已建工程调查中发现,底板养护较好,出现裂缝概率较低,而底板上外墙裂缝概率很高约占80%,这与保温保湿养护不足有很大关系。除上述技术因素外,施工管理不严,赶进度,偷工减料,工人素质差,施工马虎等也是造成结构裂缝的人为因素。1.4 对维护缺乏认识我们发现不少结构是在浇筑完3～6个月,甚至在l～2年内出现裂缝。除荷载问题外,主要是环境温度和风速引起的收缩变形所致。有些地下室不及时复土;上部结构不及时做好封闭;出人口长期敞开,屋面防水层破坏不及时修补等。这些与施工和业主对结构维护缺乏认识有关。钢筋混凝土结构与其他物件一样都存在“热胀冷缩”的特征,尤其超长结构更为明显,所以,应重视已浇结构的保温保湿维护工作。2、混凝土构件裂缝的处理在现实工程实践中,裂缝是不可能避免的。对裂缝的处理,首先要分析其形成原因,是由设计、施工、材料还是其它因素引起的。混凝土构件的裂缝大致分三类。第一类是很细小的裂缝,或者说是规范所允许范围内的裂缝。这种裂缝一般不需要处理,第二类是超出规范允许范围内的,但并不影响结构安全问题的裂缝。这种裂缝一般需处理才能满足使用功能以及结构耐久性等,第三类是裂缝较大,影响到结构安全性的裂缝,这种裂缝的构件往往需要进行结构加固处理或拆除重建。处理方法大致两种,一是抹面处理,材料可为高强微膨胀砂浆,抗渗聚合物砂浆或用环氧玻璃封闭;二是压力灌浆法,材料可为水泥灌浆,水泥—水玻璃灌浆,环氧树脂以及现在所应用的一些化学聚合物等。3、体会及建议随着混凝土材料的广泛(使用,这种材料的性能也越来越为人们所熟悉和掌握。混凝土构件的裂缝问题也一直为工程技术人员所讨论。查清引起混凝土裂缝产生的全部原因是解决裂缝这个“癌症”的基础。只要我们全体混凝土工作者共同努力,先查清原因,后解决问题,裂缝问题最终总有一天会得到解决。相信我们在设计、施工和选材方面做好各项控制措施,防裂于未来,混凝土这种材料,必将更广泛的应用于工程实践,更好的服务于社会。