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摘要:建筑工程,砼和钢筋砼结构物的裂縫是一般带普遍性的技术问题。近几年工程建设规模不断扩大,结构形式日趋复杂,施工使用过程中经常遇到裂缝问题,现仅就这方面问题谈点形成原因分析浅议,特敬请专家指正。实践告知我们,结构设计是建立在承载力和安全度的极限强度理论基础上的,但是大多数工程的使用标准却受到裂缝的制约。
关键词:建筑工程;混凝土;裂缝
裂缝是工程技术人员十分烦恼的头痛的“老、大、难”问题。的确,结构的破坏和倒塌都是从裂缝的出现和扩展开始的,裂缝的出现和扩展,严重地威胁着结构物的安全,不同程度地降低了结构物的承载能力;同时结构物的裂缝。还引起了渗漏、保护层的脱落,钢筋的锈蚀、砼的碳化,并且严重地破坏了结构的美观。使人们常常对裂缝产生一种恐惧感。
实践证明,裂缝的产生并非全由外荷载引起的,甚至在尚未承受荷载之前结构就已开裂,这类裂缝是由于变形作用而引起的,如温度变形,湿度变形。收缩和膨胀变形,地基不均匀沉降等种种因素引起的。另一类裂缝是由荷载引起的,如静荷载和其他荷载作用下引起的。
裂缝是固体材料的不连续现象,砼的微观及亚微观研究以及大量工程实践提供的经验都说明,材料在初始状态(尚未承受荷载前)就存在着微观裂缝,它既是结构材料的一种缺陷,同时又是一种物理力学性质。结构物的裂缝是不可避免的,裂缝是一种人们可以接受的材料特性,任何宏观裂缝都是微观裂缝的扩展。在建筑工程实践中以肉眼可见和肉眼不可见裂缝为裂缝存在和不存在的相对标准。肉眼可见裂缝起始范围约为0.02—0.05mm,从对工程有影响方面的最小界限判断,以0.05为界较为合适,即认为建筑物存在小于0.05mm的裂缝为无裂缝建筑物。
一、砼裂缝的原因分析
为了弄清产生裂缝的原因,有必要对引起砼裂缝的各项因素加以分析。砼所产生的裂缝一般可分为砼更化前和硬化后二种类型。
(一)、砼硬化前(塑性阶段)的裂缝
砼硬化前出现裂缝,往往是砼组分材料浇灌时不同沉落的结果,或由于砼在处于塑性状态时快速失去水份而引起的表面裂缝,也可能是上述两种因素共同作用下产生的。
1、沉降裂缝。砼浇灌后。粗骨料开始沉落,挤去水分和空气,表面产生泌水,砼体积减小的一种现象,这种沉落现象直到砼硬化时才停止。钢筋、预埋件及大的粗骨料会阻碍粗骨料的自由沉落,使之分离而出现砼塑性阶段裂缝。此外砼处塑性阶段时,因地基沉陷,模板吸水膨胀而变形,或支撑松动亦会引起裂缝。浇灌在斜坡上的砼,由于向下流淌的倾向也会导致塑性阶段出现裂缝。
2、塑性收缩裂缝。砼塑性收缩裂缝,一般出现在结构表面,形状很不规则,而且长短不一,互产连贯,类似干燥泥浆表面的裂纹、出现的时机大多在砼表面水消失,砼面没有光泽的阶段。在砼浇灌初期,一般在浇灌后4小时左右,当砼本身与外界气温相差悬殊或本身温度长时间过高,在40℃以上,而气候又很干燥的情况下出现。塑性收缩裂缝又称“龟裂”,严格讲属于干缩裂缝,出现很普遍。产生这种裂缝的原因是:砼浇灌后,表面没有复盖。受风吹日晒,游离水份蒸发较快,产生急剧的体积收缩,此时对砼早期强度很低,不能抵抗这种变形应力而导致开裂,或使用收缩率较大的水泥,或水泥用量过多以及使用过量的粉砂,或砼水灰比过大,模板过于干燥等。
3、花纹状裂缝。砼表面出现六角形花纹状裂纹,是由于不正确的表面抹平及养护方式造成的。过份的刮抹是出现这种裂缝的主要原因,他使水、水泥及细骨料呈现在砼的表面,形成含水量大的砂浆层,它比下层的砼或砂浆有较大的干缩性,且强度也低,在砼表面撒水泥刮抹也是出现花纹状裂缝的原因之一,也是人为缺乏对砼的特性认识所导致的。
(二)、砼硬化后的裂缝
砼是一种多组分的抗拉能力较强的脆性材料。当发生温度、湿度、地基不均匀的沉陷,制作安装使用过程中种种荷载作用下及某些化学作用形成砼激变,都有可能引起裂缝的发生。
1、温度裂缝
砼具有热胀冷缩性质,砼的线膨胀系数为1×10-5/℃,钢筋砼的线膨胀系数为1—1.2×10-5/℃,砼结构设计规范统一取为1×10-5/℃。一个结构物发生温度变形时,并不一定产生应力,只有当温度变形受到约束时才会产生应力。结构的约束可分为二类:一类是外约束,即结构变形受到外在的制约作用;一类是内部约束,即结构变形没有受到外在的约束作用,而是受到结构内部自在的约束,往往容易忽视。如一个自由状态的屋面板,虽然外约束不存在,但当其内部温度呈非线性变化时,各质点或各层纤维之间也存在相互约束作用。关于砼结构温度不均匀的情况,国内外实测结论是:即使在缓慢升降温的情况下,温度变化沿高度仍呈曲线变化规律,因而存在温度应力,当聚然降温中升温时,表面部分纤维与其他各层纤维间将有更大的温度差异,此时将会产生更大的温度应力。关于结构物所受的外约束,我们设想一个理想的自由体,当在均匀温度变化情况下,它能自由的伸长和缩短,这时将不产生应力,也就是说不会出现温度裂缝。这个理想的自由体温度均匀变化△T时,变形值ε=δ△T(δ为线膨胀系数),应力б=0。再设想两端是绝对嵌固的单跨梁,当发生温度变化(无论是均匀变化或是非均匀变化)时,由于外约束而不能产生变形故引起温度应力,此时ε=0,应力最大б=Eδ△T(E为弹性模量)。实际工程中,绝对均匀变化的温度是不存在的,而外约束情况总是介于绝对无约束和绝对有约束之间。砼温度裂缝产生的具体原因:
表面温度裂缝大多数是由于内外温差过大引起的。砼结构,特别是大体积砼浇灌后。硬化期间水泥释放出大量的水化热,内部温度急剧上升,造成砼表面和内部温度相差过大,而形成表面温度裂缝。当施工中注意不够或稍有疏忽,过早拆除模板,或冬季施工过早除掉保温层,或遇到寒流侵袭,将导致砼表面温度不断下降产生收缩,此时表面受到内部砼的约束,将产生很大的拉应力,而砼早期抗拉强度和弹性模量很低,从而出现裂缝。 深入的贯穿温度裂缝大多数由于结构降温差较大,受到外约束而引起的。当大体积砼基础墙体浇灌在坚硬地基(特别是岩石地基)或厚大的老砼垫层上时,没有采取隔离层等放松措施,如果砼浇灌时气温很高,加上水泥水化热的温升(当砼的水泥用量偏大或用高温水泥拌制时),则会使砼的温度很高,又当砼冷却收缩时受到地基、砼垫层或其他外约束时,将会在砼内出现很大的拉应力,产生降温收缩裂缝,这种裂缝出现的较迟,裂缝深,有时是贯穿的,会破坏结构的整体性。基础工程长期不回填,受风吹日晒或寒潮袭击,也会出现这种裂缝。框架梁、基础梁、墙板,由于与刚度较大的柱,基础连接,或预制购件浇灌在台座深缩缝处,因温度变化受到约束而形成裂缝。
2、湿度裂缝
砼在空气里结硬过程中,会发生体积逐渐减小的现象,这就是干缩,又称收缩。收缩是砼在不受力情况下,因体积变化而产生的变形。砼失水时收缩、浸水时膨胀。水中养护虽可以缓慢的膨胀若干年,但膨胀的数值不大,每单位长度膨胀约为1.5×10-4,而在空气中结硬时的收缩值却大得多。当砼不能自由收缩时,其结果会在砼内引起拉应力而产生裂缝。收缩能影响结构的使用功能和外表美观。对于预应力砼等重要结构的设计,收缩是必须考虑的重要因素。当砼處在相对湿度50%的空气环境中,每单位长度的收缩量在4.0×10-4—8.0×10-4范围内变化,最低为2.0×10-4,而当水泥用量偏高,或骨料级配不良时,最高甚至可达10.0×10-4体积减小,产生收缩的原因是:水泥浆胶体和剩余下来的水泥颗粒、骨料生成新的胶体而使胶体渐渐变浓。这时,未起水化作用的水泥颗粒,不断吸收骨架中的水份组成新骨架,整个骨架愈挤愈紧,而减小了体积;另一方面,整个骨架中多余水份不断蒸发,随湿度降低而体积减小。这两部份构成砼的总收缩。前一部份收缩,即水化作用产生的收缩,称为“自收缩”;后一部分收缩,即水份蒸发产生的收容,称为“湿度收缩”。有关资料分析,前一部份只占后一部份的五分之一至十分之一,故湿度收缩对总收缩起控制作用。收缩的发展规律是早期快,后期慢。最初三个月达总收缩值的60%—70%,半年达70%—80%,三年基本全部完成。需要特别指出的是,刮风将使水份迅速蒸发,其影响超过日照气温的作用。
3、应力裂缝
超载或地基下沉引起的应力超过砼抗拉强度而产生的裂缝。大坝底层老砼等约束应力超过砼抗拉强度也会产生裂缝。结构受力产生的裂缝的因素很多,在实际工程中,绝对静定的结构是不存在的,有约束就有应力,应力超过砼的抗拉强度,就要产生裂缝,普通钢筋砼结构,一般是允许带有裂缝工作的。即使在使用荷载作用下,也允许结构出现一定宽度限值内的裂缝。钢筋砼结构,砼的抗拉强度是很低的,钢筋的存在,并不能真正的提高砼的抗拉强度,只不过起到将较宽裂缝分散为多条细小裂缝和增加塑性作用而已。当砼开裂时,钢筋应力仅20—30MPa左右。在设计规范中,未考虑钢筋砼结构在各种受力状态下砼的抗拉强度,根据不同情况,允许结构存在裂缝,最大裂缝宽度分别规定为0.2mm和0.3mmn。
4、施工因素裂缝
模板支撑松动及拆模引起的裂缝。当砼处于硬化过程,由于模板支撑不牢,或砼未完全硬化前就提前拆模,致使砼产生裂缝。这种裂缝是由于砼尚未达到一定强度承受荷载而引起的,施工早期,结构受剧烈震动和过重的敲击也会引起裂缝。木模浇灌的结构,浇灌前模板未浇水湿透、隔离剂失效、模板与砼粘结,当模板大量吸水发生膨胀,常将柱角、梁角拉裂,预制购件在成型或拆模过程中受到剧烈震动,也会引起砼开裂。钢筋砼空心板成孔时,抽芯过早砼塌陷而出现裂缝,抽芯过晚、芯和与砼粘结、砼易被拉裂。预制构件的场地未夯实、构件运输、堆放时垫块位置不当,运输过程悬挑过长或颠簸震动过大,吊装的吊点位置不正确,侧向刚度较差的构件未采取临时加固措施,都可能产生裂缝。
5、化学作用裂缝
砼碱一骨料反应,它是水泥中的碱与活性骨料中的氧化硅反应生成硅酸钙,并从周围介质中吸收水分而膨胀的现象。反应吸收水分,使碱的浓度增大,在凝结以后的养护期中,与活性骨料(蛋白质、磷石英、方石英、玉髓等)中的二氧化硅起作用生成硅酸钠,其反应式:2HaoH+SiO2H2O Na2SiO2+H2O,硅酸钠是胶状体,从周围介质中吸收水膨胀,膨胀体积约为三倍,以致引起砼开裂和破坏。
6、徐变问题
砼在恒定荷载作用下,随着时间而增长叫做徐变。产生徐变的原因是水泥、石在应力作用下发生粘结流动。徐变将从以下两个方面对裂缝产生不利影响:受弯构件载面上砼受压的徐变,可以使构件变形增加二至三倍,从而使裂缝出现或不断发展,它使预应力结构产生较大的预应力损失,从而降低结构的抗裂性能。徐变增长情况,初期较快,以后渐缓,一个月完成全部的40%,三个月60%,半年70—80%,两年全部完成。
二、防止和减少砼裂缝的措施
试验得出,裂缝宽度在0.01mm以上。钢筋的锈缝存在也会影响结构的防水和美观,给人以不安全的感觉。由此说明裂缝的出现,总是给结构带来这样和那样的不利影响。为了使裂缝对结构不致造成过大的危害,应采取措施来防止和减少裂缝的产生。
(一)、防止和减少砼硬化前(塑性阶段)的裂缝的措施
砼的沉降裂缝与砼的沉降量及稠度(坍落度)有直接关系,在避免砼硬化前的早期沉降裂缝,要严格控制水灰比,宁可取值小一些为好;振捣要密实,振捣时以每次5—15秒为宜;砼下料速度不宜过快,凝固时间要控制适中,不宜过快,高温季节采取适当的缓凝措施,避免高温带来的硬化过快的不利影响;施工中应避免遭遇大风的袭击,引起水份剧烈的蒸发,形成上部和下部硬化不均匀和差异收缩;避免砼搅拌时间过长;可掺入减水剂和适量粉煤灰,以减少沉降量,改进工作性和流动性;在砼浇注1—2小时后,初凝前应对砼进行二次振捣,表面拍打密实。
砼表面的塑性收缩裂缝,一般出现在砼表面水的光泽消失的时候,砼表面水份的过速蒸发是出现塑性收缩裂缝的主要原因,而蒸发速度决定于砼表面的气温、风速、相对湿度和砼自身表面温度。预防和减少砼表面的蒸发的措施,配制砼时,应严格控制水灰比和水泥用量,选择级配良好的石子,减小空隙和砂率,同时要振捣密实,以减少收缩量,提高砼的抗裂强度,浇注砼前,要将基础和模板浇水湿透,浇注后,对裸露表面应及时用潮湿材料复盖,认真养护。在气温高、湿度低、风速大的气候条件下施工时,浇注后应及早进行喷水养护,使其表面保持湿润,大面积浇注可浇完一段养护一段,并加强表面的抹压和养护工作,也可采用表面喷氯偏乳液养护剂,或复盖草帘,塑料薄膜等方法,当表面发现微细裂缝时,应及时给予抹压,再复盖养护,在炎热环境中浇注砼,为降低砼温度,可采用冷的拌合水,复盖并用水淋洒粗骨料,复盖模板,并在一天中较凉的时间浇注砼,为了减低砼表面的风速,可在浇注区设置挡风障。 砼表面出现花纹状裂缝,原因是不正确的表面抹平及养护方式造成的,克服的方法是,砼的水泥有量、水灰比、砂率不能过大,严格控制砂石用量,避免使用过量粉砂。砼要振密捣实,对砼板面进行抹压,抹压时避免把水、水泥浆及细骨料浮泛表面,形成含水量大的砂浆层;砼初凝后、终凝前进行二次抹压。以提高砼的密实度和减少收缩量。严禁在砼表面撒干水泥抹压。加强早期养护并适当处长养护时间。
(二)、防止和减少砼硬化后裂缝的措施
砼的干缩裂缝的具体原因是砼成型后、养护不当,受到风吹日晒,表面水份迅速散失,体积外表收缩大,内部湿度变化小,收缩相应也小,因而表面收缩受到内部砼的约束,出现拉应力,引起表面开裂。预防的措施:控制砼的水泥用量不宜过大,水灰比和砂率也要选择小一些的为好,严格控制砂石的配比,避免使用粉砂;砼要振捣密实。特别是要注意对表面进行抹压,可在砼初凝后、终凝前进行二次抹压,以提高砼的抗裂能力,减少砼的收缩量,加强砼的早期养护,适当延长砼的养护时间,对裸露的表面应及时用草帘复盖,避免风吹日晒,并随时洒水,使砼保持湿润;在炎热环境中浇注砼,可采取掺适量冰渣的拌合水拌制砼。
砼温度裂缝是表里温差太大,结构降温差大又受到外部条件的约束及预制构件降温控制失当所造成的。克服的办法是:首先是尽量减少对构件变形的约束,设计上从结构布置上应尽可能地不在建筑物的两端或四角设置刚度较大的结构和构件,并在确保结构安全和正常使用的条件下,设置控制缝,滑移缝和伸缩缝,以控制裂缝的部位和宽度,施工中对现浇砼留置施工缝和后浇缝,预制购件尽早在安装前提前生产。其次,尽量选择温度较低的季节浇注砼,当不能避免在高温季节浇注砼时,必须采取措施降低砼入模温度,加强养护、避免日光的曝晒,选用低热和中热水泥配置砼,或在砼中掺加适当的粉煤灰,降低水泥用量,减少水化热,选用级配良好的骨料,并严格控制砂、石的含量,防低水灰比,加强振捣,提高砼的抗拉强度,和密实性,合理使用缓凝剂和减水剂,减缓浇注速度,以利散热,改善和易性,减少水泥用量,大块砼采取分块、分层浇注:浇注砼后,应及时用草帘复盖外露表面,洒水养护等。
砼的应力裂缝,是结构的或构件超载或地基下沉引起的应力超过砼抗拉强度而产生的。防止措施是正确设计,严格施工、合理使用。所谓正确设计,就是要正确选择结构方案,结构设计计算简图要与实际受力情况基本一致,结构上作用的荷载尽可能考虑的周到些和接近实际些,注意结构细部构造的设计等。所谓严格施工,首先要严格选择建筑材料,确保材料质量。承重结构材料不合格,将导致结构承载力下降,造成结构裂缝和破坏;其次要加强施工技术管理工作,确保施工质量;要认真熟悉图纸,按图施工,图纸未经会审,不仓促施工,未经设计同意不随意修改设计;严格按有关施工验收规范,有关操作规程和施工程序进行施工;认真研究施工方案,周密的偏制施工组织的设计,把设计的意图和施工方案的重点通过技术交底,让参加施工的全体人员都心中有数,特别是对施工比较复杂或有特殊要求部位以及新结构、新材料、新技术和新工艺的工程,更要让具体操作人员掌握操作方法和施工要点,避免施工技术管理方面失误而引起结构和构件强度不足或地基下沉造成砼应力裂缝。所谓合理使用,就是按工程的建设规划、设计、施工的实际的容许范围进行使用,首先不得随意改变建筑物的使用条件;第二不得在原有建筑物上任意加层;第三,不得在建筑的结构上任意增凿各类孔洞、沟槽、以削弱构件断面;第四,不得超载使用等。
施工裂缝的主要原因是拆模过早起吊过早和加载过早。防止施工裂缝的措施是:模板支撑应牢固,应具有足够的强度、刚度和稳定性,能可靠地支承新浇注砼的重量和侧压力以及在施工过程中所产生的荷载;模板及其支架的拆除,应按设计要求或设计无要求时应按施工规范的规定进行,一般非承重模板,应在砼强度能保证其表面及棱角不因拆除模板而受损坏时方可拆除,承重模板,应在与结构同条件养护的试块达到设计要求的强度或无设计要求应按施工规范的规定强度方可拆除;避免施工初期砼遭受剧烈震动的碰撞;用木模浇注砼,在浇注前要将木模浇注湿透;用翻转模板生产结构件时,应在平整、坚实的铺砂地面上进行,翻转,脱膜应平稳,防止剧烈冲击和震动;构件起吊运输的砼强度,应满足设计要求,设计无要求时,不应低于设计标号的70%;构件堆放场地应平整坚实,并有排水措施,支点位置和方向应符合构件的受力情况,不应引起砼的超应力和损伤构件,按构件的刚度和受力情况,平放或立放,并应保持稳定,重迭堆放的构件,堆垛高度应按构件强度,地面承载力,垫木强度和堆垛的稳定性确定,各层垫木的位置,应在一条垂直线上。起吊点、设计无要求时,应根据计算决定,起吊大型空间构件前,应采取临时加固措施,以免构件变形和损伤,起吊方法与设计要求不同时,应对构件在起吊过程中所产生的内力加以复核,构件安装变位后,应采取临时固定措施,以保证构件的稳定性。对现浇砼结构,必须达到设计要求的强度,方能使用,防止过早承载而产生裂缝。
防止碱一骨料反应产生的裂缝,要严格限制砼所用水泥的含碱量不得超過0.6%,控制活性骨料的含量不超过1%,按合理的配合比确定合适的拌合用水量,且尽量避免在潮湿条件下使用含活性骨料的砼。
影响徐变的因素很多,主要的因素是应力大小和砼龄期,而应力的大小一般是由设计需要决定,故减少徐变的有效措施,就是尽可能使砼具有较长龄期后再承受荷载。
砼产生裂缝的原因很复杂,当砼工程出现裂缝时,因对产生裂缝的原因进行认真的调查,仔细的分析,找出确切的原因,及时采取正确的补救措施。当然更重要的在于加强施工管理,针对施工中的各个关键环节,按实际情况采取行之有效的预防措施,以避免和减少砼裂缝的出现。
参考文献:
[1]李宏亚、天津大学,同济大学南京工学院,钢筋混凝土结构教材,(1983年12月)
[2]姚兵,全国建筑施工企业项目经理培训教材编写委员会,预应力混凝土结构(2000年3月)
[3]钱育渝,云南省二级建造师执业资格培训教材,预应力混凝土的种类和施工技术要点(2005年8月)
摘要:建筑工程,砼和钢筋砼结构物的裂縫是一般带普遍性的技术问题。近几年工程建设规模不断扩大,结构形式日趋复杂,施工使用过程中经常遇到裂缝问题,现仅就这方面问题谈点形成原因分析浅议,特敬请专家指正。实践告知我们,结构设计是建立在承载力和安全度的极限强度理论基础上的,但是大多数工程的使用标准却受到裂缝的制约。
关键词:建筑工程;混凝土;裂缝
裂缝是工程技术人员十分烦恼的头痛的“老、大、难”问题。的确,结构的破坏和倒塌都是从裂缝的出现和扩展开始的,裂缝的出现和扩展,严重地威胁着结构物的安全,不同程度地降低了结构物的承载能力;同时结构物的裂缝。还引起了渗漏、保护层的脱落,钢筋的锈蚀、砼的碳化,并且严重地破坏了结构的美观。使人们常常对裂缝产生一种恐惧感。
实践证明,裂缝的产生并非全由外荷载引起的,甚至在尚未承受荷载之前结构就已开裂,这类裂缝是由于变形作用而引起的,如温度变形,湿度变形。收缩和膨胀变形,地基不均匀沉降等种种因素引起的。另一类裂缝是由荷载引起的,如静荷载和其他荷载作用下引起的。
裂缝是固体材料的不连续现象,砼的微观及亚微观研究以及大量工程实践提供的经验都说明,材料在初始状态(尚未承受荷载前)就存在着微观裂缝,它既是结构材料的一种缺陷,同时又是一种物理力学性质。结构物的裂缝是不可避免的,裂缝是一种人们可以接受的材料特性,任何宏观裂缝都是微观裂缝的扩展。在建筑工程实践中以肉眼可见和肉眼不可见裂缝为裂缝存在和不存在的相对标准。肉眼可见裂缝起始范围约为0.02—0.05mm,从对工程有影响方面的最小界限判断,以0.05为界较为合适,即认为建筑物存在小于0.05mm的裂缝为无裂缝建筑物。
一、砼裂缝的原因分析
为了弄清产生裂缝的原因,有必要对引起砼裂缝的各项因素加以分析。砼所产生的裂缝一般可分为砼更化前和硬化后二种类型。
(一)、砼硬化前(塑性阶段)的裂缝
砼硬化前出现裂缝,往往是砼组分材料浇灌时不同沉落的结果,或由于砼在处于塑性状态时快速失去水份而引起的表面裂缝,也可能是上述两种因素共同作用下产生的。
1、沉降裂缝。砼浇灌后。粗骨料开始沉落,挤去水分和空气,表面产生泌水,砼体积减小的一种现象,这种沉落现象直到砼硬化时才停止。钢筋、预埋件及大的粗骨料会阻碍粗骨料的自由沉落,使之分离而出现砼塑性阶段裂缝。此外砼处塑性阶段时,因地基沉陷,模板吸水膨胀而变形,或支撑松动亦会引起裂缝。浇灌在斜坡上的砼,由于向下流淌的倾向也会导致塑性阶段出现裂缝。
2、塑性收缩裂缝。砼塑性收缩裂缝,一般出现在结构表面,形状很不规则,而且长短不一,互产连贯,类似干燥泥浆表面的裂纹、出现的时机大多在砼表面水消失,砼面没有光泽的阶段。在砼浇灌初期,一般在浇灌后4小时左右,当砼本身与外界气温相差悬殊或本身温度长时间过高,在40℃以上,而气候又很干燥的情况下出现。塑性收缩裂缝又称“龟裂”,严格讲属于干缩裂缝,出现很普遍。产生这种裂缝的原因是:砼浇灌后,表面没有复盖。受风吹日晒,游离水份蒸发较快,产生急剧的体积收缩,此时对砼早期强度很低,不能抵抗这种变形应力而导致开裂,或使用收缩率较大的水泥,或水泥用量过多以及使用过量的粉砂,或砼水灰比过大,模板过于干燥等。
3、花纹状裂缝。砼表面出现六角形花纹状裂纹,是由于不正确的表面抹平及养护方式造成的。过份的刮抹是出现这种裂缝的主要原因,他使水、水泥及细骨料呈现在砼的表面,形成含水量大的砂浆层,它比下层的砼或砂浆有较大的干缩性,且强度也低,在砼表面撒水泥刮抹也是出现花纹状裂缝的原因之一,也是人为缺乏对砼的特性认识所导致的。
(二)、砼硬化后的裂缝
砼是一种多组分的抗拉能力较强的脆性材料。当发生温度、湿度、地基不均匀的沉陷,制作安装使用过程中种种荷载作用下及某些化学作用形成砼激变,都有可能引起裂缝的发生。
1、温度裂缝
砼具有热胀冷缩性质,砼的线膨胀系数为1×10-5/℃,钢筋砼的线膨胀系数为1—1.2×10-5/℃,砼结构设计规范统一取为1×10-5/℃。一个结构物发生温度变形时,并不一定产生应力,只有当温度变形受到约束时才会产生应力。结构的约束可分为二类:一类是外约束,即结构变形受到外在的制约作用;一类是内部约束,即结构变形没有受到外在的约束作用,而是受到结构内部自在的约束,往往容易忽视。如一个自由状态的屋面板,虽然外约束不存在,但当其内部温度呈非线性变化时,各质点或各层纤维之间也存在相互约束作用。关于砼结构温度不均匀的情况,国内外实测结论是:即使在缓慢升降温的情况下,温度变化沿高度仍呈曲线变化规律,因而存在温度应力,当聚然降温中升温时,表面部分纤维与其他各层纤维间将有更大的温度差异,此时将会产生更大的温度应力。关于结构物所受的外约束,我们设想一个理想的自由体,当在均匀温度变化情况下,它能自由的伸长和缩短,这时将不产生应力,也就是说不会出现温度裂缝。这个理想的自由体温度均匀变化△T时,变形值ε=δ△T(δ为线膨胀系数),应力б=0。再设想两端是绝对嵌固的单跨梁,当发生温度变化(无论是均匀变化或是非均匀变化)时,由于外约束而不能产生变形故引起温度应力,此时ε=0,应力最大б=Eδ△T(E为弹性模量)。实际工程中,绝对均匀变化的温度是不存在的,而外约束情况总是介于绝对无约束和绝对有约束之间。砼温度裂缝产生的具体原因:
表面温度裂缝大多数是由于内外温差过大引起的。砼结构,特别是大体积砼浇灌后。硬化期间水泥释放出大量的水化热,内部温度急剧上升,造成砼表面和内部温度相差过大,而形成表面温度裂缝。当施工中注意不够或稍有疏忽,过早拆除模板,或冬季施工过早除掉保温层,或遇到寒流侵袭,将导致砼表面温度不断下降产生收缩,此时表面受到内部砼的约束,将产生很大的拉应力,而砼早期抗拉强度和弹性模量很低,从而出现裂缝。 深入的贯穿温度裂缝大多数由于结构降温差较大,受到外约束而引起的。当大体积砼基础墙体浇灌在坚硬地基(特别是岩石地基)或厚大的老砼垫层上时,没有采取隔离层等放松措施,如果砼浇灌时气温很高,加上水泥水化热的温升(当砼的水泥用量偏大或用高温水泥拌制时),则会使砼的温度很高,又当砼冷却收缩时受到地基、砼垫层或其他外约束时,将会在砼内出现很大的拉应力,产生降温收缩裂缝,这种裂缝出现的较迟,裂缝深,有时是贯穿的,会破坏结构的整体性。基础工程长期不回填,受风吹日晒或寒潮袭击,也会出现这种裂缝。框架梁、基础梁、墙板,由于与刚度较大的柱,基础连接,或预制购件浇灌在台座深缩缝处,因温度变化受到约束而形成裂缝。
2、湿度裂缝
砼在空气里结硬过程中,会发生体积逐渐减小的现象,这就是干缩,又称收缩。收缩是砼在不受力情况下,因体积变化而产生的变形。砼失水时收缩、浸水时膨胀。水中养护虽可以缓慢的膨胀若干年,但膨胀的数值不大,每单位长度膨胀约为1.5×10-4,而在空气中结硬时的收缩值却大得多。当砼不能自由收缩时,其结果会在砼内引起拉应力而产生裂缝。收缩能影响结构的使用功能和外表美观。对于预应力砼等重要结构的设计,收缩是必须考虑的重要因素。当砼處在相对湿度50%的空气环境中,每单位长度的收缩量在4.0×10-4—8.0×10-4范围内变化,最低为2.0×10-4,而当水泥用量偏高,或骨料级配不良时,最高甚至可达10.0×10-4体积减小,产生收缩的原因是:水泥浆胶体和剩余下来的水泥颗粒、骨料生成新的胶体而使胶体渐渐变浓。这时,未起水化作用的水泥颗粒,不断吸收骨架中的水份组成新骨架,整个骨架愈挤愈紧,而减小了体积;另一方面,整个骨架中多余水份不断蒸发,随湿度降低而体积减小。这两部份构成砼的总收缩。前一部份收缩,即水化作用产生的收缩,称为“自收缩”;后一部分收缩,即水份蒸发产生的收容,称为“湿度收缩”。有关资料分析,前一部份只占后一部份的五分之一至十分之一,故湿度收缩对总收缩起控制作用。收缩的发展规律是早期快,后期慢。最初三个月达总收缩值的60%—70%,半年达70%—80%,三年基本全部完成。需要特别指出的是,刮风将使水份迅速蒸发,其影响超过日照气温的作用。
3、应力裂缝
超载或地基下沉引起的应力超过砼抗拉强度而产生的裂缝。大坝底层老砼等约束应力超过砼抗拉强度也会产生裂缝。结构受力产生的裂缝的因素很多,在实际工程中,绝对静定的结构是不存在的,有约束就有应力,应力超过砼的抗拉强度,就要产生裂缝,普通钢筋砼结构,一般是允许带有裂缝工作的。即使在使用荷载作用下,也允许结构出现一定宽度限值内的裂缝。钢筋砼结构,砼的抗拉强度是很低的,钢筋的存在,并不能真正的提高砼的抗拉强度,只不过起到将较宽裂缝分散为多条细小裂缝和增加塑性作用而已。当砼开裂时,钢筋应力仅20—30MPa左右。在设计规范中,未考虑钢筋砼结构在各种受力状态下砼的抗拉强度,根据不同情况,允许结构存在裂缝,最大裂缝宽度分别规定为0.2mm和0.3mmn。
4、施工因素裂缝
模板支撑松动及拆模引起的裂缝。当砼处于硬化过程,由于模板支撑不牢,或砼未完全硬化前就提前拆模,致使砼产生裂缝。这种裂缝是由于砼尚未达到一定强度承受荷载而引起的,施工早期,结构受剧烈震动和过重的敲击也会引起裂缝。木模浇灌的结构,浇灌前模板未浇水湿透、隔离剂失效、模板与砼粘结,当模板大量吸水发生膨胀,常将柱角、梁角拉裂,预制购件在成型或拆模过程中受到剧烈震动,也会引起砼开裂。钢筋砼空心板成孔时,抽芯过早砼塌陷而出现裂缝,抽芯过晚、芯和与砼粘结、砼易被拉裂。预制构件的场地未夯实、构件运输、堆放时垫块位置不当,运输过程悬挑过长或颠簸震动过大,吊装的吊点位置不正确,侧向刚度较差的构件未采取临时加固措施,都可能产生裂缝。
5、化学作用裂缝
砼碱一骨料反应,它是水泥中的碱与活性骨料中的氧化硅反应生成硅酸钙,并从周围介质中吸收水分而膨胀的现象。反应吸收水分,使碱的浓度增大,在凝结以后的养护期中,与活性骨料(蛋白质、磷石英、方石英、玉髓等)中的二氧化硅起作用生成硅酸钠,其反应式:2HaoH+SiO2H2O Na2SiO2+H2O,硅酸钠是胶状体,从周围介质中吸收水膨胀,膨胀体积约为三倍,以致引起砼开裂和破坏。
6、徐变问题
砼在恒定荷载作用下,随着时间而增长叫做徐变。产生徐变的原因是水泥、石在应力作用下发生粘结流动。徐变将从以下两个方面对裂缝产生不利影响:受弯构件载面上砼受压的徐变,可以使构件变形增加二至三倍,从而使裂缝出现或不断发展,它使预应力结构产生较大的预应力损失,从而降低结构的抗裂性能。徐变增长情况,初期较快,以后渐缓,一个月完成全部的40%,三个月60%,半年70—80%,两年全部完成。
二、防止和减少砼裂缝的措施
试验得出,裂缝宽度在0.01mm以上。钢筋的锈缝存在也会影响结构的防水和美观,给人以不安全的感觉。由此说明裂缝的出现,总是给结构带来这样和那样的不利影响。为了使裂缝对结构不致造成过大的危害,应采取措施来防止和减少裂缝的产生。
(一)、防止和减少砼硬化前(塑性阶段)的裂缝的措施
砼的沉降裂缝与砼的沉降量及稠度(坍落度)有直接关系,在避免砼硬化前的早期沉降裂缝,要严格控制水灰比,宁可取值小一些为好;振捣要密实,振捣时以每次5—15秒为宜;砼下料速度不宜过快,凝固时间要控制适中,不宜过快,高温季节采取适当的缓凝措施,避免高温带来的硬化过快的不利影响;施工中应避免遭遇大风的袭击,引起水份剧烈的蒸发,形成上部和下部硬化不均匀和差异收缩;避免砼搅拌时间过长;可掺入减水剂和适量粉煤灰,以减少沉降量,改进工作性和流动性;在砼浇注1—2小时后,初凝前应对砼进行二次振捣,表面拍打密实。
砼表面的塑性收缩裂缝,一般出现在砼表面水的光泽消失的时候,砼表面水份的过速蒸发是出现塑性收缩裂缝的主要原因,而蒸发速度决定于砼表面的气温、风速、相对湿度和砼自身表面温度。预防和减少砼表面的蒸发的措施,配制砼时,应严格控制水灰比和水泥用量,选择级配良好的石子,减小空隙和砂率,同时要振捣密实,以减少收缩量,提高砼的抗裂强度,浇注砼前,要将基础和模板浇水湿透,浇注后,对裸露表面应及时用潮湿材料复盖,认真养护。在气温高、湿度低、风速大的气候条件下施工时,浇注后应及早进行喷水养护,使其表面保持湿润,大面积浇注可浇完一段养护一段,并加强表面的抹压和养护工作,也可采用表面喷氯偏乳液养护剂,或复盖草帘,塑料薄膜等方法,当表面发现微细裂缝时,应及时给予抹压,再复盖养护,在炎热环境中浇注砼,为降低砼温度,可采用冷的拌合水,复盖并用水淋洒粗骨料,复盖模板,并在一天中较凉的时间浇注砼,为了减低砼表面的风速,可在浇注区设置挡风障。 砼表面出现花纹状裂缝,原因是不正确的表面抹平及养护方式造成的,克服的方法是,砼的水泥有量、水灰比、砂率不能过大,严格控制砂石用量,避免使用过量粉砂。砼要振密捣实,对砼板面进行抹压,抹压时避免把水、水泥浆及细骨料浮泛表面,形成含水量大的砂浆层;砼初凝后、终凝前进行二次抹压。以提高砼的密实度和减少收缩量。严禁在砼表面撒干水泥抹压。加强早期养护并适当处长养护时间。
(二)、防止和减少砼硬化后裂缝的措施
砼的干缩裂缝的具体原因是砼成型后、养护不当,受到风吹日晒,表面水份迅速散失,体积外表收缩大,内部湿度变化小,收缩相应也小,因而表面收缩受到内部砼的约束,出现拉应力,引起表面开裂。预防的措施:控制砼的水泥用量不宜过大,水灰比和砂率也要选择小一些的为好,严格控制砂石的配比,避免使用粉砂;砼要振捣密实。特别是要注意对表面进行抹压,可在砼初凝后、终凝前进行二次抹压,以提高砼的抗裂能力,减少砼的收缩量,加强砼的早期养护,适当延长砼的养护时间,对裸露的表面应及时用草帘复盖,避免风吹日晒,并随时洒水,使砼保持湿润;在炎热环境中浇注砼,可采取掺适量冰渣的拌合水拌制砼。
砼温度裂缝是表里温差太大,结构降温差大又受到外部条件的约束及预制构件降温控制失当所造成的。克服的办法是:首先是尽量减少对构件变形的约束,设计上从结构布置上应尽可能地不在建筑物的两端或四角设置刚度较大的结构和构件,并在确保结构安全和正常使用的条件下,设置控制缝,滑移缝和伸缩缝,以控制裂缝的部位和宽度,施工中对现浇砼留置施工缝和后浇缝,预制购件尽早在安装前提前生产。其次,尽量选择温度较低的季节浇注砼,当不能避免在高温季节浇注砼时,必须采取措施降低砼入模温度,加强养护、避免日光的曝晒,选用低热和中热水泥配置砼,或在砼中掺加适当的粉煤灰,降低水泥用量,减少水化热,选用级配良好的骨料,并严格控制砂、石的含量,防低水灰比,加强振捣,提高砼的抗拉强度,和密实性,合理使用缓凝剂和减水剂,减缓浇注速度,以利散热,改善和易性,减少水泥用量,大块砼采取分块、分层浇注:浇注砼后,应及时用草帘复盖外露表面,洒水养护等。
砼的应力裂缝,是结构的或构件超载或地基下沉引起的应力超过砼抗拉强度而产生的。防止措施是正确设计,严格施工、合理使用。所谓正确设计,就是要正确选择结构方案,结构设计计算简图要与实际受力情况基本一致,结构上作用的荷载尽可能考虑的周到些和接近实际些,注意结构细部构造的设计等。所谓严格施工,首先要严格选择建筑材料,确保材料质量。承重结构材料不合格,将导致结构承载力下降,造成结构裂缝和破坏;其次要加强施工技术管理工作,确保施工质量;要认真熟悉图纸,按图施工,图纸未经会审,不仓促施工,未经设计同意不随意修改设计;严格按有关施工验收规范,有关操作规程和施工程序进行施工;认真研究施工方案,周密的偏制施工组织的设计,把设计的意图和施工方案的重点通过技术交底,让参加施工的全体人员都心中有数,特别是对施工比较复杂或有特殊要求部位以及新结构、新材料、新技术和新工艺的工程,更要让具体操作人员掌握操作方法和施工要点,避免施工技术管理方面失误而引起结构和构件强度不足或地基下沉造成砼应力裂缝。所谓合理使用,就是按工程的建设规划、设计、施工的实际的容许范围进行使用,首先不得随意改变建筑物的使用条件;第二不得在原有建筑物上任意加层;第三,不得在建筑的结构上任意增凿各类孔洞、沟槽、以削弱构件断面;第四,不得超载使用等。
施工裂缝的主要原因是拆模过早起吊过早和加载过早。防止施工裂缝的措施是:模板支撑应牢固,应具有足够的强度、刚度和稳定性,能可靠地支承新浇注砼的重量和侧压力以及在施工过程中所产生的荷载;模板及其支架的拆除,应按设计要求或设计无要求时应按施工规范的规定进行,一般非承重模板,应在砼强度能保证其表面及棱角不因拆除模板而受损坏时方可拆除,承重模板,应在与结构同条件养护的试块达到设计要求的强度或无设计要求应按施工规范的规定强度方可拆除;避免施工初期砼遭受剧烈震动的碰撞;用木模浇注砼,在浇注前要将木模浇注湿透;用翻转模板生产结构件时,应在平整、坚实的铺砂地面上进行,翻转,脱膜应平稳,防止剧烈冲击和震动;构件起吊运输的砼强度,应满足设计要求,设计无要求时,不应低于设计标号的70%;构件堆放场地应平整坚实,并有排水措施,支点位置和方向应符合构件的受力情况,不应引起砼的超应力和损伤构件,按构件的刚度和受力情况,平放或立放,并应保持稳定,重迭堆放的构件,堆垛高度应按构件强度,地面承载力,垫木强度和堆垛的稳定性确定,各层垫木的位置,应在一条垂直线上。起吊点、设计无要求时,应根据计算决定,起吊大型空间构件前,应采取临时加固措施,以免构件变形和损伤,起吊方法与设计要求不同时,应对构件在起吊过程中所产生的内力加以复核,构件安装变位后,应采取临时固定措施,以保证构件的稳定性。对现浇砼结构,必须达到设计要求的强度,方能使用,防止过早承载而产生裂缝。
防止碱一骨料反应产生的裂缝,要严格限制砼所用水泥的含碱量不得超過0.6%,控制活性骨料的含量不超过1%,按合理的配合比确定合适的拌合用水量,且尽量避免在潮湿条件下使用含活性骨料的砼。
影响徐变的因素很多,主要的因素是应力大小和砼龄期,而应力的大小一般是由设计需要决定,故减少徐变的有效措施,就是尽可能使砼具有较长龄期后再承受荷载。
砼产生裂缝的原因很复杂,当砼工程出现裂缝时,因对产生裂缝的原因进行认真的调查,仔细的分析,找出确切的原因,及时采取正确的补救措施。当然更重要的在于加强施工管理,针对施工中的各个关键环节,按实际情况采取行之有效的预防措施,以避免和减少砼裂缝的出现。
参考文献:
[1]李宏亚、天津大学,同济大学南京工学院,钢筋混凝土结构教材,(1983年12月)
[2]姚兵,全国建筑施工企业项目经理培训教材编写委员会,预应力混凝土结构(2000年3月)
[3]钱育渝,云南省二级建造师执业资格培训教材,预应力混凝土的种类和施工技术要点(2005年8月)