钢筋混凝土结构裂缝控制与耐久性能探讨

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  摘要:钢筋混凝土结构中裂缝的产生是不可避免的,本文结合裂缝产生的形式和原因,分析了裂缝与耐久性能的关系,并对现行裂缝计算和裂缝控制的方法做了详细的讨论和探讨。
  关键词:混凝土结构;裂缝
  Abstract: the generation of cracks in reinforced concrete structure is inevitable, and combining with the forms and reasons of the cracks, cracks and durability are analyzed, and the current calculation and cracks control method is discussed in detail and discussed.
  Key words: reinforced concrete structure; cracks
  中图分类号:TV543+.6 文献标识码:A文章编号:2095-2104(2013)
  
  1 引言
  混凝土是由水泥石、和砂、石骨料等组成的材料。在硬化过程中,就已经存在微孔和微观裂缝。微观裂缝主要有砂浆内部的砂浆裂缝、砂浆和骨料界面上的黏结裂缝和骨料内部的骨料裂缝,混凝土构件中以前两种为主。构件受力以后,微观裂缝和微孔连通并扩展,形成宏观裂缝,宏观裂缝可影响混凝土的耐久性能,混凝土碳化速度加快或者钢筋锈蚀速度加快,这些可以影响混凝土的使用性能,严重情况下可使结构丧失承载力[1],因此,钢筋混凝土结构中裂缝的研究是十分重要的。然而,混凝土的抗拉强度很低,裂缝的出现不可避免,为了保证混凝土的耐久性能,需要对裂缝的发展加以相应的控制。
  2裂缝形式与形成原因
  混凝土结构中裂缝有多种类型,产生的原因也是多方面的,大多数裂缝是由一种或几种作用的共同结果[7]。
  ①塑性混凝土裂缝。混凝土在凝固的过程中,由于重力的作用,其中的固体下沉受到模板、钢筋等的阻挡,使得混凝土上表面附近钢筋每侧混凝土稍稍下降,但是钢筋的位置是固定的,因此就可能沿着钢筋形成直线状的裂缝,裂缝通常宽、深,是引起钢筋锈蚀的主要原因之一,对结构有一定的危害。这种类型的裂缝可以通过良好的混凝土配合比设计和对混凝土进行重复振搗及抹平的方法来避免。
  ②体积变化引起的裂缝。混凝土硬化过程中体积变化受到约束时,在混凝土内部将产生拉应力,从而有可能导致混凝土开裂。这种形式的裂缝可以通过良好的混凝土配合比设计或适当配置的钢筋来进行控制。
  ③施工质量引起的裂缝。不合理施工顺序以及施工中的质量问题会引起一些不必要的裂缝,如配筋不足、支撑拆除过早、预应力张拉错误、没有合理的养护等均能引起不同的裂缝形式。
  ④荷载作用引起的裂缝。混凝土在荷载作用下都可能发生裂缝,不同的荷载形式下裂缝的形式不同。当轴心受拉或没有明显剪力作用的受弯作用下可能形成垂直于构件轴线的裂缝;当剪力比较显著时,可能形成对构件轴线倾斜的裂缝。
  ⑤使用期间随时间发展的裂缝。温度变化、收缩徐变、冻融循环、不均匀沉降、碱-骨料反应等均可以在构件中引起随时间发展的耐久性裂缝。这种裂缝对混凝土结构的使用性能耐久性能甚至于安全性能有着很重要的影响。
  3 钢筋混凝土结构裂缝与耐久性能的关系
  混凝土结构的劣化破坏过程多数都涉及到各种有害介质从外部向内部的渗透或迁移作用,混凝土的碳化是由于大气环境中的侵入混凝土中,与混凝土中的碱性物质发生化学反应使混凝土中的值下降,使混凝土构件脆性变大,严重时可导致钢筋脱钝锈蚀;混凝土冻融破坏是由于周围环境中的水通过孔隙渗透进入混凝土内部的各种孔隙中,当周围温度降低,部分孔隙中水受冻结冰,体积膨胀,迫使未结冰的水从结冰区向外迁移,产生静水压力,这种压力超过混凝土的细观强度时,会造成内部开裂并逐步向外延伸,周围温度反复变化时,内部损伤逐步积累,导致内部孔隙贯通,混凝土强度下降,有效面积减少,最终导致混凝土破坏;混凝土中钢筋的锈蚀很大程度上也是由于外部的有害介质进入而造成的,如氯离子对钢筋锈蚀的作用,环境中的浓度过高,通过混凝土孔隙扩散到钢筋表面,吸附在钢筋氧化膜有缺陷的地方,穿透氧化膜在其内部形成易溶的,使氧化膜局部溶解并扩大其范围,造成钢筋的锈蚀。因而,通常将混凝土的抗渗性作为反映耐久性的一个综合性指标,而混凝土材料的渗透性与它的各种缺陷,如孔隙特征、裂缝形状、宽度和长度等密切相关。裂缝的存在为环境中的气体、水分以及侵蚀物质向混凝土中的扩散提供了通道,引起混凝土性能的劣化和钢筋的锈蚀,削弱钢筋的面积,而且因钢筋体积的碰撞会带来更大的裂缝甚至引起保护层脱落,产生长期危害,因此,开裂是导致目前混凝土耐久性差的很重要的原因[2] [4]。
  由于裂缝的存在直接影响到混凝土的渗透性和耐久性。因此各国在考虑建筑物的耐久性与寿命时,都规定了一个允许裂缝宽度值。英国规范对暴露在特殊侵蚀环境条件下的允许裂缝宽度取为保护层厚度的4%,而在一般情况下取允许裂缝宽为0.3mm。我国在桥梁规范中规定,钢筋混凝土结构设计时,裂缝宽度是作为构件正常使用极限状态的一个重要部分进行验算的。
  裂缝的存在和裂缝的宽度对混凝土结构的耐久性能有如此重大的影响,因此,控制混凝土裂缝以及裂缝的宽度是在设计时十分重要的内容。
  5 裂缝宽度的计算
  在裂缝计算理论方面,传统的钢筋混凝土梁裂缝计算理论可以大致归为三类:一种认为裂缝是由于钢筋和混凝土之间不再保持变形协调而出现相对滑动形成的,即“滑移理论”;第二种理论认为在钢筋表面处的裂缝宽度为零,随着逐渐接近构件的表面,裂缝宽度不断增加,到混凝土表面缝宽达到最大值,即“无滑移理论”,现在英国钢筋混凝土设计规范计算裂缝的公式,就是依据这种理论;第三种为把滑移和无滑移结合起来的“一般裂缝理论”,欧洲混凝土委员会(CEB)1970年的设计建议的裂缝宽度公式即依据“一般裂缝理论”。
  根据“滑移理论”,设平均裂缝间距范围内钢筋平均应变为,混凝土平均应变,则裂缝平均宽度
  
  其中;在确定了钢筋的裂缝宽度频率分布类型后,根据要求的裂缝宽度保证率并考虑荷载长期作用的影响,就可以在平均裂缝宽度的基础上求得最大裂缝宽度值。
  根据“无滑移理论”,依照理论分析和试验数据的整理,平均裂缝宽度可用下式表示
  
  其中为裂缝量测点到最近一根钢筋表面的距离,最大裂缝宽度同样是在确定了构件的裂缝宽度分布类型和保证率以后考虑荷载长期作用的影响后计算。
  “一般裂缝理论”认为混凝土回缩变形分布是必然发生的,而混凝土与钢筋表面之间的粘结滑移也是存在的,所以,考虑到钢筋有效约束区对裂缝开展的影响,构件平均裂缝宽度可用下式表示
  
  
  6 我国规范规定的裂缝宽度验算
  裂缝宽度验算的要求是:按荷载效应标准组合并考虑长期荷载作用影响的最大裂缝宽度计算值不应超过相应的限值,即
  
  计算构件在使用荷载下的最大裂缝宽度有两类方法,一类是半理论半经验方法,第二类是根据试验数据的数理统计分析得到的最大裂缝宽度公式。
  ① 半理论半经验方法
  半理论半经验方法实质上是基于“一般裂缝理论”的一类方法。《混凝土结构设计规范》(GB50010)和《水工钢筋混凝土结构设计规范》(SL/T191-96)的方法属于这一类。
  综合考虑多种因素,钢筋混凝土轴心受拉及受弯构件按荷载标准值组合并考虑荷载长期作用影响的最大裂缝宽度计算公式为
  
  ② 以数理统计分析为基础的计算方法
  这一类方法的基础是积累相当数量试件的裂缝宽度量测数据,以每个试件的最大裂缝宽度为观测值,然后进行数理统计分析,在确定影响裂缝宽度的主要因素后,归纳得到最大裂缝宽度计算公式。我国《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》(JTJ023-85)采用的计算方法属于这一类。
  7 混凝土裂缝的控制
  控制混凝土的裂缝可以从多个方面来考虑,从混凝土配合比设计、结构设计和施工方面都采取相应的方法和措施就可以有效地控制裂缝[3] [6]。
  (1)配合比方面
  混凝土配合比设计应注意以下这些方面:合理选择级配优良的砂、石原材料,含泥量应符合规范要求;合理选择水泥品种、配合比、施工方法,尽量避免采用早强高的水泥;对膨胀剂的用量要通过大量的试验来确定;配合比设计人员应根据施工现场的具体情况,及时调整施工配合比;对于大体积砼配合比设计时,在保证混凝土具有良好工作性的情况下,应尽可能的降低混凝土的单位用水量,采用“三低(低砂率、低坍落度、低水胶比)二掺(掺高效减水剂和高性能引气剂)一高(高粉煤灰掺量)”的设计准则,生产出“高强、高韧性、中弹、低热和高极拉值”的抗裂混凝土。
  (2)结构设计方面
  ①结构约束问题。约束变形(约束应力)超过建筑材料的极限拉伸(抗拉强度),便引起裂缝。变形作用引起的作用力有最大值,设计者可以采取“抗与放”或“抗放兼施”进行结构形式的设计。留伸缩缝与不留伸缩缝的方法都是以放或抗为主的方法,做得合适,都可以使结构不产生有害裂缝。
  ②加强构造配筋问题。在结构设计中,设计人员应该重视对于构造钢筋的配置,尤其是对楼面、墙板等薄壁构件更应注意构造钢筋直径与数量的选择。
  ③混凝土结构形式与强度等级问题。钢筋保护层厚度过薄,对于耐久性不利,过厚会增加开裂宽度和开裂率,所以应当根据耐久性要求的最小允许厚度确定;水平结构(如梁、板、墙等)中,尽量采用中低档混凝土的强度等级(C25~C35)。
  (3)施工方面
  在施工的准备阶段应注意保证混凝土的质量,不应追求低成本低价格而忽视了混凝土的质量。在混凝土浇注阶段应注意,合理设留伸缩缝;要求在混凝土浇捣后浇带之前,结构混凝土至少30%的收缩已经完成;在施工中要严格控制水灰比,不得任意加大水量;加强振捣改善混凝土的密实性;使用粉煤灰等矿物质外掺料;加入减水剂、缓凝剂、膨胀剂等;合理控制混凝土的浇筑温度;加强混凝土的养护。
  8 总结
  (1)混凝土是由于多种相体组成的材料,混凝土结构在使用过程中会由于各种各样的原因产生不同的裂缝,这些裂缝都有不同的形式。
  (2)混凝土耐久性受到影响在很大方面是由于气体、水分及腐蚀介质进入混凝土内部对混凝土的材料性质产生了影响而形成的,裂缝由于给这些介质进入混凝土内部打通了通道,对钢筋的腐蚀的出现起了很大的作用;然而这种作用在一定程度上影响了混凝土局部腐蚀,但是对结构整体耐久性的影响上还有待研究。目前研究裂缝对混凝土耐久性能影响仍然是从裂缝最大宽度出发。
  (3)现常用三种理论来计算混凝土结构裂缝最大宽度,不同的规范基于不同的理论有相应的计算公式。
  (4)混凝土的裂缝可以从多个方面进行控制,如混凝土配合比、结构设计、混凝土施工等,以此来确保结构的使用性能和耐久性能。
  
  参考文献
  [1] 顾祥林. 混凝土结构基本原理. 同济大学出版社. 2004.
  [2] 张誉等. 混凝土结构耐久性概论. 上海科学技术出版社. 2003.
  [3] 高小建 巴恒静. 混凝土结构耐久性与裂缝控制中值得探讨的几个问题. 混凝土. 2001.
  [4] 屈文俊 车惠民. 裂缝对混凝土桥梁耐久性影响的评估. 铁道学报. 1997.
  [5] 刘庆寬等. 钢筋混凝土结构耐久性及裂缝问题研究的现状. 石家庄铁道学院学报. 2002.
  [6] 王铁梦. 工程结构裂缝控制的综合方法. 施工技术. 2000.
  [7] 张越女. 钢筋混凝土结构裂缝成因及控制处理技术研究进展. 建筑科学. 2007.
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