影响钢筋混凝土性能的裂缝及控制浅析.doc

影响钢筋混凝土性能的裂缝及控制浅析【摘要】钢筋混凝土结构的裂缝控制问题是建筑工程中的一大技术难题。本文在引起工程裂缝的原因分析基础上，阐述了钢筋混凝土裂缝对钢筋混凝土结构性能的影响，引起裂缝的原因并提出裂缝的相关原则与措施。【关键词】裂缝 耐久性 裂缝控制1、引言在钢筋混凝土结构领域，一个相当普遍的质量问题就是结构的工程裂缝问题，且随着经济的高速发展，工程建设规模迅猛发展，结构形式日趋大型化、复杂化，质量要求日趋严格，工程裂缝问题成为具有相当普遍性的技术难题。在这些前提下，工程技术等方面的发展显得相对滞后，致使实际钢筋混凝土工程的工程裂缝有日趋增多的趋势。由于习惯性的思维影响，人们对完美物品的苛刻要求已经达到眼中容不下一点瑕痣的地步。这反映到与人们日常生活关系紧密的钢筋混凝土建筑中时，自然的就会对钢筋混凝土结构的弊病工程裂缝的出现惊恐异常。这种恐惧感也不无道理，因为一般的钢筋混凝土结构在外荷载作用下的破坏和倒塌都是从裂缝扩展开始的。但是有工程结构有裂缝的出现并不都是影响结构和人们生命安全的坏事。总之，工程结构的裂缝问题已经严重影响到人们的正常生活与生产，并困扰着大批工程技术人员和管理人员，是一个迫切需要解决的技术难题。2、钢筋混凝土结构中的工程裂缝及原因分析由于混凝土的抗拉强度很低，在很小的拉应变作用下就可能出现裂缝。在设计普通混凝土结构（不施加预应力的）时就可以预知，所设计的钢筋混凝土结构将带裂缝去完成它的使用功能。钢筋混凝土结构的工程裂缝问题是一个比较常见的问题。引起人们恐惧感的工程裂缝外在表现是宏观肉眼可见的，但是引起裂缝的机理却是一个比较复杂的微观问题。裂缝载体的混凝土是一种由粗集料、细集料、水泥石、水和气体所组成的非均质堆聚结构，在成型后随温度、湿度等环境条件的影响会形成肉眼看不到的微裂缝。由于混凝土的组成材料和微观构造不同以及受环境影响的不同，混凝土产生裂缝的原因很复杂。例如外荷载的作用、湿度、温度的变化、基础不均匀沉降、混凝土的收缩徐变,构件的配筋不合理以及施工方法不当等等都有可能引起混凝土构件的开裂，下面就工程中比较常见的裂缝进行阐述。2.1 变形荷载与外荷载产生的裂缝2.1.1 外荷载作用引起的裂缝构件承受不同性质的荷载作用，其裂缝形状也不同，通常裂缝方向大致是与主拉应力的方向正交。结构受载后产生裂缝的因素很多，在施工中和使用中都可能出现裂缝。例如早期受地震，脱模过早或方法不当，构件堆放、运输、吊装时的垫块或吊点位置不当，施工超载，张拉预应力值过大等均可能产生裂缝。2.1.2 混凝土干缩引起的裂缝在混凝土硬化过程中，产生内部干缩而引起体积变化，当这种体积变化受到约束时，就可能产生干缩裂缝。干缩裂缝处在结构的表面，较细，其走向纵横交错，没有规律性。这类裂缝一般在混凝土露天养护完毕一段时间后，在表层或侧面出现，并随湿度和温度变化而逐渐发展。如混凝土成型后，因养护不当，受到风吹日晒，使得表面水散发快，体积收缩大，而内部湿度变化很小，收缩也小，因而表面的收缩变形受到内部混凝土的约束，产生拉应力，引起混凝土表面裂缝；或者构件因水分蒸发产生体积收缩，受到地基或垫层的约束而出现干缩裂缝。此外，混凝土构件长期露天堆放，表面湿度经常发生剧烈变化；采用含泥量大的粉砂配制混凝土；混凝土过度振捣，表面形成水泥含量较多的砂浆层；用后张法预应力制成的构件，露天生产后长久不张拉等等，都会产生这种裂缝。2.1.3 温度变化引起的裂缝混凝土具有热胀冷缩的性质，当环境温度发生变化时就会产生温度变形，由此产生附加应力，当这种应力超过混凝土的抗拉强度时就会产生裂缝，在工程中，这类裂缝比较常见，譬如现浇屋面板上的裂缝、大体积混凝土的裂缝。温度裂缝大多发生在施工的中后期间，缝宽受温度变化影响较明显。表面温度裂缝多缘于较大温差。特别是大体积混凝土基础在浇灌混凝土后，在硬化期间放出大量水化热，内部的温度不断上升，使混凝土表面和内部温差很大。当温差出现非均匀变化时，如施工中过早拆除模板，冬季施工过早拆除保温层，或受到寒潮袭击，都会导致混凝土表面急剧的温度变化，使其因降温而收缩。此时，表面受到内部混凝土的约束，将产生很大的拉应力，而混凝土早期抗拉强度又很低，因此出现裂缝。但这种温差仅在表面处较大，离开表面就很快减弱。因此，这种裂缝只在接近表面较浅的范围内出现。深入和贯穿性的温度裂缝多缘于结构温差大。如大体积混凝土凝结和硬化过程中，水泥和水产生化学反应，释放出大量的热量，称为“水化热”，导致混凝土块体温度升高，当混凝土块体内部的温度与外部的温度相差很大，以致所形成的温度应力或温度变形超过混凝土当时的抗拉强度或极限拉伸应变，就会形成裂缝。2.1.4 结构基础不均匀沉降引起的裂缝当结构的基础沉降不均匀时，结构构件受到强迫变形，导致结构物中构件与构件之间产生斜拉和剪切作用，从而使得结构构件开裂，随着不均匀沉降的进一步发展，裂缝会进一步扩大。这类裂缝的大小、形状、方向取决于地基变形的情况。 由于地基变形造成的应力一般较大，因此裂缝裂缝宽度较大、多呈45，并且通常是贯穿性的。2.1.5塑性收缩裂缝塑性裂缝出现在结构表面，形状不规则且长短不一，这种裂缝大多出现在混凝土浇筑初期。塑性裂缝又称龟裂，严格说来属于干缩裂缝，出现很普遍。产生这种裂缝的因素是多方面的：如当新拌混凝土的坍落度较大，而振动时间过长时，水泥浆浮在上层，骨料下沉时受到钢筋或其他物质的约束，出现不均匀沉降，从而使混凝土的表层产生裂缝；浇筑后混凝土表面没有及时覆盖，受风吹日晒，表面水分蒸发过快，产生急剧收缩，而此时混凝土早期强度不能抵抗这种变形应力，因而开裂；使用收缩率较大的水泥，水泥用量过多，或使用过量的细砂和粉砂混凝土水灰比过大，也会导致这种裂缝出现。2.2施工阶段产生裂缝的原因2.2.1 设计原因：如截面不够、梁的跨度过大、高度偏小，或结构中的受力钢筋截面偏小或板太薄、配筋位置不当、节点不合理、结构构件断面突变或因开洞、留槽引起应力集中，产生的构件裂缝；设计中对构件施加预应力不当，造成构件的裂缝（偏心、应力过大等）；构造处理不当，现浇主粱在搁次梁处如没有设附加箍筋，或附加吊筋以及各种结构缝设置不当等因素导致混凝土开裂，设计中构造钢筋配置过少或过粗等引起构件裂缝（如墙板、楼板）；设计中未充分考虑混凝土构件的收缩变形，采用的混凝土等级过高，造成用灰量过大，对收缩不利。2.2.2 材料原因：粗细集料含泥量过大，造成混凝土收缩增大；集料颗粒级配不良或采取不恰当的间断级配，容易造成混凝土收缩的增大，诱导裂缝的产生；骨料粒径越细、针片含量越大，混凝土单方用灰量、用水量增多，收缩量增大；水泥等级越高、细度越细、早强越高对混凝土开裂影响很大；混凝土设计强度等级越高，脆性越大，越易开裂。2.2.3 混凝土配合比设计原因：当前广泛采用泵送混凝土，对混凝土坍落度、和易性要求高，水灰比和水泥用量增大，水化热相应增大，混凝土收缩加剧；设计中水泥等级或品种选用不当；配合比中水灰比（水胶比）过大；单方水泥用量越大、用水量越高，表现为水泥浆体积越大、坍落度越大，收缩越大；配合比设计中砂率、水灰比选择不当造成混凝土和易性偏差，导致混凝土离淅、泌水、保水性不良，增加收缩值；配合比设计中混凝土膨胀剂掺量选择不当。2.2.4 施工及现场养护原因：模板构造不当，漏水、漏浆、支撑刚度不足、支撑的地基下沉、过早拆模等造成混凝土开裂；施工过程中，钢筋表面污染、混凝土保证层太小或太大，浇筑中碰撞钢筋使其移位引起裂缝，施工控制不严，超载堆荷，导致出现裂缝；现场浇捣混凝土时，振捣或插入不当，漏振、过振或振捣棒抽撤过快，影响混凝土的密实性和均匀性，诱导裂缝的产生；高空浇注混凝土，风速过大、烈日暴晒，混凝土收缩值大；对大体积混凝土工程，缺少两次抹面，易产生表面收缩裂缝。2.2.5 使用阶段（外界因素与徐变）：构筑物基础不均匀沉降，产生沉降裂缝；使用荷载超负。野蛮装修，随意拆除承重墙或凿洞等，引起裂缝；周围环境影响，酸、碱、盐等对构筑物的侵蚀，引起裂缝；意外事件，火灾、轻度地震等引起构筑物的裂缝。除从以上分析的产生裂缝原因外，在建筑材料、设计特点、施工工艺的变化等方面来分析钢筋混凝土结构产生裂缝增多的主要诱因：泵送混凝土的大量采用，混凝土强度等级日趋提高，水泥标号和用量都增加，导致收缩及水化热增加；结构规模日趋增大，结构形式日趋复杂，超长超厚及超静定结构成为经常采用结构形式，对于各种变形作用的结构约束应力不断增大；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长期实验资料（至少一年），有许多外加剂严重的增加收缩变形，甚至降低耐久性；结构设计中经常忽略构造钢筋重要性，因而经常出现构造性裂缝，或经常忽略结构约束性质，不善于利用”抗与放”的设计原则。综上所述，环境的影响、设计的错误、劣质的材料、粗糙的施工是构件产生裂缝的主要原因。在实践中,应根据裂缝的不同特点采用不同的治理方法,使裂缝对构件或结构的危害降到最小，以延长构筑物的使用寿命，从而使钢筋混凝土构筑物能够安全可靠地运行。3、钢筋混凝土结构的工程裂缝控制设计原则与措施尽管钢筋混凝土结构的裂缝是不可避免的，但其有害程度却是可以控制的，有害与无害的界限由工程结构使用功能决定的，裂缝控制的主要方法是通过设计、施工、材料等方面综合技术措施将裂缝控制在无害范围内。综合技术措施包括：合理选择结构形式，降低结构约束程度，对与水平构件梁、板、墙等采用中低强度级混凝土，加强构造配筋，如板顶部的受压区连续配筋，板的阳角及阴角配置放射筋，增加梁的腰筋间距200mm。优选有利于抗拉性能的混凝土级配，尽力减小水灰比、减少坍落度、降低砂率增加骨料粒径，降低含泥量及杂质含量。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(60天)。对于超长结构可采取跳仓浇灌或后浇带方法施工。对于复杂的结构难免出现少量裂缝影响正常使用和耐久性。裂缝分为表面裂缝，浅层裂缝，纵深裂缝(深层裂缝)，贯穿裂缝等。少量有害裂缝采用近代化学灌浆技术处理，满足设计使用和耐久性要求，不应因此降低工程质量评定标准。3.1温度裂缝（1）原因分析水泥水化过程中产生大量的热量，每克水泥放出50.2j的热量，如果以水泥用量350-550kg/m3来计算，每m3混凝土将放出17500-27500kj的热量，从而使混凝土内部温度升高，通常在浇筑温度的基础上升高35左右。笔者在浇筑广西柳州市工人医院x射线治疗室大体积混凝土时对其内部温度进行跟踪测定，最高时高达85.6。水泥水化热在1-3天可放出热量的50%，由于热量的传递、积存，混凝土内部的最高温度大约发生在浇筑后3-5天，因为混凝土内部和表面的散热条件不同，所以混凝土中心温度低，形成温度梯度，产生温度变形和温度应力。当这种温度应力超过混凝土的内外约束力（包括混凝土抗拉强度）时，就会产生裂缝。这种裂缝一般出现在浇筑后的3-5天，初期出现的裂缝很细，随着时间的推移而继续扩大，甚至达到贯穿的情况。（2）控制措施混凝土内部的温度与混凝土厚度及水泥品种、用量有关。混凝土越厚，水泥用量越大，水化热越高的水泥，其内部温度越高，温度应力越大，产生裂缝的可能性越大。因此控制大体积混凝土温度裂缝最根本的措施就是控制混凝土内部和表面的温度差。a宜选用中热硅酸盐水泥或低热矿渣硅酸盐水泥，充分利用混凝土后期强度，以减少水泥用量。大量试验研究和工实践表明，每m3混凝土的水泥用量增减10kg，其水化热将使混凝土的温度相应升高或降低1；b掺加粉煤灰和外加剂：掺加原状或磨细粉煤灰，可以降低混凝土中水泥水化热，减少绝热条件下的温升，效果非常显著。试验表明：掺加20%粉煤灰的水泥混凝土，其温升和水化热约为未掺粉煤灰的水泥混凝土的80%。外加剂由于其减水作用和分散作用，在降低用水量和提高强度的同时，还可以降低水化热，推迟放热峰出现的时间，从而减少温度裂缝发生的可能性；c控制混凝土出机温度和浇筑温度：最有效的办法是降低石子温度，混凝土中石子比热最小，但每m3混凝土中石子所占重量最大。在气温较高时，为了防止太阳直接照射，可以在砂石堆场搭设简易遮阳棚，必要时可向集料喷淋雾状水，或者在使用前用冷水冲洗集料；d改进振捣工艺和养护工艺：对已浇筑的混凝土，在终凝前进行二次振捣，可排除混凝土因泌水，在石子、水平钢筋下部形成的空隙和水分，提高粘结力和抗拉强度，并减少内部裂缝与气孔，提高抗裂性。混凝土养护主要是保持适当的温度和湿度条件下，是一个十分重要和关键的工作。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%。环境相对湿度越低，风速越大，收缩越大，高空浇灌容易引起开裂，如高架桥梁及桥墩。同时在潮湿条件下，可使水泥的水化充分、完全，从而提高混凝土的抗拉强度。3.2沉陷（塑性）收缩裂缝（1）原因分析这种裂缝产生的原因是流动性过大和流动性不足以及不均匀，在凝结硬化前没有沉实或者沉实不够，当混凝土沉陷时受到钢筋、模板抑制以及模板移动、基础沉陷所致。裂缝在混凝土浇筑后1-3小时出现，裂缝的深度通常达到钢筋上表面。（2）控制措施a要严格控制混凝土单位用水量在170kg/m3以下，水灰比在0.6以下，在满足浇筑要求时，尽可能减少坍落度。b混凝土搅拌时间要适当，过短、过长都会造成拌合物均匀性变坏而增大沉陷。c混凝土浇筑时，下料不宜太快，防止堆积或振捣不充分。d在炎热的夏季和大风天气，为防止水分激烈蒸发，形成内外硬化不均和异常收缩引起裂缝，应采取措施缓凝和覆盖。e遵循“精料供应”的原则，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，有的混凝土骨料中混入有害膨胀物引起混凝土的崩裂。3.3干缩裂缝（1）原因分析干燥收缩的主要原因是水分在硬化后较长时间产生的水分蒸发引起的。混凝土的干燥收缩由于集料的干燥收缩很小，因此主要是由于水泥石干燥收缩造成的。混凝土的水分蒸发、干燥过程是由外向内、由表及里，逐渐发展的，由于混凝土蒸发干燥非常缓慢，产生干燥收缩裂缝多数在一个月以上，有时甚至一年半载，而且裂缝发生在表层很浅的位置，裂缝细微。但是应当特别注意，由于碳化和钢筋锈蚀的作用，干缩裂缝不仅严重损害薄壁结构的抗渗性和耐久性，也会使大体积混凝土的表面裂缝发展成为更严重的裂缝，影响结构的耐久性和承载能力。（2）控制措施a从减少收缩的角度出发，宜采用中低水泥和粉煤灰水泥。不同水泥混凝土的干燥收缩按其大小顺序排列为：矿渣硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥、中低热水泥和粉煤灰水泥。b严格控制单方混凝土用水量：混凝土的干燥收缩受用水量的影响最大，在同一水泥用量条件下，混凝土的干燥收缩和用水量成正比，为直线关系；当水泥用量较高的条件下，混凝土的干燥收缩随用水量