《民用建筑混凝土结构裂缝原因及控制策略（论文）9100字》

民用建筑混凝土结构裂缝原因及控制策略1绪论 [摘要]由于发展了施工技术，在我国建筑结构中，混凝土结构成为极其重要的建筑结构形式。然而，一般情况下，混凝土结构都存在着裂缝的情况，导致裂缝出现的原因诸多，因而，对裂缝成因进行探讨，同时进行行之有效的控制，以对人民的生活生产安全给予保证，具有重要的意义。建筑物普遍应用钢筋混凝土结构，由于推广了混凝土，建筑物增加了裂缝出现的几率，日益引起人们关注。混凝土结构出现裂缝的原因诸多，既有温度改变的原因，也有材料、使用、施工、设计等方面的原因。混凝土工程中，材料对结构出现裂缝起到了决定性作用，从实践的角度而言，施工中出现裂缝具有极大的概率，一些裂缝不会危害建筑物的使用及受力情况，然而，裂缝的出现会对建筑物的耐久性、整体性造成影响，会腐蚀钢筋，给受力使用期造成隐患，需要引起高度重视，以控制裂缝在允许的范围内。文章对混凝土结构出现裂缝的原因进行了阐述，并且针对性的提出了预防措施和处理办法，希望给予建筑施工以借鉴，使建筑施工达到较好的程度，延长建筑物的使用寿命，从而保障人们的生命和财产安全。[关键词]民用建筑；混凝土结构；裂缝1绪论1.1研究背景袁胜鸿老师水化热，内部温度不断上升，在表面引起拉应力。后期在降温过程中，由于受到基础或老混凝上的约束，又会在混凝土内部出现拉应力。气温的降低也会在混凝土表面引起很大的拉应力。当这些拉应力超出混凝土的抗裂能力时，即会出现裂缝。许多混凝土的内部湿度变化很小或变化较慢，但表面湿度可能变化较大或发生剧烈变化。如养护不周、时干时湿，表面干缩形变受到内部混凝土的约束，也往往导致裂缝。混凝土是一种脆性材料，抗拉强度是抗压强度的1／10左右，短期加荷时的极限拉伸变形只有（0.6～1.0）×104，长期加荷时的极限位伸变形也只有（1.2～2.0）×104.由于原材料不均匀，水灰比不稳定，及运输和浇筑过程中的离析现象，在同一块混凝土中其抗拉强度又是不均匀的，存在着许多抗拉能力很低，易于出现裂缝的薄弱部位。在钢筋混凝土中，拉应力主要是由钢筋承担，混凝土只是承受压应力。在素混凝土内或钢筋混凝上的边缘部位如果结构内出现了拉应力，则须依靠混凝土自身承担。一般设计中均要求不出现拉应力或者只出现很小的拉应力。但是在施工中混凝土由最高温度冷却到运转时期的稳定温度，往往在混凝土内部引起相当大的拉应力。有时温度应力可超过其它外荷载所引起的应力，因此掌握温度应力的变化规律对于进行合理的结构设计和施工极为重要。在钢筋混凝土结构的建设和使用过程中，钢筋混凝土结构出现裂缝是一种非常普遍的现象，这不仅对构筑物外观产生较大影响，同时对构筑物的使用功能和耐久性产生影响，严重时对构筑物的安全性构成威胁，甚至于完全丧失其使用功能。目前，裂缝问题引起了人们的广泛关注。因此，探讨钢筋混凝土结构裂缝的产生原因和预防措施及其补救措施是很有必要的。1.2研究意义由于我国国民经济发展迅速，在民用和工业建筑中，已经广泛运用钢筋混凝土结构。在城市建筑施工期间，钢筋混凝土这种结构材料得到了广泛的运用，然而由于应用和研究这种材料，人们一直关注钢筋混凝土结构的裂缝问题。钢筋混凝土结构裂缝存在着诸多种类，形态不同，并且极其普遍，特别是楼板出现裂缝，轻者对建筑物造成影响，导致渗漏水出现。严重的还会使结构的整体性、稳定性、承载力降低，更有甚者会造成倒塌事故出现。这类裂缝是在现有施工技术条件下较难克服的质量通病之一，特别是民用建筑工程结构楼面出现裂缝，往往会引起业主对工程质量提出异议，从而引发投诉、纠纷以及索赔等情况。因此，正确分析裂缝产生原因，切实加以防治十分必要，十分迫切。因此研究混凝土结构的裂缝产生原因及控制具有重要的社会意义和经济意义。2国内外研究现状2.1国内研究现状建筑结构承受荷载(直接作用)或温度变化、收缩、沉降引的强迫位移(间接作用),导致这些不连续的细小裂缝贯通并延伸到结构表面,从而形成可见的裂缝(开裂)。从混凝土结构的基本原理而言,在大多数情况下混凝土构件是带裂缝工作的。因此产生裂缝并不意味着结构承载力不足,更与断裂、倒塌等破坏不同。在一般条件下裂缝并不影响结构的安全,因而是“无害”的。但是,裂缝的形态、数量和宽度应该限制在一定范围内,以免影响观感和使用功能,并对建筑物的耐久性造成影响。因此国内学者对“有害裂缝”进行了大量的研究。下面将从温度应力、混凝土早期力学性质、施工工艺及计算方法等方面进行总结概述。1、温度应力方面的研究在大体积混凝土问题上,朱伯芳等人早在70年代初就进行了水工混凝土结构的温度应力和裂缝控制的研究。他们通过温度场理论应用有限元法进行温度应力的计算,得出控制温度防止裂缝的技术措施。包括:坝体分缝分块、混凝土的水管冷却、混凝土的预冷、坝体的保温和养护等,并且对如何防止裂缝进行了综合分析。杜延军、魏卓琦等利用温度应力、温度荷载的取值和根据实际情况提出了结构设计和施工时裂缝控制的构造措施。2、混凝土施工工艺的研究王铁梦较早在国内进行建筑工程中大体积混凝土裂缝控制的研究,他在《工程结构裂缝控制》中介绍了箱基、筏基的温度收缩应力特点,并对地基上的长墙和大型设备基础进行了详细的介绍,对荷载裂缝及结构物裂缝修补也作了初步分析,并在书中最后针对大体积混凝土提出了温度收缩应力的计算机仿真和裂缝控制专家系统等工程结构裂缝控制的新发展思路。管大庆和陈志明以新上海国际大厦为例,介绍了大型地下室墙板一次连续浇筑过程中采取的温度控制技术并对监测结果进行分析,分析了墙板混凝土与底板混凝土裂缝产生的差异,并总结了一套技术措施。舌以尼在1989年以杨浦大桥桥墩和上海市的三幢高层建筑基础为调查对象进行研究,提出了防止大体积混凝土产生温度裂缝的措施。陈岩于1993年对大体积混凝土分层浇筑、养护进行研究，分析了“双掺技术”及泵送混凝土技术在大体积混凝土施工中的应用。张庆斌从降低水泥用量来提高混凝土强度，改进养护方法两个角度对大体积混凝土施工进行研究。罗贵生等采用UEA外偿收缩砼来控制超长钢筋砼结构裂,这种新技术已广泛地被设计和施工人员接受和采用,它避免了由于伸缩缝的存在而影响建筑物的装饰效果和留下的渗漏隐患,节约了工程结构费用,给施工带来了极大的方便。3、裂缝计算方法与软件开发的研究马杰进行了大体积混凝土温度和温度应力计算边界元法的研究，编制了边界元程序并附有理论解验证,计算了东风坝施工期混凝土温度场。论文最后讨论了热弹性问题的边界元法。张旭升以非线性钢筋混凝土有限元分析方法，研究了底板和墩墙类大体积混凝土温度裂缝的产生与发展。通过大量考题论证了以新的裂缝模型编制的程序的正确性和可行性，对实际工程大型箱型基础底板的温度裂缝作了对比验算。陈德威开发了一套三维有限元温度程序包，通用于一般大体积混凝土在施工及运行过程中不稳定温度场和温度应力的计算分析。通过两个工程实例的有限元分析,对影响结构温度状况的诸多因素作了较为细致的讨论。王深重点针对混凝土锈胀开裂后混凝土锈胀裂缝宽度和钢筋锈蚀量的关系对钢筋锈蚀引起的混凝土锈胀开裂进行了有限元分析,根据分析结果建立了包括开裂后阶段的混凝土锈胀开裂的理论。2.2国外研究现状国外学者侧重研究了温度应力和混凝土早期力学性质。MichaelStaffZur在90年代初对基础底板上的墙体与底板交接处由于混凝土水化热而产生的裂缝进行了分析。其论文探讨了如何防止这些裂缝,他提出了对底板进行预冷却,同时对墙板进行预加热的技术措施,进行了建议的理论计算方法的计算,论文最后在一个实际工程中进行了实测的结果与理论计算结果的对比。GerdThielen,HorstGrube在1990年发表文章介绍了几种防止裂缝的方法,其中包括了由于荷载产生的裂缝。文中介绍了试验设备和几个试验,其中试验包括温度对混凝土弹性模量的影响、开裂框架的温度和拉力受时间的影响、温度引起的拉力试验等。RupertSpringgenschmid,RolfBreitenbucher等在1990年针对早期混凝土,用裂缝—温度关系来对混凝土框架开裂趋势进行估计,并给出了近似公式,考虑了搅拌混凝土、水泥、外加剂等的温度的影响。EnriqueMiraambell,AntonoiAgudo提出了一个分析模型,来对箱型梁大桥的温度和应力分布进行预测。模型考虑了环境影响、物理和材料性质、桥的地点和桥的截面几何形状的影响,他将该分析模型推导的结果与其他作者试验所得结果进行了对比。另外,还介绍了影响温度和应力分布的截面几何形状的几个参数的影响。瑞典律勒欧理工大学的MatsEmborg,StigBernander等几位学者对早期混凝土的热应力和热裂缝作了很多试验,试验包括徐变试验、自由热体积变化试验、松弛试验等。通过试验提出了理论模型,该模型被编为计算机程序,能进行混凝土不同工况的分析。从几个例子得出结论:为了控制结构的开裂,仅仅考虑早期的温度场分布是远远不够的;还应考虑:结构不同构件中的不同的轴向和环向约束,早期混凝土的短时力学性能的影响等。BudanYao,D.W.Murray则提出了预测早期混凝土受温度及收缩作用产生的裂缝宽度的公式。GuoChennggju提出了预测早期混凝土早期强度的公式,并附有两个算例。FranccisA.Oluokun,EdwinG.J.J.brooks,A.F.Al-kaisi,研究了波特兰水泥和矿渣水泥在升温后浇筑的早期强度发展。2.3研究的创新与不足2.3.1创新之处本文在阅读大量文献的基础上，对钢筋混凝土结构裂缝产生原因、预防措施以及控制办法进行了阐述，针对不同的形成原因，采用不同的预防措施及处理技术，富有针对性，实用性强，更便于实施。2.3.2不足之处由于时间仓促，掌握的相关内容有限，因而尚有需要改进和完善之处，在今后的实践和理论研究中进行补充和提升。3概念的界定及分类混凝土构件的材料,有卵石、中砂、水泥和水组成,它本身抗压强度很高,在国内外的建筑中得到了广泛应用。但是混凝土又有自重大、抗裂性差的缺点,特别是抗裂性差严重影响了混凝土的使用。所谓钢筋混凝土是指把钢筋以合理的形成和混凝土浇筑在一起,使之形成一种全新的结构材料。钢筋混凝土结构的破坏归根到底是混凝土本身的破坏,而混凝土的破坏又是以混凝土出现裂缝为先兆的,因此许多钢筋混凝土结构建筑物在建设过程和使用过程中出现不同程度、不同形式的裂缝,这是一个相当普遍的现象,它是常期困扰着建筑工程技术人员的技术难题。混凝土结构的裂缝有多种分类方式。施工超载裂缝、施工质量粗劣引起的裂缝等;使用原因引起的裂缝,有改变建筑使用条件引起的裂缝、荷载加大引起的裂缝、钢筋锈蚀引起的裂缝、地震引起的裂缝等。而非结构性裂缝包括塑性裂缝(混凝土骨料沉降、塑性收缩形成的裂缝)、干缩和凝缩形成的裂缝、温度裂缝(由于截面均匀温差、上下温差、内外温差产生的裂缝)、地基不均匀沉降裂缝、施工不当引起的裂缝等。荷载裂缝：结构在荷载作用下变形过大而产生的裂缝。一般多出现在结构受拉区域、受剪区域或振动严重等部位。产生的主要原因是结构设计、施工错误、承载能力不足、地基不均匀沉降等等。钢筋混凝土结构是由混凝土和钢筋共同承担极限状态的承载力,结构设计师需根据地基情况,静、动荷载,环境因素、结构耐久性等控制荷载裂缝。从国内外有关规范可知,对结构变形作用引起的裂缝问题,存在着两类学派:一是设计规范规定很灵活,没有验算裂缝的明确规定,而由设计人员自由处理。另一类则是设计规范有明确规定,对于荷载裂缝有计算公式并有严格的允许宽度限制,如我国《混凝土结构设计规范》(GB50010-2002),工程师对结构变形裂缝控制考虑不周,是结构荷载裂缝发生过多的主要原因。温度裂缝：由大气温度变化、周围环境高温的影响和大体积混凝土施工时产生的水化热等因素造成,水泥的水化热为165～250J/g,随混凝土水泥用量提高,起绝热温升可达50℃～80℃。研究表明,当混凝土内外温差10℃时,冷缩值εc=ΔTα=0101%,如温差为20℃～30℃时,其冷缩值为0102%～0103%,当大于混凝土极限拉伸值时混凝土就开裂。干缩裂缝：这类裂缝一是由于材料缺陷引起的,研究表明,水泥加水后变成水泥硬化体,起绝对体积减小,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011%～012%,混凝土的干缩值为0104%～0106%,而混凝土的极限拉伸值只有0101%～0102%,所以引起干缩裂缝。沉降裂缝：现浇构件因地基或砌体过大不均匀沉降;模板刚度不足、支撑间距大、支撑松动、过早拆模等,均可导致产生沉降裂缝。腐蚀裂缝：由于有害离子Cl-,Mg2+等侵入混凝土内部,导致钢筋锈蚀而使混凝土产生的后期膨胀裂缝。温度裂缝：防止因混凝土本身与外界气温相差悬殊,处于高温环境的构件,应采取隔热措施,加强养护,尤其在气温高、风大且干燥的气候条件下更应及早喷水。对大体积混凝土应控制裂缝,大体积混凝土工程因散热降温引起的冷缩比干缩更容易引起开裂,常规的温控措施既复杂又费钱。4民用建筑混凝土结构裂缝原因4.1收缩裂缝产生原因4.1.1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，严格来说属于干缩裂缝，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，骨料下沉时收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。4.1.2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，当这种体积变化收到约束时，就可能产生干缩裂缝。干缩裂缝处在结构的表面，较细，起走向纵横交错，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逐渐大战。如混凝土成型后，因养护不当，收到风吹日晒，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，收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。4.2温度裂缝产生原因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，这种裂缝比较常见，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，成为“水热化”，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。4.3沉陷裂缝产生原因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，从而是的结构构件开裂，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，因此裂缝宽度较大、多呈45°，并且通常是贯穿性的。4.4荷戟作用裂缝产生原因荷载作用引起的裂缝。构件承受的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。5民用建筑混凝土结构裂缝控制5.1混凝土结构裂缝的预防措施裂缝的出现不但会影响结构的整体性和刚度，还会引起钢筋的锈蚀、加速混凝土的碳化、降低混凝土的耐久性和抗疲劳、抗渗能力。因此根据裂缝的性质和具体情况我们要区别对待、及时处理，以保证建筑物的混凝土裂缝的修补措施主要有以下一些方法：表面修补法，灌浆、嵌逢封堵法，结构加固法，混凝土置换法，电化学防护法以及仿生自愈合法。5.1.1收缩裂缝的预防措施用压浆泵将胶结材料压入裂缝中，由于其凝结、硬化而起到补缝作用，以恢复结构的整体性。这种方法适用于对结构整体性有影响，或有防水、防渗要求的裂缝修补。常用的灌浆材料有水泥和化学材料，可按裂缝的性质、宽度、施工条件等具体情况选用。一般对宽度大于0.5mm的裂缝，可采用水泥灌浆，对宽度小于0.5mm的裂缝，或较大的温度收缩裂缝，宜采用化学灌浆。5.1.2温度裂缝的预防措施砼具有热胀冷缩的性质，其线膨胀系数一般为1×10-5/0C°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，当这种应力超过砼的抗拉强度时，就会产生裂缝。在工程中，这类裂缝较多见，譬如现浇屋面板上的裂缝，大体积砼的裂缝等。5.1.3沉陷裂缝的预防措施（1）锚杆常用水泥砂浆或树脂灌注，锚杆与缝面夹角越大越好。浆液凝固后，锚杆成为结构的一部分，能增强结构的承载能力。采用预应力锚杆，锚固作用更明显，甚至能使混凝土弥合。（2）钢板补强法，是将钢板用粘合剂粘结在混凝土表面上，再用锚杆安装固定。为了结合紧密，也就可先将钢板固定，再灌浆充填钢板与混凝土之间的孔隙。（3）钢筋混凝土补强法，是在原结构表面浇筑一层钢筋混凝土，起到封闭裂缝，提高承载力，阻止裂缝发展的作用。5.2混凝土结构裂缝处理技术当裂缝影响到混凝土结构的性能时，就要考虑采取加固法对混凝土结构进行处理。用锚杆、钢板、钢筋混凝土等材料对结构作补强加固，可扼制裂缝进一步发展，恢复结构的整体性。5.2.1表面封闭法常用的方法为涂覆法，增加整体面层，压抹环氧胶泥，环氧浆液粘玻璃丝布，表面缝合等。（1）涂覆法：混凝土表面出现数量较多的表面裂缝时，采用手工或机械喷涂方法，将修补材料涂覆于混凝土表面，起到表面封闭作用。涂膜厚度在0.3~2.5mm之间，厚度大者适应裂缝变化能力强。选用修补材料时应考虑使用条件（室内、室外、环境温湿度变化，介质腐蚀情况）以及裂缝活动情况等，例如，要求耐磨的地坪可选用环氧沥青涂料，聚氨酷涂料，聚氨酷沥青涂料等刚性涂料，不稳定的裂缝修补可选用聚氨酷弹性体，橡胶型丙烯酸酷涂料等弹性涂料。（2）增加整体面层：混凝土表面裂缝数量较多，分布面较广时，常采用增加一层水泥砂浆或细石混凝土整体面层的方法处理。多数情况下，整体面层内应配置双向钢丝网。有条件时，宜采用喷射法施工水泥砂浆或混凝土整体面层。（3）压抹环氧胶泥：对于数量不多，又不集中，缝宽>0.lmm的裂缝可采用此法处理。（4）环氧浆液粘贴玻璃丝布：一般采用环氧树脂胶料或环氧焦油胶料，粘贴1~2层玻璃丝布。（5）表面缝合：在裂缝两边钻孔或凿槽，将u形钢筋或金属板放入孔或槽中，用环氧树脂砂浆等无收缩型砂浆灌入孔或槽中锚固，以达到缝合裂缝的目的。5.2.2灌浆法将水泥或化学浆液灌入混凝土缝内，使其扩散，固化。固化后的浆液具有较高的粘结强度，与混凝土能较好地粘结，从而增强了构件的整体性，使构件恢复使用功能，提高耐久性，达到堵漏防锈补强的目的。用于结构修补的化学浆液主要有两类：一类是环氧树脂浆；另一类是甲基丙烯酸甲酷液（简称甲凝液）。用于防渗堵漏的化学浆液主要有：水玻璃、丙烯酞胺、聚氨酷、丙烯酸盐等。这些不溶物可充填缝隙，使之不透水并增加强度。虽然民用建筑混凝土结构裂缝修补工法多种多样，但我们不能只知其一、只用其一，而应牢牢掌握每一种方法，以一变应万变，做到根据不同情况采取