超长结构裂缝控制

2022-06-23

第一篇:超长结构裂缝控制

钢筋混凝土结构的裂缝控制

王铁梦 (冶金建筑研究总院 教授 博导)

〔提 要〕 钢筋混凝土的裂缝控制问题是建筑工程中很重要的问题之一,特别是最近20年来,泵送商品混凝土获得广泛应用之后,混凝土均质性有了很大改善的同时,裂缝控制技术难度大大增加了,本文是在大量建设实践和现场实验研究基础上,概述了变形作用引起裂缝的原因,约束变形特征,抗与放的设计准则以及综合技术措施等。

〔关键词〕 裂缝 收缩 徐变 松弛 约束 抗拉应变“抗与放” 正常使用性 综合

1.概 述

20年来,在工民建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裂缝问题,且有日趋增多的趋势,它已影响到正常的生活和生产,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。

由于结构在外荷载作用下的破坏和倒塌是从裂缝扩展开始的,因此人们对裂缝往往产生一种建筑破坏的恐惧感,是可以理解的。早在1932年,前苏联A. флолейт 教授的钢筋混凝土强度理论就指出,如正常配筋受弯构件的破坏状态是指受拉区钢筋到达屈服强度,受压区混凝土到达受弯的抗压强度,此状态称为承载力极限状态。这一状态全过程是伴随着荷载的不断增加,裂缝出现(钢筋应力只有40~60MPa),裂缝扩展,受压区塑性不断发展,最后达到完全破坏。此时破坏荷载往往是裂缝出现荷载时的3~5倍,因此,很多大型钢筋混凝土结构,仅仅自重就超过了极限荷载的30%,在此条件下钢筋混凝土结构带有轻微裂纹是完全正常的,结构是安全的,恐惧是不必要的。

国内外关于荷载作用下钢筋混凝土构件的设计都有自己的经验公式,并已纳入有关规范,尽管计算结果出入较大,但毕竟可以参考应用。

但是近年来大量裂缝的出现,并非与荷载作用有直接关系,通过大量的调查与实测研究证明这种裂缝是由于变形作用引起,包括温度变形(水泥的水化热、气温变化、环境生产热),收缩变形(塑性收缩、干燥收缩、碳化收缩)及地基不均匀沉降(膨胀)变形。由于这些变形受到约束引起的应力超过混凝土的抗拉强度导致裂缝,统称“变形作用引起的裂缝”。 2.裂缝的直接原因 2.1 收缩及水化热增加

自从70年代末(1978~1979年)我国混凝土施工工艺产生了巨大的进步—泵送商品混凝土工艺。从过去的干硬性,低动性,现场搅拌混凝土转向集中搅拌,转向大流动性泵送浇注,水泥用量增加,水灰比增加,砂率增加,骨料粒径减小,用水量增加等导致收缩及水化热增加。 2.2 混凝土强度等级日趋提高

建筑结构混凝土强度等级日趋提高,但有许多结构不适当的 选择了过高的强度等级。习惯上认为:“强度等级越高安全度越大,就高不就低,提高强度等级没坏处”。有时迁就施工方便,采用高强混凝土,这是一种误导,导致水泥标号增加,水泥用量增加,水用量增加,细骨料及粗骨料径偏小,砂率偏大等都使水化热及收缩增加。 2.3 结构约束应力不断增大

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并采用现浇施工,这种结构形式有显著约束作用,对于各种变形作用必然引起较大约束应力。 2.4 外加剂的负效应

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),有些试验资料并不严格,有许多外加剂严重的增加收缩变形,有的甚至降低耐久性。 2.5 忽略结构约束

国内外结构设计中都经常忽略构造钢筋重要性,因而经常出现构造性裂缝。结构设计中经常忽略结构约束性质,不善于利用“抗与放”的设计原则,缺乏相应的设计施工规范、规程。 2.6 养护方法不当

目前在混凝土施工中采用的养护方法基本沿用过去简易的方法,这种方法已远不适应泵送混凝土的较大温度收缩变形的要求。 2.7 混凝土抗拉性能不足

这种裂缝在抗力方面都是由于混凝土抗拉性能不足(抗拉强 度和极限拉伸)引起的,这方面的材料级配研究很少。

综合上述,国际公认泵送商品混凝土对混凝土的质量(均质性)有很大的提高,对供应方式有重要的改进,但是对混凝土的裂缝控制的难度大大增加了,因此,这类问题不是我国特有的技术问题,是国际上钢筋混凝土的共性难题。 3. 大体积混凝土的定义

过去大体积混凝土的定义是根据几何尺寸,主要是根据厚度定义的,国际上一般采用0.8m~1m作为界限。自80年代以后大体积混凝土的定义有了改变,新的定义是:“任意体量的混凝土,其尺 寸大到足以必须采取措施减小由于体积变形引起的裂缝,统称为大体 积混凝土”,这是美国混凝土协会的定义。由此可见,在近代泵送商品混凝土获得广泛应用的条件下,即便是很薄的结构,虽然水化热很低,但是其收缩很大,控制收缩裂缝的要求比过去任何时候都显得非常重要。因此,泵送混凝土的薄壁结构也应当按照大体积混凝土的要求采取措施控制混凝土的收缩裂缝,特别是环境气温变化与收缩共同作用对于薄壁结构尤为不利,收缩换算为当量降温。 4. 钢筋混凝土承受变形应力的特点 4.1 “抗与放”设计准则

结构承受的约束作用分内约束(自约束)和外约束两类。结构的变形如果是完全自由的变形达到最大值,则内应力为零,也就不可能产生任何裂缝。如果变形受到约束,在全约束状态下则应力达到最大值,而变形为零。在全约束与完全自由状态的中间过程,即为弹性约束状态,亦即自由变形分解成为约束变形和显现变形(实际变形)。实际变形越大,约束应力越小;实际变形越小,约束应力越大,这种约束状态与荷载作用下的结构受力状态(虎克定律)有着根本区别。

在约束状态下,结构首先要求有变形的余地,如结构能满足此要 求,不再产生约束应力。如结构没有条件满足此要求,则必然产生约束应力,超过混凝土的抗拉强度,导致开裂。所以,提出了“抗与放” 的设计准则,应当在工程设计中,根据结构所处的具体时空条件加以灵活的应用。从结构形式的选择方面(微动、滑动及设缝措施,提供“放”的条件)及材料性能方面(提高抗拉强度、抗拉变形能力及韧性等提供“抗”的条件)采取综合措施,如抗放相结合,以抗为主或以放为主的措施。

4.2 约束内力与结构刚度的关系

外荷载作用下结构的内力只与荷载及结构几何尺寸有关,但在变形作用条件下,结构的约束内力不仅与变形作用及结构几何尺寸有关,尚与结构刚度有关,这是约束内力与荷载内力的重要区别。

例如:一个简支梁的两端受到转动的约束,当梁沿截面高度为h,承受温差ΔT时(如预制板两端焊接于屋架上弦),则梁上的

约束力矩M:

式中α——混凝土的线膨胀系数

(1)

约束力矩不仅与温差和截面高度有关,而且与梁的抗弯刚度成正比,刚度越大,约束力矩越大,这适宜于裂缝出现及扩展阶段,当然应当考虑钢筋混凝土的抗弯刚度是变化的。

当温差不断增加,钢筋混凝土构件进入极限状态时,裂缝充分发展,刚度下降并趋近于零时则力矩也趋近于零。所以,变形力矩不影响结构的极限状态,这一论断己为实验证实。但是裂缝影响使用(渗漏)及耐久性(钢筋锈蚀)。如果结构的承载力由抗剪、抗冲切作决定,变形作用引起的贯穿性裂缝可能降低承载力。 4.3 钢筋混凝土与素混凝土裂缝控制的区别

任何尚未荷载作用的混凝土,它的组合材料包括水泥、水、砂、 石、外加剂及掺合料等组分相互物理化学作用硬化成为一种多空隙复合材料,由于初始温度收缩应力作用而形成内部许多微观裂缝,这种裂缝在外力作用下不断扩展,成为宏观裂缝,继续扩展对素混凝土迅速导致破坏。

但是,对于钢筋混凝土,特别是有充分构造配筋的钢筋混凝土出现一定程度的裂缝,不会迅速导致破坏,只是限制裂缝宽度问题,使其不达到有害程度。因此,构造配筋显得十分重要,可以有效地控制裂缝的出现及分散裂缝(用许多微细无害裂缝取代少量粗大的有害裂缝)。 5. 混凝土的某些基本物理力学性质 5.1 混凝土的收缩及水化热

在工民建领域,大部分结构构件(板墙梁等构件)均属薄壁结构,泵送混凝土浇注的构件收缩量很大,因此经常出现收缩裂缝。混凝土的收缩机理至今尚未统一,但大多数的研究成果认为混凝土是具有大量孔隙的

。。

材料。孔隙的半径颇不一致,半径较小的毛细孔,半径约小于300A(A=10m)。其中水份蒸发引起孔壁压力的变化,导致混凝土体积的缩小。混凝土内除了少部分水提供水泥水化的需要,其余大部分水分都要蒸发掉,收缩变形同时发生,最终收缩完成的时间大约20年,但其主要部分的收缩是在最早的1~2年内。由于近来水泥活性和强度等级的增加,收缩量显著增加,并且拖延时间较长。影响收缩的因素很多,如水泥品种采用矿渣水泥比普通硅酸盐水泥水化热低了,但其收缩约大25%。遇到超厚的大底板或大块式基础,则水化热 起控制作用,宜选用粉煤灰水泥或矿渣水泥,所以,应根据截面的厚度分别选用不同品种的水泥。其次水泥颗粒越细,活性越大,标号越高,用量越多,其收缩越大,因此提高水泥强度的方法不应靠磨细的途径,而应当依靠改善矿物成分的办法。

众所周知,水灰比大,收缩将显著增加,同时抗拉强度降低。如水灰比为0.6的收缩比水灰比为0.4的收缩增加约40%。有时尽管水灰比不变,增加用水量,同时增加水泥量即水泥浆量,如水泥浆量为0.2(水泥浆占混凝土总重量比例)比0.4时的收缩量增加约45%。减水剂可有效的降低水灰比及用水量,而粉煤灰具有圆珠润滑效应和火山灰效应,所以“双掺技术”对泵送混凝土既可提高和易性又可减少收缩。

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%。环境的相对湿度越高,收缩越小,许多结构所处的环境湿度波动很大,如最低30%~40%,最高达80%~90%。环境温度越高,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。

混凝土的配筋对于收缩值起一定的约束作用,但是与配筋率的高低有关,按目前构造配筋率的情况看来,降低收缩的影响是比较小的。根据泵送商品混凝土的收缩试验,其收缩值约在6~8×10,有的试验还远远超过了这个数量,有些大桥的桥墩和高层建筑的厚壁立柱由于施工质量及过大的坍落度,形成了中部骨料多,外部或上表面砂浆厚,从而形成极不均匀的收缩,砂浆和水泥浆的收缩比混凝土的收缩大约增加2~5倍,并由于表面水份蒸发快从而形成大面积的-

4-10表面裂缝。混凝土粗细骨料的含泥量和粉料含量都增加收缩。

目前建筑市场出现了很多新型的外加剂和掺合料,质量保证主要靠强度试验的结果,几乎没有进行体积变形稳定性方面的试验,而许多材料都有增加收缩的特点,必须进行长时期准确的收缩试验,才能得到有利于控制裂缝的材料。

各种水泥的水化热试验比较容易,一般水泥厂家都已进行专门的试验,有资料可查,不在赘述。

5.2 混凝土的徐变(蠕变)因素的考虑

混凝土的徐变机理也有许多种,如弹性徐变理论、老化徐变理论、继效徐变理论等等。作为工程裂缝控制的应用,我们只能应用其中主要的成果,以常系数的形式,考虑在弹性计算的结果中,从而简化了非线形分析。由于混凝土的徐变作用,给钢筋混凝土和预应力钢筋混凝土带来有利和不利两方面的影响。从不利方面看来,它可以造成预应力损失,增加挠度,可以降低钢筋和混凝土的粘着力等。从有利方面看来,它可以使弹性的温度收缩应力大大的松弛,根据变形速率及混凝土龄期,它对应力降低的程度约0.3~0.8倍,保温保湿养护越好,降温越慢,松弛系数越小,具体数字可参考文献

1、2。 5.3 混凝土的抗拉强度及极限拉伸

泵送混凝土浇注后,其抗压强度和抗拉强度都随着时间而增长,但增长的速率,抗拉滞后于抗压,水泥标号的提高及水泥用量的增加, 对抗压强度增长较为显著,而对抗拉强度增长较小。

相对变形约束应力,混凝土的极限拉伸尤为重要,国内外曾进行过一些试验研究。例如苏联布拉茨克和克拉斯诺雅尔斯克水电站的试 验表明混凝土轴向拉伸应变值变化范围为0.5×10~1.0×10。法国鲍斯进行的轴向拉伸试验。在抗拉强度为2.05MPa时,局限拉伸值为0.9×10。美国卡普兰在轴向拉伸试验中极限拉伸值为0.81×10。前苏联齐斯克列里提出当轴向抗拉强度为1.2MPa时,极限拉伸为0.7×10。我国水工系统(研究单位和工程单位)对混凝土的极限抗拉强度也作过不少研究,并在工程中采用。如丹江工程混凝土极限拉伸值为(0.58~0.8)×10,乌江渡工程为(0.6~1.02)×10等等,极限拉伸很小,抗裂能力很弱(收缩变形超过极限拉伸5~10倍)。

冶金系统,不少设备基础,特别是高炉基础、炼钢基础,混凝土的浇注量大多在5000m以上,轧钢基础的混凝土量100000m~200000m,厚度2.5m~9.5m,长度由35m~600m,均属超长超厚的大体积钢筋混凝土,开裂后可引起钢筋的锈蚀、降低持久强度、刚度和防水性能、严重者影响自动化生产工艺。防止和控制这类基础的温度裂缝也是很重要的。为此我们在民用建筑工程中开展了混凝土轴向拉伸强度及变形性能的试验研究。

通过对双掺(减水剂及粉煤灰)混凝土的抗拉试验,发现混凝土随着荷载速率及养护条件,其极限拉伸和抗拉强度波动很大,在极慢速(接近实际温度和湿度缓慢变化速度)条件下,其极限拉伸可达(2~3)×10,显然这里包含了徐变变形,这对温度收缩应力是很有利的(在强度计算中用松弛系数乘以弹性应力与按变形计算增加极限拉伸是等同的)。

-

43

33-4

-4-4-4

-4-4-4

特别值得注意的是,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了有害膨胀物引起混凝土的崩裂,因此要求泵送混凝土必须遵循“精料供应”的原则。

合理的配筋,特别是构造配筋,细一点密一点可以提高混凝土的极限拉伸,推荐齐斯克列里经验公式:

p.a

(2) 式中 ε——混凝土的极限拉应变;

f——标准抗拉强度;

p——配筋率×100;

d——钢筋直径单位cm;

这是瞬时荷载作用下的公式,如果极慢速约束变形作 用考虑徐变作用,至少可以增加一倍。 6. 结构设计或施工中近似计算的模型选择

我国在工民建领域解决变形作用引起裂缝的问题主要是按混凝土设计规范采取设永久性变形缝的办法,根据现浇、预制、土中、室 内、露天等条件,有明确的伸缩缝许可间距规定。该规定自从50年代沿用苏联规范规定,我们当时曾多次向苏联有关单位和苏联专家咨询有关规定的依据,他们的回答:“全凭经验”,采取相似规定的还有东欧及其它一些国家。

的确,该法解决了许多工程裂缝问题,其缺点是伸缩缝止水带经常渗漏并难以维修。更重要的是在实践中发生了许多反常现象:有的工程尺寸很小,却出现了严重开裂;另外也有的工程超长而未出现明显开裂,说明设缝与否,不是决定开裂与否的唯一因素。其它如材料级配、结构约束、结构配筋、施工工艺、养护条件以及环境温湿度气象条件等综合因素都影响结构约束内力及裂缝的出现。通过实际工程裂缝反算与现场推力试验,假定结构相互连续式约束采用水平弹簧模型,弹簧侧移刚度由试验和经验给出。推导出长墙中部正截面法向拉应力,端部剪应力,伸缩缝许可间距以及一再从中间开裂的机理,见参1.2。在排架及框架约束应力分析中提出了考虑弹性抵抗作用、装配式系数、徐变影响系数、开裂刚度及利用混凝土后期强度的计算发表于1957~1958年,见参考文献

3、

4、

5、6。多年来通过裂缝处理实践近似理论计算进行了反复的校核与补充。 7. 裂缝控制设计原则与措施

钢筋混凝土结构的裂缝是不可避免的,但其有害程度是可以控制的,有害与无害的界限由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tc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。

在宝钢近百项大体积混凝土工程,上海浦东世界金融大厦、新上海国际大厦、浦贸大厦、周长1000余米的8万人体育场、民防大厦、国际网球中心、人民广场地下车库、厦门国际会展中心、青岛国际会展中心、深圳鸿基大厦转换层都是超长大体积混凝土工程,通过综合措施,都满足设计和正常使用要求。 参考文献

1. 王铁梦,建筑物的裂缝控制(M),上海科技出版社 1987.10 2. 王铁梦,工程结构裂缝控制(M)中国建工出版社 1997.8 3. 王铁梦,工业建筑温度伸缩缝研究.哈尔滨工业大学学报 1957.3 4.5.6.苏联“工业建筑”1958.10,1960.4,1960.6 7. Wang Tie Meng,Qin Quan,Li Yong Lu.An Expert System for Diagnosing Repairing C racks in

Castinplace Concrete structures Sixth Intern.Conference on Computin g in Civill

Engineering.Atlanta U.S.A,1989,9:11~13

收稿日期 2000-05-07

址 上海宝山丁家桥宝钢指挥部(201900)

话 021-56103621

Cracking Control of Reinforced Concrete Construction

Wang Tiemeng

〔Abstract〕Cracking Control of Reinforced Concrete is o ne of the most important problems in civil engineering,specially after developme nt of pumping concrete,as increased uniformity of concrete,as more difficulty of cracking control.On the bases of large amount of cracks treating experience and exprimental research,the author has summarized reason of cracking、restraint de formation characteristic、design principle“to resist” and “to release” and p ut forward comprehensive method for cracking control.

〔Key words〕Crack shrinkage creep relaxation restraint tensile strain “to resist and to release” serviceability comprehensive 

第二篇:钢筋混凝土结构的裂缝控制

1.概 述

20年来,在工民建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裂缝问题,且有日趋增多的趋势,它已影响到正常的生活和生产,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。

由于结构在外荷载作用下的破坏和倒塌是从裂缝扩展开始的,因此人们对裂缝往往产生一种建筑破坏的恐惧感,是可以理解的。早在1932年,前苏联A. флолейт 教授的钢筋混凝土强度理论就指出,如正常配筋受弯构件的破坏状态是指受拉区钢筋到达屈服强度,受压区混凝土到达受弯的抗压强度,此状态称为承载力极限状态。这一状态全过程是伴随着荷载的不断增加,裂缝出现(钢筋应力只有40~60MPa),裂缝扩展,受压区塑性不断发展,最后达到完全破坏。此时破坏荷载往往是裂缝出现荷载时的3~5倍,因此,很多大型钢筋混凝土结构,仅仅自重就超过了极限荷载的30%,在此条件下钢筋混凝土结构带有轻微裂纹是完全正常的,结构是安全的,恐惧是不必要的。

国内外关于荷载作用下钢筋混凝土构件的设计都有自己的经验公式,并已纳入有关规范,尽管计算结果出入较大,但毕竟可以参考应用。

但是近年来大量裂缝的出现,并非与荷载作用有直接关系,通过大量的调查与实测研究证明这种裂缝是由于变形作用引起,包括温度变形(水泥的水化热、气温变化、环境生产热),收缩变形(塑性收缩、干燥收缩、碳化收缩)及地基不均匀沉降(膨胀)变形。由于这些变形受到约束引起的应力超过混凝土的抗拉强度导致裂缝,统称“变形作用引起的裂缝”。

2.裂缝的直接原因

2.1 收缩及水化热增加

自从70年代末(1978~1979年)我国混凝土施工工艺产生了巨大的进步—泵送商品混凝土工艺。从过去的干硬性,低动性,现场搅拌混凝土转向集中搅拌,转向大流动性泵送浇注,水泥用量增加,水灰比增加,砂率增加,骨料粒径减小,用水量增加等导致收缩及水化热增加。

2.2 混凝土强度等级日趋提高

建筑结构混凝土强度等级日趋提高,但有许多结构不适当的 选择了过高的强度等级。习惯上认为:“强度等级越高安全度越大,就高不就低,提高强度等级没坏处”。有时迁就施工方便,采用高强混凝土,这是一种误导,导致水泥标号增加,水泥用量增加,水用量增加,细骨料及粗骨料径偏小,砂率偏大等都使水化热及收缩增加。

2.3 结构约束应力不断增大

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并采用现浇施工,这种结构形式有显著约束作用,对于各种变形作用必然引起较大约束应力。

2.4 外加剂的负效应

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),有些试验资料并不严格,有许多外加剂严重的增加收缩变形,有的甚至降低耐久性。

2.5 忽略结构约束

国内外结构设计中都经常忽略构造钢筋重要性,因而经常出现构造性裂缝。结构设计中经常忽略结构约束性质,不善于利用“抗与放”的设计原则,缺乏相应的设计施工规范、规程。

2.6 养护方法不当

目前在混凝土施工中采用的养护方法基本沿用过去简易的方法,这种方法已远不适应泵送混凝土的较大温度收缩变形的要求。

2.7 混凝土抗拉性能不足

这种裂缝在抗力方面都是由于混凝土抗拉性能不足(抗拉强 度和极限拉伸)引起的,这方面的材料级配研究很少。

综合上述,国际公认泵送商品混凝土对混凝土的质量(均质性)有很大的提高,对供应方式有重要的改进,但是对混凝土的裂缝控制的难度大大增加了,因此,这类问题不是我国特有的技术问题,是国际上钢筋混凝土的共性难题。

3. 大体积混凝土的定义

过去大体积混凝土的定义是根据几何尺寸,主要是根据厚度定义的,国际上一般采用0.8m~1m作为界限。自80年代以后大体积混凝土的定义有了改变,新的定义是:“任意体量的混凝土,其尺 寸大到足以必须采取措施减小由于体积变形引起的裂缝,统称为大体 积混凝土”,这是美国混凝土协会的定义。由此可见,在近代泵送商品混凝土获得广泛应用的条件下,即便是很薄的结构,虽然水化热很低,但是其收缩很大,控制收缩裂缝的要求比过去任何时候都显得非常重要。因此,泵送混凝土的薄壁结构也应当按照大体积混凝土的要求采取措施控制混凝土的收缩裂缝,特别是环境气温变化与收缩共同作用对于薄壁结构尤为不利,收缩换算为当量降温。

4. 钢筋混凝土承受变形应力的特点

4.1 “抗与放”设计准则

结构承受的约束作用分内约束(自约束)和外约束两类。结构的变形如果是完全自由的变形达到最大值,则内应力为零,也就不可能产生任何裂缝。如果变形受到约束,在全约束状态下则应力达到最大值,而变形为零。在全约束与完全自由状态的中间过程,即为弹性约束状态,亦即自由变形分解成为约束变形和显现变形(实际变形)。实际变形越大,约束应力越小;实际变形越小,约束应力越大,这种约束状态与荷载作用下的结构受力状态(虎克定律)有着根本区别。

在约束状态下,结构首先要求有变形的余地,如结构能满足此要 求,不再产生约束应力。如结构没有条件满足此要求,则必然产生约束应力,超过混凝土的抗拉强度,导致开裂。所以,提出了“抗与放” 的设计准则,应当在工程设计中,根据结构所处的具体时空条件加以灵活的应用。从结构形式的选择方面(微动、滑动及设缝措施,提供“放”的条件)及材料性能方面(提高抗拉强度、抗拉变形能力及韧性等提供“抗”的条件)采取综合措施,如抗放相结合,以抗为主或以放为主的措施。

4.2 约束内力与结构刚度的关系

外荷载作用下结构的内力只与荷载及结构几何尺寸有关,但在变形作用条件下,结构的约束内力不仅与变形作用及结构几何尺寸有关,尚与结构刚度有关,这是约束内力与荷载内力的重要区别。

例如:一个简支梁的两端受到转动的约束,当梁沿截面高度为h,承受温差ΔT时(如预制板两端焊接于屋架上弦),则梁上的约束力矩M

约束力矩不仅与温差和截面高度有关,而且与梁的抗弯刚度成正比,刚度越大,约束力矩越大,这适宜于裂缝出现及扩展阶段,当然应当考虑钢筋混凝土的抗弯刚度是变化的。

当温差不断增加,钢筋混凝土构件进入极限状态时,裂缝充分发展,刚度下降并趋近于零时则力矩也趋近于零。所以,变形力矩不影响结构的极限状态,这一论断己为实验证实。但是裂缝影响使用(渗漏)及耐久性(钢筋锈蚀)。如果结构的承载力由抗剪、抗冲切作决定,变形作用引起的贯穿性裂缝可能降低承载力。

4.3 钢筋混凝土与素混凝土裂缝控制的区别

任何尚未荷载作用的混凝土,它的组合材料包括水泥、水、砂、 石、外加剂及掺合料等组分相互物理化学作用硬化成为一种多空隙复合材料,由于初始温度收缩应力作用而形成内部许多微观裂缝,这种裂缝在外力作用下不断扩展,成为宏观裂缝,继续扩展对素混凝土迅速导致破坏。

但是,对于钢筋混凝土,特别是有充分构造配筋的钢筋混凝土出现一定程度的裂缝,不会迅速导致破坏,只是限制裂缝宽度问题,使其不达到有害程度。因此,构造配筋显得十分重要,可以有效地控制裂缝的出现及分散裂缝(用许多微细无害裂缝取代少量粗大的有害裂缝)。

5. 混凝土的某些基本物理力学性质

5.1 混凝土的收缩及水化热

在工民建领域,大部分结构构件(板墙梁等构件)均属薄壁结构,泵送混凝土浇注的构件收缩量很大,因此经常出现收缩裂缝。混凝土的收缩机理至今尚未统一,但大多数的研究成果认为混凝土是具有大量孔隙的

。。

材料。孔隙的半径颇不一致,半径较小的毛细孔,半径约小于300A(A=10-10m)。其中水份蒸发引起孔壁压力的变化,导致混凝土体积的缩小。混凝土内除了少部分水提供水泥水化的需要,其余大部分水分都要蒸发掉,收缩变形同时发生,最终收缩完成的时间大约20年,但其主要部分的收缩是在最早的1~2年内。由于近来水泥活性和强度等级的增加,收缩量显著增加,并且拖延时间较长。影响收缩的因素很多,如水泥品种采用矿渣水泥比普通硅酸盐水泥水化热低了,但其收缩约大25%。遇到超厚的大底板或大块式基础,则水化热 起控制作用,宜选用粉煤灰水泥或矿渣水泥,所以,应根据截面的厚度分别选用不同品种的水泥。其次水泥颗粒越细,活性越大,标号越高,用量越多,其收缩越大,因此提高水泥强度的方法不应靠磨细的途径,而应当依靠改善矿物成分的办法。

众所周知,水灰比大,收缩将显著增加,同时抗拉强度降低。如水灰比为0.6的收缩比水灰比为0.4的收缩增加约40%。有时尽管水灰比不变,增加用水量,同时增加水泥量即水泥浆量,如水泥浆量为0.2(水泥浆占混凝土总重量比例)比0.4时的收缩量增加约45%。减水剂可有效的降低水灰比及用水量,而粉煤灰具有圆珠润滑效应和火山灰效应,所以“双掺技术”对泵送混凝土既可提高和易性又可减少收缩。

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%。环境的相对湿度越高,收缩越小,许多结构所处的环境湿度波动很大,如最低30%~40%,最高达80%~90%。环境温度越高,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。

混凝土的配筋对于收缩值起一定的约束作用,但是与配筋率的高低有关,按目前构造配筋率的情况看来,降低收缩的影响是比较小的。根据泵送商品混凝土的收缩试验,其收缩值约在6~8×10-4,有的试验还远远超过了这个数量,有些大桥的桥墩和高层建筑的厚壁立柱由于施工质量及过大的坍落度,形成了中部骨料多,外部或上表面砂浆厚,从而形成极不均匀的收缩,砂浆和水泥浆的收缩比混凝土的收缩大约增加2~5倍,并由于表面水份蒸发快从而形成大面积的表面裂缝。混凝土粗细骨料的含泥量和粉料含量都增加收缩。

目前建筑市场出现了很多新型的外加剂和掺合料,质量保证主要靠强度试验的结果,几乎没有进行体积变形稳定性方面的试验,而许多材料都有增加收缩的特点,必须进行长时期准确的收缩试验,才能得到有利于控制裂缝的材料。

各种水泥的水化热试验比较容易,一般水泥厂家都已进行专门的试验,有资料可查,不在赘述。

5.2 混凝土的徐变(蠕变)因素的考虑

混凝土的徐变机理也有许多种,如弹性徐变理论、老化徐变理论、继效徐变理论等等。作为工程裂缝控制的应用,我们只能应用其中主要的成果,以常系数的形式,考虑在弹性计算的结果中,从而简化了非线形分析。由于混凝土的徐变作用,给钢筋混凝土和预应力钢筋混凝土带来有利和不利两方面的影响。从不利方面看来,它可以造成预应力损失,增加挠度,可以降低钢筋和混凝土的粘着力等。从有利方面看来,它可以使弹性的温度收缩应力大大的松弛,根据变形速率及混凝土龄期,它对应力降低的程度约0.3~0.8倍,保温保湿养护越好,降温越慢,松弛系数越小,具体数字可参考文献

1、2。

5.3 混凝土的抗拉强度及极限拉伸

泵送混凝土浇注后,其抗压强度和抗拉强度都随着时间而增长,但增长的速率,抗拉滞后于抗压,水泥标号的提高及水泥用量的增加, 对抗压强度增长较为显著,而对抗拉强度增长较小。

相对变形约束应力,混凝土的极限拉伸尤为重要,国内外曾进行过一些试验研究。例如苏联布拉茨克和克拉斯诺雅尔斯克水电站的试 验表明混凝土轴向拉伸应变值变化范围为0.5×10-4~1.0×10-4。法国鲍斯进行的轴向拉伸试验。在抗拉强度为2.05MPa时,局限拉伸值为0.9×10-4。美国卡普兰在轴向拉伸试验中极限拉伸值为0.81×10-4。前苏联齐斯克列里提出当轴向抗拉强度为1.2MPa时,极限拉伸为0.7×10-4。我国水工系统(研究单位和工程单位)对混凝土的极限抗拉强度也作过不少研究,并在工程中采用。如丹江工程混凝土极限拉伸值为(0.58~0.8)×10-4,乌江渡工程为(0.6~1.02)×10-4等等,极限拉伸很小,抗裂能力很弱(收缩变形超过极限拉伸5~10倍)。

冶金系统,不少设备基础,特别是高炉基础、炼钢基础,混凝土的浇注量大多在5000m3以上,轧钢基础的混凝土量100000m3~200000m3,厚度2.5m~9.5m,长度由35m~600m,均属超长超厚的大体积钢筋混凝土,开裂后可引起钢筋的锈蚀、降低持久强度、刚度和防水性能、严重者影响自动化生产工艺。防止和控制这类基础的温度裂缝也是很重要的。为此我们在民用建筑工程中开展了混凝土轴向拉伸强度及变形性能的试验研究。

通过对双掺(减水剂及粉煤灰)混凝土的抗拉试验,发现混凝土随着荷载速率及养护条件,其极限拉伸和抗拉强度波动很大,在极慢速(接近实际温度和湿度缓慢变化速度)条件下,其极限拉伸可达(2~3)×10-4,显然这里包含了徐变变形,这对温度收缩应力是很有利的(在强度计算中用松弛系数乘以弹性应力与按变形计算增加极限拉伸是等同的)。

特别值得注意的是,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了有害膨胀物引起混凝土的崩裂,因此要求泵送混凝土必须遵循“精料供应”的原则。

合理的配筋,特别是构造配筋,细一点密一点可以提高混凝土的极限拉伸,推荐齐斯克列里经验公式。

这是瞬时荷载作用下的公式,如果极慢速约束变形作 用考虑徐变作用,至少可以增加一倍。

6. 结构设计或施工中近似计算的模型选择

我国在工民建领域解决变形作用引起裂缝的问题主要是按混凝土设计规范采取设永久性变形缝的办法,根据现浇、预制、土中、室 内、露天等条件,有明确的伸缩缝许可间距规定。该规定自从50年代沿用苏联规范规定,我们当时曾多次向苏联有关单位和苏联专家咨询有关规定的依据,他们的回答:“全凭经验”,采取相似规定的还有东欧及其它一些国家。

的确,该法解决了许多工程裂缝问题,其缺点是伸缩缝止水带经常渗漏并难以维修。更重要的是在实践中发生了许多反常现象:有的工程尺寸很小,却出现了严重开裂;另外也有的工程超长而未出现明显开裂,说明设缝与否,不是决定开裂与否的唯一因素。其它如材料级配、结构约束、结构配筋、施工工艺、养护条件以及环境温湿度气象条件等综合因素都影响结构约束内力及裂缝的出现。通过实际工程裂缝反算与现场推力试验,假定结构相互连续式约束采用水平弹簧模型,弹簧侧移刚度由试验和经验给出。推导出长墙中部正截面法向拉应力,端部剪应力,伸缩缝许可间距以及一再从中间开裂的机理,见参1.2。在排架及框架约束应力分析中提出了考虑弹性抵抗作用、装配式系数、徐变影响系数、开裂刚度及利用混凝土后期强度的计算发表于1957~1958年,见参考文献

3、

4、

5、6。多年来通过裂缝处理实践近似理论计算进行了反复的校核与补充。

7. 裂缝控制设计原则与措施

钢筋混凝土结构的裂缝是不可避免的,但其有害程度是可以控制的,有害与无害的界限由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。

在宝钢近百项大体积混凝土工程,上海浦东世界金融大厦、新上海国际大厦、浦贸大厦、周长1000余米的8万人体育场、民防大厦、国际网球中心、人民广场地下车库、厦门国际会展中心、青岛国际会展中心、深圳鸿基大厦转换层都是超长大体积混凝土工程,通过综合措施,都满足设计和正常使用要求。

第三篇:混凝土结构裂缝成因及控制措施

一、内容摘要

现浇钢筋混凝土楼面板的裂缝,是目前较难克服的质量通病之一,住宅工程楼面出现裂缝,往往会引起投诉纠纷及索赔。建筑物钢筋混凝土结构的普遍应用,伴随着商品混凝土的推广,建筑楼面出现裂缝的机率在增加,日益受到社会人士关注;楼面结构出现裂缝原因复杂,有材料、温度变化等原因,也有设计、施工、使用等方面问题。混凝土工程中材料的特性决定了结构较易产生裂缝,从实践中来看施工中混凝土出现裂缝的概率也是很大的,相当一部分裂缝对建筑物的受力及正常使用无太大的危害,但裂缝的存在会影响到建筑物的整体性、耐久性,会对钢筋产生腐蚀,是受力使用期应力集中的隐患,应当尽量在各方面给予重视,以避免裂缝的出现或把裂缝控制在许可的范围之内。本文以监理为主,兼顾设计和材料等方面,阐述楼面裂缝的产生原因及防治措施。

二、混凝土结构裂缝成因及控制措施

混凝土结构的裂缝是一个相当普遍的现象,大量工程实践以及近代科学关于混凝土强度的细观研究都表明结构物的裂缝是不可避免的,它是材料的一种特性。因此,科学地对待裂缝问题是在对裂缝进行分类、研究的基础上,采取有效的措施,将裂缝的有害程度控制在允许的范围内。本章将就混凝土结构中常见裂缝进行分类,并对结构中占主要部分的裂缝进行成因分析。

混凝土结构裂缝成因

裂缝的形成有外荷载、结构计算模型差异、材料的收缩(主要为的混凝土收缩、温度变形)等原因造成。从技术角度来分析,有设计、施工、材料等方面问题,主要反映如下: 1.1设计原因引起的裂缝

楼板刚度不足:设计按多跨连续板进行配筋计算,侧重于满足结构安全,较少考虑混凝土收缩特性和温度变形等多种因素,楼板高跨比仅为L/33.6-L/35,其刚度较小对裂缝控制很不利。 2)楼板构造配筋设计不周:设计在支座处按常规配设负筋,在中部板面不配钢筋,当板面出现温度变形和混凝土收缩,因无构造钢筋约束,板面即出现裂缝。

3)楼板内布线欠合理:由于水电施工图由各专业设计,实际施工中出现水电管交叉叠放,或由于设计考虑管内容线面积,部分预埋管径≥D25;且设计管线位置在楼板跨中,即在单层双向配筋处,楼板有效截面受到很大程度(15%-40%)削弱,成为楼板最易开裂的部位;当楼板收缩应力大于混凝土极限抗拉强度时,即出现沿管线表面呈直线状的裂缝。

4)从房屋的空间结构来看,剪力墙刚度大,约束了剪力墙间梁板的水平向自由变形,而梁刚度又较板刚度大,因各类因素引起的水平向收缩变形均集中到剪力墙间刚度最小的板上,造成这块板开裂。

5)膨胀剂的选用与掺量:设计未明确混凝土的限制膨胀率,只提出膨胀剂的品种和掺量范围,施工时按设计提供掺量进行配比施工,使混凝土的实际限制膨胀率不能达到最佳限制膨胀率。

1.2施工原因引起的裂缝

水电预埋管施工时在板内位置欠合理:管位置过高或过低;位置过高时,极易在板面出现因混凝土硬化收缩产生的裂缝,也易在维修裂缝或室内装修时损坏管线;两根管线并行布置时,管线间距过小甚至并拢,更易因管线集中而产生裂缝。

空载养护期不足:从楼面混凝土浇完、收光至施工材料堆放,平均空载养护期仅为一天半,人为因素过早地震动、荷载造成楼板幼龄混凝土内部受损开裂。且施工中用塔吊吊运的钢管、钢筋等周转材料因受剪力墙钢筋影响多堆放在预埋管线部位。 1.3材料原因引起的裂缝

楼板商品混凝土强度为C40(8层以下)C35(8—18层)C30(18层以上),其收缩变形值为同标号普通混凝土的1.2--1.3倍,且商品混凝土单方用水量过大(200Kg),其中部分水在振捣时被游离出来,部分水与水泥结合成凝胶,相当大一部分为自由水仍留在混凝土孔隙中,成为混凝土干缩的隐患。楼板拆模后,板面和板底长期裸露在大气中,后期施工的细石混凝土面层养护期过后也长期处于干燥环境中。正是这种环境效应(受温度、湿度、风力影响使水泥石毛细孔、凝胶孔内的自由水由表及里逐渐蒸发),和尺寸效应(楼板裸露面积大,厚度薄)的共同影响,使楼板较其它构件更易出现干缩裂缝。混凝土的干缩、温度收缩、收缩是要因,而由于施工管线预埋欠合理、楼板刚度不足、材料等多重原因综合,使本工程楼板沿预埋管线处出现大量裂缝。

2、混凝土裂缝的预防措施

由于裂缝的产生是多种多样的,在混凝土结构中普遍存在且危害较大,因此,要对混凝土裂缝进行认真研究、区别对待,并在设计、施工中采取各种有效的措施来预防裂缝的出现和发展。

2.1设计措施

1)增配构造筋提高抗裂性能,配筋应采用小直径、小间距。全截面的配筋率应在0.3~0.5%之间。

2)避免结构突变产生应力集中,在易产生应力集中的薄弱环节采取加强措施。 3)在易裂的边缘部位设置暗梁,提高该部位的配筋率,提高混凝土的极限拉伸。

4)在结构设计中应充分考虑施工时的气候特征,合理设置后浇缝,在正常施工条件下,后浇缝间距20~30m,保留时间一般不小于60天。如不能预测施工时的具体条件,也可临时根据具体情况作设计变更。从住宅工程现浇板裂缝发生的部位分析,最普遍的是房屋四周、阳台处的房间在离开阳角1米左右,即在楼板配筋的负弯矩筋以及角部放射筋末端或外侧发生45°左右的楼地,面斜角裂缝,这在现浇板任何一种类型的建筑中都普遍存在。主要是混凝土的收缩特性和温差、沉降等作用所引起,并且越靠近屋面处的楼层裂缝越大。从设计角度看,现行设计规范侧重于强度,对温差和混凝土收缩特性等多种因素综合考虑不足,构造配筋量达不到要求。而房屋的四周阳角由于受到刚度相对较大的楼面梁约束,限制了楼面板的自由变形,因此在温差和混凝土收缩变化时,板面在配筋薄弱处首先开裂,产生45°左右的斜角裂缝。虽然楼地面斜角裂缝对结构安全使用没有影响,但在有水源等情况下会产生渗漏缺陷,容易引起住户投诉,是裂缝防治的重点。根据上述原因分析,设计单位应在房屋四周的阳角处楼面板配筋进行加强,负筋不采用分离式切断,改为沿房间全长配置,设置双层双向钢筋,阳角处钢筋间距不宜大于100㎜,钢筋直径不宜小于¢8。外墙转角处尚应设置放射钢筋,配筋范围应大于板跨的1/3,钢筋间距不宜大于100㎜,房屋长度大于50m时,在楼中部位设置后浇带加强措施。 2.2施工措施

1)严格控制混凝土原材料的的质量和技术标准,选用低水化热水泥,粗细骨料的含泥量应尽量减少(1~1.5%以下)。

2)细致分析混凝土集料的配比,控制混凝土的水灰比,减少混凝土的坍落度,合理掺加塑化剂和减少剂。

3)浇筑时间尽量安排在夜间,最大限度降低混凝土的初凝温度。白天施工时要求在沙、石堆场搭设简易遮阳装置,或用湿麻袋覆盖,必要时向骨料喷冷水。混凝土泵送时,在水平及垂直泵管上加盖草袋,并喷冷水。

4)根据工程特点,可以利用混凝土后期强度,这样可以减少用水量,减少水化热和收缩。 5)加强混凝土的浇灌振捣,提高密实度。 6)混凝土尽可能晚拆模,拆模后混凝土表面温度不应下降15℃以上,混凝土的现场试块强度不低于C5。

7)采用两次振捣技术,改善混凝土强度,提高抗裂性。 8)根据具体工程特点,采用UEA补偿收缩混凝土技术。 9)对于高强混凝土,应尽量使用中热微膨胀水泥,掺超细矿粉和膨胀剂,使用高效减水剂。通过试验掺入粉煤灰,掺量15%~50%。 2.3技术措施

楼面裂缝的发生除以45°斜角裂缝为主外,还有较常见的两种: 1)预埋线管及线管集中处;

2)施工中周转材料较集中和较频繁的吊装卸料堆放区域。施工中采取以下技术措施可以有效防止楼板面裂缝:

2.1)重点加强楼面钢筋网的有效保护措施钢筋在楼面混凝土板中是受拉力,起着抵抗外荷载所产生的弯矩和防止混凝土收缩和温差发生的双重作用,而这一双重作用均需钢筋处在上下合理的保护层前提下才能确保有效。实际施工中,楼面下层的钢筋网在受到混凝土垫块及模板的依托下保护层较易正确控制。但当垫块间距放大1.5m时,钢筋网的合理保护层厚度就无法保证,所以纵横向的垫块间距限制在1㎡中放2块。于此相反,楼面上层钢筋网的有效保护,一直是施工中的一大难题。其原因:板的上层钢筋一般较细,施工中受到人员踩踏后容易变形、弯曲;各工种交叉作业,施工人员多,行走十分频繁,钢筋难免被大量踩踏;上层钢筋网的马凳间距设置过大,甚至不设。根据施工实践,楼面上上层钢筋必须设置马凳,其横向间跨不应大于700㎜,(即每㎡不少于2只),特别是对于¢8一类细小钢筋,马凳的间距应控制在600㎜以内(即每㎡不少于3只),同时采取下列措施:2.1.1)尽可能合理和科学地安排好

各工种交叉作业时间,在板底钢筋绑扎后,线管预埋应及时布置,以减少板面钢筋绑扎后的作业人员数量;

2.1.2)在楼梯、通道等频繁和必须通行处应搭设临时简易通道(或铺设跳板),以供施工人员通行。

2.1.3)加强教育和管理,使作业人员充分重视钢筋的成品保护,行走时,应自觉沿马凳支撑点通行,减少对钢筋的踩踏; 2.1.4)安排足够钢筋工在混凝土浇筑前及浇筑中及时对踩踏变形的钢筋进行修整,特别是支座端部受力最大部位及负弯矩受力最大区域(四周阳角处、预埋管线位置、大跨度房间等)应重点检查和修整;

2.1.5)混凝土工在浇筑混凝土时应铺设临时活动跳板,尽量减少上层钢筋受到踩踏变形。 2.2)、预埋线管处的裂缝防治

特别是在楼梯处是线管集中处,容易导致现浇板裂缝。当预埋线管管径较大,房间开间大,且线管有重叠时,很容易引起板面裂缝。因此对于较粗的管线或多根线管集中处钢筋须进行加强处理。应增设抗裂短钢筋,间距≤100㎜。

2.3、材料吊卸区域的楼面裂缝防治目前在主体结构施工过程中,普遍存在质量与工期的矛盾。一般主体结构的楼层施工速度在7天左右,因此当楼层混凝土浇筑完毕后不足24h的养护时间,就忙着钢筋、钢管、模板、砖块等材料的吊运施工,这样,在混凝土强度不足的情况下,板面受材料的吊卸冲击荷载引起不规则的裂缝并且这些裂缝一旦形成,就形成永久性裂缝。因此对这类裂缝应做好如下措施:

2.3.1)主体施工速度不能强求过快,楼层混凝土浇筑完后应得到有效养护;

2.3.2)科学安排楼层施工作业,在楼层混凝土浇筑完的24h后,可进行一些定位放线、弹性等准备工作,不允许吊装大宗材料,小宗材料应分散堆放,避免冲击荷载和集中荷载。混凝土终凝后可先分批安排少量钢筋进行绑扎,做到轻卸、轻放,第三天可开始吊装钢管、模板、砖块等材料,也应当避免集中堆放。 2.4)、混凝土的养护对楼面混凝土的养护对其强度增长和各类性能的提高十分重要,特别是早期的养护可避免表面脱水减少混凝土初期收缩裂缝的生。施工中必须坚持草包或麻袋进行一周左右的养护。应特别注意避免产生贯穿裂缝,出现后要恢复其结构的整体性是十分困难的,因此施工中应以预防贯穿性裂缝的发生为主。实践证明,混凝土常见的裂缝,大多数是不同深度的表面裂缝,此说寒冷地区的混凝土保温对防止表面早期裂缝尤为重要。混凝土的早期养护,重要目的在于保持适宜的温湿条件,已达到两个方面的效果,一方面使混凝土免受不利温、湿度变形的侵蚀,防止有害的冷缩和干缩。一方面使水泥水化作用顺利进行,以期达到设计的

强度和抗裂能力。混凝土的保温效果常常也有保湿的效果。从理论上分析,新浇混凝土中所含水分完全可以满足水泥水化的要求,但由于蒸发等原因,常常引起水分损失,从而推迟或妨碍水泥的水化,表面混凝土最容易受到这种不利影响。因此混凝土浇筑后的最初几天是养护的关键时期,在施工中应重视。

3、混凝土结构裂缝的处理技术

采取了上述措施后,由于各种原因仍可能有少量楼面裂缝发生。当这些裂缝

发生后,应在楼面施工和天棚粉刷前,预先做好妥善的裂缝处理工作,然后再进行装修。根据一些经验,住宅楼地面上部的找平层较厚,可通过在找平层中增设钢丝网进行加强;楼板底则粉刷层较薄或无粉刷层,且通常无吊顶遮盖,更容易暴露裂缝,影响美观而引起投诉,建议采用复合增强纤维等材料对裂缝作粘贴加强处理,当遇到裂缝较宽,受力较大等特殊情况时采用碳纤维粘贴加强,是目前较为理想的裂缝弥补措施。

三、结论与展望

裂缝是混凝土结构中普遍存在的现象,它的出现不仅会降低建筑物的抗渗能力,影响建筑物的使用功能,而且会引起钢筋的锈蚀,混凝土的碳化,降低材料的耐久性,影响建筑物的承载能力,因此严格按规程、规范要求施工,严把质量关,防患于未来,尽可能的降低混凝土裂缝的出现,并对混凝土裂缝进行认真研究,采用合理的方法进行处理,并在施工中采取各种有效的预防措施来预防裂缝的出现和发展,保证建筑物和构件的安全,使混凝土稳定的工。

第四篇:砌体结构裂缝成因及有效控制研究工学论文

摘要:通过分析砌体结构裂缝的类型和形成机理,从设计、选材、施工、监控、加固等几个方面探讨了有效控制裂缝产生和发展的措施。

关键词:砌体结构,裂缝;类型;机理;控制措施

1 砌体结构裂缝的类型及成因

1.1 地震裂缝

地震对砌体结构的影响十分大,通常造成墙体出现水平裂缝、斜裂缝、“X”形裂缝,严重的出现歪斜甚至倒塌。水平裂缝是由于墙肢较窄,在地震作用下墙体受弯、受剪的缘故。在大开间的纵墙上。窗间墙的上下端会产生的。斜裂缝一般属于主拉应力超过砌体强度所引起的剪切破坏现象,墙体开裂后出现滑移、碎落等现象,直至局部倒塌、压塌。“X”形裂缝由于建筑物墙体受地震反复作用,由斜裂缝发展而来。

1.2 温度裂缝

由于砖砌块与混凝土楼板的温度线膨胀系数相差很大。当温度升高时,混凝土顶盖变形大。墙体变形相对较小。导致砖砌体和混凝土屋盖之间产生约束应力。屋盖受压、墙体受拉受剪开裂。当砌块材料为混凝土砌块时,由于混凝土砌块的强度比砖砌块少得多,更容易引起墙面开裂。裂缝形态有门窗洞边的“八”字斜裂缝、山墙上部的斜裂缝、平屋顶下或屋顶圈粱下沿砖(块)灰缝的水平裂缝以及水平包角裂缝。

1.3 收缩裂缝

干涨湿缩是自然界的普遍现象,组成砌体结构的各组成材料的含水率不同,受干涨湿缩影响也不协调,因此产生了各种收缩裂缝。收缩裂缝的形态有,在墙体中部出现的阶梯形裂缝,环块体周边灰缝的裂缝;在外墙的窗下墙出现竖向均匀裂缝,山墙等大墙面出现的竖向、水平向裂缝。

1.4 结构超载裂缝

随着结构使用功能的转变和砌体材料强度的降低,加之砂浆和砖这两种材料的弹性模量、横向变形和强度不相同。当外部荷载超过结构的极限状态而形成了受压、受拉和受剪裂缝等破坏形态。

1.5 地基不均匀沉降裂缝

一般情况下,地基受到上部传递的压力,引起地基的沉降变形呈凹形,从而导致地基反力在边缘区较高。这种沉降使建筑物形成中部沉降大、端部沉降小的弯曲,产生正弯距。结构中下部受拉,端部受剪,特别是由于端部地基反力梯度很大,端部的剪应力很大,墙体由于剪力形成的主拉应力破裂,裂缝呈正八字形。此外,当地基中部有回填砂、石,或中部地基坚硬而端部软弱,或由于荷载相差悬殊,建筑物端部沉降大干中部时,会形成负弯距。主拉应力将引起墙体的斜裂缝或倒八字裂缝。局部的沉降不均不仅可以引起斜裂缝,由于垂直沉降还可能引起砌体的水平裂缝。

2 砌体结构裂缝控制的措施

裂缝导致砌体房屋承载能力和抗震性能大大降低,势必会影响了建筑物的使用功能和安全性。新建的砌体房屋必须考虑抗震防裂因素,已经产生裂缝的砌体房屋必须通过评估、加固措施进行裂缝控制,以免危及人们生命财产安全。

2.1 结构选型

合理选择砌体结构的受力体型对控制裂缝具有十分重要的意义,在地震裂缝的控制上尤为重要。砌体房屋概念应做到:房屋体型宜规整、简单;横纵墙布置要得当、刚度分布较均匀;设置必要的圈梁和钢笳混凝土构造柱或芯柱,楼梯间和大开间房屋的结构考虑抗扭因素。 2.2 地震裂缝控制要点

建筑物要完全避免地震裂缝是完全做不到的。只能采取适当措施,做到小震不裂或少裂、大震不倒,建筑设计时,应根据本地区抗震等级合理进行抗震设计;施工时保证必要的构造要求和施工质量;合理设置抗震缝。

2.3 温度裂缝控制要点

温度裂缝的控制关键是设置伸缩缝。尽可能消除热胀冷缩源头,伸缩缝的设置需满足《砌体结构设计规范》。同时应通过提高砂浆强度、提高饱满度、空斗改实砌、加筋砌体、加设构造柱等方式增强砌体的承载能力。对于主体结构上设置好的伸缩缝,在后期的装饰工程、设备安装等环节不能掩埋、填塞伸缩缝。

2.4 收缩裂缝控制要点

物体的干涨湿缩现象不仅与周围环境相关,而且与物体本上的物理性质尤其是含水率等密切相关。为控制好砌体结构的收缩裂缝,首先要在材料性质上把好关,材料须符合规范要求;同时在墙的高度、厚度不大于离相交墙或转角墙允许接缝距离之半突然变化处及门、窗洞口的一侧或两侧设置竖向控制缝;控制缝宜做成隐式,与砌体的灰缝相一致,控制缝的宽度不大于12mm,控制缝内应用弹性密封材料。

2.5 结构超载裂缝控制要点

砌体房屋的功能不能随意改变,不能在楼面上随意安放设备、施加动力荷载;不能随意改变砌体房屋的受力形式,尤其是不能破坏承重结构;对于房龄较长的砌体房屋,要适当减轻楼(屋)面荷载,以免房屋产生超载裂缝。

2.6 地基不均匀沉降裂缝控制要点

对于不均匀沉降导致的裂缝应以预防为主,把好设计和施工质量关。具体做法为;在建筑物平面转折处、建筑高度荷载突变处、结构类型不同处以及地基土软硬交界处设置沉降缝;适当减轻结构自重;通过设置封闭圈梁和构造柱,特别是增强顶层和底层圈梁、合理布置纵横墙、采用整体性好、刚度大的基础形式等增强建筑物的刚度和强度;减小或调整基底的附加应力改变基础地面尺寸使不同荷载的基础沉降量接近;荷载变化较大的房屋,应分期分阶段组织施工;施工时先建荷载大的高层,后建荷载较小的低层先建深基础,后建浅基础,避免增加新的附加应力;观测裂缝发展的速度、部位、程度,决定是表面处理还是上部加固或基础加固处理。

3 结语

砌体结构具有抗压性能好,保温、耐火、耐久性能好。经济适用,取材和施工方便,便于管理维护等优点,在工业和民用建筑的承重结构和维护结构中仍具有十分广阔的应用前景。对于砌体结构的裂缝我们不能小视,应能尽早发现尽早处理。

第五篇:混凝土结构裂缝产生的原因及控制措施

摘 要:大体积混凝土开裂后,其性能与原状混凝土性能相差很大,严重影响结构的长期安全和耐久运行。本文分析了混凝土结构裂缝产生的原因和机理,从各个环节提出了预防裂缝的综合措施,以确保混凝土质量,减少裂缝的发生。 关键词:混凝土 裂缝 水泥水化热 温度应力

一、混凝土结构裂缝产生的原因

钢筋混凝土结构的裂缝产生的原因主要有三种:(1)由外部荷载引起的裂缝隙,按常规计算的各种荷载引起的;(2)由于结构的实际工作状态与设计模型的不同而产生的结构次应力引起的裂缝;(3)由温度、收缩、膨胀、不均匀沉降等因素产生的变形应力引起的裂缝,施工中可采取措施避免。(4)大体积混凝土结构中,由于结构截面大,水泥用量多,水泥水化释放的水化热能产生很大的温度变化和收缩作用,是导致大体积混凝土温度裂缝的主要原因。

1.水化热产生裂缝的机理

大体积混凝土结构的截面尺寸较大,在施工过程中,由水泥水化过程中释放出大量水化热,由于体积大,热量不易散发,造成较大温升,从而导致体积增大。当这种变形不受约束时,混凝土结构内部不会产生应力。但实际上这种变形肯定会受到约束,约束有两种。一是混凝土与外部环境温度差异引起的约束;另一种是由于内部的条件不同产生的约束,以上两种约束产生的应力为温度应力。

其次,湿度变化引起的混凝土内部各单元体之间相互约束,产生的应力为干缩应力。因为湿度传导率远小于热度传导率(约为1/1600),所以,它主要在混凝土表面附近:另外,混凝土自身体积变形不能自由伸缩所产生的应力,称为自身体积变形应力;还有地基非均匀沉降、模板走样也会产生变形应力。在以上非结构荷载作用下所产生的应力中,主要是温度应力和变形应力。对于大体积混凝土结构施工,当混凝土浇筑体边界无约束时(如底、顶板顶面),在早期水化热温度迅速升高阶段,由于混凝土内、外散热条件不同,形成温度梯度,表面受拉,内部受压。当拉应力超过混凝土抗拉强度时,混凝土表面就产生裂缝。在混凝土的降温阶段,混凝土的温差引起的变形加上混凝土的体积收缩变形,受到地基和结构边界条件的约束时,在浇筑体中央断面产生内部拉应力,当该拉应力超过混凝土抗拉强度时,混凝土整个截面就产生贯穿裂缝。 2.温度应力的分析

根据温度应力的形成过程可分为以下三个阶段:

(1)初期:自浇筑混凝土开始至水泥放热基本结束,一般约30天。这个阶段的两个特征,一是水泥放出大量的水化热,二是混凝土弹性模量的急剧变化。由于弹性模量的变化,这一时期在混凝土内形成残余应力。

(2)中期:自水泥放热作用基本结束时起至混凝土冷却到稳定温度时止,这个时期中,温度应力主要是由于混凝土的冷却及外界气温变化所引起,这些应力与早期形成的残余应力相叠加,在此期间混凝土的弹性模量变化不大。

(3)后期:混凝土完全冷却以后的运转时期。温度应力主要是外界气温变化所引起,这些应力与前两种的残余应力相叠加。根据温度应力引起的原因可分为两类:

一是自生应力:边界上没有任何约束或完全静止的结构,如果内部温度是非性分布的,由于结构本身互相约束而出现的温度应力。例如,桥梁墩身、结构尺寸相对较大,混凝土冷却时表面温度低,内部温度高,在表面出现拉应力,在中间出现压应力。

二是约束应力:结构的全部或部分边界受到外界的约束,不能自由变形而引起的应力。如箱梁顶板混凝土和护栏混凝土。这两种温度应力往往和混凝土的干缩所引起的应力共同作用。要想根据已知的温度准确分析出温度应力的分布、大小是一项比较复杂的工作。在大多数情况下,需要依靠模型试验或数值计算。混凝土的徐变使温度应力有相当大的松弛,计算温度应力时,必须考虑徐变的影响,具体计算这里就不再细述。

二、裂缝控制的基本原理及措施

大体积混凝土的裂缝控制是指杜绝有害裂缝,同时减少或避免不影响使用的混凝土表面裂缝。裂缝控制原理是:降低混凝土外约束与非线性降温和收缩所产生的拉应力,提高混凝土相应龄期的抗拉强度和极限拉伸,以确保抗裂安全度要求。裂缝控制方法采取温差与温度应力双控制方法,避免结构物出现温度裂缝,同时调整混凝土表面湿度以防止表面干缩裂缝。结构裂缝产生的主要原因是降温和收缩。任一降温差包含水化热引起的温差和收缩当量温差,又都可以分解为均匀降温差和非均匀降温差两类。前者产生外约束力,它成为贯穿性裂缝的主要原因;后者引起自约束力,形成表面裂缝;只有同时控制好这两类降温差,才能减小和避免裂缝的产生。

控制混凝土裂缝,必须从混凝土产生裂缝的几个主要原因入手,才能有效地将裂缝控制在充许范围内。一般分为两个控制阶段,设计阶段和施工阶段。设计阶段由设计人员对混凝土强度等级、钢筋的品种、规格、建筑物的结构形式等统筹设计,有效进行裂缝控制。施工阶段采取加入外加剂改善混凝土性能、降低水泥水化热、降低混凝土内外温差、设置施工缝或变形缝、加强混凝土中的配筋率等措施来减少混凝土的收缩,防止混凝土产生有害裂缝。 1.合理设计施工配合比

由于大体积混凝土各项指标要求较高,并普遍采用泵送混凝土,因此合理设计配合比是有效控制和预防混凝土裂缝发生的基础。应根据工程所处条件,对砂率、水灰比、水泥用量及掺合料用量等进行优化设计,选择最优方案。

(1)砂率的选择。适当砂率的选择对控制混凝土的裂缝有积极作用,混凝土的干燥收缩随砂率的增大而增大。由于砂率减小使粗骨料含量增大,在相同条件下混凝土的弹性模量较高,收缩量较小,而且由于粗骨料对收缩的约束作用,可减少开裂的可能。使用粗骨料,尽量选用粒径较大,级配良好的粗骨料,在厚大无筋或少筋的大体积混凝土中,掺总量不超过20%的大石块,减少混凝土的用量,以达到节省水泥和降低水化热的目的。

(2)选用中低水化热水泥,可使水泥在拌和过程中水化热释放较小,显著减少混凝土升温,如选用矿渣硅酸盐水泥,火山灰质硅酸盐水泥、普硅非早强型水泥。充分利用混凝土后期强度,减少每立方米混凝土中水泥用量。

(3)采用混凝土双掺技术,即在混凝土中加入优质粉煤灰,掺入量一般为水泥用量的20%左右,掺入缓凝型减水剂,用量为水泥用量的 1.0%左右。通过采用双掺技术,减少水泥用量,降低水化热并使混凝土在常温下延长初凝时间。

(4)加入UEA或AEA膨胀剂,用量为水泥用量的14%左右,使混凝土在凝固过程中不产生收缩,还可以提高混凝土自防水能力。 2.混凝土结构原料的控制

(1)材料的选择,应优先采用水化热低的水泥配制大体积混凝土,如矿渣硅酸盐水泥。在施工中避免使用含泥量高的集料,因使用含泥量高的集料会导致集料表面与水泥石的机械粘结力降低,而且会增加混凝土拌合物的用水量,不仅增加了混凝土的收缩,同时降低了混凝土的抗拉强度,导致收缩裂缝发生。

(2)采用降低水泥用量的方法来降低混凝土的绝对温升值,可以使混凝土浇筑后的内外差和降温速度控制的难度降低。

(3)掺合料和外加剂的控制。掺合料的质量对混凝土裂缝有显著的影响, 当前用的掺合料主要是粉煤灰或矿粉,它们可以提高混凝土的和易性大大改善混凝土工作性能和可靠性,粉煤灰对混凝土的早期干缩影响很大,使用细度较粗或含碳量高的粉煤灰会大幅度增加混凝土的需水量,从而加大混凝土的收缩导致开裂。外加剂主要指减水剂、缓凝剂和膨胀剂。混凝土中掺入减水剂,不仅使混凝土工作性能有了明显的改善,同时又减少拌和用水,节约水泥,从而降低了水化热。若是泵送混凝土,同时在炎热的夏天,为了延缓凝结时间,要加缓凝剂,反之凝结时间过早,将影响混凝土的输送和浇筑面的粘结,易出现层间缝隙,使混凝土防水、抗裂和整体强度下降。为了防止混凝土的初始裂缝,可掺加膨胀剂,如UEA膨胀剂等。 3.浇筑时的控制措施

(1)加强混凝土的浇灌振捣,提高密实度。

(2)混凝土尽可能晚拆模,拆模后混凝土表面温度不应下降15℃以上。

(3)采用两次振捣技术,改善混凝土强度,提高抗裂性

(4)加强混凝土的养护及测温工作。混凝土浇筑完毕后,应及时按温控技术措施的要求进行保温养护,保温养护是大体积混凝土施工的关键环节,其目的主要是降低大体积混凝土浇筑块体的内外温差值以降低混凝土块体的自约束应力;其次是降低大体积混凝土浇筑块体的降温速度,充分利用混凝土的抗拉强度,以提高混凝土块体的抗裂能力,同时,在养护过程中保持良好的湿度和抗风条件,使混凝土在良好的环境下养护。具体应使混凝土浇筑块体的里外温差及降温速度满足温控指标的要求,保温养护的持续时间应根据温度应力加以控制、确定,保温覆盖层的拆除应分层逐步进行;在保温养护过程中,应保持混凝土表面的湿润。施工人员需根据事先确定的温控指标的要求,来确定大体积混凝土浇筑后的养护措施,如采用蓄水法保温养护等。

三、结论

混凝土结构裂缝的发生的原因很复杂也是不可避免的,混凝土裂缝的防治重点在于“防”,而不在于“治”在采取了上述综合性控制措施后,由于各种原因仍可能有少量的混凝土裂缝发生。当这些裂缝发生后,必须先查明裂缝产生的原因,判明裂缝的类型,才能选择正确的处理方法,同时要通过合理设计混凝土配合比、正确选用原材料、合理设计建筑结构、加强施工监控、严格遵守施工技术规程、提高施工技术水平,这样才有可能最大程度减少混凝土裂缝的产生,把裂缝宽度控制在设计范围内,尽量减少裂缝造成的危害。

参考文献

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