混凝土结构裂缝产生原因及控制措施研究

申请免费试用、咨询电话：400-8352-114

摘  要

大体积混凝土结构开裂后，其性能与原状混凝土性能相差很大，则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，并从各个环节提出了预防裂缝的综合措施，用以确保混凝土的质量，减少裂缝的发生。   关键词：混凝土； 裂缝； 水泥水化热； 温度应力   混凝土结构裂缝产生原因及控制措施研究 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分为三个：（1）由于结构的实际工作状态与设计模型的差异而产生的结构次应力引起的裂缝；（２）由外部荷载引起的裂缝缝隙，按常规计算的各种荷载而引起的；（3）由温度差、收缩、膨胀、不均匀沉降等因素产生的变形应力而引起的裂缝，施工中可以采取措施避免。（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裂缝的主要原因。 （一）水化热产生裂缝的机理 1、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量，由于混凝土体积大，热量散发不易，造成温升较大，从而导致混凝土体积增大。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而不同产生的约束，以上两种约束产生的应力为温度应力。 2、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，它主要产生在混凝土表面附近：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；还有地基不均匀沉降、模板走样也会产生相应的变形应力。在以上非结构荷载的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中，当混凝土浇筑体的边界无约束时（如底、顶板顶面），在早期水化热的温度迅速升高阶段，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，在浇筑体的中央断面产生了内部拉应力，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了贯穿裂缝。 3、现浇钢筋混凝土结构梁、板产生裂缝的原因，综合归纳起来可以分为两大类：一是由于设计失误、实际施工不当等原因导致的结构性裂缝；二是由于混凝土本身的收缩和温差作用所产生的非结构性裂缝。有关资料统计及大量的工程实践表明，一般工程中结构性裂缝约占20％，大部分为收缩和温差裂缝约占80％，这些非结构性裂缝可以通过设计和施工阶段采取相应的技术措施进行预防，从而将其控制在现行规范所允许的范围之内。从大量的工程实践中我们可以发现，建筑结构中混凝土的收缩和温差裂缝所出现的位置与构件部位和形状关系的规律基本相同或类似。 （二）温度应力的分析 根据温度应力的形成过程，将其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，一般约需30天。这个阶段有两个特征，一是混凝土弹性模量的急剧变化，二是水泥放出大量的水化热。由于弹性模量的变化，这一时期在混凝土内形成了残余应力。 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，这个过程时间中，温度应力主要是由于混凝土的冷却和外界气温的变化所引起，这些应力与早期形成的残余应力相叠加，在这个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。温度应力主要是由外界气温变化所引起的，这些应力与前两种的残余应力相叠加。 4、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，如果内部温度是非线性分布的，由于结构本身互相约束而出现的温度应力的。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，在结构表面出现拉应力，在结构中间出现压应力。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与混凝土的干缩所引起的应力相互共同作用。要根据已知的温度准确分析出温度应力的分布、大小是一项比较烦琐的工作。在大多数的情况下，是需要依靠模型试验或数值计算。混凝土结构的徐变使温度应力有相当大的松弛，计算温度应力时，必须考虑徐变产生的影响，具体计算这里就不再细述。 二、裂缝控制的基本原理及预防措施 （一）大体积混凝土结构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：降低混凝土外部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，以确保混凝土抗裂的安全度要求。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钟。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钟降温差，才能减少和避免混凝土裂缝的产生。 （二）控制混凝土裂缝。必须从混凝土产生裂缝的几个主要原因着手，才能有效地将裂缝控制在允许范围内。一般可分为两个控制阶段：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，有效的进行裂缝的控制。施工阶段则采取加入外加剂的方式改善混凝土性能、降低水泥水化热、降低混凝土内外温差、结构中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。 （三）合理的设计施工配合比。由于大体积混凝土结构各项指标均要求较高，并且普遍都采用泵送混凝土，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。应该根据工程所处条件，对水灰比、砂石率、水泥用量及掺合料的用量等进行优化设计，选择最优最合理的方案。 1、砂石率的选择。适当砂石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石率的增大而增大。由于砂石率减小使粗骨料含量增大，在相同的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，用以减少混凝土升温，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，掺入的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，来减少水泥用量，从而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身的防水能力。 （四）构造设计方面的控制措施  1．合理设置伸缩缝和后浇带  （1）同一材料的收缩和膨胀线性系数为一定值时，其面积越大、体形越大，那么收缩或温差应力引起的变形及产生裂缝的可能性就越大。因此，合理设置长体形建筑的伸缩缝是控制混凝土温差变形裂缝的一项有效措施。设计人员必须严格执行各类规范，在其规定的最大间距内设置伸缩缝，并应根据当地实际环境气候及具体工程结构特点适当减小伸缩缝的间隔，以有效防止混凝土结构的温差裂缝。  （2）后浇带是当建筑体形较大、高度差较大以及不规则形状时，通常又不便设置伸缩缝，为了防止混凝土因沉降、收缩和温差的变形产生裂缝，而特别浇筑的一种混凝土结构。设计施工图时应该注意合理位置预留后浇带，并明确提出施工中的注意事项。  2．适当的增大板厚和构件配筋率  （1）在钢筋混凝土结构中，钢筋对于抵抗和控制收缩和温差变形而产生的裂缝，发挥着主导作用。现行规范中除了对混凝土构件的纵向配筋规定了最小配筋率外，还规定当温度等因素对结构产生较大的影响时，需要适当增加构件的配筋率。我国一些地方夏、秋季昼夜温差很大，热胀冷缩的不断循环是造成混凝土结构产生温差裂缝的主要原因。部分工程实践表明，往往裂缝较多的构件，其配筋率较小，因此设计人员对此应该予以重视，在设计时要充分考虑工程所出区域的气候特点和建筑物的不同部位（如外露构件），适当的增大构件的配筋率。  （2）常见的收缩和温差裂缝与楼面板、屋面板的厚度有关，如果设计时只计算竖向荷载而未考虑温差和收缩变形对楼板的影响，特别是对屋面板和框架平面以外板件的影响，而采用了较薄的板件，则难以避免在温差和收缩应力反复作用下使结构产生裂缝。另外，楼板厚度不够的情况下，施工偏差会影响到钢筋保护层厚度和负弯矩的有效高度而产生裂缝。如果工程中的楼板暗埋管线比较多，也会直接影响板厚度，沿管线走向会产生集中应力而导致裂缝。为此，无论计算结果如何，即使板件跨度较小，也应该采取板厚≥100mm，且在温差影响大的重点部位使板面负筋双向通长。 （3）建筑物两端楼梯间处的楼板平面刚度较小，容易产生裂缝，裂缝通常平行于板的长边并贯通梁侧。设计控制方法是加厚该处的楼板厚度，板面的负筋除了满足计算配筋要求之外，还应配置≥Φ8@200双向通长钢筋，梁两侧加设纵向构造腰筋。  楼板四大角裂缝。产生的原因是荷载、收缩及温差产生的应力向四角迭加成为剪力汇集区而引起的裂缝，一般呈45°角，距板角约600mm～1200mm，常为上下贯通。设计控制方法是除了满足计算配筋要求之外，在整块板的跨度范围内增设双向Φ6或Φ8@200钢筋网，且四角加密。  （4）框架柱网外的悬挑梁板处的裂缝一般平行于板的短边并贯通封口梁侧。产生的主要原因是该位置的构件受外界温差影响产生较大的变形应力，因此外露梁板是温差裂缝的多发区域。设计控制方法是在板面长度方向构造筋Φ8@200通长。  屋面板是收缩及温差变形裂缝产生较多的地方，因此所有板的负弯矩筋不应切断。 （三）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。 （1）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。 （2）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。 （四）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。 5、严格把关材料质量和配比关系  为了有效控制现浇混凝土结构中收缩和温差裂缝的出现，我们在施工阶段更应该加倍重视，采取有效控制措施。首先要对所选用的各种材料进行严格的检查和验收，不合格材料一律禁止使用。同时，要按规定的各项技术标准做好混凝土配比设计，并进行试配试验。施工时选用良好级砂石骨料和低热或中热水泥，严格把关砂石含泥量和外加剂的掺用量，避免使用过量粉砂，严格控制水灰比和坍落度。  6、切实做好混凝土的搅拌、运输、浇筑及养护等细节性工作  （1）混凝土的搅拌要严格按照规范进行，搅拌时间必须充足，配有外加剂的更要搅拌均匀，否则可能造成同一块板中混凝土的性质不同，收缩凝结不均匀而引起开裂。另外，使用外加剂的量必须计算准确，用法正确，要对各种外加剂与不同水泥的相容性匹配关系有明确标识。混凝土的运输、浇筑和振捣必须在初凝前完成并确保板厚，保持构件中各种钢筋的正确位置，专人负责振捣。混凝土浇筑后应防止过早在其上进行施工、堆积物料等活动。  （2）施工缝应按审批合格后的施工方案预留位置。雨季施工应采取防护措施，避免随意停工留缝。施工接茬处应该用钢丝刷清洗干净缝口，并扫水泥浆，必要时还要在接茬处设置钢丝网或采取其他可行措施防止产生收缩裂缝。混凝土的养护对控制混凝土的收缩裂缝起着举足轻重的作用。因此，混凝土浇筑完成后，必须掌握好养护时间，在规定时间内保持混凝土的湿度，控制其表面温度，避免混凝土的内外温差过大而导致裂缝。  7、重视后浇带的施工  （1）关于后浇带的施工，还应该注意以下事项。后浇带的相邻板块两侧的模板应支撑牢固，模板在后浇带浇筑前不得拆除，且必须在后浇带补浇混凝土的强度达到设计强度后方可拆除支撑模板。另外，对后浇带施工缝部位的处理，要将施工缝两侧的旧混凝土表面凿毛，用水彻底冲刷干净，使旧混凝土充分湿润，再扫两次水泥浆后方能浇筑新混凝土，混凝土初凝后必须覆盖养护。后浇带施工缝的新浇混凝土的时间应根据工程的实际情况而定，一般应距原浇混凝土的时间不小于40天，补浇混凝土的强度应比原设计强度提高一级，并加入 10％膨胀剂。  （2）由于收缩和温差变形这两大因素所产生的非结构性裂缝，在一般情况下尚不至于造成明显的危害，但对工程质量和建筑结构的耐久性都有一定影响，因此这些裂缝应当引起我们的足够的重视。我们应该在实际工程中针对裂缝产生原因和容易发生的部位，采取有效的设计控制措施及施工技术防范措施，从各个环节上下功夫，将非结构性裂缝严格控制在国家规范允许的范围之内，以确保我们施工的建筑“万年常青”。 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，辨明裂缝的类型，才能正确的选择处理方法，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结构裂缝的产生，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 [1]  刘继红等.大体积混凝土施工裂缝控制.[J].鞍山科技大学学报.2006.3. [2]  王海军等.文大体积混凝土温度和收缩裂缝控制措施.[J].山西建筑.2006.15. [3]  庄宇等.浅析大体积混凝土施工裂缝控制.[J].佳木斯大学学报.2006.3. [4]  江志强.大体积混凝土测温及温度裂缝控制实践.[J].福建建设科技.2006.4.