住宅建筑混凝土結構裂縫產生機理與控制措施

胡 敏

2008年國家質量檢測中心發布的我國住宅建筑檢測報告中指出,混凝土梁、板、墻體裂縫是住宅建筑檢測中最為突出的質量問題。混凝土的開裂往往引起滲漏,造成結構承載力的降低,導致維修成本的增加和使用年限的縮短。為此,筆者通過對住宅建筑工程施工現場的調查研究,探討關于住宅建筑混凝土結構裂縫產生機理與相應的技術控制措施。

1 混凝土結構裂縫產生機理

1.1 溫度應力

由于混凝土材料是由水泥砂漿與粗細骨料混合而成的混合物,其混合物具有水化凝結硬化過程,特有的水化性質使得混凝土結構在施工中產生溫度變化。由于水泥砂漿與骨料的熱膨脹系數不同,在水化升溫過程中,溫度荷載作用下水泥砂漿與骨料所形成的界面首先產生損傷,并隨著溫度增加而發展,形成界面裂紋,當繼續增加的溫差達到某一數值后,界面裂紋便向水泥砂漿內部延伸,在以后的溫度變化過程中界面裂紋與水泥砂漿中的微裂紋繼續發展,以致發展成宏觀裂縫。

1.2 塑性收縮變形

試驗研究表明,在塑性階段,混凝土只有極低甚至沒有抗拉強度,即使較低的收縮變形受到約束時,所產生的拉應力都足以使混凝土開裂或形成大量的微裂縫。混凝土塑性收縮裂縫產生于表層,所受約束主要是內約束,這與混凝土表面快速失水有關。按照規定,炎熱氣候環境下,當混凝土表面水分蒸發速率達到1 kg/(m2·h)時,就必須采取措施,以防止塑性裂縫的產生。

1.3 干燥收縮變形

干燥收縮是水分在硬化后較長時間產生的水分蒸發引起的。混凝土的干燥收縮由于集料的干燥收縮很小,因此主要是由于水泥石干燥收縮造成的。水泥石干燥收縮理論有毛細管張力學說、表面吸附學說和夾層水學說等,不論哪種學說,都是水分蒸發引起的。混凝土的水分蒸發干燥過程是由外向內逐步進行的。由于混凝土蒸發干燥非常緩慢,產生干燥收縮裂縫多數在一個月以上,有的甚至會在數月或1年～2年以后產生。

1.4 地基不均勻沉降

當建筑物建造在不同的地基上,當同一建筑物相鄰部分的基礎形式、寬度和埋深相差較大時,當同一建筑物相鄰部分的高度相差較大、荷載相差懸殊、結構形式變化較大時,當平面形狀比較復雜、各部分的連接部位又比較薄弱時,地基將會產生不均勻沉降,使結構體產生由彎曲和剪切引起的附加應力,當結構體產生的這種附加應力超過混凝土的抗拉強度時,混凝土就會出現裂縫。

1.5 結構設計

1)基礎設計時,有對于某些平面較復雜的建筑,未充分考慮到建筑物的重心與形心應盡量重合,導致結構體產生差異量沉降引發樓板開裂。2)大體積鋼筋混凝土地面結構設計時,如沒有充分考慮到溫度應力及收縮變形與結構長度的關系,將導致地面開裂。3)設計時配置的構造鋼筋不足或鋼筋間距偏大,特別是樓板、墻板等薄壁構件;埋設的水電管直徑過大甚至重疊、交叉,造成局部混凝土截面受到較多削弱,從而引起應力集中,出現裂縫。

1.6 混凝土結構施工質量

在混凝土結構澆筑、模板安裝、鋼筋連接及安裝過程中,若施工工藝沒有嚴格按照規范進行,施工質量不能滿足要求,將會產生裂縫。裂縫出現的部位和走向,裂縫寬度因產生原因而異。

2 混凝土結構裂縫的控制措施

2.1 結構設計裂縫的控制措施

1)應嚴格執行《混凝土結構設計規范》關于結構伸縮縫最大間距的規定,在未采取切實可靠的技術措施作保障時,伸縮縫間距不得超越伸縮縫最大間距的規定。2)混凝土結構構件的截面尺寸應符合結構設計規范要求;跨度較大的現澆鋼筋混凝土結構構件截面的確定,應考慮到構件在正常使用極限狀態下撓度的計算值需符合規范要求。3)合理布置樓板構造鋼筋,按《混凝土結構設計規范》的規定,滿足構造鋼筋的最小、最大間距限制要求,并保證構造鋼筋有必要的配筋面積。4)對其結構斷面突變的結構構件,應避免過多的縱向鋼筋突變性截斷,在樓板設計中采用分離式切斷鋼筋,應先考慮配置貫通的溫度收縮鋼筋,再配置分離式負筋。5)樓板角部鋼筋設計時應布置放射筋,預留洞口等薄弱部位應設置加強筋。

2.2 溫度裂縫的控制措施

1)選擇合適水泥,嚴格控制水泥用量。可選用低熱水泥,減少水化熱,降低混凝土的溫升值。2)改善骨料級配,采用干硬性混凝土,摻混合料,加引氣劑或塑化劑等措施,以減少混凝土中的水泥用量。3)降低水灰比。4)改善混凝土攪拌工藝,拌和混凝土時加水或用水將骨料冷卻,以降低混凝土澆筑溫度。5)施工中長期暴露的混凝土澆筑塊表面或薄壁結構,在寒冷季節應采取保溫措施。6)高溫季節澆筑混凝土時,適當減小澆筑厚度,控制混凝土澆筑溫度。7)大體積混凝土合理安排施工工序,分層分塊澆筑,利于及時散熱,減小約束,或在大體積混凝土內部設置冷卻管道,減小內外溫差,加強溫度監控,及時采取措施。8)設置溫度縫。

2.3 塑性收縮裂縫的控制措施

1)選用干縮性小、早期強度高的硅酸鹽或普通硅酸鹽水泥。2)嚴格控制水灰比,添加高效減水劑,減少水泥用量和用水量。3)澆筑混凝土前澆水濕潤基層和模板。4)澆筑混凝土后要及時覆蓋養護。5)在工程中,除進行施工質量控制外,適當優化混凝土配合比可控制混凝土的塑性收縮,從而控制混凝土裂縫的產生。

2.4 干燥收縮裂縫的控制措施

1)選用收縮量較小的水泥,如采用中低熱水泥和粉煤灰水泥。2)控制水灰比,摻適量減水劑。3)施工過程中控制混凝土配合比,用水量不得超過配合比中的用水量。4)加強混凝土的養護。5)設置合理的伸縮縫。6)摻加膨脹劑的補償收縮混凝土引入的自應力,能夠抵消混凝土干燥收縮時產生的拉應力,可以提高混凝土的抗裂能力。

2.5 地基沉降裂縫的控制措施

1)設置沉降縫。讓各部分自由沉降,互不影響,避免出現由于不均勻沉降時產生的內力。2)采用端承樁或利用剛度很大的基礎。前者由堅硬的基巖或砂卵石層來盡可能避免顯著的沉降差;后者則用基礎本身的剛度來抵抗沉降差。3)在設計與施工中采取措施,調整各部分沉降,減少其差異,降低由沉降差產生的內力。4)在施工過程中留出后澆帶作為臨時沉降縫,等到各部分結構沉降基本穩定后再連為整體。

2.6 提高施工質量,按規范科學施工

1)按建筑工程施工質量驗收規范要求對結構構件進行施工。2)在混凝土澆筑前,應審核施工方案,制定合理工期并對施工人員進行詳細的技術交底。3)在混凝土澆筑過程中,要嚴格控制澆筑質量,檢查混凝土坍落度,檢查振搗情況,不能漏振、過振。4)對梁柱節點部位不同強度等級混凝土的澆筑順序和澆筑混凝土的強度等要嚴格檢查區分,采取必要的措施,嚴防低強度等級的混凝土注入高強度等級混凝土部位中。5)對初凝混凝土表面應多次搓壓并在終凝之前進行再次抹壓。

3 結語

混凝土結構裂縫問題一直嚴重困擾著住宅建筑的施工質量,在混凝土結構設計、生產、施工過程中,可以有針對性地采取嚴格執行混凝土結構設計規范、加強對原材料與配合比的合理選擇、改善結構應力約束條件、規范科學施工方法、重視混凝土保溫、保濕養護等技術措施控制裂縫,以確保工程質量。

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