鋼筋混凝土構件的裂縫探討

于獻華

在實際工程中,鋼筋混凝土結構出現裂縫是一種非常普遍的現象,裂縫不僅對混凝土的使用功能和耐久性產生影響,嚴重時甚至使混凝土構件完全喪失其使用功能。近年來大量裂縫的出現,并非與荷載作用有直接關系,通過大量的調查與實測研究證明,這種裂縫多是由于變形作用引起,包括溫度變形(水泥的水化熱、氣溫變化、環境生產熱)、收縮變形(塑性收縮、干燥收縮、碳化收縮)及地基不均勻沉降變形。由于這些變形受到約束引起的應力超過混凝土的抗拉強度導致裂縫,這種裂縫統稱“變形作用引起的裂縫”。目前,裂縫問題引起了人們的廣泛關注。因此,探討鋼筋混凝土結構裂縫的產生原因、預防措施及其補救措施是很有必要的。

1 鋼筋混凝土產生裂縫的原因

引起裂縫的原因是多方面的,如外荷載作用、濕度溫度的變化、基礎不均勻沉降、混凝土的收縮徐變等,構件的配筋不合理及施工方法不當也有可能引起混凝土構件的開裂,下面就工程中比較常見的裂縫進行闡述。

1.1 塑性收縮裂縫

塑性收縮裂縫又稱龜裂,多出現在結構表面,形狀不規則且長短不一,這種裂縫大多出現在混凝土澆筑初期。產生這種裂縫的因素主要有如下方面:1)混凝土的坍落度超過設計要求,同時振動時間過長,使得水泥漿浮于上層,粗骨料在下沉時,受到鋼筋約束,出現不均勻沉降而使混凝土的表層產生裂縫。2)澆筑后混凝土面層沒有及時遮蓋,受高溫等環境影響,表面水分揮發加快,產生急劇收縮,而此時混凝土早期強度小于收縮變形應力,從而開裂。3)使用收縮率較大的水泥、水泥用量過多、使用過量的細骨料或水灰比過大,也會導致這種裂縫出現。

1.2 混凝土干縮引起的裂縫

干縮裂縫一般在混凝土露天養護一段時間后,混凝土構件表層或側面出現較細、走向縱橫交錯、沒有規律性的、并隨濕度和溫度變化而逐漸發展的裂縫。這種裂縫多是混凝土硬化過程中,構件內部干縮而引起體積變化,當這種體積變化受到約束時,就可能產生干縮裂縫。這種裂縫產生因素:混凝土成型后,養護期間措施不當,受到風吹日曬影響,使得混凝土表面水分散發加快,上層體積收縮大,而構件內部濕度變化較小,收縮不明顯,因而表面的收縮變形受到內部混凝土或外力的約束,產生拉應力,引起混凝土表面裂縫。

1.3 溫度變化引起的裂縫

環境溫度發生變化時,根據熱脹冷縮原理產生附加應力,當這種應力超過混凝土的抗拉或抗壓強度時就會產生裂縫。溫度裂縫大多發生在凝固的中后期,縫寬受溫度變化影響比較明顯。溫度裂縫比較常見,尤其在大體積混凝土澆筑時,當施工過早拆除保溫措施或受到寒流侵襲時,導致溫度發生不均勻變化,表面混凝土受到內部混凝土的約束,將產生很大的拉應力。當混凝土早期抗拉強度小于拉應力時,就會出現裂縫,這種裂縫只在較淺的范圍內出現;深入和貫穿性的溫度裂縫多是由結構溫差大引起的,大體積混凝土凝結和硬化過程中,水化熱導致混凝土塊體溫度升高。當混凝土塊體內部的溫度與外部的溫度相差很大,以致所形成的溫度應力或溫度變形超過混凝土當時的抗拉強度或極限拉伸應變時,就會形成深入裂縫。

1.4 結構基礎不均勻沉降引起的裂縫

建筑荷載最終通過基礎傳給地基,當構筑物的基礎沉降不均勻時,結構構件隨基礎受到強迫變形,導致構件與構件之間產生斜拉和剪切作用,從而使得結構構件開裂,隨著不均勻沉降的發展,裂縫會進一步發展。這類裂縫的大小、形狀、方向取決于地基變形的情況,由于地基變形造成的應力一般較大,因此裂縫寬度較大,多成45°,并且通常是貫穿性的。

2 預防裂縫產生的措施

1)根據地質條件,選擇合理的基礎類型和開挖方式,防止基礎產生不均勻沉降。開挖基槽時盡量不要擾動周邊原狀地質結構,開挖到結構持力層后,按設計及規范要求在基槽內布點,按點施工地質釬探并做好記錄,檢驗基槽承載力,發現不符合設計要求承載荷載時,再次開挖,直至達到設計承載力,基礎施工前,虛渣和松動巖石清理徹底。2)混凝土盡量選用水化熱較低的水泥,如礦渣硅酸鹽水泥、火山灰質硅酸鹽水泥、粉煤灰水泥、復合水泥等;粗骨料宜選用表面粗糙、質地堅硬、級配良好、空隙率和含砂率小的石子;細骨料宜選用顆粒較粗、空隙較小、含泥量較低的中砂,以提高混凝土抗裂強度。在條件許可的情況下,可摻入適量的微膨脹劑或膨脹水泥,膨脹料在水化膨脹期(1 d～5 d)可產生一定的預壓應力,從而部分抵消水化后期產生的溫度徐變應力,減少混凝土內的拉應力,提高混凝土的抗裂能力。配制混凝土時,根據混凝土強度等級、質量及混凝土和易性要求確定最合理配合比,嚴格控制水灰比和水泥用量,合理摻加各種外加劑,從而達到減少水泥用量,降低水化熱產生的熱應力的目的,同時可在基礎內部預埋冷卻水管,澆筑完成后,通入循環冷卻水,降低混凝土水化熱溫度,減少熱應力。3)混凝土澆筑時要防止離析現象,振搗要均勻密實,分層澆筑時,振搗棒伸入下層混凝土厚度在5 cm～10 cm,從而提高混凝土和易性,增強抗裂性。大體積混凝土澆筑時按規范、設計和技術要求,合理的分層、分塊、分縫施工,并保證每個澆筑層上下均有溫度筋,溫度筋宜分布細密,一般用φ 8鋼筋,雙向配筋,間距15 cm。這樣可以增強抵抗溫度應力的能力。上層鋼筋的綁扎,應在澆筑完下層混凝土之后進行,同時大體積混凝土澆筑預先設置好必要的伸縮縫、變形縫和沉降縫,以減少溫度裂縫。4)加強混凝土早期養護,并適當延長養護時間。人工控制混凝土溫度的措施對早期因熱原因引起的裂縫作用不明顯。比如表面保溫材料保護可以減少內外溫差,但不可避免地導致混凝土體內溫度很高,從受約束而導致貫穿裂縫的角度看,是一個潛在惡化裂縫的條件,因為體內熱量遲早是要散發掉的。另外人工控制混凝土溫度還需注意的問題是防止過速冷卻和超冷,過速冷卻不僅會使混凝土溫度梯度過大,而且早期的過速超冷會影響水泥—膠體體系的水化程度和早期強度,更易產生早期熱裂縫。超冷會使混凝土溫差過大,引起溫差裂縫,澆筑時間盡量安排在夜間,最大限度降低混凝土的初凝溫度。白天施工時要求在砂、石堆場搭設簡易遮陽裝置,或用濕麻袋覆蓋,必要時向骨料噴冷水。混凝土泵送時,可在水平及垂直泵管上加蓋草袋并噴冷水。5)應安排合理的拆模時間及順序,嚴格執行混凝土結構工程施工及驗收規范中規定的混凝土強度和工程設計要求。嚴禁混凝土構件(尤其是懸挑構件)尚未達到規定的強度就拆除模板,以防裂縫產生。拆模的順序一般應按照“先支后拆,后支先拆,先拆非承重部位,后拆承重部位”的原則。

3 結語

裂縫是混凝土結構中普遍存在的一種現象,它的出現不僅會降低建筑物的抗滲能力,影響建筑物的使用功能,而且會引起鋼筋的銹蝕,混凝土的碳化,降低材料的耐久性,影響建筑物的承載能力。在實踐中,應根據裂縫產生的原因及裂縫特點,在施工中相應采取正確施工工藝及補救措施,使裂縫對構件或結構的危害降到最小,以延長構筑物的使用壽命,從而使鋼筋混凝土構筑物能夠安全可靠地運行。

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