淺談鋼筋混凝土結構裂縫成因與預防措施

張東亮

建筑結構產生裂縫是很普遍的現象,從理論上說,混凝土結構尤其是受彎構件總是帶裂縫工作的,在使用荷載不大的情況下,沒有裂縫隙或這類結構性裂縫隙非常細微,不易為肉眼所察覺。但在現實的建筑中,混凝土結構會出現各種各樣的裂縫,其中最常見的是鋼筋混凝土構件以及磚墻裂縫。鋼筋混凝土梁出現裂縫的原因很復雜,主要有材料或氣候因素、施工不當、設計和施工錯誤、改變使用功能或使用不合理等,通常可歸納為以下幾種。

1 混凝土裂縫的類型和原因

混凝土的裂縫按產生的時間可分為硬化前裂縫、硬化過程裂縫和完成硬化后裂縫。按裂縫產生的原因將混凝土分為兩大類:

1)由外荷載引起的裂縫,包括按照常規計算的主要應力引起的“荷載裂縫”以及由結構本身自重引起的裂縫,通常俗稱為結構性裂縫、受力裂縫。2)由變形變化引起的裂縫,包括溫度、濕度、收縮和膨脹、不均勻沉降等因素引起的裂縫,也稱為非結構性裂縫。

2 鋼筋混凝土常見裂縫原因分析

1)材料質量。材料質量問題引起的裂縫較常見的原因是水泥、砂、石等質量不好,若工程上用了這些不合格的材料就會產生“豆腐渣工程”。所以說只有材料的質量關把好了,工程質量才會在根本上得到保證。2)施工工藝。施工工藝涉及的面很廣,不可能一一敘述,一般常用到的有:施工過程中,鋼筋表面污染、混凝土保證層太小或太大,澆筑中碰撞鋼筋使其移位等都可能引起裂縫,施工控制不嚴,超載堆荷,也可能導致出現裂縫。混凝土養護,早期養護質量與裂縫的關系密切,混凝土尚處于未完全硬化狀態時,如干燥過快,則產生收縮裂縫,通常發生在表面上,裂縫不規則,寬度小,另外水泥在水化及硬化過程中,散發大量熱量,使混凝土內外部產生溫差,超過一定值時,因混凝土的收縮不一致而產生裂縫。避免在極端天氣條件下施工,可以減少混凝土結構的開裂情況。3)地基變形。在鋼筋混凝土結構中,造成開裂的主要原因是不均勻沉降。裂縫的大小、外形、方向決定于地基變形的情況,由于地基變形造成的應力相對較大,使得裂縫一般是貫穿性的。4)溫度變形。混凝土具有熱脹冷縮的性質,其線膨脹系數一般為1×10-5℃。當環境溫度發生變化時,就會產生溫度變形,由此產生附加應力,當這種應力超過混凝土的抗拉強度時,就會產生裂縫。在工程中,這類裂縫較多見,譬如現澆屋面板上的裂縫,大體積混凝土的裂縫等。5)濕度變形?；炷猎诳諝庵薪Y硬時,體積會逐漸減小,一般謂之干縮。收縮裂縫較普遍,常見于現澆墻板式結構、現澆框架結構等,通常是因為養護不良造成?；炷恋氖湛s值一般為0.2‰～0.4‰,其發展規律是早期快、后期緩慢。6)結構受荷。結構受荷后產生裂縫的因素很多,施工中和使用中都可能出現裂縫。例如早期受震、拆模過早或方法不當、構件堆放、運輸、吊裝時的墊塊或吊點位置不當、施工超載、張拉預應力值過大等均可能產生裂縫。7)設計欠周全。如截面不夠、梁的跨度過大、高度偏小,或者由于計算錯誤,受力鋼筋截面偏小或板太薄、配筋位置不當、節點不合理、結構構件斷面突變或因開洞、留槽引起應力集中,構造處理不當,現澆主梁在擱次梁處如沒有設附加箍筋,或附加吊筋以及各種結構縫設置不當等因素均易導致混凝土開裂。

3 施工考慮新拌和混凝土溫度及對裂縫規范要求

3.1 考慮新拌和混凝土溫度

混凝土拌合物中每種材料對新拌混凝土溫度的貢獻與每種材料的溫度、比熱和每種材料的質量有關。可以根據下式大致推斷出新拌混凝土溫度:

其中,T為新拌混凝土溫度,℃;Ta,Tc,Tw,Twa分別為集料、水泥、拌合水和集料中自由水的溫度,℃;Ma,Mc,Mw,Mwa分別為集料、水泥、拌合水和集料中自由水的質量,kg。

3.2 盡可能使用較冷的水源

水可以制冷、液氮或冰進行冷卻,通常拌合水溫度降低2.0℃～2.2℃可以使混凝土溫度降低0.5℃。但是,拌合水在整個拌合物中所占的比例很小,所以若單獨冷卻水,混凝土溫度降幅一般不超過4.5℃。

3.3 裂縫規范要求

根據《混凝土結構設計原理》之規定,鋼筋混凝土構件的最大裂縫寬度如表1所示。

表1 結構構件的裂縫控制等級及最大裂縫寬度極限 mm

4 預防措施

1)材料選用。水泥:應選用水化熱較低的水泥,嚴禁使用安定性不合格的水泥。粗骨料:宜用表面粗糙、質地堅硬的石料、級配良好、空隙率小、無堿性反應;有害物質及黏土含量不超過規定。細骨料:宜用顆粒較粗、空隙較小、含泥量較低的中砂。外摻加料:宜采用減水劑等外加劑,以改善混凝土工作性能,降低用水量,減少收縮。2)配料。配合比設計:應采用低水灰比、低用水量,以減少水泥用量。禁止任意增加水泥用量。配制混凝土時計量應準確,要嚴格控制水灰比和水泥用量,攪拌均勻,離析的混凝土必須重新拌勻后,方可澆筑。3)配筋。鋼筋品種、規格、數量的改變、代用,必須考慮對構件抗裂性能的影響。鋼筋的位置要正確,保護層過大或過小都可能導致混凝土開裂,鋼筋間距過大,易引起鋼筋之間的混凝土開裂。4)模板工程。模板構造要合理,以防止模板各桿件間的變形不同而導致混凝土裂縫。模板和支架要有足夠的剛度,防止施工荷載作用下,模板變形過大造成開裂。合理把握拆模時機,拆模時間不能過早,應保證早齡期混凝土不損壞或不開裂,但也不能太晚,盡可能不要錯過混凝土水化熱峰值,即不要錯過最佳養護介入時機。5)混凝土澆筑?；炷翝仓r應防止離析現象,振搗應均勻、適度。加強混凝土的早期養護,并適度延長養護時間,在氣溫高、濕度低或風速大的條件下,更應及早進行噴水養護,在澆水養護有因難時,或者不能保證其充分濕潤時,可采用覆蓋保濕材料等方法。6)設計構造。建筑平面選型時在滿足使用功能要求的前提下,力求簡單,平面復雜的建筑物,容易產生扭曲等附加應力而造成墻體及樓板開裂。合理布置縱橫墻,縱墻開洞應盡可能小。合理地調整各部分承重結構的受力情況,使荷載分布均勻,盡量防止受力過于集中。減少地基的不均勻沉降,除了前述的措施外,在基礎設計中可以采取調整基礎的埋深度,不同的地基計算強度和采用不同的墊層厚度等方法來調整地基的不均勻變形。正確地設置沉降縫。沉降縫位置和縫寬的選定應合適,構造要合理,可以和其結構縫合并設置。限制伸縮縫間距。對體形復雜、地基不均勻沉降值大的建筑物更應嚴格控制,同樣,也可以和其他結構縫合并使用。部分窗臺砌體應加強。對寬大的窗臺下部宜設置鋼筋混凝土梁,以適應窗臺的變形,防止窗臺處產生豎直裂縫。7)施工技術。加強地基的檢查與驗收工作,基坑開挖后應及時通知勘察及設計單位到現場驗收,對較復雜的地基,設計方在基坑開挖后應要求勘察補鉆探,當探出有不利的地質情況時,必須先對其加固處理,并經驗收合格后,方可進行下一步施工。開挖基槽時,要注重不擾動其原狀結構。合理安排施工順序。

5 裂縫修補方法

裂縫修補的方法,主要有兩大類:抹面堵漏法和注漿堵漏法,具體見表2。

表2 裂縫修補方法

6 預防裂縫的措施的建議

1)攪拌站應加強原材料的質量檢驗和控制,特別是砂石含水量和含泥量的檢驗和控制,尤其是水灰比的控制,以確?；炷磷陨碣|量穩定;進一步優化配比,來提高混凝土的抗裂性;應盡量降低成品攪拌混凝土的溫度。2)施工單位應重視施工質量和質量管理,尤其是在混凝土振搗(避免漏振和少振)和養護工作(注意早期養護效果),把握好拆模時間和方式,保證模板的穩定性,鋼筋的保護層尺寸、位置和數量等;作好施工日志,包括養護記錄、施工異常處理記錄;對水灰比嚴格控制。3)提高混凝土膨脹劑的摻入量。由原設計摻入量10%HEA型混凝土膨脹劑增加到12%,以減小混凝土的硬化時的收縮性。

7 結語

鋼筋混凝土結構裂縫應針對成因,貫徹預防為主的原則,加強設計施工及使用等方面的治理,確保結構安全和避免不必要的損失;對修補混凝土裂縫采用經濟、有效的方法,以保證日后正常使用。

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