鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的裂縫控制

1鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的裂縫控制摘要：鋼筋混凝土的裂縫控制問(wèn)題是建筑工程中很重要的問(wèn)題之一，特別是最近20年來(lái)，泵送商品混凝土獲得廣泛應(yīng)用之后，混凝土均質(zhì)性有了很大改善的同時(shí)，裂縫控制技術(shù)難度大大增加了，本文是在大量建設(shè)實(shí)踐和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)研究基礎(chǔ)上，概述了變形作用引起裂縫的原因，約束變形特征，抗與放的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則以及綜合技術(shù)措施等。關(guān)鍵詞：裂縫收縮徐變松弛20年來(lái)，在工民建鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)領(lǐng)域，一個(gè)相當(dāng)普遍的質(zhì)量問(wèn)題就是結(jié)構(gòu)的裂縫問(wèn)題，且有日趨增多的趨勢(shì)，它已影響到正常的生活和生產(chǎn)，并困擾著大批工程技術(shù)人員和管理人員，是一個(gè)迫切需要解決的技術(shù)難題。2由于結(jié)構(gòu)在外荷載作用下的破壞和倒塌是從裂縫擴(kuò)展開(kāi)始的，因此人們對(duì)裂縫往往產(chǎn)生一種建筑破壞的恐懼感，是可以理解的。早在1932年，前蘇聯(lián)A.флолейт教授的鋼筋混凝土強(qiáng)度理論就指出,如正常配筋受彎構(gòu)件的破壞狀態(tài)是指受拉區(qū)鋼筋到達(dá)屈服強(qiáng)度，受壓區(qū)混凝土到達(dá)受彎的抗壓強(qiáng)度，此狀態(tài)稱(chēng)為承載力極限狀態(tài)。這一狀態(tài)全過(guò)程是伴隨著荷載的不斷增加，裂縫出現(xiàn)(鋼筋應(yīng)力只有40～60MPa)，裂縫擴(kuò)展，受壓區(qū)塑性不斷發(fā)展，最后達(dá)到完全破壞。此時(shí)破壞荷載往往是裂縫出現(xiàn)荷載時(shí)的3～5倍，因此，很多大型鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，僅僅自重就超過(guò)了極限荷載的30%,在此條件下鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)帶有輕微裂紋是完全正常的，結(jié)構(gòu)是安全的，恐懼是不必國(guó)內(nèi)外關(guān)于荷載作用下鋼筋混凝土構(gòu)件的設(shè)計(jì)都有自己的經(jīng)驗(yàn)公式，并已納入有關(guān)規(guī)范，盡管計(jì)算結(jié)果出入較大，但畢竟可以參考3但是近年來(lái)大量裂縫的出現(xiàn)，并非與荷載作用有直接關(guān)系，通過(guò)大量的調(diào)查與實(shí)測(cè)研究證明這種裂縫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(huán)境生產(chǎn)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(膨脹)變形。由于這些變形受到約束引起的應(yīng)力超過(guò)混凝土的抗拉強(qiáng)度導(dǎo)致裂縫，統(tǒng)稱(chēng)“變形作用引起的裂縫”。2.裂縫的直接原因2.1收縮及水化熱增加自從70年代末(1978～1979年)我國(guó)混凝土施工工藝產(chǎn)生了巨大的進(jìn)步—泵送商品混凝土工藝。從過(guò)去的干硬性，低動(dòng)性，現(xiàn)場(chǎng)攪拌混凝土轉(zhuǎn)向集中攪拌，轉(zhuǎn)向大流動(dòng)性泵送澆注，水泥用量增加，水灰比增加，砂率增加，骨料粒徑減小，用水量增加等導(dǎo)致收縮及水化熱42.2混凝土強(qiáng)度等級(jí)日趨提高建筑結(jié)構(gòu)混凝土強(qiáng)度等級(jí)日趨提高，但有許多結(jié)構(gòu)不適當(dāng)?shù)倪x擇了過(guò)高的強(qiáng)度等級(jí)。習(xí)慣上認(rèn)為：“強(qiáng)度等級(jí)越高不就低，提高強(qiáng)度等級(jí)沒(méi)壞處”。有時(shí)遷就施工方便，采用高強(qiáng)混凝土，這是一種誤導(dǎo)，導(dǎo)致水泥標(biāo)號(hào)增加，水泥用量增加，水用量增加，細(xì)骨料及粗骨料徑偏小，砂率偏大等都使水化熱及收縮增加。2.3結(jié)構(gòu)約束應(yīng)力不斷增大結(jié)構(gòu)規(guī)模日趨增大，結(jié)構(gòu)形式日趨復(fù)雜，超長(zhǎng)超厚及超靜定結(jié)構(gòu)成為經(jīng)常采用結(jié)構(gòu)形式并采用現(xiàn)澆施工，這種結(jié)構(gòu)形式有顯著約束作用，對(duì)于各種變形作用必然引起較大約束應(yīng)力。52.4外加劑的負(fù)效應(yīng)外加劑及摻合料種類(lèi)繁多，只有強(qiáng)度指標(biāo)缺乏對(duì)水化熱及收縮變形影響的長(zhǎng)期實(shí)驗(yàn)資料(至少一年)，有些試驗(yàn)資料并不嚴(yán)格，有許多外加劑嚴(yán)重的增加收縮變形，有的甚至降低耐久性。2.5忽略結(jié)構(gòu)約束國(guó)內(nèi)外結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中都經(jīng)常忽略構(gòu)造鋼筋重要性，因而經(jīng)常出現(xiàn)構(gòu)造性裂縫。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中經(jīng)常忽略結(jié)構(gòu)約束性質(zhì)，不善于利用“抗與放”的設(shè)計(jì)原則，缺乏相應(yīng)的設(shè)計(jì)施工規(guī)范、規(guī)程。62.6養(yǎng)護(hù)方法不當(dāng)目前在混凝土施工中采用的養(yǎng)護(hù)方法基本沿用過(guò)去簡(jiǎn)易的方法，這種方法已遠(yuǎn)不適應(yīng)泵送混凝土的較大溫度收縮變形的要求。2.7混凝土抗拉性能不足這種裂縫在抗力方面都是由于混凝土抗拉性能不足(抗拉強(qiáng)度和極限拉伸)引起的，這方面的材料級(jí)配研究很少。綜合上述，國(guó)際公認(rèn)泵送商品混凝土對(duì)混凝土的質(zhì)量(均質(zhì)性)有很大的提高，對(duì)供應(yīng)方式有重要的改進(jìn)，但是對(duì)混凝土的裂縫控制的7上鋼筋混凝土的共性難題。3.大體積混凝土的定義過(guò)去大體積混凝土的定義是根據(jù)幾何尺寸，主要是根據(jù)厚度定義的，國(guó)際上一般采用0.8m～1m作為界限。自80年代以后大體積混到足以必須采取措施減小由于體積變形引起的裂縫，統(tǒng)稱(chēng)為大體積混凝土”，這是美國(guó)混凝土協(xié)會(huì)的定義。由此可見(jiàn)，在近代泵送商品混凝土獲得廣泛應(yīng)用的條件下，即便是很薄的結(jié)構(gòu)，雖然水化熱很但是其收縮很大，控制收縮裂縫的要求比過(guò)去任何時(shí)候都顯得非常重要。因此，泵送混凝土的薄壁結(jié)構(gòu)也應(yīng)當(dāng)按照大體積混凝土的要求采取措施控制混凝土的收縮裂縫，特別是環(huán)境氣溫變化與收縮共同作用對(duì)于薄壁結(jié)構(gòu)尤為不利，收縮換算為當(dāng)量降溫。4.鋼筋混凝土承受變形應(yīng)力的特點(diǎn)84.1“抗與放”設(shè)計(jì)準(zhǔn)則結(jié)構(gòu)承受的約束作用分內(nèi)約束(自約束)和外約束兩類(lèi)。結(jié)構(gòu)的變形如果是完全自由的變形達(dá)到最大值，則內(nèi)應(yīng)力為零，也就不可能產(chǎn)生任何裂縫。如果變形受到約束，在全約束狀態(tài)下則應(yīng)力達(dá)到最而變形為零。在全約束與完全自由狀態(tài)的中間過(guò)程，即為彈性約束狀態(tài)，亦即自由變形分解成為約束變形和顯現(xiàn)變形(實(shí)際變形)。實(shí)際變形越大，約束應(yīng)力越小；實(shí)際變形越小，約束應(yīng)力越大，這種約束狀態(tài)與荷載作用下的結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)(虎克定律)有著根本區(qū)別。在約束狀態(tài)下，結(jié)構(gòu)首先要求有變形的余地，如結(jié)構(gòu)能滿足此要 求，不再產(chǎn)生約束應(yīng)力。如結(jié)構(gòu)沒(méi)有條件滿足此要求，則必然產(chǎn)生約 束應(yīng)力，超過(guò)混凝土的抗拉強(qiáng)度，導(dǎo)致開(kāi)裂。所以，提出了“抗與放”的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，應(yīng)當(dāng)在工程設(shè)計(jì)中，根據(jù)結(jié)構(gòu)所處的具體時(shí)空條件加以 靈活的應(yīng)用。從結(jié)構(gòu)形式的選擇方面(微動(dòng)、滑動(dòng)及設(shè)縫措施，提供 “放”的條件)及材料性能方面(提高抗拉強(qiáng)度、抗拉變形能力及韌性 等提供“抗”的條件)采取綜合措施，如抗放相結(jié)合，以抗為主或以9放為主的措施。4.2約束內(nèi)力與結(jié)構(gòu)剛度的關(guān)系外荷載作用下結(jié)構(gòu)的內(nèi)力只與荷載及結(jié)構(gòu)幾何尺寸有關(guān)，但在變形作用條件下，結(jié)構(gòu)的約束內(nèi)力不僅與變形作用及結(jié)構(gòu)幾何尺寸有關(guān)，尚與結(jié)構(gòu)剛度有關(guān)，這是約束內(nèi)力與荷載內(nèi)力的重要區(qū)別。承受溫差ΔT時(shí)(如預(yù)制板兩端焊接于屋架上弦)，則梁上的約束力矩M約束力矩不僅與溫差和截面高度有關(guān)，而且與梁的抗彎剛度成正比，剛度越大，約束力矩越大，這適宜于裂縫出現(xiàn)及擴(kuò)展階段，當(dāng)然應(yīng)當(dāng)考慮鋼筋混凝土的抗彎剛度是變化的。當(dāng)溫差不斷增加，鋼筋混凝土構(gòu)件進(jìn)入極限狀態(tài)時(shí)，裂縫充分發(fā)展，剛度下降并趨近于零時(shí)則力矩也趨近于零。所以，變形力矩不影響結(jié)構(gòu)的極限狀態(tài)，這一論斷己為實(shí)驗(yàn)證實(shí)。但是裂縫影響使用(滲漏)及耐久性(鋼筋銹蝕)。如果結(jié)構(gòu)的承載力由抗剪、抗沖切作決定，變形作用引起的貫穿性裂縫可能降低承載力。4.3鋼筋混凝土與素混凝土裂縫控制的區(qū)別任何尚未荷載作用的混凝土，它的組合材料包括水泥、水、砂、石、外加劑及摻合料等組分相互物理化學(xué)作用硬化成為一種多空隙復(fù)合材料，由于初始溫度收縮應(yīng)力作用而形成內(nèi)部許多微觀裂縫，這種裂縫在外力作用下不斷擴(kuò)展，成為宏觀裂縫，繼續(xù)擴(kuò)展對(duì)素混凝土迅速導(dǎo)致破壞。但是，對(duì)于鋼筋混凝土，特別是有充分構(gòu)造配筋的鋼筋混凝土出現(xiàn)一定程度的裂縫，不會(huì)迅速導(dǎo)致破壞，只是限制裂縫寬度問(wèn)題，使裂縫的出現(xiàn)及分散裂縫(用許多微細(xì)無(wú)害裂縫取代少量粗大的有害裂縫)。5.混凝土的某些基本物理力學(xué)性質(zhì)5.1混凝土的收縮及水化熱在工民建領(lǐng)域，大部分結(jié)構(gòu)構(gòu)件(板墻梁等構(gòu)件)均屬薄壁結(jié)構(gòu)，泵送混凝土澆注的構(gòu)件收縮量很大，因此經(jīng)常出現(xiàn)收縮裂縫。混凝土的收縮機(jī)理至今尚未統(tǒng)一，但大多數(shù)的研究成果認(rèn)為混凝土是具有大量孔隙的材料?？紫兜陌霃筋H不一致，半徑較小的毛細(xì)孔，半徑約小于300A(A=10－10m)。其中水份蒸發(fā)引起孔壁壓力的變化，導(dǎo)致混凝土體積的縮小?；炷羶?nèi)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發(fā)掉，收縮變形同時(shí)發(fā)生，最終收縮完成的時(shí)間大約20年，但其主要部分的收縮是在最早的1～2年內(nèi)。由于近來(lái)水泥活性和強(qiáng)度等級(jí)的增加，收縮量顯著增加，并且拖延時(shí)間較長(zhǎng)。影響收縮的因素很多，如水泥品種采用礦渣水泥比普通硅酸鹽水泥水化熱低了，但其收縮約大25％。遇到超厚的大底板或大塊式基礎(chǔ)，則水化熱起控制作用，宜選用粉煤灰水泥或礦渣水泥，所以，應(yīng)根據(jù)截面的厚度分別選用不同品種的水泥。其次水泥顆粒越細(xì)，活性越大，標(biāo)號(hào)越高，用量越多，其收縮越大，因此提高水泥強(qiáng)度的方法不應(yīng)靠磨細(xì)的途而應(yīng)當(dāng)依靠改善礦物成分的辦法。眾所周知，水灰比大，收縮將顯著增加，同時(shí)抗拉強(qiáng)度降低。如水灰比為0.6的收縮比水灰比為0.4的收縮增加約40％。有時(shí)盡管水灰比不變，增加用水量，同時(shí)增加水泥量即水泥漿量，如水泥漿量為0.2(水泥漿占混凝土總重量比例)比0.4時(shí)的收縮量增加約45％。減水劑可有效的降低水灰比及用水量，而粉煤灰具有圓珠潤(rùn)滑效應(yīng)和火山灰效應(yīng)，所以“雙摻技術(shù)”對(duì)泵送混凝土既可提高和易性又可減少收養(yǎng)護(hù)條件對(duì)混凝土的收縮影響很大，養(yǎng)護(hù)14天的收縮比養(yǎng)護(hù)3處的環(huán)境濕度波動(dòng)很大，如最低30％～40％，最高達(dá)80％～90％。環(huán)境溫度越高，風(fēng)速越大，收縮越大，高空澆灌容易引起開(kāi)裂，如高架橋梁及橋墩。混凝土的配筋對(duì)于收縮值起一定的約束作用，但是與配筋率的高低有關(guān)，按目前構(gòu)造配筋率的情況看來(lái)，降低收縮的影響是比較小的。根據(jù)泵送商品混凝土的收縮試驗(yàn)，其收縮值約在6～8×10-4，有的試驗(yàn)還遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了這個(gè)數(shù)量，有些大橋的橋墩和高層建筑的厚壁立柱由于施工質(zhì)量及過(guò)大的坍落度，形成了中部骨料多，外部或上表面砂漿厚，從而形成極不均勻的收縮，砂漿和水泥漿的收縮比混凝土的收縮大約增加2～5倍，并由于表面水份蒸發(fā)快從而形成大面積的表面裂縫。混凝土粗細(xì)骨料的含泥量和粉料含量都增加收縮?？繌?qiáng)度試驗(yàn)的結(jié)果，幾乎沒(méi)有進(jìn)行體積變形穩(wěn)定性方面的試驗(yàn)，而許多材料都有增加收縮的特點(diǎn)，必須進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)期準(zhǔn)確的收縮試驗(yàn)，才能得到有利于控制裂縫的材料。各種水泥的水化熱試驗(yàn)比較容易，一般水泥廠家都已進(jìn)行專(zhuān)門(mén)的試驗(yàn)，有資料可查，不在贅述。5.2混凝土的徐變(蠕變)因素的考慮混凝土的徐變機(jī)理也有許多種，如彈性徐變理論、老繼效徐變理論等等。作為工程裂縫控制的應(yīng)用，我們只能應(yīng)用其中主要的成果，以常系數(shù)的形式，考慮在彈性計(jì)算的結(jié)果中，從而簡(jiǎn)化了非線形分析。由于混凝土的徐變作用，給鋼筋混凝土和預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土帶來(lái)有利和不利兩方面的影響。從不利方面看來(lái)，它可以造成預(yù)應(yīng)力損失，增加撓度，可以降低鋼筋和混凝土的粘著力等。從有利方面看來(lái)，它可以使彈性的溫度收縮應(yīng)力大大的松弛，根據(jù)變形速率及混凝土齡期，它對(duì)應(yīng)力降低的程度約0.3～降溫越慢，松弛系數(shù)越小，具體數(shù)字可參考文獻(xiàn)1、2。5.3混凝土的抗拉強(qiáng)度及極限拉伸泵送混凝土澆注后，其抗壓強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度都隨著時(shí)間而增長(zhǎng)，但增長(zhǎng)的速率，抗拉滯后于抗壓，水泥標(biāo)號(hào)的提高及水泥用量的增對(duì)抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)較為顯著，而對(duì)抗拉強(qiáng)度增長(zhǎng)較小。相對(duì)變形約束應(yīng)力，混凝土的極限拉伸尤為重要，國(guó)內(nèi)外曾進(jìn)行過(guò)一些試驗(yàn)研究。例如蘇聯(lián)布拉茨克和克拉斯諾雅爾斯克水電站的試驗(yàn)表明混凝土軸向拉伸應(yīng)變值變化范圍為0.5×10-4～1.0×10-4。法國(guó)鮑斯進(jìn)行的軸向拉伸試驗(yàn)。在抗拉強(qiáng)度為2.05MPa時(shí)，局限拉伸值為0.9×10-4。美國(guó)卡普蘭在軸向拉伸試驗(yàn)中極限拉伸值為0.81×10-4。前蘇聯(lián)齊斯克列里提出當(dāng)軸向抗拉強(qiáng)度為1.2MPa時(shí)，極限拉伸為0.7×10-4。我國(guó)水工系統(tǒng)(研究單位和工程單位)對(duì)混凝土的極限抗拉強(qiáng)度也作過(guò)不少研究，并在工程中采用。如丹江工程混凝土極限拉伸值為(0.58～0.8)×10-4，烏江渡工程為(0.6～1.02)×10-4等等，極限拉伸很小，抗裂能力很弱(收縮變形超過(guò)極限拉伸5～10倍)。的澆注量大多在5000m3以上，軋鋼基礎(chǔ)的混凝土量100000m3~200000m3，厚度2.5m～9.5m，長(zhǎng)度由35m～600m，均屬超長(zhǎng)超厚的大體積鋼筋混凝土，開(kāi)裂后可引起鋼筋的銹蝕、降低持久強(qiáng)度、剛度和防水性能、嚴(yán)重者影響自動(dòng)化生產(chǎn)工藝。防止和控制這類(lèi)基礎(chǔ)的溫度裂縫也是很重要的。為此我們?cè)诿裼媒ㄖこ讨虚_(kāi)展了混凝土軸向拉伸強(qiáng)度及變形性能的試驗(yàn)研究。通過(guò)對(duì)雙摻(減水劑及粉煤灰)混凝土的抗拉試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)混凝土隨著荷載速率及養(yǎng)護(hù)條件，其極限拉伸和抗拉強(qiáng)度波動(dòng)很大，在極慢速(接近實(shí)際溫度和濕度緩慢變化速度)條件下，其極限拉伸可達(dá)(2～3)×10-4，顯然這里包含了徐變變形，這對(duì)溫度收縮應(yīng)力是很有利的(在強(qiáng)度計(jì)算中用松弛系數(shù)乘以彈性應(yīng)力與按變形計(jì)算增加極限拉伸是等同的)。特別值得注意的是，混凝土中的較大含泥量及其它雜質(zhì)可以明顯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脹物引起混凝土的崩裂，因此要求泵送混凝土必須遵循“精料供應(yīng)”的原則。合理的配筋，特別是構(gòu)造配筋，細(xì)一點(diǎn)密一點(diǎn)可以提高混凝土的極限拉伸，推薦齊斯克列里經(jīng)驗(yàn)公式。這是瞬時(shí)荷載作用下的公式，如果極慢速約束變形作用考慮徐變作用，至少可以增加一倍。6.結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)或施工中近似計(jì)算的模型選擇我國(guó)在工民建領(lǐng)域解決變形作用引起裂縫的問(wèn)題主要是按混凝土設(shè)計(jì)規(guī)范采取設(shè)永久性變形縫的辦法，根據(jù)現(xiàn)澆、預(yù)制、土中、室內(nèi)、露天等條件，有明確的伸縮縫許可間距規(guī)定。該規(guī)定自從50年代沿用蘇聯(lián)規(guī)范規(guī)定，我們當(dāng)時(shí)曾多次向蘇聯(lián)有關(guān)單位和蘇聯(lián)專(zhuān)家咨東歐及其它一些國(guó)家。的確，該法解決了許多工程裂縫問(wèn)題，其缺點(diǎn)是伸縮縫止水帶經(jīng)常滲漏并難以維修。更重要的是在實(shí)踐中發(fā)生了許多反?，F(xiàn)象：有的工程尺寸很小，卻出現(xiàn)了嚴(yán)重開(kāi)裂；另外也有的工程超長(zhǎng)而未出現(xiàn)明顯開(kāi)裂，說(shuō)明設(shè)縫與否，不是決定開(kāi)裂與否的唯一因素。其它如材料級(jí)配、結(jié)構(gòu)約束、結(jié)構(gòu)配筋、施工工藝、養(yǎng)護(hù)條件以及環(huán)境溫濕度氣象條件等綜合因素都影響結(jié)構(gòu)約束內(nèi)力及裂縫的出現(xiàn)。通過(guò)實(shí)際工程裂縫反算與現(xiàn)場(chǎng)推力試驗(yàn)，假定結(jié)構(gòu)相互連續(xù)式約束采用水平彈簧模型，彈簧側(cè)移剛度由試驗(yàn)和經(jīng)驗(yàn)給出。推導(dǎo)出長(zhǎng)墻中部正截面法向拉應(yīng)力，端部剪應(yīng)力，伸縮縫許可間距以及一再?gòu)闹虚g開(kāi)裂的機(jī)理，見(jiàn)參1.2。在