鋼筋混凝土裂縫的控制和預(yù)防

盧林松

混凝土是一種由砂石骨料、水泥、水及其他外加材料混合而成的非均質(zhì)脆性材料[1]。它在現(xiàn)代建筑工程建設(shè)中占據(jù)著重要地位,由于混凝土施工、本身變形和約束等一系列問題使得混凝土的裂縫較為普遍。但是混凝土施工裂縫的存在不僅會(huì)降低建筑物的抗?jié)B能力、影響建筑物的使用功能,而且還會(huì)引起鋼筋的銹蝕,混凝土的碳化,降低材料的耐久性以及影響建筑物的承載能力,因此,加強(qiáng)建筑施工中混凝土裂縫的控制和預(yù)防成為現(xiàn)在施工技術(shù)討論的熱點(diǎn)。

1 裂縫的類型

1.1 混凝土塑性干縮裂縫

混凝土中存在大量毛細(xì)孔道,當(dāng)混凝土固體質(zhì)點(diǎn)間的毛細(xì)空隙水因蒸發(fā)減少時(shí),水蒸發(fā)后毛細(xì)管中產(chǎn)生毛細(xì)管張力,形成彎液面而產(chǎn)生拉力,使尚處于可塑性狀態(tài)的混凝土收縮?；炷脸跗谑湛s歷程可劃分為四個(gè)階段:在混凝土澆筑后最初1 h內(nèi)為第一階段,泌水速度大于蒸發(fā)干燥速度,混凝土表面不會(huì)收縮;此后約40 min為第二階段,蒸發(fā)速度大于泌水速度,混凝土表面開始收縮,但由于混凝土尚未完全凝固余有足夠塑性,能夠適應(yīng)體積變化而不會(huì)開裂;之后1 h為第三階段,混凝土逐步完成初凝,塑性大幅度降低,而水分蒸發(fā)仍持續(xù)不斷,就有可能引起塑性開裂;混凝土初凝至終凝期間約2 h為第四階段,混凝土逐步完全失去塑性,但水分仍在持續(xù)蒸發(fā)引起干燥收縮遠(yuǎn)大于混凝土凝結(jié)收縮,必然形成裂縫。增加用水量通常會(huì)使毛細(xì)空隙增大,從而減小塑性收縮的毛細(xì)拉力,但實(shí)際情況用水量大的新攪拌混凝土有高得多的塑性收縮值,更容易引發(fā)塑性開裂。氣溫越高、相對(duì)濕度越低、風(fēng)速越快,毛細(xì)空隙水蒸發(fā)速度越快,毛細(xì)水拉力越大,混凝土收縮的也就越厲害,尤其是相對(duì)濕度的影響最為嚴(yán)重。

1.2 混凝土塑性沉降裂縫

在新攪拌的混凝土中,骨料顆粒懸浮在一定稠度的水泥漿體中,漿體的重量密度較低,水灰比0.6的漿體的重量密度只有骨料重量密度的一半,所以骨料在漿體中有下沉的趨勢(shì),骨料的下沉和水分的上升會(huì)在水平鋼筋的底部形成空隙并積聚水分,為銹蝕留下了隱患;水分上升還會(huì)滯留在粗骨料的底部,造成混凝土抗?jié)B性和抗凍性降低;當(dāng)處置下沉的固體顆粒遇到水平設(shè)置的鋼筋或緊固螺栓等預(yù)埋件,或受到側(cè)面模板的摩擦阻力時(shí),受到阻攔并與該部位的混凝土形成沉降差,結(jié)果在混凝土頂部表面造成塑性沉降裂縫[1,2,4]。另外,如果同時(shí)澆筑梁、板、柱或墻的混凝土,由于這些構(gòu)件的深度不同,有著不同的沉降,從而在這些構(gòu)件交接面處形成沉降差并產(chǎn)生塑性沉降裂縫?；炷了苄猿两盗芽p與鋼筋尺寸、保護(hù)層厚度及坍落度等因素有關(guān)。坍落度愈大,沉降開裂的可能性也愈大。在接近表面的水平鋼筋上方最容易形成沉降裂縫,并隨鋼筋直徑加粗和保護(hù)層減小而愈趨嚴(yán)重。

1.3 混凝土干燥收縮裂縫

干燥收縮是水泥基混凝土的固有特性。澆筑時(shí)呈流動(dòng)狀態(tài)的混凝土混合介質(zhì),硬化后呈固體狀態(tài),除了硬化生成硅酸鈣等固體物質(zhì)是一個(gè)化學(xué)反應(yīng)過程外,還伴隨著一個(gè)水分蒸發(fā)干燥的物理過程,形成干燥收縮裂縫[1,2,4]?；炷羶?nèi)的固體水泥體積會(huì)隨水分含量的減少而減小,而砂石等骨料卻保持相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài),對(duì)水泥漿體的體積因水分蒸發(fā)造成的體積減小則起很大的約束作用,使混凝土的體積變化遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于水泥漿體的體積變化,其中差值只有形成無數(shù)細(xì)微的裂縫了。

1.4 混凝土自生收縮裂縫

自生收縮裂縫是水泥水化作用引起的收縮,并不屬于干燥收縮。在已硬化的水泥漿體中,未水化的水泥繼續(xù)水化是產(chǎn)生自生收縮的主要原因。水化使空隙尺寸減小并消耗水分,如無外界水分補(bǔ)給,就會(huì)引起毛細(xì)水負(fù)壓使硬化水化物受壓產(chǎn)生體積變化即自生收縮裂縫。水灰比越低,自生收縮越大,摻加硅粉更能加大自生收縮。一些改善自生收縮的措施常與提高混凝土強(qiáng)度措施相矛盾,在實(shí)際工程中需要具體分析,如采用高強(qiáng)度混凝土則必須高度重視自生收縮危害,但標(biāo)號(hào)較低的混凝土自生收縮則不是主要矛盾。

1.5 溫度裂縫

混凝土內(nèi)部和表面的散熱條件不同,內(nèi)部熱量不易散發(fā),致使其內(nèi)部溫升幅度較其表層的溫升幅度要大得多;而在混凝土升溫峰值過后的降溫過程中,內(nèi)部降溫速度又比其表層慢得多,因此混凝土中心溫度很高,這樣就會(huì)形成溫度梯度。在這些過程中,混凝土各部分的溫度變形及由于其相互約束和外界約束的作用而在混凝土內(nèi)產(chǎn)生的溫度應(yīng)力,使混凝土內(nèi)部產(chǎn)生壓應(yīng)力,表面產(chǎn)生拉應(yīng)力,當(dāng)拉應(yīng)力超過混凝土的極限抗拉強(qiáng)度時(shí)混凝土表面就會(huì)產(chǎn)生裂縫?；炷羶?nèi)部的溫度是由澆筑溫度、水泥水化熱的絕熱溫升和結(jié)構(gòu)的散熱溫度等各種溫度疊加之和組成。外界氣溫愈高,混凝土的澆筑溫度也就會(huì)愈高;但外界溫度降低則又會(huì)增加大體積混凝土的內(nèi)外溫度梯度。如果外界溫度的下降過快,會(huì)造成很大的溫度應(yīng)力,極其容易引發(fā)混凝土的開裂。

1.6 施工因素裂縫

1)保護(hù)層過厚或亂踩踏已綁扎的上層鋼筋,使承受負(fù)彎矩的受力筋保護(hù)層加厚,導(dǎo)致構(gòu)件的有效高度減小,形成與受力筋垂直方向的裂縫。2)混凝土澆筑過快,混凝土流動(dòng)性較低,在硬化前因混凝土沉實(shí)不足,硬化后沉實(shí)過大,容易在澆筑數(shù)個(gè)小時(shí)后發(fā)生裂縫。混凝土分層或分段澆筑時(shí),接頭部位處理不好,易在新舊混凝土和施工縫之間出現(xiàn)裂縫?；炷琳駬v不實(shí)、不均勻,易出現(xiàn)施工裂縫。3)用泵送混凝土施工時(shí),為保證混凝土的流動(dòng)性,增加水和水泥用量,或因其他原因加大了水灰比,導(dǎo)致混凝土硬化時(shí)收縮量增加,使混凝土出現(xiàn)不規(guī)則裂縫。4)施工前對(duì)支架壓實(shí)不足或支架剛度不足,澆筑混凝土后支架不均勻下沉,導(dǎo)致混凝土出現(xiàn)裂縫。施工時(shí)模板剛度不足,在澆筑混凝土?xí)r由于側(cè)向壓力的作用使模板變形,產(chǎn)生與模板變形一致的裂縫。拆模過早,混凝土強(qiáng)度不足,使構(gòu)件在自重或施工荷載的作用下產(chǎn)生裂縫。

1.7 化學(xué)反應(yīng)裂縫

在鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中最常見的由于化學(xué)反應(yīng)引起的裂縫是堿骨料反應(yīng)裂縫和鋼筋銹蝕引起的裂縫?；炷涟韬秃髸?huì)產(chǎn)生一些堿性離子,這些堿性離子與某些活性骨料產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)并吸收環(huán)境中的水分而體積增大,造成混凝土疏松、膨脹開裂。由于混凝土澆筑、振搗不實(shí)或者鋼筋保護(hù)層過薄,有害物質(zhì)進(jìn)入混凝土,使鋼筋產(chǎn)生銹蝕、體積膨脹,導(dǎo)致混凝土脹裂。

2 裂縫的原因分析

1)混凝土在硬化過程中,由于干縮引起的體積變形受到約束時(shí)產(chǎn)生的裂縫,這種裂縫的寬度有時(shí)會(huì)很大,甚至?xí)灤┱麄€(gè)構(gòu)件。2)混凝土在硬化期間水泥產(chǎn)生大量水化熱,內(nèi)部溫度不斷上升,在混凝土表面引起拉應(yīng)力。后期在降溫過程中,由于受到基礎(chǔ)或舊混凝土的約束,又會(huì)在混凝土內(nèi)部出現(xiàn)拉應(yīng)力。氣溫的降低也會(huì)在混凝土表面引起很大的拉應(yīng)力,當(dāng)這些拉應(yīng)力超出混凝土的抗裂能力時(shí),即會(huì)出現(xiàn)裂縫。3)在厚度較大的構(gòu)件中,由于混凝土的塑性塌落受到模板或頂部鋼筋的抑制,在澆搗后數(shù)小時(shí)會(huì)發(fā)生這種由于混凝土塑性塌落引起的裂縫。4)當(dāng)有約束時(shí),混凝土熱脹冷縮所產(chǎn)生的體積脹縮,因?yàn)槭艿郊s束力的限制,在內(nèi)部產(chǎn)生了溫度應(yīng)力,由于混凝土抗拉強(qiáng)度較低,容易被溫度引起的拉應(yīng)力拉裂,從而產(chǎn)生溫度裂縫。由于太陽暴曬產(chǎn)生裂縫也是工程中最常見的現(xiàn)象。5)混凝土加水拌和后,水泥中的堿性物質(zhì)與活性骨料中活性氧化硅等起反應(yīng),析出的膠狀堿—硅膠從周圍介質(zhì)中吸水膨脹,體積增大3倍,從而使混凝土脹裂產(chǎn)生裂縫。6)許多混凝土的內(nèi)部濕度變化很小或變化較慢,但表面濕度可能變化較大或發(fā)生劇烈變化,如養(yǎng)護(hù)不當(dāng)、時(shí)干時(shí)濕,表面干縮變形受到內(nèi)部混凝土體的約束,也往往產(chǎn)生裂縫。7)構(gòu)件超載產(chǎn)生的裂縫,例如:構(gòu)件在超出設(shè)計(jì)的均布荷載或集中荷載作用下產(chǎn)生內(nèi)力彎矩,出現(xiàn)垂直于構(gòu)件縱軸的裂縫,構(gòu)件在較大剪力作用下,產(chǎn)生斜裂縫,并向上、下延伸。8)當(dāng)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)出現(xiàn)不均勻沉陷,就有可能會(huì)產(chǎn)生裂縫,隨著沉陷的進(jìn)一步發(fā)展,裂縫會(huì)進(jìn)一步擴(kuò)大。9)當(dāng)鋼筋混凝土處于不利環(huán)境中,例如:侵蝕性水,由于混凝土保護(hù)層厚度有限,特別是當(dāng)混凝土密實(shí)性不良,環(huán)境中的氯離子等和溶于水中的氧會(huì)使混凝土中的鋼筋生銹,生成氧化鐵,氧化鐵的體積比原來金屬的體積大得多,鐵銹體積膨脹,對(duì)周圍混凝土擠壓,使混凝土脹裂。10)由于原材料質(zhì)地不均勻、水灰比不穩(wěn)定以及運(yùn)輸和澆筑過程中的離析現(xiàn)象,在同一塊體混凝土中其抗拉強(qiáng)度也是不均勻的,存在著許多抗拉能力很低,易于出現(xiàn)裂縫的薄弱部位。而在施工過程中,我們最為常見的多是因溫度而引起的裂縫。

3 裂縫的控制與預(yù)防

為了防止裂縫,減輕溫度應(yīng)力可以從控制溫度和改善約束條件兩個(gè)方面著手?？刂茰囟鹊拇胧┤缦?

1)采用改善骨料級(jí)配,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;2)拌和混凝土?xí)r加水或用水將碎石冷卻以降低混凝土的澆筑溫度;3)熱天澆筑混凝土?xí)r減少澆筑厚度,利用澆筑層面散熱;4)在混凝土中埋設(shè)水管,通入冷水降溫;5)規(guī)定合理的拆模時(shí)間,氣溫驟降時(shí)進(jìn)行表面保溫,以免混凝土表面發(fā)生急劇的溫度梯度;6)施工中長(zhǎng)期暴露的混凝土澆筑塊或薄壁結(jié)構(gòu),在寒冷季節(jié)采取保溫措施。

改善約束條件的措施是:合理地分縫分塊,避免基礎(chǔ)過大起伏;合理的安排施工工序,避免過大的高差和側(cè)面長(zhǎng)期暴露;改善混凝土的性能,提高抗裂能力,加強(qiáng)養(yǎng)護(hù),防止表面干縮,特別是保證混凝土的質(zhì)量對(duì)防止裂縫是十分重要的,應(yīng)特別注意避免產(chǎn)生貫穿裂縫,出現(xiàn)后要恢復(fù)其結(jié)構(gòu)的整體性是十分困難的,因此施工中應(yīng)以預(yù)防貫穿性裂縫的發(fā)生為主。

在拆除模板后及時(shí)在表面覆蓋一輕型保溫材料,如泡沫海綿等,對(duì)于防止混凝土表面產(chǎn)生過大的拉應(yīng)力具有顯著的效果。

在混凝土中想要利用鋼筋來防止細(xì)小裂縫的出現(xiàn)很困難,但加筋后結(jié)構(gòu)內(nèi)的裂縫一般就變得數(shù)目多、間距小、寬度與深度較小了。而且如果鋼筋的直徑細(xì)而間距小時(shí),對(duì)提高混凝土抗裂性的效果較好。

正確使用外加劑也是減少開裂的措施之一。許多外加劑都有緩凝、增加和易性、改善塑性的功能,我們?cè)诠こ虒?shí)踐中應(yīng)多進(jìn)行這方面的實(shí)驗(yàn)對(duì)比和研究,比單純的靠改善外部條件,可能會(huì)更加簡(jiǎn)捷、經(jīng)濟(jì)。

4 結(jié)語

裂縫是混凝土結(jié)構(gòu)中普遍存在的一種現(xiàn)象,它的出現(xiàn)不僅會(huì)降低建筑物的抗?jié)B能力,影響建筑物的使用功能,而且會(huì)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,因此嚴(yán)格按規(guī)程、規(guī)范要求施工,嚴(yán)把質(zhì)量關(guān),防患于未然,盡可能地降低混凝土裂縫的出現(xiàn);對(duì)混凝土裂縫進(jìn)行認(rèn)真研究、區(qū)別對(duì)待,采用合理的方法進(jìn)行處理,并在具體施工中要靠我們多觀察、多比較,出現(xiàn)問題后多分析、多總結(jié),結(jié)合多種預(yù)防處理措施,混凝土的裂縫是完全可以避免的。

[1] 郭正興,李金根.建筑施工[M].南京:東南大學(xué)出版社,2001.

[2] 《建筑施工手冊(cè)》編寫組.建筑施工手冊(cè)[M].第4版.北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2000.

[3] 楊焱琦,肖明輝.鋼筋混凝土現(xiàn)澆板裂縫產(chǎn)生的原因和防治措施[J].山西建筑,2008,34(2):174-175.

[4] 中國(guó)建筑工業(yè)出版社.現(xiàn)行建筑施工規(guī)范大全[M].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2004.

[5] 趙國(guó)藩.鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)[M].北京:中國(guó)電力出版社,2005.