钢筋混凝土结构非荷载作用裂缝分析及控制

 1. 材料与裂缝的关系 

　　混凝土是粗细集料、水泥石、水和气体所组成的非均质堆聚结构,混合料在不同温、温度条件下凝结硬化,同时产生体积变形。水泥石的干燥和冷却收缩大,集料的干燥和冷却收缩小,而水泥石和集料之间相互粘结产生的约束,变形将导致微裂缝产生。 

　　2. 钢筋混凝土承受变形应力的特点 

　　2.1 “抗与放”设计 

　　结构承受的约束作用份内约束(自约束)和外约束两类。如果结构变形是完全自由变形达到最大值,则内应力为零,也就不产生任何裂缝。如果变形受到约束,在全约束状态下则应力达到最大值,而变形为零。在完全约束与完全自由状态之间,为弹性约束状态,自由变形可分解为约束变形和实际变形。这种约束状态与荷载作用下的结构受力状态(虎克定律)有着根本区域。 

　　2.2 约束内力与结构刚度的关系 

　　在荷载作用下结构的内力只与荷载及结构几何尺寸有关,但在变形作用下,结构的约束内力不仅与变形作用及结构几何尺寸有关,还与结构刚度有关,这是约束内力与荷载内力的重要区别。例如: 

　　一简支梁两端受到转动约束,梁沿截面高度为h,承受温差ΔT时,梁上的约束力矩 

　　M= EJ * aΔt/h 

　　式中:a混凝土的线膨胀系数。 

　　可见约束力矩不仅与温差和截面高度有关,而且与梁的抗弯刚度成正比。 

　　当钢筋混凝土构件进入极限状态时,裂缝充分发展刚度下降至趋近于零时则力矩也趋近于零,所以,变形力矩不影响结构的极限状态。 

　　3.裂缝产生的原因分析 

　　3.1变形裂缝产生的原因 

　　裂缝产生的影响原因主要包括:收缩及水化热的增加、、混凝土强度等级日趋增高、结构约束应力不断增大、外加剂的负效应、养护方法不当等影响因素。 

　　3.2 塑性裂缝产生原因 

　　塑性沉降裂缝:由于固体颗粒沉降时受到阻碍而产生的,可依据混凝土沉降受阻的形式不同分为钢筋或螺栓阻碍、沉降深度不同、模板不平或吸水三种原因所致。 

　　混凝土塑性收缩裂缝:混凝土水平构件上表面暴露部分,特别是混凝土地面和钢筋混凝土楼板的表面,很容易产生塑性收缩开裂。 

　　3.3 温度裂缝产生原因 

　　温度裂缝多出现在大体积混凝土结构中,引起裂缝的主要原因是水泥水化热的大量积聚,使混凝土出现早期升温和后期降温,产生内部与表面的温差。由于混凝土内部和表面的散热条件不同,混凝土温度中心高,表面低,形成温度梯度,产生温度变形和温度应力。温度应力和温差成正比,温差越大,温度应力也越大。当这种温度应力超过混凝土的内外约束应力时,就会产生裂缝。 

　　3.4 干燥收缩开裂产生原因 

　　混凝土的干燥收缩开裂,主要是由于毛细管压力造成的。混凝土中的毛细管孔隙,在混凝土干燥过程中失水,毛细管逐渐变形,产生很大的毛细张力,使混凝土体积收缩(外观体积收缩<0.2%)。如果混凝土用水量增加,水灰比增大,毛细管孔隙也增多,混凝土体积收缩增大,发生收缩变形时,由于周围约束的存在,内部产生应力(抗拉应力),当应力超过混凝土的抗拉强度时,就会产生干燥收缩裂缝。 

　　4. 防止裂缝产生的对策 

　　4.1 选择水泥品种和控制水泥用量 

　　根据大量试验研究和工程实践发现,每m³混凝土的水泥用量增减10kg,水化热将使混凝土的温度相应升高或降低1℃。减少水泥水化热和降低内外温差的办法是选用中热硅酸盐水泥或低热矿渣硅酸盐水泥,掺加泵送剂或粉煤灰时,也可选用矿渣硅酸盐水泥。在满足强度要求前提下,可掺加粉煤灰减少水泥用量,控制在450kg/m³以下。 

　　4.2 选用质量优良的粗、细集料 

　　粗集料要优先选用天然连续级配的粗集料,在条件允许的情况下,尽可能选用较大的粒径,能减少用不量、水泥用量,进而减少水化热。 

　　混凝土中的粗骨料对收缩起主要约束作用。粗骨料的弹性模量及伴随外部干湿而产生的伸缩变形等方面影响约束作用。骨料的品种不同,即使混凝土配合比相同,干燥收缩也约束作用受有很大差别。使用一般石灰石碎石的混凝土,比使用其他品种岩石的碎石混凝土干燥收缩小,不同品种粗骨料对收缩抵抗性为:石灰岩>安山岩>砂岩。 

　　4.3 掺加掺合料 

　　混凝土中掺入一定数量的优质粉煤灰,不但能代替部分水泥,而且由于粉煤灰颗粒呈球状具有滚珠效应,能起到润滑作用,可改善混凝土拌合物的流动性、粘聚性和保水性,并能满足泵送混凝土中粒径在0.315mm以下的细集料占到15%的要求,从而提高了可泵性。掺加粉煤灰后,其中的活性A12O3、SiO2与水泥水化析出的CaO,形成新的水化产物,填充孔隙、增加密实度,从而改善了混凝土早期抗拉强度和极限变形略有降低。因此,对早期抗裂要求较高的混凝土,粉煤灰掺量不宜太多,宜在10%~15%以内。掺加原状或磨细粉煤灰之后,可以降低混凝土中水泥水化热,减少绝热条件下的温度升高。掺粉煤灰的水泥混凝土的温度水化热,在1~28d龄期内,大致为:掺入粉煤灰的百分数就是温度和水化热降低的百分数,即掺加20%粉煤灰的水泥混凝土,其温升和水化热约为不掺粉煤灰的水泥混凝土的80%,可见掺加粉煤灰对降低混凝土的水化热和温升是非常有效的。 

　　4.4 化学外加剂 

　　加入引气剂,切断毛细管可以减少水分的挥发,而且引气剂对泵送混凝土工作性的改善也十分有利,是降低混凝土塑性裂缝的有效措施。掺加减水、增塑、缓凝、引气剂等,可以改善混凝土拌合物的流动性、粘聚性和保水性。由于减水作用和分散作用,在降低用水量和提高强度的同时,还能降低水化热,推迟放热峰值出现的时间,减少温度裂缝。掺加减水剂、泵送剂,特别是同时掺加粉煤灰的双掺技术不会增大干燥收缩,但对于某些减水剂,尤其是具有引起作用时,有增大凝土干燥收缩的趋势。 

　　4.5 混凝土单方用水量 

　　混凝土的干燥收缩受用水量的影响最大,混凝土的干燥收缩和用水量成正比,在水泥用量较高的条件下,混凝土的干燥收缩随着用水量的增加而急剧增大。综合水泥用量和用水量来说,水灰比越大,干燥收缩增大,混凝土易开裂。从确保混凝土耐久性的观点出发,降低单方混凝土用水量,是提高混凝土耐久性的必要条件。在混凝土配合比设计中应尽可能将单方混凝土用水量控制在170kg/m³以下,对于浇筑板和墙体的混凝土,单方用水量的控制尤为重要。还应特别注意,施工中混凝土的塌落绝对不允许大于配合比设计给定的塌落度。 

　　4.6 施工工艺 

　　采用二次投料的净浆裹石或砂浆裹石工艺,可有效防止水分聚集在水泥砂浆和石子的界面上,使硬化后的界面过渡层结构致密、粘结力增大,从而提高混凝土强度10%或节约水泥5%,并进一步减少水化热和裂缝。 

　　为消除混凝土塑性裂缝,进行二次振捣可排除混凝土因泌水,在石子、水平钢筋下部形成的空隙和水分,提高粘结力和抗拉强度,并减少内部裂缝与气孔,提高抗裂性,还可以增加混凝土和钢筋的粘结强度。第二次振捣的时间一般应以混凝土振捣棒插入混凝土密实后再抽出来时,混凝土表面未留下明显的痕迹为最后时间。在施工中,控制混凝土的出机温度和浇筑温度是降低混凝土的总温升,减少大体积结构的内外温差的一个重要措施。 

　　混凝土浇筑温度是指分层浇筑时,上层混凝土即将覆盖下层混凝土,下层混凝土表面以下3~5cm处的温度。降低混凝土出机温度和浇筑温度最有效的方法是降低原材料温度。石子在每m³混凝土中所占重量最大,所以降低石子温度是最有效的办法。在气温较高时,为了防止太阳直接照射,可以在砂石堆场搭设简易遮阳棚,必要时可向集料喷淋雾状水,或者在使用前冷水冲洗集料,或骨料预冷,也可采用冷水或加冰屑拌合混凝土等。 

　　4.7 合理配筋 

　　合理的配筋,特别是构造配筋,细一点密一点可以提高砼的极限拉伸,加强构造配筋,如板顶部的受压区连续配筋,板的阳角及阴角放射筋,增加梁的腰筋密度等,对减少裂缝产生有较好的效果。 

　　4.8 钢纤维混凝土 

　　钢纤维混凝土是一种由水泥、粗细集料和随机分布的短钢纤维组成的复合材料。钢纤维混凝土由于裂后变形性能好,适用于抗震抗爆结构和结构中的各种复杂受力区段。在钢筋混凝土框架节点中用1.5%的钢纤维代替1.7%箍筋(体积率),可使抗震强度提高27%,耗能能力提高28%,主筋粘结滑移减低60%~78%,并可避免节点钢筋拥挤。在钢筋混凝土受拉区,适量的钢纤维混凝土可使裂缝宽度降低40%。 

　　4.9 混凝土养护 

　　为了严格控制大体积混凝土的内外温差,减少裂缝,养护是一个十分重要和关键的工序。保温能减少混凝土表面的热扩散,降低混凝土表层的温差。由于散热时间较长混凝土强度和松弛作用得到充分发挥,使混凝土总温差产生的拉应力小于混凝土的抗拉强度,防止了贯穿裂缝的产生。浇筑时间不长的混凝土,仍然处于凝结、硬化过程,水泥水化速度较快,适宜的潮湿条件可防止混凝土表面脱水而产生收缩裂缝。同时在潮湿条件下,可使水泥的水化充分、完全,提高混凝土的抗拉强度。