钢筋混凝土结构裂缝问题的研究

1摘要混凝土是一种非均质脆性材料，由骨料、水泥石以及其中的气体和水组成。在温度和湿度变化的条件下，硬化并产生体积变形，由于各种材料变形不一致，互相约束而产生初始应力，造成在混凝土内出现微裂缝。这种微细裂缝的分布不规则且不连贯，在荷载或应力作用下，裂缝开始扩展，并逐渐互相贯通，从而出现较大的肉眼可见的裂缝，称为宏观裂缝，即通常所说的裂缝。钢筋混凝土工程是现代建筑常见的工程项目，在建筑结构中起主要作用。钢筋混凝土结构开裂后，其性能的改变严重影响结构的长期安全和耐久运行，直接影响整个工程的质量与使用寿命。本文分析了混凝土结构裂缝产生的原因，并究其原因提出了预防措施和处理方法。关键词混凝土结构；裂缝成因；预防措施；处理方法2第1章绪论1.1钢筋混凝土结构裂缝研究的意义和目的随着我国国民经济的高速增长,促进了建筑业的快速、持续的发展。混凝土因其取材广泛,价格低廉,抗压强度高,可浇注成各种形状,并且耐火性好,不容易风化,且养护费用低,成为当今世界建筑结构中使用最广泛的建筑材料之一。而随着商品混凝土的诞生，由于其施工方便快捷，性能稳定，质量可靠，劳动强度低，生产效率高，同时又可减少噪音，保护环境等综合优点，更是把混凝土推向了一个顶峰。但是,大量的工程和实践理论分析表明,钢筋混凝土构件基本上都是带裂缝工作的,只是有些裂缝很细,甚至肉眼看不见(缝宽0.5mm),一般对结构的使用无大的危害,允许其存在。有些裂缝在使用荷载或外界物理及化学因素作用下,不断产生和发展引起混凝土碳化、保护层剥落及钢筋锈蚀,使钢筋混凝土强度和刚度受到削弱,耐久性降低,严重时甚至发生垮塌事故,危害结构的正常使用,必须加以控制,因此研究商品混凝土裂缝产生的原因及预防措施是非常重要而迫切的。开裂发生的原因可能是原材料的选取与配合比的选择不当、施工方法和措施有误、建筑物所处的条件影响以及结构不合理等。混凝土所产生的温度收缩、干燥收缩、不均匀沉降、结构应力集中等都可能会导致混凝土开裂。在实际工程中,往往是各种因素多重作用引起混凝土开裂。宽度小于或等于0.05mm的裂缝通常对使用无大的危害,叫做无害裂缝,而结构物的有害裂缝不仅会降低力学性能和承载力,而且直接影响结构耐久性,缩短使用寿命。施工中应采取措施使结构尽量不出现裂缝,或减少裂缝的数量和宽度,特别是避免出现有害裂缝。国内外对裂缝宽度都有相应的规定,如我国的CCES01-2004《混凝土结构耐久性设计与施工指南》,对钢筋混凝土结构的最大允许裂缝宽度就明确规定干湿交替和冻融环境下的一般构件为0.2mm;水中和土中环境下为0.3mm。混凝土由于各种收缩引起的开裂问题一直是混凝土结构物裂缝控制的重点和难点。1.2国内外研究现状[1]各国学者根据各自的试验和经验对钢筋混凝土结构裂缝的开裂机理主要有以下三种观点：粘结——滑移法；无滑移法；综合理论；其综合考虑了以上两种破坏机理对混凝土破坏的准则的研究。而对破坏准则的研究，迄今为止国内外学者提出的破坏准则也不下几十个，他们的来源可以分成三类：一类是借用古典强度理论的观点和计算式；二是以混凝土多轴强度实验资料为基础的经验回归式；三是以包络面的集合形式特征为依据的纯数学推导式。从整体上来看，强度理论准则中参数过少的不太适用描述混凝土的实际破坏包络面，亦即不能适应于广泛的应力范围；但参数过多，可能稍微提高模拟曲面的精细程度，但对于材性离散的混凝土来说，也不一定能真正提高计算准确程度的效果。对混凝土裂缝宽度的计算模式主要有；我国设计规范中的计算公式和方法；美国规范对裂缝的计算公式和方法；模式规范CEBFIPM90中的计算方法：基于有限元研究方法；直接确定最大裂缝的宽度等几种方法。对形成裂缝大小的影响因素很多，一般说来主要有外界荷载及形式，配筋率及形式，钢筋与混凝土的粘结力，混凝土的形状尺寸，粒径大小等都对混凝土裂缝产生、发展有较大的影响。3混凝土受力的不同，裂缝产生的数量和表现形式也不同，按照不同的分类标准，裂缝可以有以下几种分类方法：(1)按照裂缝的大小不同可以分为：微观裂缝和宏观裂缝；(2)按裂缝出现的时间早晚可以分为：早期裂缝和后期裂缝；(3)按裂缝的危害程度可以分为：有害裂缝和无害裂缝；(4)按裂缝运动情况分：愈合裂缝、闭合裂缝、运动裂缝、稳定裂缝和不稳定裂缝。1.3常见钢筋混凝土结构裂缝的危害[2]钢筋混凝土结构是多组分复合材料，在各种条件变化和各种材料变形不一致的情况下,微观裂缝的产生几乎是不可避免的，这种细微裂缝如果不扩展或在一定范围内扩展的话，它对一般的工业与民用建筑的正常使用是不会造成危害的，有害与无害的界限由结构使用功能决定的。对钢筋混凝土，特别是有充分构造配筋的钢筋混凝土出现一定程度的裂缝，不会迅速导致破坏，只是限制裂缝宽度的问题，使其达不到有害程度。但实际使用过程中，钢筋混凝土结构在荷载作用下或是进一步温差和干缩的情况下，细微裂缝会开始开展并相互贯通，从而发展成较大裂缝,对结构造成极大的影响，形成危害。常见危害有：(1)影响钢筋混凝土结构的承载能力；(2)引起钢筋锈蚀，使保护层崩落；(3)影响钢筋混凝土结构的正常使用；(4)降低结构刚度，影响建筑物的整体性；(5)影响钢筋混凝土结构的耐久性能和使用寿命；(6)影响建筑物的美观；(7)裂缝大的可能使结构或构件彻底报废、造成工程返工、材料浪费、延迟工期以及较大的经济损失。第2章钢筋混凝土结构裂缝的类型及成因[3]实际上,钢筋混凝土结构裂缝的成因复杂而繁多,甚至多种因素互相影响,但每一条裂缝均有其产生的一种或几种原因。钢筋混凝土结构的裂缝产生的原因主要分为三个：(1)由于结构的实际工作状态与设计模型的差异而产生的结构次应力引起的裂缝；(2)由外部荷载引起的裂缝缝隙，按常规计算的各种荷载而引起的；(3)由温度差、收缩、膨胀、不均匀沉降等因素产生的变形应力而引起的裂缝，施工中可以采取措施避免。(4)大体积混凝土结构中，由于结构截面大，水泥用量多，水泥水化释放的水化热能产生很大的温度变化和收缩作用，是导致大体积混凝土裂缝的主要原因。也可根据因素的不同分为混凝土自身原因和外部原因两大类。在此,我们就按此分类谈谈常见裂缝的成因。2.1混凝土因自身特性产生裂缝2.1.1收缩裂缝收缩裂缝顾名思义其产生原因就是混凝土硬化后水份蒸发体积收缩。从理论上讲，当混凝土在无任何约束而处于自由收缩时，不会产生裂缝，而实际工程4中，混凝土总是受到各种约束的，如两端的约束、内部配制钢筋的约束等。由于混凝土收缩过程中受到约束，因而内部产生拉应力，当拉应力大于混凝土的抗拉强度时，就会产生收缩裂缝。一般来讲，混凝土受到的约束越大，其产生的收缩裂缝越多或越宽。由于混凝土体积收缩是因为水份蒸发、干燥导致的，因而收缩裂缝也通常称为干缩裂缝。因为混凝土中的水份蒸发通常情况下主要在混凝土浇捣后的硬化过程中和硬化早期一个月左右时间内完成的，尤其在硬化过程中水份蒸发速率相对较大；因而，相应地收缩裂缝出现的时间一般在混凝土浇捣后的硬化过程中和硬化早期一个月左右的时间内，通常情况下，混凝土拆模时收缩裂缝就已基本形成，有时只是因为裂缝太细、太窄不易被发觉，之后随着混凝土水份的进一步蒸发，其收缩裂缝逐渐变粗，或者由于产生渗漏等情况，才被发觉。一般情况下，几个月以后，混凝土体内多余水份蒸发已基本完成，混凝土内湿度与环境湿度基本趋于一致，因而收缩裂缝的宽度发展也趋于停止，处于相对稳定状况。当然，之后还将随着环境湿度和温度的变化而略有变化，当环境湿度变大时，混凝土将吸取空气中的水份，而收缩裂缝变窄些，反之当环境湿度变小时，混凝土收缩裂缝将变宽些。另外，还随着环境温度变化，混凝土也将产生热胀冷缩现象，因而收缩裂缝也会随着环境温度的升高而变窄些，反之，随着环境温度的降低而变宽些。这种变化可分为：早期体积变化、硬化过程的体积变化、硬化后的体积变化。如果混凝土的体积变化受到束约,且混凝土自身抵抗这种变形的抗拉性能过低时,就会产生开裂。可以说,混凝土自身收缩是其固有的物理特性,而由此类原因产生的收缩裂缝,占常见裂缝的绝大多数。2.1.1.1干燥收缩由于水泥混凝土的脱水干燥,其长度或体积会有所减少,称干燥收缩。混凝土的干燥收缩主要是由于水泥石的干缩引起的;水泥石的收缩比混凝土大,约为普通混凝土的1d的龄期为基准,相对湿度70%左右的环境下,最终的收缩变形为左右。影响其干缩变形的主要原因可分为内外两方面原因:内因涉及单方水泥用量、用水量、水灰比、骨料(品种和单方用量)以及构件大小(厚度);外因则涉及环境相对湿度、干燥时间等。2.1.1.2混凝土自身收缩所谓自身收缩,是指在外部无水分供应时,水泥浆的骨架形成后,伴随着水泥水化反应的逐步完成,水泥浆中的水被消耗,会形成弯液面而发生负压,出现的收缩现象。2.1.1.3水化收缩水泥和水反应后生成物体积,会比反应前水泥和水的体积减小;水化反应的同时,绝对体积也会减少,即产生水化收缩。其产生的机理为：(1)大体积混凝土结构的截面尺寸较大，在施工过程中，由水泥水化过程中释放出大量水化热量，由于混凝土体积大，热量散发不易，造成温升较大，从而导致混凝土体积增大。当这种变形不受约束时，混凝土结构内部不会产生应力。但实际上这种变形肯定会受到约束，约束有两种。一是混凝土与外部环境温度差异引起的约束；另一种是由于内部的条件而不同产生的约束，以上两种约束产生的应力为温度应力。5(2)其次，湿度变化引起的混凝土内部各单元体之间相互约束，产生的应力为干缩应力。因为湿度传导率远小于热度传导率（约为1/1600），所以，它主要产生在混凝土表面附近：另外，混凝土自身体积变形不能自由伸缩所产生的应力，称为自身体积变形应力；还有地基不均匀沉降、模板走样也会产生相应的变形应力。在以上非结构荷载的作用下所产生的应力中，主要是温度应力和变形应力。对于大体积混凝土结构施工中，当混凝土浇筑体的边界无约束时（如底、顶板顶面），在早期水化热的温度迅速升高阶段，由于混凝土内、外散热条件不同，形成温度梯度，表面受拉，内部受压。当拉应力超过混凝土抗拉强度时，混凝土表面就产生裂缝。在混凝土的降温阶段，混凝土的温差引起的变形加上混凝土的体积收缩变形，受到地基和结构边界条件的约束时，在浇筑体的中央断面产生了内部拉应力，当该拉应力超过混凝土抗拉强度时，混凝土整个截面就产生了贯穿裂缝。(3)现浇钢筋混凝土结构梁、板产生裂缝的原因，综合归纳起来可以分为两大类：一是由于设计失误、实际施工不当等原因导致的结构性裂缝；二是由于混凝土本身的收缩和温差作用所产生的非结构性裂缝。有关资料统计及大量的工程实践表明，一般工程中结构性裂缝约占20％，大部分为收缩和温差裂缝约占80％，这些非结构性裂缝可以通过设计和施工阶段采取相应的技术措施进行预防，从而将其控制在现行规范所允许的范围之内。从大量的工程实践中我们可以发现，建筑结构中混凝土的收缩和温差裂缝所出现的位置与构件部位和形状关系的规律基本相同或类似。2.1.1.4干湿引发的体积变化硬化后混凝土结构虽然是稳定的,但在水中或者高湿度的地方,会由于吸水而产生膨胀,称之为润湿膨胀。影响其膨胀率的主要原因有:混凝土中单方用水量、水泥用量、水灰比、骨料以及构件的大小(厚度)、混凝土浸水前的干燥状态以及水中存放期限等。2.1.2温度应力裂缝温度应力裂缝产生的主要原因是由于混凝土浇筑后，聚积在内部的水泥水化热不易散发，造成混凝土的内部温度升高，而混凝土表面散热较快，这样形成较大的内外温差，使混凝土内部产生压应力，表面产生拉应力。如果在混凝土表面附近存在较大的温度梯度，就会引起较大的表面拉应力，此时混凝土的龄期很短，抗拉强度很低，如果温差产生的表面拉应力，超过此时的混凝土极限抗拉强度，就会在混凝土表面产生表面裂缝。这种裂缝一般产生很早，多呈不规则状态，深度较浅，属表面性质。表面裂缝易产生应力集中，能促使裂缝进一步开展。其形成过程可以分为以下三个阶段：(1)初期：自浇筑混凝土开始至水泥放热基本结束，一般约需30天。这个阶段有两个特征，一是混凝土弹性模量的急剧变化，二是水泥放出大量的水化热。由于弹性模量