10-7 混凝土裂缝的形成和控制

10-7混凝土裂缝的形成和控制混凝土结构物的裂缝可分为微观裂缝和宏观裂缝。微观裂缝是指那些肉眼看不见的裂缝，主要有三种，一是骨料与水泥石粘合面上的裂缝，称为粘着裂缝；二是水泥石中自身的裂缝，称为水泥石裂缝；三是骨料本身的裂缝，称为骨料裂缝。微观裂缝在混凝土结构中的分布是不规则、不贯通的。反之，肉眼看得见的裂缝称为宏观裂缝，这类裂缝的范围一般不小于0.05mm。宏观裂缝是微观裂缝扩展而来的。因此在混凝土结构中裂缝是绝对存在的，只是应将其控制在符合规范要求范围内，以不致发展到有害裂缝。10-7-1混凝土裂缝产生的主要原因混凝土结构的宏观裂缝产生的原因主要有三种，一是由外荷载引起的，这是发生最为普遍的一种情况，即按常规计算的主要应力引起的；二是结构次应力引起的裂缝，这是由于结构的实际工作状态与计算假设模型的差异引起的；三是变形应力引起的裂缝，这是由温度、收缩、膨胀、不均匀沉降等因素引起结构变形，当变形受到约束时便产生应力，当此应力超过混凝土抗拉强度时就产生裂缝。当混凝土结构物产生变形时，在结构的内部、结构与结构之间，都会受到相互影响、相互制约，这种现象称为约束。当混凝土结构截面较厚时，其内部温度和湿度分布不均匀，引起内部不同部位的变形相互约束，这样的约束称之为内约束；当一个结构物的变形受到其他结构的阻碍所受到的约束称为外约束。外约束又可分为自由体、全约束和弹性约束。建筑工程中的大体积混凝土结构所承受的变形，主要是因温差和收缩而产生的。建筑工程中的大体积混凝土结构中，由于结构截面大，水泥用量多，水泥水化所释放的水化热会产生较大的温度变化和收缩作用，由此形成的温度收缩应力是导致钢筋混凝土产生裂缝的主要原因。这种裂缝有表面裂缝和贯通裂缝两种。表面裂缝是由于混凝土表面和内部的散热条件不同，温度外低内高，形成了温度梯度，使混凝土内部产生压应力，表面产生拉应力，表面的拉应力超过混凝土抗拉强度而引起的。贯通裂缝是由于大体积混凝土在强度发展到一定程度，混凝土逐渐降温，这个降温差引起的变形加上混凝土失水引起的体积收缩变形，受到地基和其他结构边界条件的约束时引起的拉应力，超过混凝土抗拉强度时所可能产生的贯通整个截面的裂缝。这两种裂缝不同程度上，都属有害裂缝。高强度的混凝土早期收缩较大，这是由于高强混凝土中以30%~60%矿物细掺合料替代水泥，高效减水剂掺量为胶凝材料总量的1%~2%，水胶比为0.25~0.40，改善了混凝土的微观结构，给高强混凝土带来许多优良特性，但其负面效应最突出的是混凝土收缩裂缝几率增多。高强混凝土的收缩，主要是干燥收缩、温度收缩、塑性收缩、化学收缩和自收缩。混凝土初现裂纹的时间可以作为判断裂纹原因的参考：塑性收缩裂纹大约在浇筑后几小时到十几小时出现；温度收缩裂纹大约在浇筑后2到10d出现；自收缩主要发生在混凝土凝结硬化后的几天到几十天；干燥收缩裂纹出现在接近1年龄期内。干燥收缩：当混凝土在不饱和空气中失去内部毛细孔和凝胶孔的吸附水时，就会产生干缩，高性能混凝土的孔隙率比普通混凝土低，故干缩率也低。塑性收缩：塑性收缩发生在混凝土硬化前的塑性阶段。高强混凝土的水胶比低，自由水分少，矿物细掺合料对水有更高的敏感性，高强混凝土基本不泌水，表面失水更快，所以高强混凝土塑性收缩比普通混凝土更容易产生。自收缩：密闭的混凝土内部相对湿度随水泥水化的进展而降低，称为自干燥。自干燥造成毛细孔中的水分不饱和而产生负压，因而引起混凝土的自收缩。高强混凝土由于水胶比低，早期强度较快的发展，会使自由水消耗快，致使孔体系中相对湿度低于80%，而高强混凝土结构较密实，外界水很难渗入补充，导致混凝土产生自收缩。高强混凝土的总收缩中，干缩和自收缩几乎相等，水胶比越低，自收缩所占比例越大。与普通混凝土完全不同，普通混凝土以干缩为主，而高强混凝土以自收缩为主。温度收缩：对于强度要求较高的混凝土，水泥用量相对较多，水化热大，温升速率也较大，一般可达35~40℃，加上初始温度可使最高温度超过70~80℃。一般混凝土的热膨胀系数为10×10-6/℃，当温度下降20~25℃时造成的冷缩量为2~2.5×10-4，而混凝土的极限拉伸值只有1~1.5×10-4，因而冷缩常引起混凝土开裂。化学收缩：水泥水化后，固相体积增加，但水泥-水体系的绝对体积则减小，形成许多毛细孔缝，高强混凝土水胶比小，外掺矿物细掺合料，水化程度受到制约，故高强混凝土的化学收缩量小于普通混凝土。当混凝土发生收缩并受到外部或内部约束时，就会产生拉应力，并有可能引起开裂。对于高强混凝土虽然有较高的抗拉强度，可是弹性模量也高，在相同收缩变形下，会引起较高的拉应力，而由于高强混凝土的徐变能力低，应力松弛量较小，所以抗裂性能差。10-7-2大体积混凝土裂缝控制的计算10-7-2-1大体积混凝土温度计算公式1．最大绝热温升（二式取其一）（1）Th＝（mc＋k·F）Q/c·ρ（2）Th＝mc·Q/c·ρ（1－e-mt）（10-43）式中Th——混凝土最大绝热温升（℃）；mc——混凝土中水泥（包括膨胀剂）用量（kg/m3）；F——混凝土活性掺合料用量（kg/m3）；K——掺合料折减系数。粉煤灰取0.25~0.30；Q——水泥28d水化热（kJ/kg）查表10-81；不同品种、强度等级水泥的水化热表10-81水泥品种水泥强度等级水化热Q（kJ/kg）3d7d28d硅酸盐水泥42.531435437532.5250271334矿渣水泥32.5180256334c——混凝土比热、取0.97［kJ/（kg·K）］；ρ——混凝土密度、取2400（kg/m3）；e——为常数，取2.718；t——混凝土的龄期（d）；m——系数、随浇筑温度改变。查表10-82。系数m表10-82浇筑温度（℃）51015202530m（l/d）0.2950.3180.3400.3620.3840.4062．混凝土中心计算温度T1（t）＝Tj＋Th·ξ（t）式中T1（t）——t龄期混凝土中心计算温度（℃）；Tj——混凝土浇筑温度（℃）；ξ（t）——t龄期降温系数、查表10-83。降温系数ξ表10-83浇筑层厚度（m）龄期t（d）369121518212427301.00.360.290.170.090.050.030.011.250.420.310.190.110.070.040.031.500.490.460.380.290.210.150.120.080.050.042.500.650.620.570.480.380.290.230.190.160.153.000.680.670.630.570.450.360.300.250.210.194.000.740.730.720.650.550.460.370.300.250.243．混凝土表层（表面下50~100mm处）温度1）保温材料厚度（或蓄水养护深度）δ＝0.5h·λx（T2－Tq）Kb/λ（Tmax－T2）（10-45）式中δ——保温材料厚度（m）；λx——所选保温材料导热系数[W/（m·K）]查表10-84；几种保温材料导热系数表10-84材料名称密度（kg/m3）导热系数λ［W/（m·K）］材料名称密度（kg/m3）导热系数λ［W/（m·K）］建筑钢材780058矿棉、岩棉110~2000.031~0.06钢筋混凝土24002.33沥青矿棉毡100~1600.033~0.052水0.58泡沫塑料20~500.035~0.047木模板500~7000.23膨胀珍珠岩40~3000.019~0.065木屑0.17油毡0.05草袋1500.14膨胀聚苯板15~250.042沥青蛭石板350~4000.081~0.105空气0.03膨胀蛭石80~2000.047~0.07泡沫混凝土0.10T2——混凝土表面温度（℃）；Tq——施工期大气平均温度（℃）；λ——混凝土导热系数，取2.33W/（m·K）；Tmax——计算得混凝土最高温度（℃）；计算时可取T2－Tq＝15~20℃Tmax＝T2＝20~25℃Kb——传热系数修正值，取1.3~2.0，查表10-85。传热系数修正值表10-85保温层种类K1K21纯粹由容易透风的材料组成（如：草袋、稻草板、锯末、砂子）2.63.02由易透风材料组成，但在混凝土面层上再铺一层不透风材料2.02.33在易透风保温材料上铺一层不易透风材料1.61.94在易透风保温材料上下各铺一层不易透风材料1.31.55纯粹由不易透风材料组成（如：油布、帆布、棉麻毡、胶合板）1.31.5注：1．K1值为一般刮风情况（风速＜4m/s，结构位置＞25m）；2．K2值为刮大风情况。2）如采用蓄水养护，蓄水养护深度hw＝x·M（Tmax－T2）Kb·λw/（700Tj+0.28mc·Q）（10-46）式中hw——养护水深度（m）；x——混凝土维持到指定温度的延续时间，即蓄水养护时间（h）；M——混凝土结构表面系数（1/m），M＝F/V；F——与大气接触的表面积（m2）；V——混凝土体积（m3）；Tmax－T2——一般取20~25（℃）；Kb——传热系数修正值；700——折算系数[kJ/（m3·K）]；λw——水的导热系数，取0.58[W/（m·K）]。3）混凝土表面模板及保温层的传热系数β＝1/[Σδi/δi＋1/βq]（10-47）式中β——混凝土表面模板及保温层等的传热系数[W/（m2·K）]；δi——各保温材料厚度（m）；λi——各保温材料导热系数[W/（m·K）]；βq——空气层的传热系数，取23[W/（m2·K）]。4）混凝土虚厚度h'＝k·λ/β（10-48）式中h'——混凝土虚厚度（m）；k——折减系数，取2/3；λ——混凝土导热系数，取2.33[W/（m·K）]。5）混凝土计算厚度H＝h＋2h'（10-49）式中H——混凝土计算厚度（m）；h——混凝土实际厚度（m）。6）混凝土表层温度T2（t）＝Tq＋4·h'（H－h'）[T1（t）－Tq]/H2（10-50）式中T2（t）——混凝土表面温度（℃）；Tq——施工期大气平均温度（℃）；h'——混凝土虚厚度（m）；H——混凝土计算厚度（m）；T1（t）——混凝土中心温度（℃）。4．混凝土内平均温度Tm（t）＝[T1（t）＋T2（t）]/2（10-51）10-7-2-2应力计算公式1．地基约束系数（1）单纯地基阻力系数Cx1（N/mm3），查附表10-86单纯地基阻力系数Cx1（N/mm3）表10-86土质名称承载力（kN/m2）Cx1推荐值软粘土80~1500.01~0.03砂质粘土250~4000.03~0.06坚硬粘土500~8000.06~0.10风化岩石和低强度素混凝土5000~100000.60~1.00C10以上配筋混凝土5000~100001.00~1.50（2）桩的阻力系数Cx2＝Q/F（10-52）式中Cx2——桩的阻力系数（N/mm3）；Q——桩产生单位位移所需水平力（N/mm）；当桩与结构铰接时Q＝2E·I〔KnD/（4E·I）]3/4当桩与结构固接时Q＝4E·I［KnD/（4E·I）]3/4E——桩混凝土的弹性模量（N/mm2）；I——桩的惯性矩（mm4）；Kn——地基水平侧移刚度，取1×10-2（N/mm3）；D——桩的直径或边长（mm）；F——每根桩分担的地基面积（mm2）。（3）大体积混凝土瞬时弹性模量E（t）＝E0（1－e-0.09t）（10-53）式中E（t）——龄期混凝土弹性模量（N/mm2）；E0——28d混凝土弹性模量（N/mm2），查附表10-87；混凝土常用数据表10-87强度等级弹性模量E（×104N/mm2）强度标准值（N/mm2）强度设计值（N/mm2）轴心抗压fck抗拉ftk轴心抗压fc抗拉ftC7.51.4550.753.70.55C101.756.70.9050.65C152.20101.207.50.90C202.5513.51.50101.10C252.80171.7512.51.30C303.00202.00151.50C353.1523.52.2517.51