钢筋混凝土结构的裂缝控制.pdf

第十六卷第三期 安徽电气 工程 职业技术学院学报 2 0 1 1年 9月 V o 1 1 6， N o 3 J O U R N A L OF A N HU I E L E C T R I C A L E N GI N E E R I NG P R O F E S S I ON A L T E C H N I Q U E C O L L E G E S e p t e m b e r 2 0 1 1 钢 筋混凝土结构 的裂缝控 制 徐 荣华 ( 池州供 电公 司 ， 安徽池 州2 4 7 1 0 0 ) 摘要： 钢筋混凝土的裂缝控制问题是建筑工程 中很重要的问题之一， 特别是最近 2 0年来， 泵 送商品混凝土获得广泛应 用之后， 混凝土均质性有了很 大改善的同时， 裂缝控制技术难度大大 增加 了。本 文是 在 大量建 设 实践和 现场 实验研 究基础 上 ， 概 述 了变形 作 用 引起 裂缝 的原 因、 约 束 变形特征、 抗与放的设计准则以及综合技 术措施等。 关 键词 ： 混 凝土 ； 裂缝 ； 收 缩 ； 松 弛 中图分类号 ： T U 5 2 8 0 7文献标识码： A文章编号 ： 1 6 7 29 7 0 6 ( 2 0 1 1 ) 0 3 0 l l 9 0 4 Cr a c k Co n t r o l o f Re i n f o r c e d Co n c r e t e S t r u c t u r e XU Ro n g h u a ( C h i z h o u P o w e r S u p p l y C o m p a n y ，C h i z h o u 2 4 7 1 0 0 ，C h i n a ) Abs t r a c t ： Re i n f o r c e d c o nc r e t e c r a c k c o n t r o l i s o n e o f t h e mo s t i mpo r t a n t p r o bl e ms o f c o n s t r u c t i o n e ng i n e e r i n gEs p e c i a l l y i n t h e l a s t 2 0 y e a r s ，a f t e r p u mp i n g c o n c r e t e p r o d u c t s b e i n g wi d e l y a p p l i e d，c o n c r e t e h o mo g e n e o u s i mp r o v e s a l o t ，a t t h e s a me t i me，t h e d i f f i c u l t y o f c r a c k c o n t r o l t e c h n o l o g y i n c r e a s e s g r e a t - 1 yI n t hi s p a p e r ，b a s e d o n a l o t o f c o n s t r u c t i o n pr a c t i c e s a n d f i e l d e x p e r i me n t r e s e a r c h c r a c k c a u s e d b y d e f o r ma t i o n，t h e r e s t r a i n e d d e f o r ma t i o n c ha r a c t e ris t i c s，t he de s i g n c r i p r e h e ns i v e t e c h n i c a l me a s u r e s a r e s u mma r i z e d Ke y wo r ds ： c o n c r e t e；c r a c k；c o n t r a c t i o n；r e l a x a t i o n 1概 述 2 O年来 ， 在工民建钢筋混凝土结构领域 ， 一个相 当普遍的质量 问题就是结构 的裂缝 问题 ， 且有 日趋增多的 趋势 ， 它 已影响到正常的生活和生产 ， 并困扰 着大批 工程技 术人员和管理人员 ， 是一个迫切需要解决 的技术难 题 。 由于结构在外荷载作用下的破坏和倒塌是从裂缝扩展开始的， 因此人们对裂缝往往产生一种建筑破坏 的恐 惧感 ， 是可 以理解 的。早在 1 9 3 2年， 前苏联 Aq b I l O I e lI T教授的钢筋混凝土强度理论就指出 ， 如正常配筋受弯构 件的破坏状态是指受拉 区钢筋到达屈服强度 ， 受压 区混凝土到达受弯的抗压强度 ， 此状态称为承载力极限状态。 这一状态全过程是伴随着荷载的不断增加 ， 裂缝 出现 ( 钢筋应力 只有 4 O 6 0 MP a ) ， 裂缝扩展 ， 受压 区塑性不断 发展 ， 最后达到完全破坏 。此时破坏荷载往往是裂缝出现荷载时的 3 5倍 ， 因此 ， 很多大型钢筋混凝土结构 ， 仅 仅 自重就超过了极限荷载的 3 0 ， 在此条件下钢筋混凝土结构带有轻微裂纹是完全正常 的， 结构是安全 的， 恐 惧是不必要的。 国内外关 于荷载作用下钢筋混凝土构件的设计都有 自己的经验公式 ， 并 已纳入有关规范 ， 尽管计算结果出 入较大， 但毕竟可以参考应用。 但是近年来大量裂缝的出现 ， 并非 与荷载作用有直接关系 ， 通过大量的调查 与实测研究证 明这种裂缝是 由 收稿 日期 ： 2 0 1 1 - 0 5 - 2 7 作者简介 ： 徐荣华( 1 9 6 2 ) ， 女 ， 工程师 ， 安徽 池州供 电公 司基 建部 ， 从 事基 建 工程 管理 以及 变电站土 建工程技 术 管 理、 造价 管理工作 。 1 l 9 安徽 电气工程职业技术学院学报 第十六卷第三期 于变形作用 引起 ， 包括温度变形 ( 水泥的水化热 、 气温变化 、 环境生产热)， 收缩变形 ( 塑性收缩 、 干燥收缩 、 碳化 收缩 ) 及地基不均匀沉降( 膨胀 ) 变形。由于这些变形受到约束引起的应力超过混凝土的抗 拉强度 导致裂缝 ， 统 称“ 变形作用引起的裂缝” 。 2 裂 缝 的直接 原 因 2 1 收缩及水化热增加 自从 7 O年代末 ( 1 9 7 81 9 7 9年 ) 我国混凝土施工工艺产生 了巨大的进步 泵送商品混凝土工艺 。从过 去的干硬性 、 低动性 ， 现场搅拌混凝土转 向集中搅拌 ， 转向大流动性泵送浇注 ， 水泥用量增加 、 水灰 比增加 、 砂率 增加 、 骨料粒径减小 、 用水量增加等导致收缩及水化热增加 。 2 2混凝土强度等级 日趋提高 建筑结构混凝土强度等级 日趋提高， 但 有许多 结构不适当地选择 了过高的强度等级 。习惯上认为 ： “ 强度 等级越高安全度越大 ， 就高不就低 ， 提高强度等级没坏处” 。有时迁就施工方便 ， 采用高强混凝土 ， 这是 一种误 导 ， 导致水泥标号增加 、 水泥用量增加 、 水用量增加 、 细骨料 及粗骨料径偏小 、 砂率偏大等 都使水化热及 收缩 增 加 。 2 3 结构约束应力不断增大 结构规模 日趋增大 ， 结构形式 日趋复杂 ， 超长超厚及超静定结构成为经常采用结构形式并采用现浇施工 ， 这 种结构形式有显著约束作用 ， 对于各种变形作用必然引起较大约束应力。 2 4 外加剂的负效应 外加剂及掺合料种类繁多 ， 只有强度指标缺乏对水化热及收缩变形影 响的长期实验资料( 至少一年 ) ， 有些 试验资料并不严格 ， 有许 多外加剂严重的增加收缩变形 ， 有的甚至降低耐久性。 2 5 忽略结构约束 国内外结构设计中都经常忽略构造钢筋重要性 ， 因而经常出现构造性裂缝。结构设计 中经常忽 略结构约束 性质 ， 不善于利用 “ 抗与放 ” 的设计原则 ， 缺乏相应的设计施工规范 、 规程。 2 6 养护方法不 当 目前在混凝土施工中采用的养护方法基本沿用过去简易的方法 ， 这种方法已远不适应泵送混凝土的较大温 度收缩变形的要求 。 2 7 混凝土抗拉性能不足 这种裂缝在抗力方面都是 由于混凝土抗拉性能 ( 抗拉 强度和极限拉伸 ) 不足引起 的， 这方 面的材料级 配研 究很 少 。 综合上述 ， 国际公认泵送商品混凝土对混凝土 的质量 ( 均质性 ) 有很大 的提高 ， 对供应方式有 重要 的改进 ， 但是对混凝土的裂缝控制的难度大大增加了 ， 因此 ， 这类 问题不是我 国特有 的技术问题 ， 是国际上钢筋混凝土的 共性 难 题 。 3大体 积混 凝土 的定 义 过去大体积混凝土的定义是根据几何尺寸 ， 主要是根据厚度定义的， 国际上一般采用 0 8 m l m作为界限。 自8 0年代 以后大体积混凝土 的定义有 了改变 ， 新 的定义是 ： “ 任意体量的混凝土 ， 其尺寸大到足以必须采取措施 减小 由于体积变形引起 的裂缝 ， 统称为大体积混凝土” ， 这是美国混凝土协会 的定义 。由此可见 ， 在近代 泵送商 品混凝土获得广泛应用的条件下 ， 即便是很薄 的结构 ， 虽然水化热很低 ， 但是其收缩很大 ， 控制收缩裂缝 的要求 比过去任何时候都显得 非常重要。因此 ， 泵送混凝土的薄壁结构也应当按照大体积混凝土的要求采取措施控制 混凝 土的收缩裂缝 ， 特别是环境气温变化与收缩共同作用对于薄壁结构尤为不利 ， 收缩换算为 当量降温。 4 钢 筋 混凝 土承 受 变形应 力的特 点 4 1 “ 抗与放” 设计准则 结构承受的约束作 用分 内约束 ( 自约束) 和外约束两类 。结构的变形如果是完全 自由的变形 达到最 大值 ， 则内应力为零 ， 也就不可能产生任何裂缝 。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。在全约束与完全 自由状态 的中间过程 ， 即为弹性 约束状态 ， 亦 即 自由变形 分解成 为约束变形 和显现变形 ( 实际变形 ) 。实际变形越大 ， 约束应力越小 ； 实际变形越小 ， 约束应力越大 ， 这种约束状态与荷载作用下的结构 受力状态( 虎克定律 ) 有着根本区别 。 在约束状态下 ， 结构首先要求有变形的余地 ， 如结构能满足此要求 ， 不再产生约束应力。如结构没有条件满 足此要求 ， 则必然产生约束应力 ， 超过混凝 土的抗 拉强度， 导致开裂。所 以 ， 提出 了“ 抗与放 ” 的设计 准则 ， 应当 在工程设计中 ， 根据结构所处的具体 时空条件加以灵活的应用。从结构形式的选择方面 ( 微动 、 滑动及设缝 措 施 ， 提供“ 放 ” 的条件 ) 及材料性能方面 ( 提高 抗拉强度 、 抗拉 变形 能力及韧性 等提供“ 抗” 的条 件 ) 采取综合措 施 ， 如抗放相结合 ， 以抗 为主或以放为主的措施 。 4 2约束 内力与结构刚度的关 系 1 2 O 徐荣华 ：钢筋混凝土结 构的裂缝 控制 外荷载作用下结构 的内力 只与荷载及结构几何尺寸有关 ， 但在变形作用条件下 ， 结构的约束内力不仅 与变 形作用及结构几何尺寸有关 ， 尚与结构刚度有关 ， 这是约束内力与荷载内力的重要区别 。 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， 刚度越大 ， 约束力矩越大 ， 这适宜 于裂 缝出现及扩展 阶段 ， 当然应当考虑钢筋混凝土的抗弯刚度是变化 的。 当温差不断增加 ， 钢筋混凝土构件进入极 限状态时， 裂缝充分发展 ， 刚度下降并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 ， 这一论断己为实验证实 。但是裂缝影响使用 ( 渗漏 ) 及耐久性 ( 钢 筋锈蚀 ) 。如果结构的承载力 由抗剪、 抗冲切作决定 ， 变形作用引起的贯穿性裂缝可能降低承载力。 4 3 钢筋混凝土与素混凝土裂缝控制的区别 任何 尚未荷载作用的混凝土 ， 它的组合材料包括水泥、 水 、 砂 、 石、 外加剂及掺合料等组分相互物理化学作用 硬化成为一种多空隙复合材料 ， 由于初始温度收缩应力作用而形 成内部许多微观裂缝 ， 这种裂缝在外力作用下 不断扩展 ， 成为宏观裂缝 ， 继续扩展对素混凝土迅速导致破坏 。 但是 ， 对于钢筋混凝土， 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 是限制裂缝宽度问题 ， 使其不达到有害程度。因此 ， 构造配筋显得十分重要， 可 以有效地控制裂缝的出现及分散 裂缝 ( 用许 多微细无害裂缝取代少量粗大的有害裂缝 ) 。 5混凝 土的某 些基 本物 理 力学性 质 5 1 混凝土的收缩及水化热 在工民建领域 ， 大部分结构构件 ( 板墙梁等构件 ) 均属薄壁结构 ， 泵送混凝 土浇注 的构件 收缩量很大 ， 因此 经常出现收缩裂缝 。混凝土 的收缩机理至今 尚未统一 ， 但大多数的研究成果认为混凝 土是 具有大量孔隙 的材 料。孔隙的半径颇不一致 ， 半径较小的毛细孔 ， 半径约小于 3 0 0 A( A=1 01 0 m) 。其 中水份蒸发引起孔壁压力 的变化 ， 导致混凝土体积的缩小。混凝土内除 了少部分水提供水泥水化的需要 ， 其余大部分水分都要蒸发掉 ， 收 缩变形同时发生 ， 最终收缩完成的时间大约 2 O年， 但其主要部分 的收缩是在最早的 12年内。由于近来水泥 活性和强度等级的增加 ， 收缩量显著增加 ， 并且拖延时间较长 。影响收缩的因素很 多， 如水泥品种采用矿渣水泥 比普通硅 酸盐水泥水化热低 了， 但其收缩约大 2 5 。遇 到超厚 的大底板或大块式基础 ， 则水化热起控制作用 ， 宜选用粉煤灰水泥或矿渣水泥 ， 所 以， 应根据截面的厚度分别选用不 同品种 的水泥。其次水泥颗粒越细 ， 活性越 大 ， 标号越高 ， 用量越多 ， 其收缩越大 ， 因此提高水泥强度的方法不应靠磨细的途径 ， 而应当依靠改善矿物成分的 办法 。 众所周知 ， 水灰 比大 ， 收缩将显著增加， 同时抗拉强度降低 。如水灰比为 0 6的收缩比水灰比为0 4 的收缩增加 约 加。有时尽管水灰比不变 ， 增加用水量， 同时增加水泥量即水泥浆量 ， 如水泥浆量为 0 2 ( 水泥浆 占混凝土总重 量 比例) 比0 4时的收缩量增加约 4 5 。减水剂可有效的降低水灰 比及用水量 ， 而粉煤灰具有圆珠润滑效应 和火 山灰效应， 所以“ 双掺技术” 对泵送混凝土既可提高和易性又可减少收缩 。 养护条件对混凝土的收缩影响很大， 养护 1 4天的收缩 比养护 3天的收缩 降低约 2 0 。环境 的相对湿度越 高 ， 收缩越小 ， 许 多结构所处的环境湿度波动很大 ， 如最低 3 0 一 4 0 ， 最高达 8 0 一 9 0 。环境温度越高 ， 风 速越大 ， 收缩越大， 高空浇灌容易引起开裂 ， 如高架桥梁及桥墩。 混凝土的配筋对于收缩值起一定的约束作用 ， 但是与配筋率 的高低有关 ， 按 目前构造配筋率的情况看来 ， 降 低收缩 的影响是比较小的。根据泵送商 品混凝土的收缩试验 ， 其 收缩值约在 6 8 x1 0 ， 有的试验还远远超过 了这个数量 ， 有些大桥的桥墩和高层建筑 的厚壁立柱由于施工质量及过大的坍落度 ， 形成 了中部骨料多 ， 外部或 上表面砂浆厚 ， 从而形成极不均匀的收缩 ， 砂浆和水泥浆 的收缩 比混凝土的收缩大约增加 25倍 ， 并 由于表面 水份蒸发快从而形成大面积的表面裂缝 。混凝土粗细骨料的含泥量和粉料含量都增加收缩 。 目前建筑市场出现了很多新型的外加剂和掺合料 ， 质量保证主要靠强度试验 的结果 ， 几乎没有进行体积变 形稳定性方面的试验 ， 而许多材料都有增加收缩 的特点， 必须进行长时期准确的收缩试验 ， 才能得到有利于控制 裂缝的材料。 5 2 混凝土的徐变( 蠕变) 因素的考虑 混凝土的徐变机理也有许多种 ， 如 弹性徐变理论、 老化徐变理论 、 继效徐变理论等等。作为工程裂缝控制的 应用 ， 只能应用其 中主要的成果 ， 以常系数的形式 ， 考虑在 弹性计算的结果中， 从 而简化 了非线形分析。由于混 凝土的徐变作用 ， 给钢筋混凝土和预应力钢筋混凝土带来有利和不利两方面的影响。从不利方面看来 ， 它可以 造成预应力损失 ， 增加挠度 ， 可以降低钢筋和混凝土的粘着力等。从有利方面看来 ， 它可以使弹性的温度收缩应 力大大的松弛， 根据变形速率及混凝土龄期 ， 它对应力 降低 的程度 约 0 3 0 8倍 ， 保温保湿养护越好 ， 降温越 慢 ， 松弛系数越小 ， 具体数字可参考文献 1 、 2 。 5 3 混凝土的抗拉强度及极限拉伸 泵送混凝 土浇注后 ， 其抗压强度和抗拉强度都随着时 间而增长 ， 但 增长的速率 ， 抗拉滞后于抗压 ， 水泥标号 的提高及水泥用量的增加 ， 对抗压强度增长较为显著 ， 而对抗拉强度增长较小 。 】 21 安徽 电气工程职业技术学 院学报 第 十六卷第三期 相对变形约束应力 ， 混凝 土的极限拉伸尤为重要 ， 国内外曾进行过一些试验研究 。例如苏联布拉茨 克和克 拉斯诺雅尔斯克水电站 的试验表明混凝土轴向拉伸应变值变化范围为 0 5 X 1 0一1 01 0一。法 国鲍斯进行 的轴 向拉伸试验 ， 在抗拉强度为 2 0 5 MP a时， 局限拉伸值为 0 91 0。美 国卡普兰在轴向拉伸试验 中极 限拉 伸值为 0 8 11 0一。前苏联齐斯克列里提出当轴向抗拉 强度为 1 2 k l P a时 ， 极限拉伸为 0 71 0一。我 国水工 系统( 研究单位和工程单位) 对混凝土的极限抗拉强度也作 过不少 研究 ， 并在工程 中采用。如丹江工程混凝土 极限拉伸值为 ( 0 5 8 0 8 )1 0一， 乌江渡工程为 ( 0 61 0 2 )1 0“等等 ， 极限拉伸很小 ， 抗裂能力很弱 ( 收缩 变形超过极 限拉伸 5l 0倍 ) 。 冶金系统 ， 不少设备基础 ， 特别是高炉基础 、 炼钢基础， 混凝土的浇注量大多在 5 0 0 0 m 以上 ， 轧钢基础的混凝土 量 l O 0 0 0 0 m 2 0 0 0 0 0 m ， 厚度 2 5 m9 5 m， 长度由 3 5 m 6 0 0 m， 均属超长超厚的大体积钢筋混凝土， 开裂后可引起 钢筋 的锈蚀 、 降低持久强度 、 刚度和防水性能 ， 严重者影响 自动化生产工艺。防止和控制这类基础的温度裂缝也是 很重要的。为此在民用建筑工程中开展了混凝土轴向拉伸强度及变形性能的试验研究 。 通过对双掺( 减水剂及粉煤灰) 混凝土的抗拉试验 ， 发现混凝土随着荷载速率及养护条件 ， 其极 限拉伸和抗 拉强度波动很大 ， 在极慢速( 接近实际温度和湿度缓慢变化速度 ) 条件下 ， 其极 限拉伸可 达( 2 3 ) X1 0 ， 显然 这里包含 了徐变变形 ， 这对温度收缩应力是很有利的( 在强度计算 中用松弛系数乘 以弹性应力与按变形计算增 加极限拉伸是等同的) 。 特别值得注意的是 ， 混凝土中的较大含泥量及其它杂质可 以明显地降低混凝 土的抗拉性 能， 有 的混凝土骨 料中混入 了有害膨胀物引起混凝土的崩裂 ， 因此要求泵送混凝土必须遵循 “ 精料供应” 的原则 。 6 结构设计或施工中近似计算的模型选择 我 国在工民建领域解决变形作用引起裂缝的问题 主要是按混凝土设计规范采取设永久性变形缝的办法 ， 根 据现浇、 预制 、 土中、 室内 、 露天等条件 ， 有明确 的伸缩缝许可间距规定 。该规定 自从 5 0年代沿用苏联规范规定 ， 我们 当时曾多次向苏联有关单位和苏联专家咨询 有关 规定的依据 ， 他们 的回答 ： “ 全凭经验”， 采取 相似规定的 还有东欧及其它一些国家。 的确 ， 该法解决 了许多工程裂缝 问题 ， 其缺点是伸缩缝止水带经常渗漏并难 以维修 。更重要 的是在 实践中 发生了许多反常现象 ： 有的工程尺寸很小 ， 却 出现 了严重开裂 ； 另外也有的工程超 长而未 出现 明显开裂 ， 说明设 缝与否， 不是决定开裂与否 的唯一因素 。其它如材料级配 、 结构约束 、 结构配筋、 施工工艺 、 养护条件以及环境温 湿度气象条件等综合因素都影响结构约束内力及裂缝 的出现。通过实际工程裂缝反算与现场推力 试验 ， 假定结 构相互连续式约束采用水平弹簧模型 ， 弹簧侧移刚度由试验和经验给 出。推导出长墙 中部正截 面法向拉应力 ， 端部剪应力 ， 伸缩缝许 可间距 以及一再从中间开裂的机 理 ， 见参考文献 1 、 2 。在排架及框架 约束应 力分析 中提 出了考虑弹性抵抗作用 、 装配式 系数 、 徐变影 响系数 、 开裂刚度及利用混凝土后期强度 的计算发 表于 1 9 5 7 1 9 5 8年 ， 见参考文献 3 、 4 、 5 、 6 。多年来通过裂缝处理实践近似理论计算进行 了反复的校核与补充 。 7裂缝控制设计原则与措施 钢筋混凝土结构的裂缝是不可避免的 ， 但其有害程度是可 以控制的 ， 有 害与无害 的界 限由结构使用 功能决 定 的。裂缝控制 的主要方法是通过设计 、 施工 、 材料等方面综合技术措施将裂缝控 制在无 害范围 内。综 合技术 措施包括 ： 合理选择结构形式 ， 降低结构约束程度 ， 对与水平构件梁、 板、 墙 等采用 中低强度级混凝 土， 加 强构造 配筋 ， 如板顶部的受压区连续配筋 ， 板 的阳角及 阴角配置放射筋 ， 增加梁的腰筋间距 2 0 0 m m。优选有利 于抗拉 性能 的混凝土级配 ， 尽力减小水灰 比、 减少坍落度 、 降低砂率增加骨料粒径 ， 降低含 泥量及 杂质含 量。选 用影响 收缩和水化热较小的外加剂和掺合料。采取保温保湿 的养护技术 ， 尽量利用混凝土后期强度 ( 6 0天 ) 。对于超 长结构可采取跳仓浇灌或后浇带方法施工 。对于复杂 的结构难免出现少量裂缝影响正常使用和耐久性 ； 裂缝分 为表面裂缝 、 浅层裂缝 、 纵深裂缝 ( 深层裂缝 ) 、 贯穿裂缝等。少量有害裂缝采用近代化学灌浆技术处理 ， 满足设 计使用和耐久性要求 ， 不应因此降低工程质量评定标准 。 参 考 文献 ： 1 G B 5 0 0 1 0 - 2 0 0 2 ， 混凝 土结构设计规范 s 2 建筑施工手册 ( 第四版) 缩印本 M 北京： 中国建筑工业出版社 ， 2 0 0 3 3 王铁梦 工程结构裂缝控制 M 北京： 中国建工 出版社 ， 1 9 9 7 4罗福午 建筑结构缺 陷事故的分析及防治 M 北京： 清华大学出版社 ， 1 9 9 8 5 G B T 5 0 0 8 0 - 2 0 0 2 ， 普通混凝土拌舍物性能试验方法标准 s 6 G B 5 0 1 1 9 - 2 0 0 3 ， 混凝土外加剂应用技术规 范 s l 2 2 【 责任编辑 ： 朱子】