工业与民用建筑施工中混凝土结构裂缝形成及预防研究_张建威.pdf

Construction Technology工程施工技术1引言在工业与民用建筑施工中，混凝土结构较普遍，因其具备耐久性、延性、耐火性等优势而广泛应用于建筑结构中。根据调查，结构裂缝泛指宽0.02 mm以上的裂缝。国内外学者研究推断：20%的裂缝归于荷载因素，其余均为非荷载因素。为进一步维护建筑结构安全，应加强裂缝预防。以往在预防裂缝过程中倾向于就小裂纹展开修复，继而抑制裂缝发展。本文采用建立三维有限元模型的方式，在施工期间以缺陷防范、消除裂缝成因为基础，制订可行性施工方案，实现动态预防。2混凝土结构裂缝形成原因2.1渗透因素在工业与民用建筑施工中常出现裂缝病害，且裂缝宽度多超过0.05 mm。在混凝土浇筑后，若遭遇地面沉陷，将无法保持原有结构完整，此时将诱发结构裂缝。原因在于土质成分分布不均匀，或处于长期浸水、渗透状态，削弱了混凝土结构刚度，进而在水作用力干预下形成裂缝。依据渗透开裂深度可将其分为如图1所示的3种裂缝类型。a表面裂缝b深层裂缝c贯穿裂缝图 1混凝土结构裂缝类型2.2荷载因素荷载作用变化也会形成裂缝。以甘肃省某工业与民用建筑工程为例，其设计使用年限为50年，占地面积10 074.32 m2，共19层，土方开挖采用整片开挖放坡技术。对桩体浇筑混凝土后，发现其钢混结构表面出现开裂迹象。经分析得知：此工【作者简介】张建威（1968），男，北京人，助理工程师，从事建筑施工研究。工业与民用建筑施工中混凝土结构裂缝形成及预防研究Study on the Formation and Prevention of Concrete Structure Cracksin Industrial and Civil Construction张建威，张鑫（北京市第五建筑工程有限公司，北京 100023）ZHANG Jian-wei,ZHANG Xin(BeijingNo.5ConstructionEngineeringGroupCo.Ltd.,Beijing100023,China)【摘要】针对工业与民用建筑施工中混凝土结构裂缝成因进行分析，提出采用有限元分析法，通过开裂风险评估技术、材料性能提升技术、混凝土保温技术、施工现场监管技术等方面进行混凝土结构裂缝的有效修复与预防。【A b s t r a c t】Based on the analysis of the causes of cracks in the concrete structure in the construction of industrial and civil buildings,it isproposed to use finite element analysis method to realize the effective repair and prevention of cracks in the concrete structure through thecracking risk assessment technology,material performance improvement technology,concrete insulation technology,construction sitesupervisiontechnologyandotheraspects.【关键词】工业与民用建筑；混凝土结构；裂缝；保温技术；风险评估技术【K e y w o r d s】industrialandcivilbuildings;concretestructure;cracks;thermalinsulationtechnology;riskassessmenttechniques【中图分类号】TU755.7【文献标志码】A【文章编号】1007-9467（2023）06-0157-03【DOI】10.13616/ki.gcjsysj.2023.06.251157Construction&DesignForProject工程建设与设计程中混凝土结构裂缝的形成原因多与荷载应力相关。由于拉应力增加，使混凝土结构趋于两边收缩，且应力改变削弱混凝土强度，一旦拉应力超过抗压强度，必然形成另一条裂缝，由此在多裂缝干扰下降低施工质量。可见，以先进的预防技术控制荷载力是维护混凝土结构完整性的关键。2.3温度因素混凝土材料易受温度因素影响出现开裂。特别是在浇筑施工后，混凝土凝结期间，由于水化热反应，混凝土结构内部温度急剧升高，在形成较大温差时必然诱发温度裂缝。通常在浇筑6090 d内或冬季施工中，裂缝以错乱无规则形态分布于混凝土表面。温度裂缝形成的原因如图2所示，在养护不当、选材不当情况下会加剧温度裂缝形成风险。选用水泥不当坍落度养护不当未做检查工作气候影响操作不当碎石级配不好料方环温度裂缝水化热图 2温度裂缝形成原因分析图2.4锈蚀因素在工业与民用建筑施工中，锈蚀因素也会形成裂缝。一方面，由于施工人员未能掌握振捣棒的使用技巧，无法准确设置振动频率、坍落度等参数，或现场管理者未充分履行混凝土施工监管职责，造成混凝土结构质量不达标。另一方面，在钢混结构中，施工人员选用的钢筋材料存在锈蚀现象，若将此类钢筋材料用于混凝土结构施工，会降低混凝土性能，且存在表面生锈的可能性，由此降低承载力。该因素与现场监管不严有关，可从强化现场监管职能层面落实裂缝预防工作1。3混凝土结构裂缝预防技术要点3.1开裂风险评估技术在工业与民用建筑施工中，可借助有限元分析法建立三维有限元模型，从模型形态与特征分析中预判开裂风险程度，始终将开裂风险系数控制在既定范围内。在建模前需参照表1中的限值标准，使模型满足maxlim要求，即裂缝宽度max不大于裂缝最大宽度限值lim。表 1与混凝土结构裂缝控制等级要求混凝土结构钢混结构预应力混凝土结构三三0.30.2三二0.20.1三一0.20.1裂缝控制等级lim/mm裂缝控制等级lim/mm裂缝控制等级lim/mm环境类别一二三在裂缝宽度max分析中可利用式（1）求解。max=crsk1.9c+0.08depteEs（1）式中，cr为钢混构件受力特征系数；为钢筋应力不均匀系数；sk为钢筋应力，kN；dep为钢筋直径，mm；te为配筋率，%；Es为混凝土弹性模量，N/m；c为保护层厚度，mm。统计裂缝宽度后，还需评估开裂风险等级。以开裂风险系数为主，观察仿真模型中按照施工方案施工的混凝土结构是否符合安全施工标准，一般需将控制在0.7以下。计算公式为：=（t）ft（t）（2）式中，（t）为t时间内混凝土收缩拉应力，MPa；ft（t）为抗压强度，MPa。只有在仿真模型评估中判定施工方案中混凝土施工对应的满足相关规定，才能将现行混凝土结构认定为不易开裂结构，否则需提出加固或补强策略。若计算后确实未超过0.7，则证明建筑工程中依据既定方案建设而成的混凝土结构至少存在95%不开裂可能性，由此验证混凝土专项施工方案的可行性。应就模型反馈结果评估与混凝土浇筑长度的关系，如图3所示，从中总结的影响因素，以此指引施工员严控混凝土浇筑长度。随着浇筑长度的增加，随之变大，表示开裂风险在浇筑长度增加时有所提高。尤其在12 m浇筑长度条件下，依然达不到0.7的防开裂设计标准，且在入模温度下降时，随之减小，故施工人员应尽量减小混凝土浇筑长度，在保持连续浇筑作业的基础上下调入模温度，为后续施工提供仿真分析凭证。浇筑长度/m开裂风险系数 图 3 与混凝土浇筑长度的关系分布图158Construction Technology工程施工技术3.2材料性能提升技术为保证工业与民用建筑施工中混凝土结构性能，还应充分应用材料性能提升技术，从选材与性能优化层面预防裂缝。在选材工作中，相关人员应以混凝土配制方法评估材料质量。一般情况下包括商用混凝土与预拌混凝土，需在搅拌站按相关配合比配制混凝土材料，而后输送至现场，直接浇筑至钢混结构之上。此时，要求以B型矿渣硅酸盐水泥、强度高于32.5 MPa的水泥材料为主，并且搭配40 mm粒径以下的粗骨料。而后向其中掺入1%以下的碎石与砂料。为保证后续混凝土性能得以提升，还要在其中投放1%的减水剂，始终将原材料中片状材料掺入量设定在15%以下2。在材料选定后可进行试配操作，依据设计的配合比，记录试配后混凝土材料的性能达标率。通常要求将石料含油量控制在1 050 kg/m3，拌和水用量应在160 kg/m3以内。若选用强度等级为C40的混凝土，要求水泥浆与骨料的质量比在12以下，胶凝料每1m3最多使用550kg（混凝土强度等级C60）。施工员在正式使用混凝土材料前，应当由技术员或质检人员对混凝土材料性能展开先期评估处理，从热学性能、抗变形能力以及体积稳定性部分逐项进行分析，与施工方案相关要求予以对比，在达到方案标准后，指引搅拌站成员利用科学的配合比顺利配制混合料。3.3混凝土保温技术针对温度裂缝可应用保温技术，也可通过在配制环节投放大块碎石（10%15%）的方式削弱水化热反应，亦可将坍落度设置在7090 mm，就此缩小温度差。关键是施工后加强混凝土表面的保温处理，其中，较常见的是在其表层喷洒水分，或直接设置保护水层，使之在浸润状态下不受外界温度影响出现开裂迹象。在混凝土保温技术实际应用中，还需联合测温手段准确反馈有限元分析模型中温度指标的变化规律，在混凝土试件的上、中、下区域分别安装温度传感器，或采用温度测量仪呈现温度变化特征，相隔2 h测温一次。若混凝土材料中掺入防冻剂，混凝土强度需在5 N/mm2以上，否则易受辅助材料的影响而降低混凝土结构性能。同时，还需对比测温结果，若采用蒸汽养护法，要求在浇筑后4 h后开始释放蒸汽，静置期间混凝土周边环境温度应在5 以上，每小时混凝土升高温度应在10 以下，为混凝土提供充足的散热条件。必要时还可在其表面铺设1层草帘，或平铺塑料膜，进而在保温过程中避免受冻3。3.4施工现场监管技术混凝土施工现场需运用现场监管技术，既能维护现场施工秩序，又能有效预防裂缝。现场监管技术是由项目经理或其他现场负责人就施工方案的落实度提出专项管理规定，并引领现场人员严格遵守相关要求，如正确搭设钢筋等材料保管仓库、保持7 d以上的养护时间等。为改善现场监管有效性，还应充分利用可视化软件及其他先进设备助力管理者进行现场监管。如通过有限元分析法预防混凝土裂缝时，可应用BIM技术，结合三维有限元模型分析构件是否存在交叉分布状况，亦可在智慧工地系统操作中，客观地了解现场资源分布情况，进而达到隐患排查与风险控制目的。管理者可在系统反馈界面上观察施工员在混凝土振捣、浇筑、养护等工序中的施工行为是否符合规范与标准，若违反规定，需立即告知现场人员，及时纠正错误，进而提高管理效率。4结语综上所述，工业与民用建筑施工中混凝土结构常因渗透、荷载、温度、锈蚀等因素形成裂缝，不但危及结构稳定性，而且增加了安全隐患，降低了建筑的耐久性，严重时将引起结构断裂。为从根本上预防混凝土结构裂缝，本文从技术层面展开深入研究，以有限元分析法探究开裂风险评估、材料性能提升、混凝土保温与施工现场监管等预防技术的实践作用。通过对三维有限元仿真模型特征的归纳总结，得知裂缝风险等级，从而细化施工方案，在保障工程建设质量的同时，降低裂缝病害发生率，以推进建筑领域可持续发展。【参考文献】1王文彬.工业与民用建筑施工中混凝土结构裂缝形成及预防要点分析J.企业科技与发展,2022(6):118-120.2蒋子军.工业与民用建筑施工中混凝土结构裂缝形成及预防措施J.居舍,2021(29):29-30.3李甫宁,付顺义,高俊,等.金鸡湖隧道主体结构混凝土收缩裂缝预防技术与应用J.新型建筑材料,2021,48(7):113-118.【收稿日期】2023-01-13159