混凝土房屋建筑結(jié)構(gòu)裂縫控制研究

謝正輝

混凝土材料本身是帶裂縫工作的,出現(xiàn)某種程度的裂縫是不可避免的。因此,混凝土出現(xiàn)裂縫是絕對(duì)的,沒有裂縫是相對(duì)的。規(guī)范中規(guī)定了相應(yīng)結(jié)構(gòu)的裂縫控制等級(jí)及最大裂縫寬度限值,并規(guī)定了相應(yīng)的裂縫寬度驗(yàn)算的方法[1]。這些方法要求在設(shè)計(jì)工程中加以考慮。然而,不少的工程實(shí)踐證明,在混凝土澆筑后不久或在施工階段會(huì)出現(xiàn)與設(shè)計(jì)中所考慮的裂縫部位、程度范圍及性質(zhì)完全不同的裂縫。這種裂縫有的并不影響結(jié)構(gòu)的承載能力或使用效果,是允許的,但也有不少的這類裂縫將嚴(yán)重影響結(jié)構(gòu)的承載能力和使用效果,是絕對(duì)不允許的。這就要求我們認(rèn)識(shí)這類裂縫產(chǎn)生的原因和規(guī)律,并采取相應(yīng)控制技術(shù)對(duì)裂縫進(jìn)行控制,稱為“裂縫控制”,即通過適當(dāng)?shù)募夹g(shù)措施,控制建筑物使其不產(chǎn)生有害裂縫,達(dá)到抗裂防滲目的。下面對(duì)梁板結(jié)構(gòu)、剪力墻結(jié)構(gòu)和大體積混凝土的裂縫控制問題進(jìn)行探討。

1 梁板結(jié)構(gòu)的裂縫控制

工程實(shí)踐表明,板上常出現(xiàn)貫穿裂縫,裂縫方向與較長邊垂直;梁上常出現(xiàn)表面裂縫,裂縫與梁的方向垂直。

經(jīng)分析認(rèn)為,梁板結(jié)構(gòu)的裂縫主要是由于降溫及收縮引起的。

梁板結(jié)構(gòu)裂縫的方向取決于約束和抗拉能力。裂縫方向一般垂直于約束較大的方向和垂直于抗拉能力較弱的方向。板結(jié)構(gòu)開裂的原因可能是,在板中約束變形大于極限拉伸時(shí),混凝土板就會(huì)出現(xiàn)第一批裂縫,把一塊板分成兩塊。分塊后板中又有自己的水平拉應(yīng)力,此水平拉應(yīng)力由于板寬比原來減少一半,因而應(yīng)力值隨之減小。如果該應(yīng)力值小于混凝土的極限拉伸值,則不再出現(xiàn)裂縫,表現(xiàn)為裂縫相對(duì)集中于板的中部。如果該應(yīng)力值仍大于混凝土的極限拉伸值,則還會(huì)出現(xiàn)第二批裂縫,直至分塊后的板中應(yīng)力值小于混凝土的極限拉伸值,結(jié)構(gòu)才能趨于穩(wěn)定。而梁的開裂機(jī)理與板結(jié)構(gòu)類似。

通過上述分析,防止梁板結(jié)構(gòu)的裂縫,可以從以下幾個(gè)方面考慮:1)由變形引起屋面板的裂縫如果不影響承載力,只需要把裂縫補(bǔ)好防止鋼筋銹蝕,且在板面涂上一層柔性防水材料。2)提高混凝土材料的抗裂能力和減少材料的收縮。對(duì)大跨度屋面,盡量避免使用收縮性較大的礦渣水泥配制混凝土,減小水灰比,選用含泥量小的骨料等。另外,適當(dāng)提高混凝土強(qiáng)度等級(jí)和含鋼率,盡量減小鋼筋直徑,加密間距等都是有效措施。3)防止較大溫差的出現(xiàn)對(duì)于防止鋼筋混凝土屋面裂縫,是至關(guān)重要的條件之一。鋼筋混凝土屋面一般都具有一定的抗裂能力,只要加強(qiáng)養(yǎng)護(hù),保持濕潤,及時(shí)做好隔熱或保溫處理,冬季施工還要注意保暖,有害裂縫是完全可以避免的。4)采取后澆縫法也是特大跨度的屋面板防止裂縫的有效措施。

2 剪力墻結(jié)構(gòu)的裂縫控制

1)采取后澆縫措施。將結(jié)構(gòu)體分為盡量小的許多段。第一次采取間隔澆筑這些分段,等待一段時(shí)間后,即待早期最大收縮完成后再補(bǔ)澆這些空塊使之成為整體。第一次澆筑塊的長度可通過分析計(jì)算確定,一般為20m～30m,后澆縫的寬度一般可選擇1.0m或稍大于1.0m。澆筑的間隔時(shí)間當(dāng)然越長越好,但考慮施工現(xiàn)實(shí)情況也須保持7 d以上。后澆縫處的鋼筋應(yīng)連續(xù)不斷,其接縫處應(yīng)作成企口縫、階梯縫或直縫等,并在澆筑前按一般施工進(jìn)行處理。后澆縫處使用的混凝土最好具有微膨脹性,且將混凝土標(biāo)號(hào)提高一個(gè)等級(jí),并加強(qiáng)灑水養(yǎng)護(hù)至15 d以上。2)配制補(bǔ)償收縮混凝土。在剪力墻結(jié)構(gòu)中摻入膨脹劑配制補(bǔ)償收縮混凝土是近年高性能混凝土發(fā)展的重要方向,因此加入適量膨脹劑有利于減少混凝土內(nèi)部裂縫。與普通混凝土相比,摻加膨脹劑的混凝土在濕養(yǎng)護(hù)期間可產(chǎn)生 100μ ε～ 200μ ε的 膨脹變形,有利于減少混凝土早期收縮,減少有害裂縫的發(fā)生。微膨脹混凝土因此在國內(nèi)得到了廣泛的應(yīng)用。3)纖維混凝土。以水泥凈漿、砂漿或混凝土作基材,以非連續(xù)的短纖維或連續(xù)的長纖維作增強(qiáng)材料組成的水泥基復(fù)合材料。和普通混凝土相比,纖維混凝土不僅能明顯改善抗拉、抗剪、抗彎等性能,而且能增加韌性和抗沖擊能力。因此纖維混凝土用于剪力墻結(jié)構(gòu),可以起到明顯的抗裂作用。

3 大體積混凝土結(jié)構(gòu)的裂縫控制

3.1 大體積混凝土抗裂設(shè)計(jì)

抗裂設(shè)計(jì),主要是指合理設(shè)計(jì)平面和立面,避免截面的突變,從而減小約束應(yīng)力;合理布置分布鋼筋,盡量采用小直徑、密間距;變截面處加強(qiáng)分布筋;避免選用超高強(qiáng)度混凝土,充分利用混凝土60d或90d強(qiáng)度;采用滑動(dòng)層來減小基礎(chǔ)的約束。

3.2 改善混凝土性能[2,3]

1)合理利用混凝土原材料。合理利用混凝土原材料,首先,應(yīng)優(yōu)先使用低熱和中熱水泥。水泥礦物的放熱量和放熱速度具有以下順序,見表1。其次,應(yīng)優(yōu)先選用熱學(xué)性能好的骨料。粗骨料占混凝土組成比例的絕大部分,因此混凝土熱學(xué)性能在很大程度上取決于粗骨料的礦物性質(zhì),優(yōu)先選用熱學(xué)性能好的骨料是混凝土溫度控制的基本措施之一。目前,我國各地工程所需的骨料基本上是就地取材的天然骨料,對(duì)于天然骨料應(yīng)該按規(guī)范要求進(jìn)行物理力學(xué)性能試驗(yàn)。

表1 不同熟料礦物的水化熱

2)減少混凝土水泥含量,降低混凝土水化熱。在混凝土中摻用粉煤灰作混合料,在我國已廣泛應(yīng)用。有研究表明粉煤灰的摻量為30%的混凝土比未摻粉煤灰的混凝土水化熱溫升降低2℃左右;摻20%粉煤灰的混凝土通過埋設(shè)電阻溫度計(jì),測得粉煤灰混凝土內(nèi)部水化熱最高溫升比不摻粉煤灰降低2℃～3℃;代替50%的水泥,可降低絕熱溫升5℃。在混凝土中摻用粉煤灰后降低了混凝土早期強(qiáng)度和極限拉伸值和溫升。以7 d齡期為例,摻與不摻極限拉伸降低19×10-6;而溫度變形值降低34.1×10-6。由此可見,適當(dāng)?shù)膿椒勖夯覍?duì)大體積混凝土抗裂是有利的。

3)降低混凝土澆筑溫度?；炷翝仓囟热Q于原材料和混凝土拌合物溫度。原材料的溫度隨氣溫而變化,對(duì)澆筑混凝土是否需要降溫措施和采取何種措施,也因季節(jié)和氣溫不同而異。

每年春、秋兩季和我國南方低溫季節(jié),氣溫較為適宜澆筑大體積混凝土,可以不利用和少利用溫控措施,因此,充分利用這一季節(jié)澆筑溫控要求嚴(yán)格的部位(如基礎(chǔ)混凝土)和爭取多澆筑混凝土是十分有利的,這樣不僅節(jié)約了溫控費(fèi)用,尤其有利于防止混凝土裂縫和加快施工進(jìn)度。

加冷卻水或加冰拌和混凝土,因環(huán)境、氣溫、原材料溫度及要求入倉溫度而定。同時(shí)預(yù)冷骨料,有些工程即使采用加冰拌和等措施仍不能滿足溫控要求,還要采用其他措施。比較常用的方法是對(duì)骨料進(jìn)行冷卻。太陽直接照射和傳導(dǎo)給混凝土拌合物使其溫度升高,使已經(jīng)取得的降溫效果減少或喪失。

4)加速混凝土散熱?；炷翉募颖韬偷交炷翝仓院?都會(huì)因水化熱發(fā)展而繼續(xù)升溫。因此,加速散發(fā)已澆筑混凝土內(nèi)部的熱量,降低澆筑塊的最高澆筑溫度,也是大體積混凝土溫度控制的重要環(huán)節(jié)。散發(fā)已澆筑混凝土內(nèi)部熱量的途徑有表面自由散熱和冷卻水管通水強(qiáng)迫散熱等。

3.3 加強(qiáng)施工控制

加強(qiáng)施工控制,可以有效控制大體積混凝土因?yàn)闇囟葢?yīng)力產(chǎn)生裂縫。主要方法有:用保溫隔熱法對(duì)大體積混凝土進(jìn)行養(yǎng)護(hù);控制混凝土溫升,混凝土中心與外表面的最大溫差不高于25℃～30℃,總降溫差30℃;控制降溫速度;用草袋和塑料薄膜進(jìn)行保溫和保濕;用跳倉打方法和企口縫;用后澆帶減小溫度收縮等等。

3.4 應(yīng)用“抗與放”原則,采取超長結(jié)構(gòu)有條件地?zé)o縫連續(xù)澆筑

按照王鐵夢先生關(guān)于抗與放的理論[4],對(duì)于超長建筑結(jié)構(gòu)的連續(xù)澆筑也有很好的效果。

4 結(jié)語

防止大體積混凝土發(fā)生溫度裂縫是一個(gè)綜合性的問題,只要在混凝土原材料的選擇,配合比的確定以及工藝等方面全面采取措施,根據(jù)理論分析和現(xiàn)場觀測資料,積極從溫度應(yīng)力方面研究與混凝土實(shí)際變形性能相適應(yīng)的一整套溫度控制措施,就可以防止大體積混凝土發(fā)生有害的溫度裂縫。

[1]GB 50010-2002,混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[2]彭 波,丁慶軍,胡曙光.利用粉煤灰配置高性能綠色混凝土的試驗(yàn)研究[J].粉煤灰,2001(6):21-22.

[3]彭 波.高強(qiáng)混凝土開裂機(jī)理及裂縫控制研究[D].武漢:武漢理工大學(xué),2002.

[4]王鐵夢.建筑物的裂縫控制[M].上海:上?？萍汲霭嫔?1987.