鋼筋混凝土結構構件裂縫成因剖析

孫艷紅

當前,鋼筋混凝土廣泛應用于建筑工程,成為主要建筑材料,鋼筋混凝土構件業(yè)已成為結構的主要受力構件。雖然鋼筋混凝土充分發(fā)揮了鋼筋和混凝土材料的性能優(yōu)點,但混凝土作為一種非均質多相復合材料,相組成上包括水泥石、骨料和骨料—水泥石界面三部分,在自身變形、收縮和荷載作用下,容易造成同相連續(xù)性或異相粘結的中斷或破壞,再加上混凝土是典型的脆性材料,抗拉強度低,容易形成裂縫[1]。裂縫的存在影響建筑美觀,削弱構件的整體性和承載能力,影響其安全性、適用性和耐久性,造成安全隱患,已成為建筑工程中普遍的質量問題,有必要對其形成、開展原因進行研究。

1 自身缺陷

鋼筋混凝土結構構件主要由鋼筋和混凝土兩種性質不同的材料組成,共同承受荷載作用,混凝土主要表現出塑性,澆筑成型過程中,自身存在隨機分布、不同尺寸和類型的微裂縫,伴隨著溫度變形和收縮,在約束和粘結應力的共同作用下,混凝土內部產生拉應力,并在局部集中,當大于混凝土極限抗拉強度時,迫使微裂縫擴張成裂縫。可以說混凝土自身的各向異性和受力的非連續(xù)性決定了裂縫與其之間的伴生關系。

2 設計原因

建筑工程設計過程是一項系統(tǒng)工程,應充分考慮地質條件、使用功能、環(huán)境因素、施工水平等因素,任一環(huán)節(jié)的疏忽都會引起構件的質量缺陷,帶來災難性后果。鋼筋混凝土結構構件裂縫和設計密切相關,合理的設計可以把裂縫控制在允許的范圍之內,設計的不合理會加劇裂縫的發(fā)展。如設計前期勘探不明或過高估計地基承載力引起地基基礎的不均勻沉降;體型設計不合理;設計過程中荷載估計過小或漏算、計算模型選取不當導致的安全儲備不足;構造不合理;重視安全性忽略耐久性驗算;施工順序及施工技術設計不合理等均會導致裂縫產生。

3 施工原因

1)材料因素。當前施工用混凝土主要為商用泵送混凝土,為了增強混凝土的流動性,延長混凝土的初凝時間,追求利益最大化,部分廠家會在一定程度上片面改變水泥的質量、混凝土骨料的級配、混凝土的配合比、外加劑的摻調、混凝土坍落度的控制,嚴重影響混凝土質量。

2)施工管理因素。施工管理主要是對施工人員和施工現場的管理,如果管理不當或管理不到位,均會嚴重影響施工質量。如偷工減料造成的構件尺寸偏小、鋼材用量不足、鋼筋綁扎或焊接不合要求、節(jié)點處理不當、踩踏受力鋼筋等,甚至出現施工人員因專業(yè)水平較低無意識改變設計意圖等。

3)施工工藝因素。施工工藝不良或混亂會嚴重影響施工質量,如混凝土振搗不密實、不均勻導致混凝土塌陷、沉降,過度振搗導致析水、模板變形,混凝土分層或分段澆筑時接頭部位處理不當,模板剛度不足或模板支撐局部沉降,拆模過早或工藝不當,后澆帶施工表面處理不當等。同時,新的施工技術如滑模施工技術等也會引起表面裂縫的出現。

4)養(yǎng)護工藝因素。良好的養(yǎng)護條件和工藝是確保鋼筋混凝土構件質量的基本措施?；炷琉B(yǎng)護是保證其適宜的溫度、濕度,創(chuàng)造良好的硬化條件。養(yǎng)護不當或不及時都會導致裂縫產生,特別是在混凝土養(yǎng)護早期,混凝土還不是硬化體,處于可塑性狀態(tài),強度還沒有完全建立起來,應避免附加荷載的作用。

4 環(huán)境因素

1)收縮裂縫。根據收縮的機理,收縮分為塑性收縮、自收縮和干燥收縮。塑性收縮主要發(fā)生在混凝土澆筑成型后到終凝前這段時間,此時混凝土處于可塑狀態(tài),強度尚未形成,由于骨料沉降和泌水,混凝土發(fā)生塑性收縮,當收縮裂縫大于混凝土的極限拉應變,混凝土開裂。自收縮由水泥水化作用引起:a.水泥水化作用下,混凝土自身體積減小,稱為水化收縮;b.水化作用消耗混凝土內部孔隙的水分,形成真空,造成負壓,產生收縮,稱為自身干燥收縮。自收縮主要發(fā)生于混凝土澆筑成型以后到終凝后一周左右的時間。干燥收縮貫穿于混凝土使用的全過程。

2)溫度裂縫。主要由水化熱引起,水泥水化產生水化熱,溫度上升,伴隨著水化放熱的終了,混凝土溫度開始下降,表層混凝土溫度下降較快,產生收縮,內部溫度下降較慢,仍處于受熱膨脹狀態(tài),并對外層混凝土的收縮起約束作用,產生自生應力,并在局部集中,達到混凝土的極限抗拉強度,導致混凝土表面開裂。

3)溫變裂縫。由外界溫度變化產生的溫差引起,如暴曬、冰雪覆蓋、室內外溫差、冷熱變化等。表現為溫差引起的收縮膨脹,之間互為約束產生自生應力,或溫度降低,構件體積收縮,在外部約束作用下,產生約束應力,均會迫使混凝土開裂,形成裂縫。

4)凍融裂縫。凍融裂縫的產生與混凝土的密實程度和長期受潮密切相關,潮濕環(huán)境融入混凝土中的水分在寒冷氣候作用下結冰,體積膨脹產生膨脹應力,在反復凍融循環(huán)作用下,生成凍融裂縫。表現為混凝土酥松、表面砂漿剝落、鋼筋裸露、銹蝕。

5)鋼筋銹蝕裂縫。受力鋼筋銹蝕是影響鋼筋混凝土構件耐久性的重要因素。正常情況下,鋼筋在混凝土強堿性的作用下形成致密的保護膜,使鋼筋處于鈍化狀態(tài),此時鋼筋不易發(fā)生銹蝕。但在環(huán)境的長期作用下,混凝土由于碳化和Cl-的侵蝕,破壞鋼筋表面的保護膜,使鋼筋處于活性或半活性狀態(tài),發(fā)生銹蝕,體積膨脹,對周圍混凝土形成膨脹應力,積聚到一定程度,迫使混凝土開裂,進一步加劇鋼筋的銹蝕和混凝土的開裂,同時鋼筋銹蝕導致構件承載能力下降,影響構件的承載能力。

6)化學反應膨脹裂縫?；瘜W反應膨脹裂縫是一類典型的非荷載變形裂縫,具有代表性的是堿骨料反應。堿骨料反應是混凝土中的堿與骨料中活性粒子發(fā)生化學反應生成無膠凝性能的凝膠體,體積膨脹3倍～4倍,產生很大的膨脹內應力,導致混凝土開裂。

5 預制構件

預制鋼筋混凝土構件在建筑工程中的運用,提升了施工速度,節(jié)約建設成本。預制構件一般定點制作,質量可靠,但在運輸、堆放、吊裝等過程中,若工藝或管理不當,易受各種動靜荷載、重復荷載和反復荷載作用,甚至碰撞,導致保護層脫落、承載能力下降、變形加劇等,在設計荷載作用下引起混凝土開裂。

6 構造裂縫

構造裂縫很大程度上是由于設計不良和施工因素引起,是裂縫的一種常見形式,如建筑平面設計不規(guī)則,構件拐角處、斷面突變處應力集中,導致裂縫;構件中線路管線布置、構造措施不合理等均會影響構件的承載能力。如PVC電線暗管在板中的布置削弱了板的有效截面,同時粘結力不足,極易導致分布裂縫;結構開口部位和突出部位因收縮應力集中易于開裂等。

7 使用功能改變

建筑工程在設計之初就根據使用功能、地質條件、環(huán)境類別等因素確定體型、結構形式、荷載等。伴隨著建筑工程的使用過程,可能會發(fā)生使用功能的改變,如建筑物用途變更、廠房工藝變化、設備更新或增添設備以及改建、擴建等。造成結構實際荷載增加、承載方式的改變,發(fā)生構件因承載能力不足而產生荷載裂縫,甚至導致安全事故。

8 自然災害和偶發(fā)事故

自然載荷和偶發(fā)事故種類多樣,破壞力巨大,如地震、水災、風災、雪災、地基塌陷、滑坡、爆炸、撞擊及其他工程事故等。建筑工程按照設計規(guī)范進行設計,具有一定的抵御自然災害的能力,由于當前經濟水平、設計及計算水平的限制:

1)沒有條件對所有自然災害和偶發(fā)事故進行設防;2)無法對其破壞作用機理進行全真計算模擬,如地震,根據《抗震設計手冊》,設防烈度等級低于9級,設計手冊規(guī)定結構設計大多數情況以等效地震荷載的形式表示地震作用,僅考慮水平和豎向兩個方向的荷載作用,在重要建筑上考慮動載效應,這與實際地震作用不符,另外如水災作用下引起的地基沉降,風災、地震的反復荷載作用,爆炸沖擊荷載等可能導致裂縫,甚至構件破壞。

9 結語

鋼筋混凝土結構構件裂縫成因復雜,影響因素繁多。本文從材料自身缺陷、設計因素、施工因素、使用環(huán)境等8個方面闡述了裂縫的成因,舉出了可能導致裂縫的做法,對鋼筋混凝土結構設計、施工、質量管理及裂縫預防有一定的指導意義。

[1]張 雄.混凝土結構裂縫防治技術[M].北京:化學工業(yè)出版社,2007.

[2]韓泰芳,耿維恕.鋼筋混凝土結構裂縫控制指南[M].北京:化學工業(yè)出版社,2006.

[3]白寶軍.現澆鋼筋混凝土結構的裂縫成因及控制[J].廣東建材,2008(3):28-30.

[4]曾明祥.鋼筋混凝土結構受力裂縫控制與加固處理方法的對比分析和應用[J].中外建筑,2008(6):148-150.

[5]李永生.混凝土裂縫控制[J].山西建筑,2008,34(7):168-169.