淺談鋼筋混凝土裂縫控制

靳 龍 李永波 李云朋

中國(guó)建筑第七工程局有限公司華北公司（300000）

1 裂縫的直接原因

1）收縮及水化熱增加

自從20世紀(jì)70年代末我國(guó)混凝土施工工藝產(chǎn)生了巨大的進(jìn)步—泵送商品混凝土工藝。從過去的干硬性、低動(dòng)性、現(xiàn)場(chǎng)攪拌混凝土轉(zhuǎn)向集中攪拌、大流動(dòng)性泵送澆筑，水泥用量增加，水灰比增加，砂率增加，骨料粒徑減小，用水量增加等導(dǎo)致收縮及水化熱增加。

2）混凝土強(qiáng)度等級(jí)日趨提高

建筑結(jié)構(gòu)混凝土強(qiáng)度等級(jí)日趨提高，但有許多結(jié)構(gòu)不適當(dāng)?shù)倪x擇了過高的強(qiáng)度等級(jí)。習(xí)慣上認(rèn)為：“強(qiáng)度等級(jí)越高安全度越大，就高不就低，提高強(qiáng)度等級(jí)沒壞處”。有時(shí)遷就施工方便,采用高強(qiáng)混凝土，這是一種誤導(dǎo)，導(dǎo)致水泥標(biāo)號(hào)增加，水泥用量增加，水用量增加，細(xì)骨料及粗骨料徑偏小，砂率偏大等都使水化熱及收縮增加。

3）結(jié)構(gòu)約束應(yīng)力不斷增大

結(jié)構(gòu)規(guī)模日趨增大，結(jié)構(gòu)形式日趨復(fù)雜，超長(zhǎng)超厚及超靜定結(jié)構(gòu)成為經(jīng)常采用結(jié)構(gòu)形式并采用現(xiàn)澆施工，這種結(jié)構(gòu)形式有顯著的約束作用，對(duì)于各種變形作用必然引起較大約束應(yīng)力。

4）外加劑的負(fù)效應(yīng)

外加劑及摻合料種類繁多，只有強(qiáng)度指標(biāo)缺乏對(duì)水化熱及收縮變形影響的長(zhǎng)期實(shí)驗(yàn)資料，有些試驗(yàn)資料并不嚴(yán)格，有許多外加劑嚴(yán)重的增加收縮變形，有的甚至降低耐久性。

5）忽略結(jié)構(gòu)約束

國(guó)內(nèi)外結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中都經(jīng)常忽略構(gòu)造鋼筋的重要性，因而經(jīng)常出現(xiàn)構(gòu)造性裂縫。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中經(jīng)常忽略結(jié)構(gòu)約束性質(zhì)，不善于利用“抗與放”的設(shè)計(jì)原則，缺乏相應(yīng)的設(shè)計(jì)施工規(guī)范、規(guī)程。

6）養(yǎng)護(hù)方法不當(dāng)

目前在混凝土施工中采用的養(yǎng)護(hù)方法基本沿用過去簡(jiǎn)易的方法，這種方法已遠(yuǎn)不適應(yīng)泵送混凝土的較大溫度收縮變形的要求。

7）混凝土抗拉性能不足

這種裂縫在抗力方面都是由于混凝土抗拉性能不足(抗拉強(qiáng)度和極限拉伸)引起的，這方面的材料級(jí)配研究很少。

綜合上述，國(guó)際公認(rèn)泵送商品混凝土對(duì)混凝土的質(zhì)量(均質(zhì)性)有很大的提高，對(duì)供應(yīng)方式有重要的改進(jìn)，但是對(duì)混凝土的裂縫控制的難度大大增加了。因此，這類問題不是我國(guó)特有的技術(shù)問題，是國(guó)際上鋼筋混凝土的共性難題。

2 混凝土的某些基本物理力學(xué)性質(zhì)

1）混凝土的收縮及水化熱

在工民建領(lǐng)域,大部分結(jié)構(gòu)構(gòu)件(板墻梁等構(gòu)件)均屬薄壁結(jié)構(gòu),泵送混凝土澆筑的構(gòu)件收縮量很大，因此經(jīng)常出現(xiàn)收縮裂縫?；炷恋氖湛s機(jī)理至今尚未統(tǒng)一，但大多數(shù)的研究成果認(rèn)為混凝土是具有大量孔隙的材料。

養(yǎng)護(hù)條件對(duì)混凝土的收縮影響很大，養(yǎng)護(hù)14 d的收縮比養(yǎng)護(hù)3 d的收縮降低約20%。環(huán)境的相對(duì)濕度越高，收縮越小，許多結(jié)構(gòu)所處的環(huán)境濕度波動(dòng)很大，如最低30%～40%，最高達(dá)80%～90%。環(huán)境溫度越高，風(fēng)速越大，收縮越大，高空澆灌容易引起開裂，如高架橋梁及橋墩。

混凝土的配筋對(duì)于收縮值起一定的約束作用，但是與配筋率的高低有關(guān)，按目前構(gòu)造配筋率的情況看來，降低收縮的影響是比較小的。根據(jù)泵送商品混凝土的收縮試驗(yàn),其收縮值約在 6×10-4～8×10-4，有的試驗(yàn)還遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了這個(gè)數(shù)量，有些大橋的橋墩和高層建筑的厚壁立柱由于施工質(zhì)量及過大的坍落度，形成了中部骨料多，外部或上表面砂漿厚，從而形成極不均勻的收縮，砂漿和水泥漿的收縮比混凝土的收縮大約增加2～5倍，并由于表面水份蒸發(fā)快從而形成大面積的表面裂縫?；炷链旨?xì)骨料的含泥量和粉料含量都增加收縮。

2）混凝土的徐變(蠕變)因素的考慮

混凝土的徐變機(jī)理也有許多種，如彈性徐變理論、老化徐變理論、繼效徐變理論等等。作為工程裂縫控制的應(yīng)用,我們只能應(yīng)用其中主要的成果，以常系數(shù)的形式，考慮在彈性計(jì)算的結(jié)果中，從而簡(jiǎn)化非線形分析。由于混凝土的徐變作用，給鋼筋混凝土和預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土帶來有利和不利兩方面的影響。從不利方面來看，它可以造成預(yù)應(yīng)力損失，增加撓度，降低鋼筋和混凝土的粘著力等。從有利方面來看,可以使彈性的溫度收縮應(yīng)力大大的松弛，根據(jù)變形速率及混凝土齡期，它對(duì)應(yīng)力降低的程度約0.3～0.8倍，保溫保濕養(yǎng)護(hù)越好，降溫越慢，松弛系數(shù)越小，具體數(shù)字可參考文獻(xiàn)[1-2]。

3）混凝土的抗拉強(qiáng)度及極限拉伸

泵送混凝土澆筑后，其抗壓強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度都隨著時(shí)間而增長(zhǎng)，但增長(zhǎng)的速率，抗拉滯后于抗壓，水泥標(biāo)號(hào)的提高及水泥用量的增加，對(duì)抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)較為顯著，而對(duì)抗拉強(qiáng)度增長(zhǎng)較小。

相對(duì)變形約束應(yīng)力，混凝土的極限拉伸尤為重要，國(guó)內(nèi)外曾進(jìn)行過一些試驗(yàn)研究。通過對(duì)雙摻(減水劑及粉煤灰)混凝土的抗拉試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)混凝土隨著荷載速率及養(yǎng)護(hù)條件，其極限拉伸和抗拉強(qiáng)度波動(dòng)很大,在極慢速(接近實(shí)際溫度和濕度緩慢變化速度)條件下，其極限拉伸可達(dá)(2～3)×10-4，顯然這里包含了徐變變形，這對(duì)溫度收縮應(yīng)力是很有利的(在強(qiáng)度計(jì)算中用松弛系數(shù)乘以彈性應(yīng)力與按變形計(jì)算增加極限拉伸是等同的)。

特別值得注意的是,混凝土中的較大含泥量及其它雜質(zhì)可以明顯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脹物引起混凝土的崩裂，因此要求泵送混凝土必須遵循“精料供應(yīng)”的原則。

合理的配筋，特別是構(gòu)造配筋，細(xì)一點(diǎn)密一點(diǎn)可以提高混凝土的極限拉伸。

3 裂縫控制設(shè)計(jì)原則與措施

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的裂縫是不可避免的，但其有害程度是可以控制的，有害與無(wú)害的界限是由結(jié)構(gòu)使用功能決定的。裂縫控制的主要方法是通過設(shè)計(jì)、施工、材料等方面綜合技術(shù)措施將裂縫控制在無(wú)害范圍內(nèi)。綜合技術(shù)措施包括：合理選擇結(jié)構(gòu)形式，降低結(jié)構(gòu)約束程度，對(duì)與水平構(gòu)件梁、板、墻等采用中低強(qiáng)度級(jí)混凝土，加強(qiáng)構(gòu)造配筋，如板頂部的受壓區(qū)連續(xù)配筋,板的陽(yáng)角及陰角配置放射筋，增加梁的腰筋間距200 mm。優(yōu)選有利于抗拉性能的混凝土級(jí)配，盡力減小水灰比、減少坍落度、降低砂率增加骨料粒徑，降低含泥量及雜質(zhì)含量。選用影響收縮和水化熱較小的外加劑和摻合料。采取保溫保濕的養(yǎng)護(hù)技術(shù),盡量利用混凝土后期強(qiáng)度(60 d)。對(duì)于超長(zhǎng)結(jié)構(gòu)可采取跳倉(cāng)澆灌或后澆帶方法施工。對(duì)于復(fù)雜的結(jié)構(gòu)難免出現(xiàn)少量裂縫影響正常使用和耐久性。裂縫分為表面裂縫、淺層裂縫、縱深裂縫(深層裂縫)、貫穿裂縫等。少量有害裂縫采用近代化學(xué)灌漿技術(shù)處理，滿足設(shè)計(jì)使用和耐久性要求，不應(yīng)因此降低工程質(zhì)量評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)。

為保證混凝土工程質(zhì)量，防止開裂，提高混凝土的耐久性，正確使用外加劑也是減少開裂的措施之一。

1）混凝土中存在大量毛細(xì)孔道，水蒸發(fā)后毛細(xì)管中產(chǎn)生毛細(xì)管張力，使混凝土干縮變形。增大毛細(xì)孔徑可降低毛細(xì)管表面張力，但會(huì)使混凝土強(qiáng)度降低。這個(gè)表面張力理論早在20世紀(jì)60年代就已被國(guó)際上所確認(rèn)。

2）水灰比是影響混凝土收縮的重要因素，使用減水防裂劑可使混凝土用水量減少25%。

3）水泥用量也是混凝土收縮率的重要因素，摻加減水防裂劑的混凝土，在保持混凝土強(qiáng)度的條件下可減少15%的水泥用量，其體積用增加骨料用量來補(bǔ)充。

4）減水防裂劑可以改善水泥漿的稠度，減少混凝土泌水，減少沉縮變形。

5）提高水泥漿與骨料的粘結(jié)力，可提高混凝土的抗裂性能。

6）混凝土在收縮時(shí)受到約束產(chǎn)生拉應(yīng)力，當(dāng)拉應(yīng)力大于混凝土抗拉強(qiáng)度時(shí)，裂縫就會(huì)產(chǎn)生。減水防裂劑可有效的提高混凝土抗拉強(qiáng)度，大幅提高混凝土的抗裂性能。

7）摻加外加劑可使混凝土密實(shí)性好，可有效地提高混凝土的抗碳化性，減少碳化收縮。

8）摻減水防裂劑后混凝土緩凝時(shí)間適當(dāng)，在有效防止水泥迅速水化放熱基礎(chǔ)上，避免因水泥長(zhǎng)期不凝而帶來的塑性收縮增加。

9）摻外加劑混凝土和易性好，表面易摸平，形成微膜，減少水分蒸發(fā)，減少干燥收縮。

許多外加劑都有緩凝、增加和易性、改善塑性的功能，我們?cè)诠こ虒?shí)踐中應(yīng)多進(jìn)行這方面的試驗(yàn)對(duì)比和研究，比單純的靠改善外部條件，會(huì)更加簡(jiǎn)捷、經(jīng)濟(jì)。