裂縫產(chǎn)生原因的分析及其可以采取的措施

屠丹

對一個混凝土結(jié)構(gòu)物的安全性，人們往往很注意其結(jié)構(gòu)的受力狀況，并配以足夠的鋼筋，使之能夠保持良好的使用狀態(tài)。但常常是事與愿違地或多或少地出現(xiàn)一些裂縫，這是一個帶有普遍性的技術(shù)問題。您只要仔細(xì)觀察就不難發(fā)現(xiàn)：幾乎沒有一個混凝土結(jié)構(gòu)物是沒有裂縫的，如果我們借助儀器，還可以進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，裂縫時刻都在變化著、活動著，甚至還伴隨有聲響。在長期的施工實踐中，人們不斷地總結(jié)，對裂縫的認(rèn)識不斷地深化，措施也不斷地完善。但是，由于建筑物的破壞往往始于裂縫，長期以來人們對裂縫的產(chǎn)生有一種不情愿看到的現(xiàn)象，甚至有的人一聽到裂縫就產(chǎn)生出恐懼心理，這是一種消極的態(tài)度，是不可取的。正確的辦法是主動地做好工作，嚴(yán)格操作規(guī)程，認(rèn)真總結(jié)正反兩個方面的經(jīng)驗和教訓(xùn)，使自己的工作和工程質(zhì)量不斷地提高。因此，就黃埔大道隧道工程具體裂縫的產(chǎn)生原因作出如下分析，作為在今后施工時可以采取的一些措施。

一、 關(guān)于混凝土的收縮和徐變

由于水分蒸發(fā)可以引起混凝土構(gòu)件的體積收縮，增加水分又可以產(chǎn)生膨脹，這種體積變化就稱作“干縮濕脹”?；炷恋母煽s會引起構(gòu)件表面產(chǎn)生不規(guī)則的龜裂裂縫。

另外，構(gòu)件的尺寸對干縮有頗大的影響。一般是采用水力半徑倒數(shù)作為反映截面在大氣中的暴露程度來表示。所謂水力半徑在水力學(xué)中的概念是河流橫截面積與潤周之比（潤周是水與土基接觸的周邊長度）。相對于混凝土構(gòu)件的水力半徑倒數(shù)，即構(gòu)件受包圍截面的周長L（與大氣接觸的邊長）與該周邊所包圍的截面面積F之比。例如：一個截面尺寸為（20×20）cm的棱柱體，其水力半徑的倒數(shù)為

1/r = L/F = （20+20+20+20）/（20×20） = 0.2（cm）-1，

如為相同截面積之薄板，假設(shè)其板厚是2cm，寬為200cm，則水力半徑的倒數(shù)為

1/r = L/F = （2+200+2+200）/（2×200） = 1.01（cm）-1。

從上述計算結(jié)果可知：截面積相同時，薄板的水力半徑倒數(shù)是棱柱體的水力半徑倒數(shù)的5倍多，也就是說薄板的干縮能力遠(yuǎn)大于柱體，這正如本工程中的大體積砼底板較易受干縮作用而產(chǎn)生較大拉應(yīng)力甚至出現(xiàn)裂縫的緣故。

為防止和減少由于混凝土的收縮而產(chǎn)生的裂縫，本工程宜采取設(shè)置“后澆帶”的措施，這只是在施工期間保留的臨時性溫度收縮變形縫，被稱為“后澆帶”，它與溫度收縮應(yīng)力有關(guān)?！昂鬂矌А备鶕?jù)具體的施工情況，保留一定時間以便混凝土收縮完成一部分后，再用微膨脹混凝土填充封閉。所以，這是一種特殊的施工縫，目的是為取消結(jié)構(gòu)中的永久伸縮縫而設(shè)置的。為此，它既是設(shè)計中的臨時性伸縮縫，又是一個臨時性的施工縫。也就是說它既是設(shè)計手段，又是施工措施。

設(shè)置“后澆帶”的間距應(yīng)是最小伸縮縫的間距，一般定為20～30m，本工程砼底板面積較大，故采用30 m為宜?！昂鬂矌А钡谋Ａ魰r間在正常情況下不能少于40天，最宜是60天。在此期間，“早期溫差”以及至少有30%的收縮都已完成。但這個保留時間多長才合理，這就要考慮施工和各種因素，綜合研究比較最后決定。其填充的混凝土均要求比原標(biāo)號高5～10MPa并摻有微膨脹劑。本工程的“后澆帶”應(yīng)以快硬微膨脹混凝土填充，膨脹率為萬分之三。從以往的使用情況來看，“后澆帶”是一項比較成功和有效的措施，效果顯著，裂縫明顯地減少。“后澆帶”的優(yōu)點較多又實用，但因其施工周期長，填縫的工藝要求較高且經(jīng)濟(jì)上有些損耗，所以對此需綜合考慮，制定出最優(yōu)方案為宜。

二、混凝土的溫度應(yīng)力

混凝土構(gòu)件隨著溫度的變化而發(fā)生體積的膨脹或縮小，而箱體內(nèi)外溫差較大時就會出現(xiàn)不均勻變形，這些情況都會產(chǎn)生溫度應(yīng)力。當(dāng)收縮變形受到約束而產(chǎn)生的溫度應(yīng)力超過混凝土的容許拉應(yīng)力時，就會形成裂縫。由于混凝土導(dǎo)熱性能不太好，故溫度是引起混凝土溫度應(yīng)力及其變形乃至構(gòu)件出現(xiàn)裂縫的主要原因之一。

影響混凝土構(gòu)件溫度的因素主要有：水泥用量及其在水化過程中要發(fā)出一定的熱量即水化熱；外界氣溫升降，尤其是氣溫驟升驟降；太陽光的照射；風(fēng)吹雨淋等。這些都會引起混凝土構(gòu)件不均勻的溫度變化，尤其是構(gòu)件內(nèi)外溫差較大時而產(chǎn)生的變形變位。

混凝土構(gòu)件內(nèi)部的中心最高溫度一般是由澆筑溫度、水泥水化熱引起的絕熱溫升和混凝土澆筑后的散熱3部分組成。混凝土構(gòu)件內(nèi)部的中心最高溫度可用下式計算：

Tmax = Tj + T（τ）ξ， （1）

式中：Tj——混凝土的澆筑溫度（℃）；

T（τ）——在齡期為τ時混凝土的絕熱溫升；

ξ——不同澆筑塊厚度的溫降系數(shù)。

而澆筑溫度的計算式

Tj = Tc + （Tq一Tc） （A1 + A2 + A3 + … + An）， （2）

式中：，Tc——混凝土的拌和溫度（℃）；

Tq——混凝土運輸和澆筑時的室外氣溫（℃）；

A1，A2，A3，…，An 為溫度損失系數(shù)，其值如下：

·混凝土裝、卸和轉(zhuǎn)運，每次A = 0.032。

·混凝土運輸時A =θτ，τ為運輸時間（以min計），θ值可另見有關(guān)計算表格。

·澆筑過程中A = 0.003τ，τ為澆搗時間（以min計）。

另外，混凝土在澆筑初期，升溫速度快，混凝土內(nèi)部溫升的高峰值一般在3～5d內(nèi)產(chǎn)生，3天之內(nèi)可達(dá)到或接近最大溫升。而混凝土的齡期為τ時的絕熱溫升T（τ）可按下式計算：

T（τ） = WQ/cρ （1一e-mτ） （3）

式中：w——每m3混凝土中水泥用量（kg/m3）；

Q——每kg水泥水化熱量（kJ/kg）；

c——混凝土的比熱容，在計算時可取0.97（kJ/（kg·K））；

ρ混凝土的容重，取2 400kg/m3。

影響混凝土表面溫度的因素很多，除了混凝土本身的一些性質(zhì)、結(jié)構(gòu)形狀以外，還有養(yǎng)護(hù)方法、氣溫波動、太陽輻射等許多因素。另外，混凝土與模板、覆蓋層等之間的熱傳導(dǎo)也影響著混凝土表面溫度。由于混凝土內(nèi)外溫差而產(chǎn)生溫度應(yīng)力，這種應(yīng)力一旦大于混凝土的容許抗拉強(qiáng)度則會出現(xiàn)裂縫。所以，問題的關(guān)鍵是如何減小內(nèi)外溫差，把它降到最低，使之溫度應(yīng)力最小。從上式可知，主要措施是要減少水化熱和混凝土的澆筑溫度：

①減少水化熱。在本工程中水泥水化熱較高，應(yīng)盡可能地減少水泥用量，同時選用水化熱較小的水泥，其次在混凝土配比中摻人適量的優(yōu)質(zhì)粉煤灰，這樣既可改善混凝土品質(zhì)又能有效地減小水化熱。另外，在滿足設(shè)計值的前提下，可以適當(dāng)降低些混凝土標(biāo)號，減少水泥用量，使起到減小水化熱的作用。事實上，在廣州市內(nèi)環(huán)路的一些工程中，由于結(jié)構(gòu)形式相近，施工方法也大致差不多，由于在混凝土中摻了粉煤灰，有效地降低了水化熱，其混凝土結(jié)構(gòu)出現(xiàn)裂縫的幾率都大大降低。

②降低混凝土的澆筑溫度。首先，可將砂石料等原材料冷卻，這要求原材料在砼攪拌站時必須做好相應(yīng)的降溫措施，另外考慮砼摻入冰塊，此項措施要求精確掌握好冰塊融化前后的體積變化造成的配合比誤差，同時摻入冰塊的時間何融化時間也要精確計算到。此外，施工最好安排在夜間氣溫最低的時候，同時還可以分層澆筑混凝土，使其散熱速度加快。另外，可加快澆筑速度使混凝土人模時的溫度盡可能地低。在本工程中將全部采用商品混凝土，且攪拌站幾乎都設(shè)在郊區(qū)，再加上廣州市區(qū)交通流量相當(dāng)大，因此混凝土的運輸頗費時間，這對混凝土的澆筑溫度影響比較大。根據(jù)上述式（2）可知：如混凝土運輸車的運輸時間為60min時，根據(jù)查閱有關(guān)資料可知它的溫度增加系數(shù)A = 0.25，相應(yīng)增加混凝土的溫度為3.75℃，這樣就增加了混凝土入模時的澆筑溫度。所以，混凝土運輸?shù)臅r間不宜太長。其次，根據(jù)實際情況可在混凝土中摻入緩凝劑，尤其是夏季高溫時更要適當(dāng)摻入緩凝劑，以減緩水泥的硬化速度，延長混凝土的凝結(jié)時間。再就是要加強(qiáng)混凝土的養(yǎng)生工作，特別是夏天高溫水分極易蒸發(fā)，大風(fēng)干燥之時表面降溫很快，容易產(chǎn)生裂縫。

總之，可采用的有效措施和方法可以是多種多樣的，但一定要因地因時制宜，既要有效又要經(jīng)濟(jì)。目的就是要降低混凝土內(nèi)部溫度，縮小內(nèi)外溫差，使溫度應(yīng)力盡可能地小，從而避免裂縫的出現(xiàn)，即使有也要控制在容許范圍之內(nèi)。

三、 合理地布置鋼筋

鋼筋與混凝土共同作用的基礎(chǔ)是這兩者之間的粘結(jié)力。因為鋼筋的彈性模量大約是混凝土彈性模的7～15倍，所以當(dāng)混凝土構(gòu)件開裂時，鋼筋所承受的應(yīng)力卻很小，大約不超過10～20MPa左右。因此，要想利用鋼筋來防止混凝土的裂縫出現(xiàn)，就很難達(dá)到目的。但是，合理地布置鋼筋，能夠減輕混凝土的收縮程度，并限制裂縫開展寬度。有研究資料表明：合理地配筋可以提高混凝土的極限拉伸值，而且當(dāng)鋼筋的直徑較細(xì)、間距較密時，對提高混凝土的抗裂效果較好。一般來說，分布鋼筋的直徑采用聲6～8mm而其間距布置在100mm以下時，混凝土的裂縫寬度基本上可限制在0.05mm以下。在本工程中設(shè)計使用的鋼筋一般都較粗大且間距亦大于100mm，所以混凝土構(gòu)件的抗裂性能可能會受到一定影響，建議設(shè)計對分布筋的直徑及其間距適當(dāng)作些調(diào)整。

在工程中混凝土結(jié)構(gòu)產(chǎn)生裂縫的原因是多方面的，一般來說有原材料的，也有施工方案和工藝不當(dāng)?shù)?。如設(shè)計欠妥，周圍環(huán)境的影響，荷載大幅度增加，甚至不可抗拒的外因等等。因此，很難對裂縫的產(chǎn)生原因只用一種因素來解釋，要對不同具體情況分別進(jìn)行具體分析，采取各種經(jīng)濟(jì)實用的有效措施防止裂縫的發(fā)生，至少使裂縫的寬度嚴(yán)格控制在規(guī)范容許的范圍內(nèi)，確保工程質(zhì)量達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)。