超長(zhǎng)砼結(jié)構(gòu)裂縫種類及控制方法研究

文/張為舟 江西省醫(yī)藥設(shè)計(jì)院 江西南昌 330046

超長(zhǎng)砼結(jié)構(gòu)裂縫種類及控制方法研究

文/張為舟 江西省醫(yī)藥設(shè)計(jì)院 江西南昌 330046

超長(zhǎng)砼結(jié)構(gòu)常常由于混凝土收縮和環(huán)境溫度變化而出現(xiàn)收縮與溫度裂縫。本文從該類裂縫的種類、成因及預(yù)防控制措施等多方面、多角度探討如何有效減少超長(zhǎng)砼結(jié)構(gòu)裂縫從而提高建筑物使用壽命。

超長(zhǎng)砼結(jié)構(gòu)；收縮；后澆帶；預(yù)應(yīng)力

1、引言

混凝土結(jié)構(gòu)裂縫是在混凝土硬化過(guò)程中產(chǎn)生的?；炷撩撍?、收縮，或者受溫度、濕度、不均勻沉降等因素影響，進(jìn)一步發(fā)展，產(chǎn)生了裂縫。一般認(rèn)為，結(jié)構(gòu)的跨度大，更易產(chǎn)生裂縫，結(jié)構(gòu)如果跨度小，不容易產(chǎn)生裂縫。因此，根據(jù)規(guī)范要求，對(duì)跨度大的單體結(jié)構(gòu)，設(shè)置伸縮縫?？缍刃〉慕Y(jié)構(gòu)，可以不設(shè)或少設(shè)伸縮縫。裂縫的產(chǎn)生與否，除與結(jié)構(gòu)本身的長(zhǎng)度有關(guān)以外，與材料選擇、地理?xiàng)l件、氣候差異、結(jié)構(gòu)形式、溫度環(huán)境、收縮情況等因素有關(guān)。所產(chǎn)生的裂縫主要分為荷載和變形裂縫。溫度以及砼收縮在變形引起的裂縫中占極大部分?？梢钥闯?，必須早期超長(zhǎng)砼結(jié)構(gòu)中實(shí)施有效的預(yù)控及應(yīng)對(duì)措施，否則裂縫就會(huì)不斷擴(kuò)大，影響建筑的安全與使用壽命。

2、超長(zhǎng)砼結(jié)構(gòu)的裂縫種類及產(chǎn)生原因

砼結(jié)構(gòu)裂縫，即，混凝土結(jié)構(gòu)裂縫，指的是，混凝土在硬化過(guò)程中，由于混凝土脫水、收縮，或者受溫度、濕度、不均勻沉降等造成變形荷載的影響而產(chǎn)生的裂縫。裂縫產(chǎn)生的原因比較復(fù)雜，按其成因有兩大類。

2.1超長(zhǎng)砼結(jié)構(gòu)溫度裂縫

超長(zhǎng)砼結(jié)構(gòu)溫度裂縫產(chǎn)生的原因主要有：（1）混凝土原材料的收縮：用水泥砂、石作骨料；與水及外加劑等按一定比例配合，攪拌，通過(guò)有水化作用，將混凝土的硬化成形。這是一種物理過(guò)程，必然受到物理?xiàng)l件的影響：水與水泥會(huì)形成水泥結(jié)晶體砼結(jié)構(gòu)內(nèi)的自由水蒸發(fā)帶來(lái)混凝土的干縮。（2）溫度、溫度與環(huán)境的變化等會(huì)引起混凝土的熱脹冷縮：一般的鋼筋砼結(jié)構(gòu)為超靜定結(jié)構(gòu)，樓面內(nèi)的的豎向構(gòu)件（如柱、墻等）在樓層間易發(fā)生位移。當(dāng)豎向構(gòu)件（如柱、墻等）的抗側(cè)剛度較小時(shí)，易發(fā)生側(cè)向變形，并對(duì)樓面產(chǎn)生拉應(yīng)力。而由于溫度、濕度變化，導(dǎo)致豎向構(gòu)件的抗側(cè)剛度逐漸變大時(shí)，加之這時(shí)如果建筑物的單體結(jié)構(gòu)跨度較長(zhǎng)、豎向構(gòu)件多，建筑物的側(cè)向變形會(huì)受到約束、樓面內(nèi)會(huì)產(chǎn)生更大的拉應(yīng)力，如任其發(fā)展，砼結(jié)構(gòu)將產(chǎn)生溫度裂縫。

2.1.1應(yīng)對(duì)結(jié)構(gòu)溫度裂縫的措施

在對(duì)超長(zhǎng)砼結(jié)構(gòu)的溫度應(yīng)力的計(jì)算中，我們發(fā)現(xiàn)，混凝土收縮與溫度應(yīng)力提高的因素主要是環(huán)境溫差與混凝土收縮導(dǎo)致的。水泥是砼使用原材料中的關(guān)鍵，砂率要進(jìn)行同樣嚴(yán)格的限制，不能超過(guò)42%；粗細(xì)骨料含泥量能夠?qū)攀湛s及砼抗拉造成很大影響，所以必須提出明確的限量要求。粉煤灰和水的比例不變時(shí)，砼收縮就會(huì)受到水和水泥用量的很大影響。所以在保證水灰比和可泵性一定的情況下，水泥漿量要盡可能的降低。其實(shí)也就是對(duì)單方砼膠結(jié)材料的最高、最低用量的限制。經(jīng)實(shí)踐證明，砼配比設(shè)計(jì)的比例應(yīng)是：0.54∶1∶2.15∶0.36∶3.24∶0.033即，水∶水泥∶細(xì)骨料∶粉煤灰∶粗骨料∶泵送劑。

另外，應(yīng)根據(jù)相關(guān)氣象數(shù)據(jù)，獲得該建筑的環(huán)境溫差。顯而易見，建筑結(jié)構(gòu)每年都會(huì)經(jīng)歷一次或多次升降溫天氣過(guò)程，應(yīng)找出該建筑物的最大溫差，將該數(shù)值與混凝土的收縮變化進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，并要選擇合理的修正系數(shù)。

2.1.2溫度應(yīng)力的形成

由于溫度變化，結(jié)構(gòu)或構(gòu)件產(chǎn)生伸或縮，而當(dāng)伸縮受到限制時(shí)，結(jié)構(gòu)或構(gòu)件內(nèi)部便產(chǎn)生應(yīng)力，稱為溫度應(yīng)力。在混凝土硬化過(guò)程中，溫度應(yīng)力產(chǎn)生過(guò)程如下：

階段一：從澆筑砼結(jié)構(gòu)開始到水化熱，由以前的7—14天，變?yōu)?8天。在這個(gè)過(guò)程中，砼彈性模量發(fā)生極大改變，水泥也會(huì)放出大量的水化熱。而彈性模量的改變會(huì)在此過(guò)程中產(chǎn)生殘余應(yīng)力。

階段二：從水泥放熱至砼冷卻，外界氣候的改變及砼的冷卻產(chǎn)生溫度應(yīng)力，并與之前的殘余應(yīng)力產(chǎn)生疊加效應(yīng)。在這個(gè)過(guò)程中砼彈性模量改變小。

階段三：砼完全冷卻后，環(huán)境變化帶來(lái)溫度應(yīng)力變化。此應(yīng)力與之前兩種應(yīng)力疊加。

2.1.3預(yù)防溫度裂縫的方法

從工藝上，應(yīng)采用低熱水泥, 利用砼后期的強(qiáng)度, 將水灰比控制在一定范圍內(nèi), 石子粒徑及連續(xù)級(jí)配比要合理, 中砂細(xì)度模數(shù)要大過(guò)2.4 等，這些措施可有效的使水化熱降低從而防止變形。

在施工階段要合理控制溫度。要減少約束應(yīng)力應(yīng)先在墊層上鋪一層低強(qiáng)度的砂漿；增加測(cè)溫次數(shù)以便進(jìn)行降溫處理，使室內(nèi)外溫差不超過(guò)24℃；為出現(xiàn)溫差梯度對(duì)已澆砼進(jìn)行保溫保濕，并降低溫度應(yīng)力。

2.2超長(zhǎng)砼結(jié)構(gòu)收縮裂縫的產(chǎn)生原因與相關(guān)措施

2.2.1如何防止超長(zhǎng)砼結(jié)構(gòu)因收縮產(chǎn)生裂縫

在超長(zhǎng)砼結(jié)構(gòu)中，混凝土的變形、收縮受到建筑基礎(chǔ)、豎向構(gòu)件（門柱、墻等）及混凝土內(nèi)部鋼筋的約束，約束會(huì)對(duì)混凝土增加拉應(yīng)力，當(dāng)拉應(yīng)力超過(guò)混凝土的抗拉強(qiáng)度，建筑結(jié)構(gòu)將開裂。影響混凝土收縮的因素有很多，如水泥質(zhì)量、水泥等級(jí)、水泥與砂漿配合比、混凝土的密實(shí)度、環(huán)境溫度、濕度、養(yǎng)護(hù)方法、水泥添加劑的品種與用量等。

2.2.2砼結(jié)構(gòu)收縮裂縫形成原因

超長(zhǎng)砼混凝土的收縮裂縫是主要由約束引起。一般分為兩種：(1)外約束：建筑結(jié)構(gòu)間的相互作用；(2)內(nèi)約束：結(jié)構(gòu)或構(gòu)件內(nèi)部在變形過(guò)程中的相互作用。

在超長(zhǎng)砼結(jié)構(gòu)中，一般情況下，建筑物各構(gòu)件均會(huì)受到外約束與內(nèi)約束的共同作用。

2.2.3應(yīng)對(duì)收縮裂縫的措施

應(yīng)采用后澆帶分段施工：

“后澆帶”是指，“為適應(yīng)環(huán)境溫度變化、混凝土收縮、結(jié)構(gòu)不均勻沉降等因素影響，在梁、板（包括基礎(chǔ)底板）、墻等結(jié)構(gòu)中預(yù)留的具有一定寬度且經(jīng)過(guò)一定時(shí)間后再澆筑的混凝土帶”① 。

該施工帶需根據(jù)設(shè)計(jì)要求保留一段時(shí)間后再澆筑，將整個(gè)結(jié)構(gòu)連成整體。在后澆帶構(gòu)造中，后澆帶鋼筋應(yīng)該按貫通留筋。后澆帶的設(shè)置距離，應(yīng)考慮在有效降低溫差和收縮應(yīng)力的條件下，通過(guò)計(jì)算來(lái)獲得。

3、應(yīng)對(duì)控制超長(zhǎng)砼結(jié)構(gòu)裂縫的各種方法及其分析

結(jié)合上面上種方法，對(duì)于混凝土結(jié)構(gòu)裂縫的控制措施，主要采取“抗放并舉”原則。“放”是指采取手段，降低因溫度及混凝土收縮帶來(lái)的影響。比如，設(shè)置后澆帶夠減少混凝土早期收縮和溫度應(yīng)變?！翱埂笔侵讣訌?qiáng)混凝土結(jié)構(gòu)強(qiáng)度來(lái)對(duì)抗溫度應(yīng)力，以達(dá)到控制裂縫的目的。

3.1采用預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)工藝

為控制超長(zhǎng)砼結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)性開裂問題，“可通過(guò)施加預(yù)應(yīng)力減少其在混凝土內(nèi)部產(chǎn)生的拉應(yīng)力”②，在施工中，采用預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)工藝是控制超長(zhǎng)混凝土結(jié)構(gòu)裂縫的有效方法，減小混凝土開裂的可能。預(yù)應(yīng)力砼結(jié)構(gòu)有很多優(yōu)點(diǎn)，可采用預(yù)應(yīng)力筋套管等方法，布置簡(jiǎn)單，調(diào)整容易，大大縮短了施工時(shí)間。在設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)，可根據(jù)規(guī)范中裂縫控制等級(jí)的要求，相應(yīng)增加或減少預(yù)應(yīng)力砼結(jié)構(gòu)中的預(yù)應(yīng)力筋的數(shù)量。

3.2設(shè)置后澆帶

后澆帶對(duì)對(duì)抗結(jié)構(gòu)裂縫很有幫助。后澆帶的寬度應(yīng)考慮施工簡(jiǎn)便，避免應(yīng)力集中。一般其寬度為70～100cm。根據(jù)一般設(shè)計(jì)要求，后澆帶寬度800mm可滿足使用要求。后澆帶內(nèi)的鋼筋應(yīng)完好保存。沉降后澆帶在主體封頂后，根據(jù)沉降記錄，由設(shè)計(jì)單位確認(rèn)后方可封閉；收縮后澆帶應(yīng)該在兩側(cè)混凝土齡期達(dá)到45d后方可封閉。地下室后澆帶必須采取覆蓋保護(hù)措施，凡因留置后澆帶而形成較大懸臂的部位應(yīng)加支撐，待后澆帶砼澆筑后強(qiáng)度達(dá)到100%時(shí)才能拆除。

后澆帶填筑前必須全面進(jìn)行清理干凈。超前止水后澆帶技術(shù)適用于所有基礎(chǔ)底板、外墻的后澆帶。尤其適用于基礎(chǔ)位于地下水位以下的高層建筑或主體施工時(shí)間較長(zhǎng)的基礎(chǔ)后澆帶工程，也適用于須留設(shè)后澆帶但基礎(chǔ)不能長(zhǎng)時(shí)間暴露需立即進(jìn)行基礎(chǔ)土方回填的工程，同時(shí)適用于施工場(chǎng)地狹小或工期緊需進(jìn)行砌體等后續(xù)工序穿插的工程。

3.3混凝土材料優(yōu)化

優(yōu)化混凝土材料，有助于解決超長(zhǎng)混凝土結(jié)構(gòu)的裂縫問題。采用低熱水泥, 利用砼后期的強(qiáng)度,將水灰比控制在一定范圍內(nèi), 石子粒徑及連續(xù)級(jí)配要好, 中砂細(xì)度模數(shù)要大過(guò)2.4等，這些措施可有效的使水化熱降低從而防止變形。同時(shí)，在施工階段要合理控制溫度。

3.4加強(qiáng)混凝土養(yǎng)護(hù)

控制溫度及干燥引起的變形的關(guān)鍵就是養(yǎng)護(hù)。特別是超長(zhǎng)超厚砼結(jié)構(gòu)，加快水泥水化，降低約束應(yīng)力及內(nèi)外溫差是主要的，然后要對(duì)降溫速度也進(jìn)行控制，利用砼強(qiáng)度達(dá)到建筑抗裂效果，防止裂縫的出現(xiàn)。覆蓋養(yǎng)護(hù)時(shí)砼表面要濕潤(rùn)，高溫下禁止查處模板，砼強(qiáng)度較低時(shí)要進(jìn)行敲擊振動(dòng)。

結(jié)論：

因此，要預(yù)防及控制超長(zhǎng)砼結(jié)構(gòu)的裂縫是一項(xiàng)系統(tǒng)工程，關(guān)鍵在于減小溫度應(yīng)力和收縮作用，采取預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)工藝、設(shè)置后澆帶，從而抵抗溫度及收縮拉應(yīng)力，能更好解決超長(zhǎng)砼結(jié)構(gòu)裂縫控制問題。工程技術(shù)人員應(yīng)在設(shè)計(jì)、施工全過(guò)程中綜合各類影響因素，采取相應(yīng)措施，適時(shí)超長(zhǎng)砼結(jié)構(gòu)進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，防止裂縫的產(chǎn)生。

注釋：

①混凝土結(jié)構(gòu)工程施工規(guī)范(GB50666-2011)第2.0.10條

②《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50010— 2010)

[1]JGJ3—2010，高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程[S].

[2]GB50010--2010，混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[3]潘立.橫穿混凝土后澆帶配筋對(duì)后澆帶效能不利影響的計(jì)算分析[J].建筑結(jié)構(gòu)，2007，(7)：14．16.

[4]陳順，南建林．超長(zhǎng)地下結(jié)構(gòu)后澆帶的寬度和配筋率對(duì)應(yīng)力釋放的影響分析.第十四屆全國(guó)混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土學(xué)術(shù).會(huì)議論文集[C]．長(zhǎng)沙，2007.

[5]全學(xué)友，孫會(huì)郎.后澆帶的設(shè)置方案對(duì)抗裂效果的影響[J].建筑結(jié)構(gòu)，2004，(6)：22-24.

張為舟（1981年--），男，漢族，籍貫：南昌 學(xué)歷：工學(xué)學(xué)士 單位：江西省醫(yī)藥設(shè)計(jì)院。研究方向：工業(yè)與民用建筑。