鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)裂縫的成因及控制研究

毛文發(fā)

（福建炬鑫建設(shè)工程有限公司，福建 福州 350001）

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)憑借可塑性、整體性較強(qiáng)的優(yōu)勢，廣泛應(yīng)用于建筑工程領(lǐng)域，但是，其也存在缺點(diǎn)，即裂縫通病。若出現(xiàn)裂縫且未及時(shí)處理，將嚴(yán)重影響建筑結(jié)構(gòu)的安全穩(wěn)固性。在注重工程質(zhì)量的當(dāng)下，分析建筑工程鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)裂縫的成因與控制措施確屬必要。

1 工程概況

本次工程為寧德市獅城鎮(zhèn)尚品·云山名城（三期）7#～10#樓、地下室、2#～4#配電房工程，整體結(jié)構(gòu)為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，地下室1 層，地上27 層，抗震等級7 級以上，總建筑面積65 800m2。尚品·云山名城（三期）建設(shè)規(guī)模大，整體造價(jià)較高。

2 鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)裂縫成因

2.1 設(shè)計(jì)因素

不合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)帶可能導(dǎo)致以下裂縫：

（1）扭矩與剪力作用下產(chǎn)生的裂縫。當(dāng)建筑結(jié)構(gòu)承受較大荷載時(shí)，可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)產(chǎn)生某一方向上的裂縫。

（2）地基沉降產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)裂縫。若結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)缺乏地基強(qiáng)度的考量，一旦地基出現(xiàn)沉降現(xiàn)象，會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)出現(xiàn)由下向上延伸的裂縫，集中于結(jié)構(gòu)剛度薄弱區(qū)域，進(jìn)而影響鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的完整性。

本工程樓建項(xiàng)目較多，建筑平面存在較多轉(zhuǎn)角，在應(yīng)力集中的情況下容易形成薄弱部位，此類部位是結(jié)構(gòu)裂縫出現(xiàn)的高發(fā)區(qū)域，且整體較為隱蔽，不易被發(fā)現(xiàn)，因此，設(shè)計(jì)因素在鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)裂縫中的影響力更大。

2.2 材料因素

混凝土材料的優(yōu)點(diǎn)是易塑性、經(jīng)濟(jì)性、安全性較高，缺點(diǎn)是自重大、延展性差、抗拉強(qiáng)度低等。材料因素是引發(fā)結(jié)構(gòu)裂縫的主要因素，具體體現(xiàn)在以下幾個方面：

（1）水泥質(zhì)量參數(shù)不達(dá)標(biāo)，集料粒徑過細(xì)，整體含泥量超出標(biāo)準(zhǔn)水平等。

（2）骨料內(nèi)含有導(dǎo)致結(jié)構(gòu)再生的有害物質(zhì)，使整體結(jié)構(gòu)體積發(fā)生變化。

（3）由于混凝土性能不穩(wěn)定，容易出現(xiàn)離析分層等現(xiàn)象。

2.3 溫度因素

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的溫度裂縫是指內(nèi)約束裂縫和外約束裂縫，形成原因是內(nèi)外溫差。其中，內(nèi)約束裂縫主要是因?yàn)榛炷羶?nèi)外溫差較大，形成裂縫，尤其在冬季，鋼筋混凝土表面溫度降低，極易在結(jié)構(gòu)30mm 深度處產(chǎn)生裂縫，但對整體結(jié)構(gòu)不會產(chǎn)生較大影響；外約束裂縫同樣由降溫導(dǎo)致，但主要因平均降溫參數(shù)過大導(dǎo)致。在房屋建筑工程的大體積混凝土澆灌作業(yè)完成后，結(jié)構(gòu)需經(jīng)過一段時(shí)間的硬化，這一階段水泥將放出較多的水化熱，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部溫度提高，散熱緩慢，隨著與外界環(huán)境溫差的逐漸加大，出現(xiàn)拉應(yīng)力，待其冷卻降溫時(shí)，在荷載等其他力的影響下，拉應(yīng)力可能會大于結(jié)構(gòu)抗拉強(qiáng)度，進(jìn)而出現(xiàn)裂縫。

2.4 施工及養(yǎng)護(hù)因素

由施工不當(dāng)引發(fā)的鋼筋混凝土裂縫也較為常見，本工程建設(shè)規(guī)模較大，在澆筑、制作、拆模、運(yùn)輸、吊裝等過程中，過厚的保護(hù)層、已綁扎的上層鋼筋質(zhì)量損傷等，極易造成垂直于受力鋼筋的裂縫；或是混凝土振搗不密實(shí)、鋼筋銹蝕、后期養(yǎng)護(hù)不到位等，均會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)表面出現(xiàn)收縮裂縫。

3 鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)裂縫控制措施

3.1 完善結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為有效降低設(shè)計(jì)因素對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)裂縫的影響，可從以下幾個方面入手：

（1）做好荷載分析。圍繞房屋建筑結(jié)構(gòu)中的剛度要求，明確荷載水平，控制結(jié)構(gòu)承重性能與荷載之間的偏差。

（2）增加沉降縫設(shè)計(jì)。工程所在的寧德市為亞熱帶季風(fēng)氣候，可通過沉降縫設(shè)計(jì)避免裂縫的形成與擴(kuò)大。在開展房屋主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)綜合考量周圍環(huán)境，合理預(yù)測可能出現(xiàn)裂縫的范圍，從而根據(jù)應(yīng)力大小的限制，控制裂縫的影響范圍。以本工程中的剪力墻連梁為例，運(yùn)用SAP2000 有限元分析軟件進(jìn)行分析，取得主應(yīng)力軌跡，通過軟件分析與計(jì)算結(jié)果得知，存在一條斜向拉應(yīng)力貫穿連梁。主應(yīng)力跡線如圖1 所示。兩端應(yīng)力較大，極易于連梁與墻肢交界處產(chǎn)生裂縫。為此，設(shè)計(jì)單位在鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中合理增加了沉降縫設(shè)計(jì)，在遵從環(huán)境因素、簡化設(shè)計(jì)原則的基礎(chǔ)上，針對裂縫的高發(fā)區(qū)域落實(shí)完整的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并采取構(gòu)造措施，減小應(yīng)力影響，同時(shí)，科學(xué)設(shè)計(jì)地基處理方案，有效提升地基各項(xiàng)性能，將沉降量控制在合理范圍內(nèi)，有效減少結(jié)構(gòu)裂縫的形成，細(xì)小裂縫的延伸空間也十分有限。

圖1 主應(yīng)力跡線

3.2 結(jié)構(gòu)施工材料控制

為減少結(jié)構(gòu)裂縫，可加大材料控制力度，具體如下：

（1）優(yōu)選混凝土級配，確保其具有良好的抗拉性能。

（2）盡可能降低水灰比，減少坍落度，適當(dāng)加大骨料粒徑，雜質(zhì)含量與含泥量均要控制在合理范圍內(nèi)。

（3）立足于工程實(shí)際需求選擇水化熱反應(yīng)較小且能夠有效影響收縮的摻合料與外加劑。

（4）科學(xué)規(guī)劃材料運(yùn)輸路線，盡量選擇路況平緩、運(yùn)輸距離較短的路線，抵達(dá)施工現(xiàn)場后做好質(zhì)量抽檢、妥善分類存儲等工作。

不同品種的水泥具有不同的水化熱反應(yīng)與收縮量，當(dāng)其強(qiáng)度等級、活性較高時(shí)，其收縮量也較高，收縮周期較長，因此，該工程中幾乎沒有投入早強(qiáng)、高強(qiáng)水泥，選用的是具有低水化熱特性的水泥。同時(shí)，分析了砂、石等材料的泥、粉等雜質(zhì)含量，為降低出現(xiàn)結(jié)構(gòu)裂縫的概率，需對此類雜質(zhì)進(jìn)行檢查。水灰比與收縮量呈正比關(guān)系，與抗拉強(qiáng)度呈反比關(guān)系，以0.6 與0.4 的水灰比為例，前者收縮比后者增加40%；以0.2 與0.4 的水泥漿量為例，前者比后者的收縮量增加45%左右，因此，可以適當(dāng)加入粉煤灰等減水劑，利用其火山灰效應(yīng)和潤滑效應(yīng)提升泵送混凝土的和易性，減少其收縮量。具體配合比見表1。

表1 混凝土配合比

3.3 基于應(yīng)力計(jì)算控制溫度要素

本工程主要分析混凝土澆筑溫度、散熱溫度及水泥水化熱反應(yīng)的溫升，其中，水泥水化熱作為結(jié)構(gòu)內(nèi)外溫差較大的主要因素，在結(jié)構(gòu)初期升溫階段占中心溫度的65%～70%，尤其是環(huán)境溫度在15℃以上、20℃以下的情況下。此外，由此引發(fā)的溫升主要集中于齡期2～5d，因此，采用的溫度應(yīng)力計(jì)算公式為：

其中，混凝土溫度應(yīng)力為δ，單位為N/cm2；計(jì)算齡期的彈性模量為E（t），單位為N/cm2；混凝土齡期為t，單位為d；松弛系數(shù)為S（t），不同齡期的情況下，松弛系數(shù)存在差異；水化熱、收縮量溫差與氣溫差的代數(shù)和為T（t）；外約束系數(shù)為R，巖石地基的情況下，系數(shù)為1，可滑動墊層的系數(shù)為0，一般地基系數(shù)在0.25～0.50 之間；泊松比為v，數(shù)值范圍為0.15～0.20。松弛系數(shù)見表2。

表2 混凝土松弛系數(shù)

在掌握溫度應(yīng)力且科學(xué)控制結(jié)構(gòu)施工材料后，應(yīng)采取措施控制澆筑溫度和內(nèi)表溫差。

（1）澆筑溫度控制。本工程的控制重點(diǎn)集中在原材料溫度與氣溫方面，立足于溫度應(yīng)力的計(jì)算及外部環(huán)境的分析，有效將作業(yè)階段的溫差控制在20℃～25℃之間。12℃～20℃的室外環(huán)境，澆筑溫度應(yīng)不大于20℃。

（2）在控制混凝土內(nèi)表溫差時(shí)，應(yīng)結(jié)合實(shí)際的外界溫度環(huán)境，提高對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)后期降溫的重視程度，做好保溫工作，避免結(jié)構(gòu)出現(xiàn)深層裂縫。

（3）在水泥水化熱階段，由于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)散熱緩慢，上升或下降10℃時(shí)，混凝土?xí)a(chǎn)生0.01%的線膨脹或收縮，因此，為避免出現(xiàn)溫差收縮裂縫，本工程提前埋設(shè)了冷卻水管，以循環(huán)控制澆筑后的混凝土中心溫度，降低水泥水化熱對中心溫度的影響。實(shí)際控制中，選用規(guī)格半徑在35～40cm 之間、材質(zhì)為鍍鋅的水管，將其埋設(shè)在側(cè)墻，以實(shí)現(xiàn)混凝土溫度控制。為更好地掌握實(shí)時(shí)溫度，可于不同部位埋設(shè)測溫孔，實(shí)時(shí)控制、改善初期階段結(jié)構(gòu)內(nèi)部升溫較快的問題，將溫度從55℃降至45℃。這一舉措有助于縮短溫度變化周期，再次對循環(huán)水溫進(jìn)行調(diào)整，有效實(shí)現(xiàn)預(yù)期目標(biāo)，即3℃/d 的結(jié)構(gòu)內(nèi)部降溫速度與不高于15℃的內(nèi)部溫差。

3.4 做好施工控制及結(jié)構(gòu)養(yǎng)護(hù)工作

3.4.1 施工控制

首先，開展?jié)仓鳂I(yè)時(shí)，提前檢查混凝土質(zhì)量，采用均勻力度振搗混凝土，施工現(xiàn)場嚴(yán)禁鋼筋踩踏與隨意拉扯，控制板面負(fù)筋保護(hù)層厚度，于支座梁鋼筋上放置現(xiàn)澆板負(fù)筋，并合理綁扎梁筋，做好負(fù)筋固定工作，避免支座下沉產(chǎn)生裂縫。其次，由于預(yù)埋線管周圍是結(jié)構(gòu)裂縫出現(xiàn)的高發(fā)部位，因此，要在施工期間做好裂縫防治工作，本工程中，通過增設(shè)抗裂短鋼筋的方式進(jìn)行加強(qiáng)。最后，針對模板使用不當(dāng)產(chǎn)生的裂縫，應(yīng)及時(shí)采取控制措施。

①檢查變形構(gòu)件的質(zhì)量，若是梁、板局部彎曲變形值在20mm 以下，抹灰階段糾正其外觀即可，如EC2000 聚合物抗裂砂漿等。

②針對出現(xiàn)的裂縫，應(yīng)及時(shí)開展灌補(bǔ)修復(fù)工作，如灌注樹脂膠、碳纖維浸漬膠等。若裂縫在0.2mm 以下，且彎曲變形小于跨度長的1‰時(shí)，采取化學(xué)灌漿修復(fù)等技術(shù)；若裂縫寬度在0.3mm以上，則要立刻采用化學(xué)灌漿補(bǔ)強(qiáng)修復(fù)技術(shù)，以保證結(jié)構(gòu)安全穩(wěn)固性。

3.4.2 養(yǎng)護(hù)控制

本工程采用多種養(yǎng)護(hù)方法，具體為：灑水、覆蓋毛氈、塑料薄膜鋪設(shè)、保溫養(yǎng)護(hù)等方式，控制結(jié)構(gòu)內(nèi)部溫度與水分流失，以降低出現(xiàn)結(jié)構(gòu)收縮裂縫的概率。尤其是保溫隔熱法，為縮小內(nèi)外溫度差異，減少其水分蒸發(fā)量，采用保溫材料和定時(shí)噴熱法對結(jié)構(gòu)表面進(jìn)行處理。

根據(jù)實(shí)際情況對結(jié)構(gòu)表面、預(yù)埋管線附近、結(jié)構(gòu)內(nèi)部進(jìn)行施工效果檢查，表面存在3 處正常的收縮裂縫，其余區(qū)域均未出現(xiàn)裂縫、裂紋，未出現(xiàn)滲漏現(xiàn)象。由于結(jié)構(gòu)裂縫施工控制措施得力，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)施工質(zhì)量達(dá)到規(guī)范要求，驗(yàn)收一次合格。

4 結(jié)語

綜上所述，結(jié)構(gòu)裂縫的成因多種多樣，涉及濕度、溫度、荷載等，因此，為有效控制鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)裂縫，保證其整體安全穩(wěn)固性，應(yīng)做好前期結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作，優(yōu)化拐角等部分的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，同時(shí)，全面實(shí)施溫差控制、施工控制及養(yǎng)護(hù)控制等措施，以降低發(fā)生結(jié)構(gòu)裂縫的概率，保證工程質(zhì)量。