鋼筋混凝土結構裂縫產生的原因及預防

1 前言 

　　近年來,隨著鋼筋混凝土結構的長大化和復雜化,以及商品混凝土的大量推廣和混凝土強度等級的提高,結構裂縫出現機率大大增加,有些已危及結構的安全性和耐久性,有的地下工程裂滲已影響其使用功能。筆者根據長期的科學研究和大量工程實踐,提出鋼筋混凝土結構裂縫原因及控制、預防措施,供工程界參考,不妥之處請指正。 

　　2 結構裂縫產生的原因及預防 

　　結構裂縫產生的原因很復雜,根據國內外的調查資料,引起裂縫有兩大類原因,一種由外荷載(如靜、動荷載)的直接應力和結構次應力引起的裂縫,其機率約20%;一種是結構因溫度、膨脹、收縮和不均勻沉降等因素由變形變化引起的裂縫,其機率約80%。裂縫發生與材料、設計、施工和維護有關,現作以下分析。 

　　2.1材料缺陷 

　　在變形裂縫中收縮裂縫占有80%的比例,從混凝土的性質來說大概有: 

　　2.1.1 干燥收縮 

　　研究表明,水泥加水后變成水泥硬化體,其絕對體積減小。每l00克水泥水化后的化學減縮值為7～9ml,如混凝土水泥用量為35Okg/m3,則形成孔縫體積約25～30l/m3之巨。這是混凝土抗拉強度低和極限拉伸變形小的根本原因。研究表明,每lOOg水泥漿體可蒸發水約6ml,如混凝土水泥用量為350kg/m3,當混凝土在干燥條件下, 則蒸發水量達2ll/m3。毛細孔縫中水逸出產生毛細壓力,使混凝土產生“毛細收縮”。由此引起水泥砂漿的干縮值為0.1%～0.2%;混凝土的干縮值為0.04%～0.06%。而混凝土的極限拉伸值只有0.01%～0.02%,故易引起干縮裂縫,干燥收縮裂紋出現在接近1年齡期內。 

　　2.1.2 溫差收縮 

　　對于強度要求較高的混凝土,水泥用量相對較多,水泥水化是個放熱過程,其水化熱為l65～250焦爾/克,隨混凝土水泥用量提高,其絕熱溫升可達50～80℃。研究表明,當混凝土內外溫差1 0℃時,產生的冷縮值εC= △T/α= 10/l10-5=0.O1%,如溫差為20～30℃時,其冷縮值為0.02～0.03%,而混凝土極限拉伸值只有0.01~0.015%,因而冷縮常引起混凝土開裂。 

　　2.1.3塑性收縮 

　　混凝土初凝之前出現泌水和水份急劇蒸發,引起失水收縮,此時骨料與水泥之間也產生不均勻的沉縮變形,它發生在混凝土終凝之前的塑性階段,故稱為塑性收縮。其收縮量可達1%左右。在混凝土表面上,特別在抹壓不及時和養護不良的部位出現龜裂,寬度達l～2mm,屬表面裂縫。水灰比過大,水泥用量大,外加劑保水性差,粗骨料少,振搗不良,環境溫度高,表面失水大等都能導致混凝土塑性收縮而發生表面開裂現象。 

　　2.1.4 自生收縮 

　　密閉的混凝土內部相對濕度隨水泥水化的進展而降低,稱為自干燥。高水灰比的普通混凝土(OPC)由于毛細孔隙中貯存大量水分,自干燥引起的收縮壓力較小,所以自生收縮值較低而不被注意。但是,低水灰比的高性能混凝土(HPC) 則不同,早期強度較高的發展率會使自由水消耗較快,以至使孔體系中的相對濕度低于80%。而HPC結構致密,外界水泥很難滲入補充,在這種條件下開始產生自干收縮。研究表明,齡期2個月水膠比為0.4的HPC,自干收縮率為0.01%,水膠比為0.3的HPC,自干收縮率為0.02%。HPC的總收縮中干縮和自收縮幾乎相等,水膠比越小自收縮所占比例越大。由此可知,HPC的收縮性與OPC完全不同,OPC以干縮為主,而HPC以白干收縮為主。問題的要害是:HPC自收縮過程開始于水化速率處于高潮階段的頭幾天,溫度梯度首先引發表面裂縫,隨后引發內部微裂縫,若混凝土變形受到約束,則進一步產生收縮裂縫。這是高標號混凝土容易開裂的主要原因之一。 

　　以上是從水泥混凝土物理化學特性分析其各種收縮現象,早期塑性收縮會導致結構出現表面裂縫,混凝土進入硬化階段后,混凝土水化熱使結構產生溫差收縮和干燥收縮(包括自干收縮),這是誘發裂縫的主要原因。