张东亮
建筑结构产生裂缝是很普遍的现象,从理论上说,混凝土结构尤其是受弯构件总是带裂缝工作的,在使用荷载不大的情况下,没有裂缝隙或这类结构性裂缝隙非常细微,不易为肉眼所察觉。但在现实的建筑中,混凝土结构会出现各种各样的裂缝,其中最常见的是钢筋混凝土构件以及砖墙裂缝。钢筋混凝土梁出现裂缝的原因很复杂,主要有材料或气候因素、施工不当、设计和施工错误、改变使用功能或使用不合理等,通常可归纳为以下几种。
1 混凝土裂缝的类型和原因
混凝土的裂缝按产生的时间可分为硬化前裂缝、硬化过程裂缝和完成硬化后裂缝。按裂缝产生的原因将混凝土分为两大类:
1)由外荷载引起的裂缝,包括按照常规计算的主要应力引起的“荷载裂缝”以及由结构本身自重引起的裂缝,通常俗称为结构性裂缝、受力裂缝。2)由变形变化引起的裂缝,包括温度、湿度、收缩和膨胀、不均匀沉降等因素引起的裂缝,也称为非结构性裂缝。
2 钢筋混凝土常见裂缝原因分析
1)材料质量。材料质量问题引起的裂缝较常见的原因是水泥、砂、石等质量不好,若工程上用了这些不合格的材料就会产生“豆腐渣工程”。所以说只有材料的质量关把好了,工程质量才会在根本上得到保证。2)施工工艺。施工工艺涉及的面很广,不可能一一叙述,一般常用到的有:施工过程中,钢筋表面污染、混凝土保证层太小或太大,浇筑中碰撞钢筋使其移位等都可能引起裂缝,施工控制不严,超载堆荷,也可能导致出现裂缝。混凝土养护,早期养护质量与裂缝的关系密切,混凝土尚处于未完全硬化状态时,如干燥过快,则产生收缩裂缝,通常发生在表面上,裂缝不规则,宽度小,另外水泥在水化及硬化过程中,散发大量热量,使混凝土内外部产生温差,超过一定值时,因混凝土的收缩不一致而产生裂缝。避免在极端天气条件下施工,可以减少混凝土结构的开裂情况。3)地基变形。在钢筋混凝土结构中,造成开裂的主要原因是不均匀沉降。裂缝的大小、外形、方向决定于地基变形的情况,由于地基变形造成的应力相对较大,使得裂缝一般是贯穿性的。4)温度变形。混凝土具有热胀冷缩的性质,其线膨胀系数一般为1×10-5℃。当环境温度发生变化时,就会产生温度变形,由此产生附加应力,当这种应力超过混凝土的抗拉强度时,就会产生裂缝。在工程中,这类裂缝较多见,譬如现浇屋面板上的裂缝,大体积混凝土的裂缝等。5)湿度变形。混凝土在空气中结硬时,体积会逐渐减小,一般谓之干缩。收缩裂缝较普遍,常见于现浇墙板式结构、现浇框架结构等,通常是因为养护不良造成。混凝土的收缩值一般为0.2‰～0.4‰,其发展规律是早期快、后期缓慢。6)结构受荷。结构受荷后产生裂缝的因素很多,施工中和使用中都可能出现裂缝。例如早期受震、拆模过早或方法不当、构件堆放、运输、吊装时的垫块或吊点位置不当、施工超载、张拉预应力值过大等均可能产生裂缝。7)设计欠周全。如截面不够、梁的跨度过大、高度偏小,或者由于计算错误,受力钢筋截面偏小或板太薄、配筋位置不当、节点不合理、结构构件断面突变或因开洞、留槽引起应力集中,构造处理不当,现浇主梁在搁次梁处如没有设附加箍筋,或附加吊筋以及各种结构缝设置不当等因素均易导致混凝土开裂。
3 施工考虑新拌和混凝土温度及对裂缝规范要求
3.1 考虑新拌和混凝土温度
混凝土拌合物中每种材料对新拌混凝土温度的贡献与每种材料的温度、比热和每种材料的质量有关。可以根据下式大致推断出新拌混凝土温度:
其中,T为新拌混凝土温度,℃;Ta,Tc,Tw,Twa分别为集料、水泥、拌合水和集料中自由水的温度,℃;Ma,Mc,Mw,Mwa分别为集料、水泥、拌合水和集料中自由水的质量,kg。
3.2 尽可能使用较冷的水源
水可以制冷、液氮或冰进行冷却,通常拌合水温度降低2.0℃～2.2℃可以使混凝土温度降低0.5℃。但是,拌合水在整个拌合物中所占的比例很小,所以若单独冷却水,混凝土温度降幅一般不超过4.5℃。
3.3 裂缝规范要求
根据《混凝土结构设计原理》之规定,钢筋混凝土构件的最大裂缝宽度如表1所示。
表1 结构构件的裂缝控制等级及最大裂缝宽度极限 mm
4 预防措施
1)材料选用。水泥:应选用水化热较低的水泥,严禁使用安定性不合格的水泥。粗骨料:宜用表面粗糙、质地坚硬的石料、级配良好、空隙率小、无碱性反应;有害物质及黏土含量不超过规定。细骨料:宜用颗粒较粗、空隙较小、含泥量较低的中砂。外掺加料:宜采用减水剂等外加剂,以改善混凝土工作性能,降低用水量,减少收缩。2)配料。配合比设计:应采用低水灰比、低用水量,以减少水泥用量。禁止任意增加水泥用量。配制混凝土时计量应准确,要严格控制水灰比和水泥用量,搅拌均匀,离析的混凝土必须重新拌匀后,方可浇筑。3)配筋。钢筋品种、规格、数量的改变、代用,必须考虑对构件抗裂性能的影响。钢筋的位置要正确,保护层过大或过小都可能导致混凝土开裂,钢筋间距过大,易引起钢筋之间的混凝土开裂。4)模板工程。模板构造要合理,以防止模板各杆件间的变形不同而导致混凝土裂缝。模板和支架要有足够的刚度,防止施工荷载作用下,模板变形过大造成开裂。合理把握拆模时机,拆模时间不能过早,应保证早龄期混凝土不损坏或不开裂,但也不能太晚,尽可能不要错过混凝土水化热峰值,即不要错过最佳养护介入时机。5)混凝土浇筑。混凝土浇筑时应防止离析现象,振捣应均匀、适度。加强混凝土的早期养护,并适度延长养护时间,在气温高、湿度低或风速大的条件下,更应及早进行喷水养护,在浇水养护有因难时,或者不能保证其充分湿润时,可采用覆盖保湿材料等方法。6)设计构造。建筑平面选型时在满足使用功能要求的前提下,力求简单,平面复杂的建筑物,容易产生扭曲等附加应力而造成墙体及楼板开裂。合理布置纵横墙,纵墙开洞应尽可能小。合理地调整各部分承重结构的受力情况,使荷载分布均匀,尽量防止受力过于集中。减少地基的不均匀沉降,除了前述的措施外,在基础设计中可以采取调整基础的埋深度,不同的地基计算强度和采用不同的垫层厚度等方法来调整地基的不均匀变形。正确地设置沉降缝。沉降缝位置和缝宽的选定应合适,构造要合理,可以和其结构缝合并设置。限制伸缩缝间距。对体形复杂、地基不均匀沉降值大的建筑物更应严格控制,同样,也可以和其他结构缝合并使用。部分窗台砌体应加强。对宽大的窗台下部宜设置钢筋混凝土梁,以适应窗台的变形,防止窗台处产生竖直裂缝。7)施工技术。加强地基的检查与验收工作,基坑开挖后应及时通知勘察及设计单位到现场验收,对较复杂的地基,设计方在基坑开挖后应要求勘察补钻探,当探出有不利的地质情况时,必须先对其加固处理,并经验收合格后,方可进行下一步施工。开挖基槽时,要注重不扰动其原状结构。合理安排施工顺序。
5 裂缝修补方法
裂缝修补的方法,主要有两大类:抹面堵漏法和注浆堵漏法,具体见表2。
表2 裂缝修补方法
6 预防裂缝的措施的建议
1)搅拌站应加强原材料的质量检验和控制,特别是砂石含水量和含泥量的检验和控制,尤其是水灰比的控制,以确保混凝土自身质量稳定;进一步优化配比,来提高混凝土的抗裂性;应尽量降低成品搅拌混凝土的温度。2)施工单位应重视施工质量和质量管理,尤其是在混凝土振捣(避免漏振和少振)和养护工作(注意早期养护效果),把握好拆模时间和方式,保证模板的稳定性,钢筋的保护层尺寸、位置和数量等;作好施工日志,包括养护记录、施工异常处理记录;对水灰比严格控制。3)提高混凝土膨胀剂的掺入量。由原设计掺入量10%HEA型混凝土膨胀剂增加到12%,以减小混凝土的硬化时的收缩性。
7 结语
钢筋混凝土结构裂缝应针对成因,贯彻预防为主的原则,加强设计施工及使用等方面的治理,确保结构安全和避免不必要的损失;对修补混凝土裂缝采用经济、有效的方法,以保证日后正常使用。
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