大體積混凝土裂縫分析及控制技術(shù)1

　　一、論述

　　隨著基礎(chǔ)建設(shè)的迅速發(fā)展，橋梁建設(shè)中大體積混凝土應(yīng)用越來(lái)越多，混凝土在現(xiàn)代橋梁工程建設(shè)中已經(jīng)占據(jù)了非常重要的地位，不論什么樣的橋梁，大都是采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，因?yàn)樵摻ㄖ牧蟽r(jià)廉物美，施工方便，承載力大，可裝飾強(qiáng)的特點(diǎn)，日益受到人們的歡迎。在我國(guó)不論是鐵路工程、公路工程還是其它工程建設(shè)，鋼筋混凝土的應(yīng)用面可以說(shuō)是無(wú)處不在。但是，在使用混凝土的同時(shí)，由于對(duì)混凝土的性能了解不深，在工程完畢后的十幾天，一個(gè)月或者更長(zhǎng)一點(diǎn)的時(shí)間后，混凝土結(jié)構(gòu)物出現(xiàn)了裂縫或其他不良反應(yīng)，給人們的心中造成擔(dān)憂和后怕的感覺(jué)。

　　盡管我們?cè)谑┕ぶ胁扇「鞣N措施，小心謹(jǐn)慎，但裂縫仍然時(shí)有出現(xiàn)，有些還造成了無(wú)法估量的損失。為了降低經(jīng)濟(jì)損失，減少和控制裂縫的的出現(xiàn)，一些搞混凝土技術(shù)的研究人員對(duì)混凝土構(gòu)筑物的裂縫形成，進(jìn)行了大量的研究和技術(shù)探討，提出解決混凝土裂縫的辦法和意見(jiàn)，也取得了較大的科研成果，使混凝土構(gòu)筑物的裂縫降低到最低范圍之內(nèi)。目前對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)物裂縫問(wèn)題，是在混凝土工程建設(shè)中帶有一定普遍性的技術(shù)問(wèn)題。而混凝土結(jié)構(gòu)的破壞和建筑物的倒塌，也都是從結(jié)構(gòu)裂縫的擴(kuò)展開(kāi)始而引起的。故在某些施工驗(yàn)收規(guī)范和工程都是不允許混凝土結(jié)構(gòu)出現(xiàn)有明顯的裂縫。

　　但是，從近代科學(xué)關(guān)于混凝土工作的研究及大量的混凝土工程實(shí)踐證明，混凝土結(jié)構(gòu)裂縫是不可避免的，裂縫是人們可以接受的一種材料特性，只是如何使有害程度控制在某一有效范圍之內(nèi)。因?yàn)槭褂玫幕炷潦嵌喾N材料組成的一種混合體，且又是一種脆性材料，在受到溫度、壓力和外力的作用下，都有出現(xiàn)裂縫的可能性。

　　從目前的情況看，設(shè)計(jì)上對(duì)混凝土裂縫有一定范圍。從我國(guó)的“混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范《GBJ10―89)”表3.3.4規(guī)定看，其裂縫寬度在不同的環(huán)境下，不同的混凝土結(jié)構(gòu)物其裂縫的寬度也有所不同的控制標(biāo)準(zhǔn)，允許裂縫寬度為0.2～0.3mm.而從國(guó)外的情況看，不同的國(guó)家對(duì)混凝土構(gòu)筑物的裂縫寬度也有不同的規(guī)定，如1970年歐洲混凝土專業(yè)委員會(huì)的規(guī)范所收集各個(gè)國(guó)家的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)裂縫規(guī)定如下：美國(guó)AGl　規(guī)范規(guī)定裂縫為0.108mm;法國(guó)，規(guī)范規(guī)定裂縫為0.27mm;加拿大，規(guī)范規(guī)定裂縫為0.064mm;前蘇聯(lián)，規(guī)范規(guī)定裂縫為0.12mm;波蘭，規(guī)范規(guī)定裂縫為0.182mm.從不同的國(guó)家來(lái)看，各國(guó)的規(guī)范對(duì)混凝土構(gòu)筑物的裂縫都有不同的控制范圍和要求，要保證混凝土構(gòu)筑物不出現(xiàn)裂縫可以說(shuō)是不可能的。在我國(guó)，對(duì)在不同環(huán)境下混凝土構(gòu)筑物，在不同的介質(zhì)情況下，所規(guī)定的混凝土裂縫寬度也不同。所以說(shuō)，對(duì)混凝土構(gòu)筑物的裂縫我國(guó)規(guī)范規(guī)定在設(shè)計(jì)上有一定的允許寬度。國(guó)際上也都根據(jù)本國(guó)的特點(diǎn)，對(duì)混凝土的裂縫都有明確的規(guī)定，說(shuō)明混凝土結(jié)構(gòu)的裂縫在一定范圍內(nèi)是允許的，要想控制混凝土構(gòu)筑物不裂縫是很難的，關(guān)鍵是怎么控制能讓在施工中盡量小產(chǎn)生裂縫和把裂縫的寬度應(yīng)該控制在什么范圍內(nèi)，能使我們?cè)谑┕ぶ胁皇芙?jīng)濟(jì)損失。

　　二、橋梁裂縫產(chǎn)生原因淺析

　　實(shí)際上，混凝土結(jié)構(gòu)裂縫的成因復(fù)雜而繁多，甚至多種因素相互影響，但每一條裂縫均有其產(chǎn)生的一種或幾種主要原因?；炷翗蛄毫芽p的種類，就其產(chǎn)生的原因，大致可劃分如下幾種：

　　(一)、荷載引起的裂縫混凝土橋梁在常規(guī)靜、動(dòng)荷載及次應(yīng)力下產(chǎn)生的裂縫稱荷載裂縫，歸納起來(lái)主要有直接應(yīng)力裂縫、次應(yīng)力裂縫兩種。

　　直接應(yīng)力裂縫是指外荷載引起的直接應(yīng)力產(chǎn)生的裂縫。裂縫產(chǎn)生的原因有：

　　1、設(shè)計(jì)計(jì)算階段，結(jié)構(gòu)計(jì)算時(shí)不計(jì)算或部分漏算;計(jì)算模型不合理;結(jié)構(gòu)受力假設(shè)與實(shí)際受力不符;荷載少算或漏算;內(nèi)力與配筋計(jì)算錯(cuò)誤;結(jié)構(gòu)安全系數(shù)不夠。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)不考慮施工的可能性;設(shè)計(jì)斷面不足;鋼筋設(shè)置偏少或布置錯(cuò)誤;結(jié)構(gòu)剛度不足;構(gòu)造處理不當(dāng);設(shè)計(jì)圖紙交代不清等。

　　2、施工階段，不加限制地堆放施工機(jī)具、材料;不了解預(yù)制結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)，隨意翻身、起吊、運(yùn)輸、安裝;不按設(shè)計(jì)圖紙施工，擅自更改結(jié)構(gòu)施工順序，改變結(jié)構(gòu)受力模式;不對(duì)結(jié)構(gòu)做機(jī)器振動(dòng)下的疲勞強(qiáng)度驗(yàn)算等。

　　3、使用階段，超出設(shè)計(jì)載荷的重型車輛過(guò)橋;受車輛、船舶的接觸、撞擊;發(fā)生大風(fēng)、大雪、地震、爆炸等。

　　次應(yīng)力裂縫是指由外荷載引起的次生應(yīng)力產(chǎn)生裂縫。裂縫產(chǎn)生的原因有：

　　1、在設(shè)計(jì)外荷載作用下，由于結(jié)構(gòu)物的實(shí)際工作狀態(tài)同常規(guī)計(jì)算有出入或計(jì)算不考慮，從而在某些部位引起次應(yīng)力導(dǎo)致結(jié)構(gòu)開(kāi)裂。例如兩鉸拱橋拱腳設(shè)計(jì)時(shí)常采用布置“X”形鋼筋、同時(shí)削減該處斷面尺寸的辦法設(shè)計(jì)鉸，理論計(jì)算該處不會(huì)存在彎矩，但實(shí)際該鉸仍然能夠抗彎，以至出現(xiàn)裂縫而導(dǎo)致鋼筋銹蝕。

　　2、橋梁結(jié)構(gòu)中經(jīng)常需要鑿槽、開(kāi)洞、設(shè)置牛腿等，在常規(guī)計(jì)算中難以用準(zhǔn)確的圖式進(jìn)行模擬計(jì)算，一般根據(jù)經(jīng)驗(yàn)設(shè)置受力鋼筋。研究表明，受力構(gòu)件挖孔后，力流將產(chǎn)生繞射現(xiàn)象，在孔洞附近密集，產(chǎn)生巨大的應(yīng)力集中。在長(zhǎng)跨預(yù)應(yīng)力連續(xù)梁中，經(jīng)常在跨內(nèi)根據(jù)截面內(nèi)力需要截?cái)噤撌?，設(shè)置錨頭，而在錨固斷面附近經(jīng)常可以看到裂縫。因此，若處理不當(dāng)，在這些結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)角處或構(gòu)件形狀突變處、受力鋼筋截?cái)嗵幦菀壮霈F(xiàn)裂縫。

　　實(shí)際工程中，次應(yīng)力裂縫是產(chǎn)生荷載裂縫的最常見(jiàn)原因。次應(yīng)力裂縫多屬?gòu)埨⑴?、剪切性質(zhì)。次應(yīng)力裂縫也是由荷載引起，僅是按常規(guī)一般不計(jì)算，但隨著現(xiàn)代計(jì)算手段的不斷完善，次應(yīng)力裂縫也是可以做到合理驗(yàn)算的。在設(shè)計(jì)上，應(yīng)注意避免結(jié)構(gòu)突變(或斷面突變)，當(dāng)不能回避時(shí)，應(yīng)做局部處理，如轉(zhuǎn)角處做圓角，突變處做成漸變過(guò)渡，同時(shí)加強(qiáng)構(gòu)造配筋，轉(zhuǎn)角處增配斜向鋼筋，對(duì)于較大孔洞有條件時(shí)可在周邊設(shè)置護(hù)邊角鋼。

　　荷載裂縫特征依荷載不同而異呈現(xiàn)不同的特點(diǎn)。這類裂縫多出現(xiàn)在受拉區(qū)、受剪區(qū)或振動(dòng)嚴(yán)重部位。但必須指出，如果受壓區(qū)出現(xiàn)起皮或有沿受壓方向的短裂縫，往往是結(jié)構(gòu)達(dá)到承載力極限的標(biāo)志，是結(jié)構(gòu)破壞的前兆，其原因往往是截面尺寸偏小。根據(jù)結(jié)構(gòu)不同受力方式，產(chǎn)生的裂縫特征如下：

　　1、中心受拉。裂縫貫穿構(gòu)件橫截面，間距大體相等，且垂直于受力方向。采用螺紋鋼筋時(shí)，裂縫之間出現(xiàn)位于鋼筋附近的次裂縫。

　　2、中心受壓。沿構(gòu)件出現(xiàn)平行于受力方向的短而密的平行裂縫。

　　3、受彎。彎矩最大截面附近從受拉區(qū)邊沿開(kāi)始出現(xiàn)與受拉方向垂直的裂縫，并逐漸向中和軸方向發(fā)展。采用螺紋鋼筋時(shí)，裂縫間可見(jiàn)較短的次裂縫。當(dāng)結(jié)構(gòu)配筋較少時(shí)，裂縫少而寬，結(jié)構(gòu)可能發(fā)生脆性破壞。

　　4、大偏心受壓。大偏心受壓和受拉區(qū)配筋較少的小偏心受壓構(gòu)件，類似于受彎構(gòu)件。

　　5、小偏心受壓。小偏心受壓和受拉區(qū)配筋較多的大偏心受壓構(gòu)件，類似于中心受壓構(gòu)件。

　　6、受剪。當(dāng)箍筋太密時(shí)發(fā)生斜壓破壞，沿梁端腹部出現(xiàn)大于45°方向的斜裂縫;當(dāng)箍筋適當(dāng)時(shí)發(fā)生剪壓破壞，沿梁端中下部出現(xiàn)約45°方向相互平行的斜裂縫。

　　7、受扭。構(gòu)件一側(cè)腹部先出現(xiàn)多條約45°方向斜裂縫，并向相鄰面以螺旋方向展開(kāi)。

　　8、受沖切。沿柱頭板內(nèi)四側(cè)發(fā)生約45°方向斜面拉裂，形成沖切面。

　　9、局部受壓。在局部受壓區(qū)出現(xiàn)與壓力方向大致平行的多條短裂縫。

　　(二)、溫度變化引起的裂縫

　　混凝土具有熱脹冷縮性質(zhì)，當(dāng)外部環(huán)境或結(jié)構(gòu)內(nèi)部溫度發(fā)生變化，混凝土將發(fā)生變形，若變形遭到約束，則在結(jié)構(gòu)內(nèi)將產(chǎn)生應(yīng)力，當(dāng)應(yīng)力超過(guò)混凝土抗拉強(qiáng)度時(shí)即產(chǎn)生溫度裂縫。在某些大跨徑橋梁中，溫度應(yīng)力可以達(dá)到甚至超出活載應(yīng)力。溫度裂縫區(qū)別其它裂縫最主要特征是將隨溫度變化而擴(kuò)張或合攏。引起溫度變化主要因素有：

　　1、年溫差。一年中四季溫度不斷變化，但變化相對(duì)緩慢，對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的影響主要是導(dǎo)致橋梁的縱向位移，一般可通過(guò)橋面伸縮縫、支座位移或設(shè)置柔性墩等構(gòu)造措施相協(xié)調(diào)，只有結(jié)構(gòu)的位移受到限制時(shí)才會(huì)引起溫度裂縫，例如拱橋、剛架橋等。我國(guó)年溫差一般以一月和七月月平均溫度的作為變化幅度。考慮到混凝土的蠕變特性，年溫差內(nèi)力計(jì)算時(shí)混凝土彈性模量應(yīng)考慮折減。

　　2、日照。橋面板、主梁或橋墩側(cè)面受太陽(yáng)曝曬后，溫度明顯高于其它部位，溫度梯度呈非線形分布。由于受到自身約束作用，導(dǎo)致局部拉應(yīng)力較大，出現(xiàn)裂縫。日照和下述驟然降溫是導(dǎo)致結(jié)構(gòu)溫度裂縫的最常見(jiàn)原因。

　　3、驟然降溫。突降大雨、冷空氣侵襲、日落等可導(dǎo)致結(jié)構(gòu)外表面溫度突然下降，但因內(nèi)部溫度變化相對(duì)較慢而產(chǎn)生溫度梯度。日照和驟然降溫內(nèi)力計(jì)算時(shí)可采用設(shè)計(jì)規(guī)范或參考實(shí)橋資料進(jìn)行，混凝土彈性模量不考慮折減。

　　4、水化熱。出現(xiàn)在施工過(guò)程中，大體積混凝土(厚度超過(guò)2.0米)澆筑之后由于水泥水化放熱，致使內(nèi)部溫度很高，內(nèi)外溫差太大，致使表面出現(xiàn)裂縫。施工中應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況，盡量選擇水化熱低的水泥品種，限制水泥單位用量，減少骨料入模溫度，降低內(nèi)外溫差，并緩慢降溫，必要時(shí)可采用循環(huán)冷卻系統(tǒng)進(jìn)行內(nèi)部散熱，或采用薄層連續(xù)澆筑以加快散熱。

　　5、蒸汽養(yǎng)護(hù)或冬季施工時(shí)施工措施不當(dāng)，混凝土驟冷驟熱，內(nèi)外溫度不均，易出現(xiàn)裂縫。

　　6、預(yù)制T梁之間橫隔板安裝時(shí)，支座預(yù)埋鋼板與調(diào)平鋼板焊接時(shí)，若焊接措施不當(dāng)，鐵件附近混凝土容易燒傷開(kāi)裂。采用電熱張拉法張拉預(yù)應(yīng)力構(gòu)件時(shí)，預(yù)應(yīng)力鋼材溫度可升高至350℃，混凝土構(gòu)件也容易開(kāi)裂。試驗(yàn)研究表明，由火災(zāi)等原因引起高溫?zé)齻幕炷翉?qiáng)度隨溫度的升高而明顯降低，鋼筋與混凝土的粘結(jié)力隨之下降，混凝土溫度達(dá)到300℃后抗拉強(qiáng)度下降50%，抗壓強(qiáng)度下降60%，光圓鋼筋與混凝土的粘結(jié)力下降80%;由于受熱，混凝土體內(nèi)游離水大量蒸發(fā)也可產(chǎn)生急劇收縮。

　　(三)、收縮引起的裂縫

　　在實(shí)際工程中，混凝土因收縮所引起的裂縫是最常見(jiàn)的。在混凝土收縮種類中，塑性收縮和縮水收縮(干縮)是發(fā)生混凝土體積變形的主要原因，另外還有自生收縮和炭化收縮。

　　塑性收縮。發(fā)生在施工過(guò)程中、混凝土澆筑后4~5小時(shí)左右，此時(shí)水泥水化反應(yīng)激烈，分子鏈逐漸形成，出現(xiàn)泌水和水分急劇蒸發(fā)，混凝土失水收縮，同時(shí)骨料因自重下沉，因此時(shí)混凝土尚未硬化，稱為塑性收縮。塑性收縮所產(chǎn)生量級(jí)很大，可達(dá)1%左右。在骨料下沉過(guò)程中若受到鋼筋阻擋，便形成沿鋼筋方向的裂縫。在構(gòu)件豎向變截面處如T梁、箱梁腹板與頂?shù)装褰唤犹?，因硬化前沉?shí)不均勻?qū)l(fā)生表面的順腹板方向裂縫。為減小混凝土塑性收縮，施工時(shí)應(yīng)控制水灰比，避免過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的攪拌，下料不宜太快，振搗要密實(shí)，豎向變截面處宜分層澆筑。

　　縮水收縮(干縮)?；炷两Y(jié)硬以后，隨著表層水分逐步蒸發(fā)，濕度逐步降低，混凝土體積減小，稱為縮水收縮(干縮)。因混凝土表層水分損失快，內(nèi)部損失慢，因此產(chǎn)生表面收縮大、內(nèi)部收縮小的不均勻收縮，表面收縮變形受到內(nèi)部混凝土的約束，致使表面混凝土承受拉力，當(dāng)表面混凝土承受拉力超過(guò)其抗拉強(qiáng)度時(shí)，便產(chǎn)生收縮裂縫?；炷劣不笫湛s主要就是縮水收縮。如配筋率較大的構(gòu)件(超過(guò)3%)，鋼筋對(duì)混凝土收縮的約束比較明顯，混凝土表面容易出現(xiàn)龜裂裂紋。

　　自生收縮。自生收縮是混凝土在硬化過(guò)程中，水泥與水發(fā)生水化反應(yīng)，這種收縮與外界濕度無(wú)關(guān)，且可以是正的(即收縮，如普通硅酸鹽水泥混凝土)，也可以是負(fù)的(即膨脹，如礦渣水泥混凝土與粉煤灰水泥混凝土)。

　　炭化收縮。大氣中的二氧化碳與水泥的水化物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)引起的收縮變形。炭化收縮只有在濕度50%左右才能發(fā)生，且隨二氧化碳的濃度的增加而加快。炭化收縮一般不做計(jì)算。

　　混凝土收縮裂縫的特點(diǎn)是大部分屬表面裂縫，裂縫寬度較細(xì)，且縱橫交錯(cuò)，成龜裂狀，形狀沒(méi)有任何規(guī)律。

　　研究表明，影響混凝土收縮裂縫的主要因素有：

　　1、水泥品種、標(biāo)號(hào)及用量。礦渣水泥、快硬水泥、低熱水泥混凝土收縮性較高，普通水泥、火山灰水泥、礬土水泥混凝土收縮性較低。另外水泥標(biāo)號(hào)越低、單位體積用量越大、磨細(xì)度越大，則混凝土收縮越大，且發(fā)生收縮時(shí)間越長(zhǎng)。例如，為了提高混凝土的強(qiáng)度，施工時(shí)經(jīng)常采用強(qiáng)行增加水泥用量的做法，結(jié)果收縮應(yīng)力明顯加大。

　　2、骨料品種。骨料中石英、石灰?guī)r、白云巖、花崗巖、長(zhǎng)石等吸水率較小、收縮性較低;而砂巖、板巖、角閃巖等吸水率較大、收縮性較高。另外骨料粒徑大收縮小，含水量大收縮越大。

　　3、水灰比。用水量越大，水灰比越高，混凝土收縮越大。

　　4、外摻劑。外摻劑保水性越好，則混凝土收縮越小。

　　5、養(yǎng)護(hù)方法。良好的養(yǎng)護(hù)可加速混凝土的水化反應(yīng)，獲得較高的混凝土強(qiáng)度。養(yǎng)護(hù)時(shí)保持濕度越高、氣溫越低、養(yǎng)護(hù)時(shí)間越長(zhǎng)，則混凝土收縮越小。蒸汽養(yǎng)護(hù)方式比自然養(yǎng)護(hù)方式混凝土收縮要小。

　　6、外界環(huán)境。大氣中濕度小、空氣干燥、溫度高、風(fēng)速大，則混凝土水分蒸發(fā)快，混凝土收縮越快。

　　7、振搗方式及時(shí)間。機(jī)械振搗方式比手工搗固方式混凝土收縮性要小。振搗時(shí)間應(yīng)根據(jù)機(jī)械性能決定，一般以5～15s/次為宜。時(shí)間太短，振搗不密實(shí)，形成混凝土強(qiáng)度不足或不均勻;時(shí)間太長(zhǎng)，造成分層，粗骨料沉入底層，細(xì)骨料留在上層，強(qiáng)度不均勻，上層易發(fā)生收縮裂縫。

　　對(duì)于溫度和收縮引起的裂縫，增配構(gòu)造鋼筋可明顯提高混凝土的抗裂性，尤其是薄壁結(jié)構(gòu)(壁厚20～60cm)。構(gòu)造上配筋宜優(yōu)先采用小直徑鋼筋(φ8～φ14)、小間距布置(@10～@15cm)，全截面構(gòu)造配筋率不宜低于0.3%，一般可采用0.3%～0.5%.

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