淺談混凝土裂縫之預(yù)防

2011-08-15 00:51:18梁國(guó)榮

山西建筑 2011年5期

梁國(guó)榮

隨著建筑業(yè)在國(guó)內(nèi)的興起，混凝土在現(xiàn)代工程建設(shè)中的地位顯得越來越重要。而混凝土裂縫問題至今仍然困擾著整個(gè)建設(shè)領(lǐng)域，特別是大體積混凝土基礎(chǔ)、橋墩、大跨度的梁、屋架等。盡管我們?cè)谑┕み^程中采取了各種防范措施，但還是無法避免。究竟為什么，除了混凝土本身抗拉強(qiáng)度較低外，還有一個(gè)往往被我們忽視掉的特別重要的原因，就是混凝土對(duì)溫度應(yīng)力的反映特別敏感。對(duì)混凝土本身抗拉強(qiáng)度低造成的裂縫可以在設(shè)計(jì)時(shí)通過配筋來調(diào)節(jié)和控制。筆者僅就溫度應(yīng)力引起的裂縫談一談個(gè)人見解。

1 裂縫原因分析

眾所周知，混凝土抗拉強(qiáng)度只有抗壓強(qiáng)度的 1/10左右，短期加荷時(shí)極限拉伸變形只有(0.6～1.0)×104，長(zhǎng)期加荷時(shí)極限拉伸變形只有(1.2～2.0)×104，可見，混凝土是一種脆性材料?；炷亮芽p原因有好多種，例如，混凝土的脆性和不均勻性以及結(jié)構(gòu)不合理，原材料不合格(如堿骨料反應(yīng))，模板變形，基礎(chǔ)不均勻沉降等，除此之外，溫度的變化也是一個(gè)非常重要的原因。

混凝土硬化期間，由于水泥的水化反應(yīng)放出大量水化熱，內(nèi)部溫度就會(huì)不斷升高，內(nèi)部骨料遇熱膨脹，在表面引起拉應(yīng)力。后期在降溫過程中，表面混凝土收縮，也會(huì)在混凝土表面引起拉應(yīng)力，當(dāng)這些拉應(yīng)力的作用超出混凝土的抗拉強(qiáng)度時(shí)，即會(huì)出現(xiàn)裂縫，這就是溫度應(yīng)力所引起的裂縫。

在鋼筋混凝土中，拉應(yīng)力主要是由鋼筋承擔(dān)，混凝土只是承擔(dān)壓應(yīng)力，在素混凝土內(nèi)或鋼筋混凝土保護(hù)層部位如果結(jié)構(gòu)內(nèi)出現(xiàn)拉力，則需要混凝土自身承擔(dān)。一般設(shè)計(jì)中不出現(xiàn)抗拉應(yīng)力，或只出現(xiàn)很小的拉應(yīng)力，但在施工過程中混凝土由最高溫度冷卻到運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)期的穩(wěn)定溫度，往往在混凝土表面引起相當(dāng)大的拉應(yīng)力。有時(shí)溫度應(yīng)力可超過外部荷載所引起的應(yīng)力，因此，掌握溫度應(yīng)力的變化規(guī)律對(duì)于進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)和施工極為重要。

2 溫度應(yīng)力分析

溫度應(yīng)力的形成過程可分為三個(gè)階段:1)早期階段:自澆筑混凝土開始至水泥放熱基本結(jié)束，一般約 30 d。這個(gè)階段有兩個(gè)特征:a.水泥放出大量的水化熱;b.混凝土彈性模量的急劇變化，由于彈性模量的變化，這一時(shí)期在混凝土內(nèi)部形成參與應(yīng)力。2)中期階段:自水泥放熱作用基本結(jié)束至混凝土冷卻至穩(wěn)定溫度為止，這個(gè)時(shí)期，溫度應(yīng)力主要是由于混凝土的冷卻及外界氣溫變化所引起的，這些應(yīng)力與早期形成的殘余應(yīng)力相迭加，在此期間混凝土的彈性模量變化不大。3)晚期階段:混凝土完全冷卻后的運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)期，溫度應(yīng)力主要來自外界氣溫變化所引起，這些應(yīng)力與前兩種的應(yīng)力相迭加。由此可見，溫度應(yīng)力引起的原因可分為兩類:一類為自生應(yīng)力，即邊界上沒有任何約束或完全靜止的結(jié)構(gòu)，如果溫度非線性分布，由于結(jié)構(gòu)本身互相約束而出現(xiàn)的溫度應(yīng)力。例如，橋墩等大體積混凝土結(jié)構(gòu)，混凝土冷卻時(shí)，表面溫度低，內(nèi)部溫度高，在表面出現(xiàn)拉力，在中間出現(xiàn)壓力;另一類為約束應(yīng)力，結(jié)構(gòu)的全部或部分邊界受到外界的約束，不能自由變形而引起的應(yīng)力，如箱式基礎(chǔ)頂板混凝土和框架結(jié)構(gòu)中的深梁。這兩種溫度應(yīng)力往往和混凝土干縮應(yīng)力共同作用。要想根據(jù)已知的溫度準(zhǔn)確分析出溫度應(yīng)力的分布、大小是一項(xiàng)比較復(fù)雜的工作。在通常情況下，主要依靠模型試驗(yàn)獲得數(shù)據(jù)計(jì)算?；炷恋男熳兡苁箿囟葢?yīng)力有相當(dāng)大的松弛，計(jì)算溫度應(yīng)力時(shí)，必須考慮徐變的影響，具體計(jì)算這里就不再細(xì)述。

3 預(yù)防裂縫措施

控制溫度的措施有:1)采用改善骨料級(jí)配，用干硬性混凝土，摻混合料，加引氣劑或塑化劑等措施以減少混凝土中的水泥用量;2)拌合混凝土?xí)r加水或用水將碎石冷卻以降低混凝土的澆筑溫度;3)夏季施工時(shí)，應(yīng)減少混凝土厚度，利用澆筑層面散熱;4)冬季施工中，應(yīng)該盡量設(shè)法使混凝土的施工期環(huán)境溫度不低于混凝土使用期的穩(wěn)定溫度，對(duì)混凝土表面及薄壁結(jié)構(gòu)應(yīng)采取保溫措施;5)在混凝土中埋設(shè)水管，通入冷水降溫;6)控制拆模時(shí)間，氣溫驟降時(shí)采用表面保溫，以免混凝土表面發(fā)生急劇的溫度梯度。除此以外，還要加強(qiáng)混凝土的早期養(yǎng)護(hù)。因水泥具有快硬、高強(qiáng)、水化熱大的特點(diǎn)，如果混凝土澆搗后未能及時(shí)澆水養(yǎng)護(hù)，混凝土在較高溫度下失水收縮，水化熱釋放量較大，而又未及時(shí)得到水分的補(bǔ)充，必將導(dǎo)致混凝土早期裂縫。實(shí)踐證明，混凝土常見的裂縫，大多數(shù)是不同深度的表面裂縫，其主要原因是溫度梯度造成，例如，寒冷地區(qū)的溫度聚降極易形成裂縫。因此說混凝土的早期養(yǎng)護(hù)及做好冬季保溫對(duì)防止表面早期裂縫尤其重要。

從理論上分析，新混凝土中所含水完全可以滿足水泥水化的要求而有余。但由于蒸發(fā)等原因常引起水分損失，從而推遲或妨礙水泥的水化，表面混凝土最容易而且直接受到這種不利影響。因此混凝土澆筑后的最初幾天是養(yǎng)護(hù)的關(guān)鍵時(shí)期，在施工中應(yīng)切實(shí)重視起來。

改善約束條件的措施:1)合理設(shè)計(jì)分隔縫;2)避免基礎(chǔ)過大起伏;3)合理安排施工工序，避免過大的高差和側(cè)面長(zhǎng)期暴露。此外，改善混凝土性能，提高抗裂能力，加強(qiáng)養(yǎng)護(hù)，防止表面干縮，特別是保證混凝土的質(zhì)量對(duì)防止裂縫十分重要，應(yīng)特別注意避免產(chǎn)生貫穿裂縫，出現(xiàn)后要恢復(fù)其結(jié)構(gòu)的整體性是十分困難的，因此，在施工中應(yīng)以預(yù)防貫穿性裂縫的發(fā)生為主。

新澆混凝土拆模過早，由于水化熱的散發(fā)，表面引起相當(dāng)大的拉應(yīng)力，極易出現(xiàn)溫度沖擊現(xiàn)象。所以當(dāng)環(huán)境溫度低于混凝土溫度時(shí)，應(yīng)當(dāng)適當(dāng)延遲拆模時(shí)間，一旦拆除模板，表面溫度驟降，必然引起溫度梯度，從而在表面附加一拉應(yīng)力，與水化熱應(yīng)力迭加，再加上混凝土干縮，表面的拉應(yīng)力達(dá)到極限，超過混凝土的抗拉強(qiáng)度，裂縫就會(huì)產(chǎn)生。但如果在拆除模板后及時(shí)在其表面覆蓋一層輕型保溫材料，如采用噴HL等品種養(yǎng)護(hù)液進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，可達(dá)到降低成本和提高工效，并可避免或減少對(duì)施工的影響。對(duì)防止混凝土表面產(chǎn)生過大拉力具有明顯效果。所以施工中必須堅(jiān)持覆蓋麻袋或草包進(jìn)行一周左右的妥善保濕養(yǎng)護(hù)。

4 對(duì)裂縫的彌補(bǔ)處理

在采取了上述綜合性防治措施后，由于各種原因仍可能有少量的裂縫發(fā)生。當(dāng)這些裂縫發(fā)生后，對(duì)于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，大部分溫度應(yīng)力引起的裂縫只停留在表面，不影響正常使用，無須彌補(bǔ)，但涉及大型公共建筑及民用建筑結(jié)構(gòu)部位應(yīng)引起重視，不僅影響美觀，有時(shí)會(huì)造成恐慌并引起投訴，應(yīng)作好妥善的裂縫處理工作。根據(jù)筆者的經(jīng)驗(yàn)，梁、板底細(xì)縫應(yīng)委托專業(yè)加固單位采用復(fù)合增強(qiáng)纖維等材料對(duì)裂縫作粘貼加強(qiáng)處理(注:當(dāng)遇到裂縫較寬、受力較大等特殊情況時(shí)，建議采用碳纖維粘貼加強(qiáng))。復(fù)合增強(qiáng)纖維的粘貼寬度以350mm～400mm為宜，既能起到良好的抗拉裂補(bǔ)強(qiáng)作用，又不影響粉刷和裝飾效果，是目前較理想的裂縫彌補(bǔ)措施。

5 結(jié)語(yǔ)

以上是筆者對(duì)混凝土的溫度變化與裂縫之間的關(guān)系進(jìn)行理論和實(shí)踐上的初步探討，雖然學(xué)術(shù)界對(duì)于混凝土裂縫的成因和計(jì)算方法有不同的理論，但對(duì)于具體的預(yù)防和改善措施意見還是比較統(tǒng)一，同時(shí)在實(shí)踐中的應(yīng)用效果也是比較明顯的，具體施工中要靠我們觀察、分析、比較、總結(jié)，具體問題具體分析，多種預(yù)防處理措施并舉，混凝土的裂縫還是可以避免的。要徹底消除裂縫現(xiàn)象，尚有待不斷提高施工技術(shù)和不斷積累施工經(jīng)驗(yàn)，采用更為科學(xué)的解決方法。