金先斌

(武漢市青山區(qū)建管站,武漢 430070)

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)裂縫特點研究

金先斌

(武漢市青山區(qū)建管站,武漢 430070)

該文闡述了鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)裂縫問題的發(fā)展?fàn)顩r。首先介紹了鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)裂縫的基本概念及裂縫種類?？偨Y(jié)了目前鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)裂縫形成的主要原因,對各主要原因的影響進(jìn)行了相關(guān)的解釋和闡述。進(jìn)一步探討了未來鋼混結(jié)構(gòu)裂縫問題的特點和規(guī)律以及裂縫技術(shù)未來的趨勢。

鋼混結(jié)構(gòu); 結(jié)構(gòu)裂縫; 溫度效應(yīng); 外加荷載

鋼筋混凝土是目前國際國內(nèi)土木工程最重要的建筑材料。自19世紀(jì)下半頁鋼筋混凝土誕生以來,至今已有100多年的使用歷史。鋼筋混凝土的制造和使用技術(shù)伴隨著土木工程建設(shè)的發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步而不斷向前發(fā)展。目前絕大部分土木工程結(jié)構(gòu)均采用鋼筋混凝土建造。目前鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)損壞的工程質(zhì)量事故,絕大多數(shù)是從裂縫的發(fā)展和擴(kuò)展開始的。實際上,鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)一般都是帶裂縫工作的,甚至很多情況下結(jié)構(gòu)裂縫是時刻發(fā)生變化。隨著鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)裂縫的不斷發(fā)展變化,結(jié)構(gòu)服役期的安全性和耐久性都會明顯降低,嚴(yán)重的話甚至?xí)?dǎo)致結(jié)構(gòu)構(gòu)件的破壞和整體結(jié)構(gòu)的倒塌。

數(shù)十年來,在土木工程領(lǐng)域中一個相當(dāng)普遍的難題就是鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的裂縫問題。裂縫問題已經(jīng)嚴(yán)重影響到建筑結(jié)構(gòu)的服役安全,對人們正常的生產(chǎn)和生活造成了影響。100多年來一直困擾著土木工程的技術(shù)人員和科學(xué)工作者,顯然這是一個亟待解決的工程技術(shù)問題。因此,如何掌握和了解鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的裂縫特點和規(guī)律,確保土木工程結(jié)構(gòu)在服役荷載和裂縫共同作用下的安全性、適用性和耐久性就顯得十分重要。因此,研究結(jié)構(gòu)裂縫問題的特點及其防治方法顯得尤為必要。

1 鋼筋混凝土裂縫的種類

鋼筋混凝土裂縫種類繁多,通常可以按照不同的方法進(jìn)行分類。按照裂縫在結(jié)構(gòu)中的的深度通常可分如下幾類:1)深部裂縫,即混凝土結(jié)構(gòu)的表面裂縫在外荷載和環(huán)境作用下經(jīng)過一定程度的發(fā)展,然后裂縫將擴(kuò)展至內(nèi)部;2)混凝土表面裂縫,即在外荷載和環(huán)境作用下結(jié)構(gòu)表面發(fā)生的部分深度較淺的裂縫;3)穿透裂縫,即混凝土結(jié)構(gòu)中的裂縫在外荷載作用下發(fā)生較為嚴(yán)重的發(fā)展,從而形成了貫穿整個結(jié)構(gòu)某斷面的裂縫,這種裂縫危害很大,將導(dǎo)致結(jié)構(gòu)分離。

若按照混凝土裂縫發(fā)展的特點和規(guī)律則主要可分為3類:1)靜止類型的裂縫,即混凝土結(jié)構(gòu)中已經(jīng)存在的裂縫其長寬等幾何指標(biāo)均不再發(fā)生變化和擴(kuò)展;2)擴(kuò)展裂縫,這種裂縫其長寬將隨著時間而增長;3)寬度擴(kuò)展裂縫,即混凝土結(jié)構(gòu)中的裂縫其寬度在外荷載作用下發(fā)生改變,但裂縫長度基本不發(fā)生變化的裂縫。

若按照混凝土裂縫產(chǎn)生的原因,則大體上可以分為5類:

1)外荷載引發(fā)的裂縫。當(dāng)混凝土結(jié)構(gòu)承受過大的外荷載作用時,結(jié)構(gòu)構(gòu)件將會由于承載力不足而發(fā)生裂縫。這種裂縫即為外荷載引發(fā)的裂縫。

2)收縮類型裂縫?；炷两Y(jié)構(gòu)在服役過程中,由于自然環(huán)境如溫度濕度等的變化,混凝土不可避免地將發(fā)生收縮變形。在收縮過程中混凝土存在約束邊界條件,這將限制混凝土的自由收縮變形并導(dǎo)致混凝土內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力。如果混凝土中的約束應(yīng)力較大并大于其抗拉強(qiáng)度,則混凝土將由于強(qiáng)度不足而發(fā)生收縮裂縫。

3)溫度荷載裂縫。溫度荷載裂縫是混凝土在服役過程中由于日照等時變溫度荷載作用而產(chǎn)生了溫度梯度而引起的裂縫類型。如在夜晚混凝土表層由于缺乏日照將溫度下降,而混凝土內(nèi)部溫度下降得較為緩慢,因此產(chǎn)生了內(nèi)外的溫度差和溫度梯度,這將導(dǎo)致內(nèi)部混凝土對表層混凝土起約束作用,即發(fā)生由于溫度應(yīng)力引發(fā)的溫度裂縫。

4)堿骨料反應(yīng)裂縫。眾所周知,水泥中存在大量的堿性物質(zhì),如氧化鈉、氧化鉀等。同時還存在骨料中的活性二氧化硅、微晶白云石等。如果它們發(fā)生反應(yīng)將導(dǎo)致混凝土發(fā)生較為顯著的膨脹作用,顯然這種膨脹將不可避免地引起混凝土內(nèi)部的應(yīng)力并進(jìn)一步引發(fā)混凝土產(chǎn)生裂縫。通常將這類裂縫稱為由于材料堿骨料反應(yīng)而引起的裂縫類型。

5)鋼筋銹蝕裂縫。鋼筋混凝土內(nèi)部存在鋼筋,但是由于惡劣服役環(huán)境的影響,可能發(fā)生鋼筋的銹蝕,導(dǎo)致鋼筋與混凝土表面的連接界面出現(xiàn)問題,從而導(dǎo)致銹蝕裂縫出現(xiàn)。通常這種裂縫一般沿著鋼筋長度方向發(fā)展。

2 鋼筋混凝土裂縫的形成原因

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)發(fā)生裂縫并非偶然顯現(xiàn),均是由于服役環(huán)境惡劣、材料缺陷、設(shè)計疏忽、施工質(zhì)量低下等各種復(fù)雜原因引起或者是由于多個因素耦合作用的結(jié)果。但是對于工程結(jié)構(gòu)而言,其破壞往往始于裂縫的出現(xiàn)和發(fā)展。鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)在各種內(nèi)部和外部荷載的作用下,將會產(chǎn)生內(nèi)力和變形。這種荷載極有可能是作用于結(jié)構(gòu)上的靜動力荷載也有可能是作用于結(jié)構(gòu)上的環(huán)境效益。

荷載作用于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)時將導(dǎo)致結(jié)構(gòu)產(chǎn)生變形和應(yīng)變,從而在結(jié)構(gòu)內(nèi)部引起應(yīng)變能。隨著結(jié)構(gòu)上的作用荷載不斷增加,在結(jié)構(gòu)內(nèi)部產(chǎn)生的應(yīng)變能將迅速累積。當(dāng)結(jié)構(gòu)內(nèi)部應(yīng)變能過大時鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)由于荷載引起的變形將達(dá)到極限值,結(jié)構(gòu)將由于無法繼續(xù)承受荷載而首先發(fā)生局部性的裂縫。裂縫一旦產(chǎn)生,將在一定程度上釋放累計于結(jié)構(gòu)內(nèi)部的應(yīng)變能,從而能使鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)在釋放應(yīng)變能后的狀況狀態(tài)下達(dá)到新的受力平衡狀態(tài)。

倘若結(jié)構(gòu)上的外荷載繼續(xù)持續(xù)施加甚至強(qiáng)度繼續(xù)增加,則鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)又將發(fā)生由于荷載作用引起的內(nèi)力、變形和應(yīng)變能積累。應(yīng)變能積累到一定程度后又將發(fā)生裂縫并發(fā)生新的受力平衡。上述過程在鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)服役過程中不斷重復(fù)發(fā)生。伴隨著鋼混結(jié)構(gòu)在荷載作用下應(yīng)變能的反復(fù)積累和釋放過程,鋼混結(jié)構(gòu)表面和內(nèi)部的裂縫也將不斷地產(chǎn)生、發(fā)展和貫通,如果裂縫嚴(yán)重到一定程度后將最終導(dǎo)致構(gòu)件甚至結(jié)構(gòu)的損傷破壞和失效。就目前而言,作用于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)上的各類荷載效應(yīng)主要包括以下幾種:外界靜動力荷載作用、服役環(huán)境作用、溫度荷載作用等。以下即結(jié)合各作用效應(yīng)闡述鋼筋混凝土裂縫的形成原因。

1)外荷載作用

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件主要由柱、梁板等受力構(gòu)件組成。在正常服役荷載下鋼混梁板結(jié)構(gòu)主要以承受彎矩作用為主。而豎向構(gòu)件如柱和基礎(chǔ)則主要以承受豎向壓力為主。實際服役過程中不同類型的結(jié)構(gòu)構(gòu)件其受力特點和結(jié)構(gòu)形式均存在一定程度差異。因此,鋼混結(jié)構(gòu)上的裂縫的類型特點和危害顯然也存在很大差異。鋼混受壓構(gòu)件若按正常服役條件進(jìn)行設(shè)計建造通常出現(xiàn)裂縫的概率較小。鋼混受壓構(gòu)件若發(fā)生與其受力方向平行的裂縫時,則表明結(jié)構(gòu)構(gòu)件已經(jīng)欠缺受壓承載力。因此,通常情況下為了充分有效地發(fā)揮其中鋼筋的受拉性能,鋼混構(gòu)件受拉區(qū)混凝土通常允許帶裂縫服役?；诖?為了符合鋼混結(jié)構(gòu)耐久性的長期要求,我國相關(guān)設(shè)計規(guī)范和規(guī)程對不同服役條件下的鋼混構(gòu)件的允許裂縫寬度均給出了明確具體的規(guī)定。

2)溫度荷載作用

眾所周知,工程結(jié)構(gòu)使用的水泥材料中通常含有大量堿性物質(zhì),如硅酸三鈣(3CaO·SiO3)、鋁酸三鈣(3CaO·Al2O3)等。這類物質(zhì)在水化過程中不可避免地產(chǎn)生大量水化熱。據(jù)現(xiàn)有試驗實測數(shù)據(jù)表明水泥約80%的水化熱將在澆筑后的3～7 d內(nèi)集中產(chǎn)生。水化熱導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部的溫度迅速上升,這種現(xiàn)象反過來又進(jìn)一步加速了水泥水化的過程,又將在混凝土內(nèi)部產(chǎn)生更多水化熱。因此水化熱容易導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不平衡的溫度梯度和溫度應(yīng)力,這將大大增加混凝土結(jié)構(gòu)產(chǎn)生裂縫的可能性。特別是對于重大工程中廣泛使用的大體積混凝土而言,這種現(xiàn)象尤為顯著。大體積混凝土通常表面積較大,因此容易與周邊空氣發(fā)生熱能交換,因此表面熱量很容易散失并且表面通常溫度較低。

但大體積混凝土內(nèi)部情況則完全不同,其由于混凝土材料導(dǎo)熱系數(shù)較小,因此其內(nèi)部由于水化產(chǎn)生的大量熱量將不斷集聚并難以散發(fā),這將導(dǎo)致其內(nèi)部存在很大的不均勻溫度梯度并進(jìn)一步導(dǎo)致其內(nèi)外顯著的溫度差值。因此鋼混結(jié)構(gòu)的內(nèi)外將出現(xiàn)非常明顯的溫度差異和顯著的時變溫度應(yīng)力。這種溫度應(yīng)力將導(dǎo)致大體積混凝土結(jié)構(gòu)出現(xiàn)很多溫致裂縫。

3)混凝土干燥收縮效應(yīng)水灰比作為控制混凝土拌合物和易性的一個極為重要指標(biāo),其數(shù)值必須控制在合理的范圍。水灰比過小將導(dǎo)致拌合物流動性不佳,而較大則將導(dǎo)致拌合物發(fā)生離析,嚴(yán)重地影響混凝土的密實度和硬化性能。目前土木工程上水灰比通常控制在0.4～0.6。事實上真正用于水化的水量總量通常不及拌和水總量的三分之一,多余的水分要完全靠蒸發(fā)。鋼混結(jié)構(gòu)表面由于受到日照和環(huán)境溫度影響通常水分蒸發(fā)較快,干燥收縮程度較混凝土內(nèi)部要明顯,從而引起收縮裂縫的萌生和擴(kuò)展,通常裂縫深度較淺并多呈不規(guī)則形狀。

4)水泥體積安定性影響

水泥的體積安定性通常指水泥材料在凝結(jié)過程中其體積改變的均勻程度。

如果熟料中加入過多的石膏或者氧化鎂和氧化鈣等物質(zhì),將導(dǎo)致水泥硬化后繼續(xù)進(jìn)行水化反應(yīng)并使得水化產(chǎn)物的體積發(fā)生膨脹從而引起水泥開裂。水泥安定性不良將導(dǎo)致結(jié)構(gòu)發(fā)生裂縫,這種裂縫通常為龜裂狀,并將不可避免地降低結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和耐久性。

5)混凝土自應(yīng)力影響

混凝土硬化后即使沒有承受外力也將由自身的收縮而引發(fā)裂縫。通常在混凝土墻板結(jié)構(gòu)上容易產(chǎn)生這種上下貫通的裂縫類型。水化熱達(dá)到一定的程度后,混凝土由于熱膨脹所引發(fā)的應(yīng)力開始逐漸減小并消失,此時混凝土將開始均勻地收縮,裂縫呈現(xiàn)出一定的規(guī)律性。

6)外加劑的不良影響

目前混凝土中使用的各種摻合料種類繁多,但目前對于各類摻合料物理參數(shù)的實測和實驗數(shù)據(jù)還有待完善,目前對水化熱及收縮變形影響還欠缺充足可靠的長期實驗資料。目前工程實踐表明很多外加劑使用后較為嚴(yán)重地影響了混凝土的收縮變形,部分甚至降低了混凝土的耐久性能。

3 結(jié) 語

隨著混凝土理論和實用技術(shù)的不斷發(fā)展和完善,對于混凝土的使用和維護(hù)的手段已從傳統(tǒng)的方法不斷趨向多樣化。目前新發(fā)展起來的混凝土裂縫控制技術(shù)在工程應(yīng)用上已經(jīng)具有一定優(yōu)勢,為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的設(shè)計、建造以及加固提供了一條嶄新的途徑。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步以及混凝土技術(shù)的不斷發(fā)展,新的混凝土抗裂方法和技術(shù)將會得到推出和發(fā)展,這將會最大限度地減少由于混凝土裂縫導(dǎo)致的工程結(jié)構(gòu)損傷破壞。

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Research on Crack Characteristics of Reinforced Concrete Structures

JIN Xian-bin
(Architecture Management Station of Qingshan District,Wuhan 430070,China)

The developing status and trends of reinforced concrete structures are introduced in this study.The crack concept and types of reinforced concrete structures are firstly introduced.The developing reason of reinforced concrete structures at present are summarized and the major reasons are illustrated.Furthermore,the crack properties of reinforced concrete structures in the future are explored and the developing trends are predicted.

reinforced concrete structure; structural crack; temperature effect; external loading

10.3963/j.issn.1674-6066.2015.05.008

2015-08-20.

湖北省建設(shè)科技項目資助(鄂建文[2011]154號-115,鄂建文[2011]154號-118).

金先斌(1966-),工程師.E-mail:cbsteven@163.com