钢筋混凝土裂缝的控制和预防

卢林松

混凝土是一种由砂石骨料、水泥、水及其他外加材料混合而成的非均质脆性材料[1]。它在现代建筑工程建设中占据着重要地位,由于混凝土施工、本身变形和约束等一系列问题使得混凝土的裂缝较为普遍。但是混凝土施工裂缝的存在不仅会降低建筑物的抗渗能力、影响建筑物的使用功能,而且还会引起钢筋的锈蚀,混凝土的碳化,降低材料的耐久性以及影响建筑物的承载能力,因此,加强建筑施工中混凝土裂缝的控制和预防成为现在施工技术讨论的热点。

1 裂缝的类型

1.1 混凝土塑性干缩裂缝

混凝土中存在大量毛细孔道,当混凝土固体质点间的毛细空隙水因蒸发减少时,水蒸发后毛细管中产生毛细管张力,形成弯液面而产生拉力,使尚处于可塑性状态的混凝土收缩。混凝土初期收缩历程可划分为四个阶段:在混凝土浇筑后最初1 h内为第一阶段,泌水速度大于蒸发干燥速度,混凝土表面不会收缩;此后约40 min为第二阶段,蒸发速度大于泌水速度,混凝土表面开始收缩,但由于混凝土尚未完全凝固余有足够塑性,能够适应体积变化而不会开裂;之后1 h为第三阶段,混凝土逐步完成初凝,塑性大幅度降低,而水分蒸发仍持续不断,就有可能引起塑性开裂;混凝土初凝至终凝期间约2 h为第四阶段,混凝土逐步完全失去塑性,但水分仍在持续蒸发引起干燥收缩远大于混凝土凝结收缩,必然形成裂缝。增加用水量通常会使毛细空隙增大,从而减小塑性收缩的毛细拉力,但实际情况用水量大的新搅拌混凝土有高得多的塑性收缩值,更容易引发塑性开裂。气温越高、相对湿度越低、风速越快,毛细空隙水蒸发速度越快,毛细水拉力越大,混凝土收缩的也就越厉害,尤其是相对湿度的影响最为严重。

1.2 混凝土塑性沉降裂缝

在新搅拌的混凝土中,骨料颗粒悬浮在一定稠度的水泥浆体中,浆体的重量密度较低,水灰比0.6的浆体的重量密度只有骨料重量密度的一半,所以骨料在浆体中有下沉的趋势,骨料的下沉和水分的上升会在水平钢筋的底部形成空隙并积聚水分,为锈蚀留下了隐患;水分上升还会滞留在粗骨料的底部,造成混凝土抗渗性和抗冻性降低;当处置下沉的固体颗粒遇到水平设置的钢筋或紧固螺栓等预埋件,或受到侧面模板的摩擦阻力时,受到阻拦并与该部位的混凝土形成沉降差,结果在混凝土顶部表面造成塑性沉降裂缝[1,2,4]。另外,如果同时浇筑梁、板、柱或墙的混凝土,由于这些构件的深度不同,有着不同的沉降,从而在这些构件交接面处形成沉降差并产生塑性沉降裂缝。混凝土塑性沉降裂缝与钢筋尺寸、保护层厚度及坍落度等因素有关。坍落度愈大,沉降开裂的可能性也愈大。在接近表面的水平钢筋上方最容易形成沉降裂缝,并随钢筋直径加粗和保护层减小而愈趋严重。

1.3 混凝土干燥收缩裂缝

干燥收缩是水泥基混凝土的固有特性。浇筑时呈流动状态的混凝土混合介质,硬化后呈固体状态,除了硬化生成硅酸钙等固体物质是一个化学反应过程外,还伴随着一个水分蒸发干燥的物理过程,形成干燥收缩裂缝[1,2,4]。混凝土内的固体水泥体积会随水分含量的减少而减小,而砂石等骨料却保持相对稳定状态,对水泥浆体的体积因水分蒸发造成的体积减小则起很大的约束作用,使混凝土的体积变化远远低于水泥浆体的体积变化,其中差值只有形成无数细微的裂缝了。

1.4 混凝土自生收缩裂缝

自生收缩裂缝是水泥水化作用引起的收缩,并不属于干燥收缩。在已硬化的水泥浆体中,未水化的水泥继续水化是产生自生收缩的主要原因。水化使空隙尺寸减小并消耗水分,如无外界水分补给,就会引起毛细水负压使硬化水化物受压产生体积变化即自生收缩裂缝。水灰比越低,自生收缩越大,掺加硅粉更能加大自生收缩。一些改善自生收缩的措施常与提高混凝土强度措施相矛盾,在实际工程中需要具体分析,如采用高强度混凝土则必须高度重视自生收缩危害,但标号较低的混凝土自生收缩则不是主要矛盾。

1.5 温度裂缝

混凝土内部和表面的散热条件不同,内部热量不易散发,致使其内部温升幅度较其表层的温升幅度要大得多;而在混凝土升温峰值过后的降温过程中,内部降温速度又比其表层慢得多,因此混凝土中心温度很高,这样就会形成温度梯度。在这些过程中,混凝土各部分的温度变形及由于其相互约束和外界约束的作用而在混凝土内产生的温度应力,使混凝土内部产生压应力,表面产生拉应力,当拉应力超过混凝土的极限抗拉强度时混凝土表面就会产生裂缝。混凝土内部的温度是由浇筑温度、水泥水化热的绝热温升和结构的散热温度等各种温度叠加之和组成。外界气温愈高,混凝土的浇筑温度也就会愈高;但外界温度降低则又会增加大体积混凝土的内外温度梯度。如果外界温度的下降过快,会造成很大的温度应力,极其容易引发混凝土的开裂。

1.6 施工因素裂缝

1)保护层过厚或乱踩踏已绑扎的上层钢筋,使承受负弯矩的受力筋保护层加厚,导致构件的有效高度减小,形成与受力筋垂直方向的裂缝。2)混凝土浇筑过快,混凝土流动性较低,在硬化前因混凝土沉实不足,硬化后沉实过大,容易在浇筑数个小时后发生裂缝。混凝土分层或分段浇筑时,接头部位处理不好,易在新旧混凝土和施工缝之间出现裂缝。混凝土振捣不实、不均匀,易出现施工裂缝。3)用泵送混凝土施工时,为保证混凝土的流动性,增加水和水泥用量,或因其他原因加大了水灰比,导致混凝土硬化时收缩量增加,使混凝土出现不规则裂缝。4)施工前对支架压实不足或支架刚度不足,浇筑混凝土后支架不均匀下沉,导致混凝土出现裂缝。施工时模板刚度不足,在浇筑混凝土时由于侧向压力的作用使模板变形,产生与模板变形一致的裂缝。拆模过早,混凝土强度不足,使构件在自重或施工荷载的作用下产生裂缝。

1.7 化学反应裂缝

在钢筋混凝土结构中最常见的由于化学反应引起的裂缝是碱骨料反应裂缝和钢筋锈蚀引起的裂缝。混凝土拌和后会产生一些碱性离子,这些碱性离子与某些活性骨料产生化学反应并吸收环境中的水分而体积增大,造成混凝土疏松、膨胀开裂。由于混凝土浇筑、振捣不实或者钢筋保护层过薄,有害物质进入混凝土,使钢筋产生锈蚀、体积膨胀,导致混凝土胀裂。

2 裂缝的原因分析

1)混凝土在硬化过程中,由于干缩引起的体积变形受到约束时产生的裂缝,这种裂缝的宽度有时会很大,甚至会贯穿整个构件。2)混凝土在硬化期间水泥产生大量水化热,内部温度不断上升,在混凝土表面引起拉应力。后期在降温过程中,由于受到基础或旧混凝土的约束,又会在混凝土内部出现拉应力。气温的降低也会在混凝土表面引起很大的拉应力,当这些拉应力超出混凝土的抗裂能力时,即会出现裂缝。3)在厚度较大的构件中,由于混凝土的塑性塌落受到模板或顶部钢筋的抑制,在浇捣后数小时会发生这种由于混凝土塑性塌落引起的裂缝。4)当有约束时,混凝土热胀冷缩所产生的体积胀缩,因为受到约束力的限制,在内部产生了温度应力,由于混凝土抗拉强度较低,容易被温度引起的拉应力拉裂,从而产生温度裂缝。由于太阳暴晒产生裂缝也是工程中最常见的现象。5)混凝土加水拌和后,水泥中的碱性物质与活性骨料中活性氧化硅等起反应,析出的胶状碱—硅胶从周围介质中吸水膨胀,体积增大3倍,从而使混凝土胀裂产生裂缝。6)许多混凝土的内部湿度变化很小或变化较慢,但表面湿度可能变化较大或发生剧烈变化,如养护不当、时干时湿,表面干缩变形受到内部混凝土体的约束,也往往产生裂缝。7)构件超载产生的裂缝,例如:构件在超出设计的均布荷载或集中荷载作用下产生内力弯矩,出现垂直于构件纵轴的裂缝,构件在较大剪力作用下,产生斜裂缝,并向上、下延伸。8)当结构的基础出现不均匀沉陷,就有可能会产生裂缝,随着沉陷的进一步发展,裂缝会进一步扩大。9)当钢筋混凝土处于不利环境中,例如:侵蚀性水,由于混凝土保护层厚度有限,特别是当混凝土密实性不良,环境中的氯离子等和溶于水中的氧会使混凝土中的钢筋生锈,生成氧化铁,氧化铁的体积比原来金属的体积大得多,铁锈体积膨胀,对周围混凝土挤压,使混凝土胀裂。10)由于原材料质地不均匀、水灰比不稳定以及运输和浇筑过程中的离析现象,在同一块体混凝土中其抗拉强度也是不均匀的,存在着许多抗拉能力很低,易于出现裂缝的薄弱部位。而在施工过程中,我们最为常见的多是因温度而引起的裂缝。

3 裂缝的控制与预防

为了防止裂缝,减轻温度应力可以从控制温度和改善约束条件两个方面着手。控制温度的措施如下:

1)采用改善骨料级配,用干硬性混凝土,掺混合料,加引气剂或塑化剂等措施以减少混凝土中的水泥用量;2)拌和混凝土时加水或用水将碎石冷却以降低混凝土的浇筑温度;3)热天浇筑混凝土时减少浇筑厚度,利用浇筑层面散热;4)在混凝土中埋设水管,通入冷水降温;5)规定合理的拆模时间,气温骤降时进行表面保温,以免混凝土表面发生急剧的温度梯度;6)施工中长期暴露的混凝土浇筑块或薄壁结构,在寒冷季节采取保温措施。

改善约束条件的措施是:合理地分缝分块,避免基础过大起伏;合理的安排施工工序,避免过大的高差和侧面长期暴露;改善混凝土的性能,提高抗裂能力,加强养护,防止表面干缩,特别是保证混凝土的质量对防止裂缝是十分重要的,应特别注意避免产生贯穿裂缝,出现后要恢复其结构的整体性是十分困难的,因此施工中应以预防贯穿性裂缝的发生为主。

在拆除模板后及时在表面覆盖一轻型保温材料,如泡沫海绵等,对于防止混凝土表面产生过大的拉应力具有显著的效果。

在混凝土中想要利用钢筋来防止细小裂缝的出现很困难,但加筋后结构内的裂缝一般就变得数目多、间距小、宽度与深度较小了。而且如果钢筋的直径细而间距小时,对提高混凝土抗裂性的效果较好。

正确使用外加剂也是减少开裂的措施之一。许多外加剂都有缓凝、增加和易性、改善塑性的功能,我们在工程实践中应多进行这方面的实验对比和研究,比单纯的靠改善外部条件,可能会更加简捷、经济。

4 结语

裂缝是混凝土结构中普遍存在的一种现象,它的出现不仅会降低建筑物的抗渗能力,影响建筑物的使用功能,而且会引起钢筋的锈蚀,混凝土的碳化,降低材料的耐久性,影响建筑物的承载能力,因此严格按规程、规范要求施工,严把质量关,防患于未然,尽可能地降低混凝土裂缝的出现;对混凝土裂缝进行认真研究、区别对待,采用合理的方法进行处理,并在具体施工中要靠我们多观察、多比较,出现问题后多分析、多总结,结合多种预防处理措施,混凝土的裂缝是完全可以避免的。

[1] 郭正兴,李金根.建筑施工[M].南京:东南大学出版社,2001.

[2] 《建筑施工手册》编写组.建筑施工手册[M].第4版.北京:中国建筑工业出版社,2000.

[3] 杨焱琦,肖明辉.钢筋混凝土现浇板裂缝产生的原因和防治措施[J].山西建筑,2008,34(2):174-175.

[4] 中国建筑工业出版社.现行建筑施工规范大全[M].北京:中国建筑工业出版社,2004.

[5] 赵国藩.钢筋混凝土结构[M].北京:中国电力出版社,2005.