现浇钢筋混凝土楼板裂缝控制的试验研究

史洪江

(天津交通职业学院,天津市 300110)

一、现浇钢筋混凝土楼板裂缝的现状

现浇钢筋混凝土楼板是在其它构件约束下的受弯构件,在外部荷载及内部应力作用下,常常形成不同形态的可见裂缝,调研发现,目前常见混凝土裂缝裂缝主要由以下原因所引起[1]:

1.混凝土塑性收缩产生的裂缝;

2.混凝土水化反应生成的水化热产生的裂缝;

3.混凝土干燥收缩导致的裂缝;

4.由于外界温度变化、构件间温度变形的差异产生的裂缝,广义上讲也属于收缩开裂的范畴;

5.由于结构上的荷载或局部应力作用导致的裂缝;

近年来,关于混凝土强度的微观研究以及大量工程实践提供的经验都证明,结构物的裂缝是不可避免的,开缝是混凝土的材料特征。科学的要求应是将其有害程度控制在允许范围内[2]。对于钢筋混凝土楼板进行裂缝控制,就是通过适当的技术措施,使其不产生有害裂缝,也就是说允许裂缝出现,但必须使其影响不致达到有害程度[3]。

二、混凝土收缩变形的试验研究

(一)预制混凝土收缩的试验研究

预制混凝土制作工艺先进,质量可靠,环境污染小,现已逐步取代现场搅拌混凝土。由于运输和泵送的需要,预制混凝土利用添加外加剂增大混凝土的流动性,延缓混凝土的初凝时间。但预制混凝土的胶结料及含砂率较大,导致混凝土收缩量偏高。随着高强混凝土的使用,高强水泥使用日益普遍,水泥用量也增大,更加剧了预制混凝土收缩量的大大增加。调查表明,目前预制混凝土的收缩值较五年前提高了近66%,混凝土收缩值的提高是加剧现浇混凝土楼板开裂的重要因素之一。

1.预制混凝土收缩试件制作及养护

为使试验结果接近生产实际,试验中制作的8组试件均采用现场使用的、不同生产厂家的预制混凝土,经随机取样成型。为便于对试验结果进行比较,8组试件使用的的混凝土强度等级均为C30,试件尺寸为100mm＊100mm＊515mm。试件成型后分别在收缩养护室和标准养护室进行分期养护。收缩养护室的养护条件是:养护温度20±2oC;养护湿度 ≥(60±5)%;标准养护室的养护条件是:养护温度20±2oC;养护湿度 ≥90%。制作试件所用混凝土的配合比情况可参见表1。

为了找出混凝土的养护条件对其收缩影响的相关规律,本实验对同组试件进行了不同养护条件下的收缩情况对比试验。试件采用8种混凝土配合比,共制作试件13组。其中10组试件,采用5种不同的混凝土配合比,同种配合比制作试件2组,将其分为相同的两批。其中1批、5组试件置于收缩养护室内进行养护 (以下简称 YHTJ-1);另1批、5组试件,前14d在标准养护室进行养护,后14d则在收缩养护室进行养护(以下简称 YH TJ-2)。其余3组试件,由不同于上述配合比的3种混凝土制作而成,仅采取 YH TJ-1养护,其目的是找出不同配合比对混凝土收缩的影响。

2.试验结果及结论

各组试件在不同龄期的测试结果列于表2。编号为1-5的试件,每种试件都分别在两种不同的养护条件下进行养护,并对其试验结果进行对比。各组试件的变化规律大致相同,现以编号为1的一组试件为例,将其变化情况绘制于图1中。试验结果表明:

表1 试件混凝土配合比

表2 混凝土不同龄期收缩值试验结果

(1)不同养护条件下的同组试件,同龄期时试件收缩值不同。但在 YHTJ-2条件下养护的试件收缩值均明显小于YH TJ-1养护条件下同组试件的收缩值。

(2)前14d的养护湿度条件对混凝土体积收缩有很大影响。YHTJ-1条件下养护的试件,初凝后始终处于收缩状态;在 YH TJ-2条件下养护的试件,前14d均为膨胀状态,14d后由于养护湿度减小,体积由膨胀变为收缩状态。同组试件在不同养护条件下的收缩值相比较,在 YHTJ-2养护条件下28d后的收缩值较YHTJ-1养护条件下试件的收缩值明显减小。试验结果表明,不仅前14d高湿度条件下养护的膨胀变形可以部分补偿后期的收缩变形,而且也大大减小了混凝土后期收缩的速率。

图1 不同养护条件下混凝土收缩情况

(3)各组试件在混凝土强度相同(均为C30),但配合比不同的情况下,在 YHTJ-1养护条件下养护的的各组试件,其60d的收缩值相差达10%以上;在 YHTJ-2养护条件下养护的的各组试件,其60d的收缩值相差达近50%。可见选用合适的配合比也是减小混凝土收缩的重要途径。

以上结果表明:混凝土的早期养护湿度对混凝土收缩值有很大影响,初凝后在湿度较大的条件下养护,可大大减小混凝土的收缩变形。因此在施工时应加强混凝土早期的浇水和覆盖养护、合理选用混凝土的配合比,是减小混凝土收缩量的最有效的措施。笔者将收集到的近几年预制混凝土收缩试验数据与本次试验数据对比发现,近几年来由于配合比的改变,目前使用的预制混凝土收缩值比5年前使用的预制混凝土收缩值竟增加了65.6%,这无疑对现浇混凝土楼板的开裂造成很大影响。

(二)现浇钢筋混凝土楼板模型的收缩试验

1.实验目的

混凝土浇筑后的收缩变形是现浇钢筋混凝土楼板开裂的内部原因,混凝土的收缩受到限制导致内部拉应力的产生则是开裂的外界条件。当混凝土内部的拉应力大于当时混凝土的抗拉强度时,裂缝就产生了[4]。混凝土裂缝可能在混凝土塑性期产生,也可能在混凝土硬化后产生。混凝土存在裂缝是必然的,我们应通过各种措施,将混凝土裂缝控制在一个合理的,可接受的范围内。

现场调研发现,施工中过早拆除模板、施加施工荷载不当以及养护条件不良都是诱发混凝土裂缝出现的重要因素。钢筋混凝土构件在结构中都受到不同程度的约束,现浇钢筋混凝土楼板作为超静定结构,对外界各种作用反应敏感。混凝土收缩、温度应力、结构沉陷、意外荷载等都将导致较大的结构应力而诱发混凝土裂缝。本试验模拟工作条件进行现浇钢筋混凝土楼板模型的收缩试验。

2.试验方案及结论

楼板模型试件分为四组。试件以实际楼板尺寸4.0m×6.0m为例进行设计,模型比例选为1:2,即模型楼板尺寸为2.0m×3.0m。混凝土设计强度为C30,四组试件混凝土配合比基本相同,但分别加入不同外加剂或掺和料。通过观测无荷载情况下,不同龄期的模型楼板收缩值变化情况范围以及模型楼板在使用荷载作用下条件下的收缩变形、应力变化等,了解混凝土楼板的工作特征。

为模拟实际结构中楼板的约束状态和自身连续性特征,模型板设置了刚性较大的钢筋混凝土梁(截面为240mm×180mm);板的短边方向,双向各挑出长550mm,厚60mm的连续板。试件依据可变荷载2.0kn/㎡计算配筋,配筋率0.625%,板钢筋选用 HRB 235,梁钢筋选用 HRB335。板和梁的混凝土强度等级均为 C30。混凝土原材料,选用天津水泥厂的325普通硅酸盐水泥、天津第一发电厂产粉煤灰、蓟县产砂石、UN F-5高效减水剂等。试件的配合比、外加剂加入情况,试件混凝土实测强度以及实测塌落度等情况参见表3。

表3 模型板配合比、外加剂、混凝土实测强度和实测塌落度

试件模拟施工现场条件进行养护,28d龄期时施加重物作为活荷载,荷载均匀分布在试件表面,荷载值为2KN/㎡。钢筋上贴有应变计,以测定加载前后板内钢筋的应力变化情况。模型楼板收缩情况参见表4及图2。

试验结果如下:

(1)M XB-1、M XB-2、M XB-4楼板模型试件,在养护的前7d,收缩规律大体相同;7d后,收缩速率明显不同。混凝土中加入矿粉或减水剂,对早期收缩影响不大,但后期收缩值明显减小。

(2)掺加抗裂剂的楼板模型试件M XB-3,各龄期收缩值都明显小于其它模型试件,表明抗裂剂对抑制混凝土的干缩有很好的作用效果。

表4 模型楼板的收缩情况

图2 模型板实测线收缩对比图

(3)在楼板模型不同混凝土区域,工作荷载引起的混凝土应变与混凝土干缩应变作用效果相同时,加剧了混凝土开裂的可能性,反之减缓混凝土的开裂。

三、试验结论及建议

(一)通过不同组别的混凝土收缩试验及楼板模型试验,得出如下结论:

1.使用抗裂剂可明显降低混凝土的收缩,对抑制裂缝有明显效果。

2.不同掺合料对混凝土不同齢期收缩产生的抑制效果不同,对混凝土养护后期的开裂抑制作用效果明显。

3.过早施加施工荷载或工作荷载对混凝土受拉区的应力状态有较大影响,尤其在7天齢期内,因混凝土的抗拉强度很低,极易造成楼板开裂。

4.做好混凝土养护尤其是早期浇水养护可明显减小混凝土收缩,是防止楼板开裂的重要措施。

5.选用合理的混凝土配合比,也是控制混凝土收缩的有效手段。严格控制原材料质量,采用合理的配比,适当掺入外加剂,能有效抑制混凝土裂缝产生[3]。

(二)现浇钢筋混凝土楼板裂缝的防治是一项综合性工程,应从设计、施工、材料、管理等方面采取全面措施。

为做好现浇钢筋混凝土楼板开裂的防治工作,应加强对楼板开裂的综合治理,现提出以下建议:

1.选用质量可靠、收缩较小的水泥选择级配良好、粒径较大的粗骨料并增加粗骨料比例适当降低砂率,控制砂的粒径及含泥量,禁止使用细砂;合理选用外加剂,选用减水率高、分散性能好,对混凝土收缩影响小的外加剂,尽量避免采用早强型外加剂,不滥用膨胀剂;严格控制用水量;

2.合理振捣;及时抹压;加强洒水养护;适时施加荷载;严格控制钢筋保护层厚度;

3.适当加大结构厚度;尽量选用小直径、小间距配筋,适当提高配筋率,合理配置负弯矩钢筋[1]。

注:预制混凝土系指在工厂条件下拌制的混凝土,为适应现代建筑施工的要求,现在施工单位普遍采用购买预制混凝土(俗称商品混凝土)运输到现场,然后采用泵送的方法进行混凝土的施工浇筑。天津市建设管理部门(建委)要求,外环线以内施工的建筑物必须采用预制混凝土施工;建委还规定:施工单位采用泵送混凝土,必须采用预制混凝土施工。

[1]冯乃谦.商品混凝土在施工应用中的开裂与对策[J].混凝土.2000,(09).

[2]王铁梦著.工程结构裂缝控制[M].北京:中国建筑工业出版社,1997.

[3]王铁梦著.建筑物的裂缝控制[M].上海:上海科学技术出版社,1987.

[4]巴恒静等.约束条件下高性能混凝土的早期开裂[J].混凝土,2002,(05).