建筑结构设计中现浇混凝土裂缝的控制

2013-04-15李思思

建材世界 2013年2期

李思思

（中国建筑科学研究院深圳分院，深圳 518057）

国民经济的快速发展引起国内基础设施如火如荼的进行，公路、铁路、航空、水路等各个领域都需要大量混凝土，混凝土材料已成为世界上用量最大且用途最为广泛的工程材料之一。以我国为例，仅2010年中国混凝土消耗量为1.0×109t，而当年世界混凝土产量为2.1×109t，几乎是当年世界产量的一半。混凝土的大量使用，一方面加快材料、科技技术的快速发展，另一方面，由此带来的相关问题也层出不穷。其中，最普遍的问题就是混凝土的裂缝控制问题。对于现浇混凝土建筑结构来讲，裂缝的出现会带来一系列问题，主要表现为：裂缝的存在一方面减小建筑结构的承载能力、耐久性以及结构的整体防水性能，给建筑结构的安全使用带来一定程度的影响；同时影响结构的外观，弱化了结构的整体美观。混凝土的裂缝问题早已成为国内外广大科研人员重点关注的问题之一。

1 现浇混凝土裂缝形成的原因分析

根据大量科研成果以及实际工程中混凝土裂缝出现的原因分析，对于现浇混凝土来讲，混凝土构件出现裂缝的原因主要有以下几个方面。

1.1 荷载作用下形成的裂缝

混凝土构件在荷载作用下引起的主拉应力大于混凝土自身的抗拉强度或者主拉应变超过其极限拉伸应变后，导致混凝土构件受拉区出现裂缝。荷载作用下引起的裂缝的主要特点是：裂缝主要出现在构件的受拉区域或者剪拉区域，且裂缝形状多为楔形裂缝。对于受弯构件，最大正、负弯矩处的裂缝基本上都为竖向裂缝；对于轴心受拉构件，裂缝形式一般为贯穿整个截面的主裂缝。钢筋混凝土构件在荷载作用下常见的裂缝形状如图1～图3所示。

1.2 温度变化引起的裂缝

温度变化引起的裂缝主要体现在2个方面：对于配筋率较大的钢筋混凝土构件，当暴露在外界环境中时容易受到环境温度变化的影响，这主要受季节变化、昼夜交替等因素的影响；对于大体积混凝土的浇筑，浇筑过程会明显受到水化热的影响，当一次性浇筑量过大时，产生的大量水化热不能有效的消耗，导致混凝土构件的内、外表面温度存在较大差异，从而导致温度裂缝的产生，严重时甚至出现贯穿裂缝。

1.3 结构不均匀沉降引起的裂缝

结构产生不均匀沉降后将导致混凝土构件产生协同变形，导致构件产生裂缝；同时，随着不均匀沉降的进一步增大或者不均匀性增强，裂缝会越来越大。

1.4 混凝土收缩变形引起的裂缝

通常情况下，混凝土收缩变形主要包括混凝土材料的塑形收缩，失水状态下的干燥收缩以及碳化引起的收缩等。

1.5 内部化学反应引起的裂缝（碱－骨料）

化学反应引起的裂缝主要指碱－骨料发生的化学反应，主要包括2种：1种是碱与硅酸盐骨料之间发生的化学反应，另1种是碱与碳酸盐骨料之间发生的化学反应。一般情况下控制这种裂缝的方法有以下几个方面：控制混凝土骨料，尽可能地选择非活性的骨料；控制水泥中碱的含量，或者添加一些有特殊性质的添加剂。

2 混凝土开裂的控制

通常情况下，混凝土构件都是在带裂缝状态下进行工作的，因此对于混凝土裂缝产生的类型有必要进行说明。根据相关研究成果发现，裂缝最初发生在混凝土构件的内部，经过进一步发展在整个构件内形成一个微裂缝的网络。因此，虽然表面上暂时发现不了裂缝的存在，但是实际上构件内部已经产生了大量的裂缝。表1给出了混凝土结构产生裂缝的类型。

表1 混凝土结构裂缝的类型

3 现浇混凝土结构裂缝控制的方法

对于现浇混凝土来讲，裂缝控制的方法主要做到“防、放、抗”3方面相结合的原则，从建筑结构设计、材料选择及配合比方面、施工水平、施工环境以及现场管理等方面进行综合考虑，严格执行。

3.1 建筑结构设计方面

在进行建筑物结构设计时，应严格按照《混凝土结构设计规范》（GB 50010—2010）等国家相关标准规范执行。除此之外，还应根据《建筑抗震设计规范》（GB 50011—2010），结合建筑结构物所在地的抗震等级、场地使用条件、建筑物的使用功能、平面尺寸及相关规模，同时考虑建筑物所在地区的气候条件、相关装饰装修要求等影响因素，采取一定的措施，最大程度控制混凝土收缩，避免因地基基础等原因导致混凝土出现裂缝。结合大量的现浇混凝土施工经验，由于现浇混凝土在施工期间所经历的温度差异和环境差异变化较大，因此在施工中可以采取“先放再抗”的设计原则。在设计中可以通过减小结构约束，通过合理设置后浇带等措施减小裂缝的产生。其次，合理设计构造钢筋的布置形式，构造钢筋应布置在受力主筋的外侧，同时在混凝土中可以适当添加一些用于改善混凝土抗裂性能的添加剂，提高现浇混凝土抵抗因温差、环境改变引起的裂缝的能力。

3.2 混凝土材料和配合比方面

混凝土材料的选择应该严格按照国家相关行业规范和标准的规定进行选择。水泥的选择方面，宜选择硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥或者矿渣硅酸盐水泥。骨料的选择方面，应注意骨料的级配、质量，具体的讲，骨料应选择级配良好且干净的中砂和级配良好且孔隙率较小的粗骨料，同时要注意骨料中其他杂质的相对含量应满足相关标准的要求。添加剂方面，对于常用的普通混凝土，应尽可能采用普通减水剂或中效减水剂，而对于大体积混凝土，考虑到混凝土构件的收缩变形较大且水化热产生的温差效应引起的裂缝，应选择对混凝土收缩变形及水化热影响较小的外加剂或者其它一些掺合料。混凝土配合比方面，应严格按照《普通混凝土配合比设计规程》进行执行，结合建筑结构中要求的强度等级、结构耐久性、抗渗等级以及工作性能等进行具体的设计。