钢筋混凝土结构裂缝特点研究

金先斌

(武汉市青山区建管站,武汉 430070)

钢筋混凝土结构裂缝特点研究

金先斌

(武汉市青山区建管站,武汉 430070)

该文阐述了钢筋混凝土结构裂缝问题的发展状况。首先介绍了钢筋混凝土结构裂缝的基本概念及裂缝种类。总结了目前钢筋混凝土结构裂缝形成的主要原因,对各主要原因的影响进行了相关的解释和阐述。进一步探讨了未来钢混结构裂缝问题的特点和规律以及裂缝技术未来的趋势。

钢混结构; 结构裂缝; 温度效应; 外加荷载

钢筋混凝土是目前国际国内土木工程最重要的建筑材料。自19世纪下半页钢筋混凝土诞生以来,至今已有100多年的使用历史。钢筋混凝土的制造和使用技术伴随着土木工程建设的发展和科学技术的进步而不断向前发展。目前绝大部分土木工程结构均采用钢筋混凝土建造。目前钢筋混凝土结构损坏的工程质量事故,绝大多数是从裂缝的发展和扩展开始的。实际上,钢筋混凝土结构一般都是带裂缝工作的,甚至很多情况下结构裂缝是时刻发生变化。随着钢筋混凝土结构裂缝的不断发展变化,结构服役期的安全性和耐久性都会明显降低,严重的话甚至会导致结构构件的破坏和整体结构的倒塌。

数十年来,在土木工程领域中一个相当普遍的难题就是钢筋混凝土结构的裂缝问题。裂缝问题已经严重影响到建筑结构的服役安全,对人们正常的生产和生活造成了影响。100多年来一直困扰着土木工程的技术人员和科学工作者,显然这是一个亟待解决的工程技术问题。因此,如何掌握和了解钢筋混凝土结构的裂缝特点和规律,确保土木工程结构在服役荷载和裂缝共同作用下的安全性、适用性和耐久性就显得十分重要。因此,研究结构裂缝问题的特点及其防治方法显得尤为必要。

1 钢筋混凝土裂缝的种类

钢筋混凝土裂缝种类繁多,通常可以按照不同的方法进行分类。按照裂缝在结构中的的深度通常可分如下几类:1)深部裂缝,即混凝土结构的表面裂缝在外荷载和环境作用下经过一定程度的发展,然后裂缝将扩展至内部;2)混凝土表面裂缝,即在外荷载和环境作用下结构表面发生的部分深度较浅的裂缝;3)穿透裂缝,即混凝土结构中的裂缝在外荷载作用下发生较为严重的发展,从而形成了贯穿整个结构某断面的裂缝,这种裂缝危害很大,将导致结构分离。

若按照混凝土裂缝发展的特点和规律则主要可分为3类:1)静止类型的裂缝,即混凝土结构中已经存在的裂缝其长宽等几何指标均不再发生变化和扩展;2)扩展裂缝,这种裂缝其长宽将随着时间而增长;3)宽度扩展裂缝,即混凝土结构中的裂缝其宽度在外荷载作用下发生改变,但裂缝长度基本不发生变化的裂缝。

若按照混凝土裂缝产生的原因,则大体上可以分为5类:

1)外荷载引发的裂缝。当混凝土结构承受过大的外荷载作用时,结构构件将会由于承载力不足而发生裂缝。这种裂缝即为外荷载引发的裂缝。

2)收缩类型裂缝。混凝土结构在服役过程中,由于自然环境如温度湿度等的变化,混凝土不可避免地将发生收缩变形。在收缩过程中混凝土存在约束边界条件,这将限制混凝土的自由收缩变形并导致混凝土内部产生应力。如果混凝土中的约束应力较大并大于其抗拉强度,则混凝土将由于强度不足而发生收缩裂缝。

3)温度荷载裂缝。温度荷载裂缝是混凝土在服役过程中由于日照等时变温度荷载作用而产生了温度梯度而引起的裂缝类型。如在夜晚混凝土表层由于缺乏日照将温度下降,而混凝土内部温度下降得较为缓慢,因此产生了内外的温度差和温度梯度,这将导致内部混凝土对表层混凝土起约束作用,即发生由于温度应力引发的温度裂缝。

4)碱骨料反应裂缝。众所周知,水泥中存在大量的碱性物质,如氧化钠、氧化钾等。同时还存在骨料中的活性二氧化硅、微晶白云石等。如果它们发生反应将导致混凝土发生较为显著的膨胀作用,显然这种膨胀将不可避免地引起混凝土内部的应力并进一步引发混凝土产生裂缝。通常将这类裂缝称为由于材料碱骨料反应而引起的裂缝类型。

5)钢筋锈蚀裂缝。钢筋混凝土内部存在钢筋,但是由于恶劣服役环境的影响,可能发生钢筋的锈蚀,导致钢筋与混凝土表面的连接界面出现问题,从而导致锈蚀裂缝出现。通常这种裂缝一般沿着钢筋长度方向发展。

2 钢筋混凝土裂缝的形成原因

钢筋混凝土结构发生裂缝并非偶然显现,均是由于服役环境恶劣、材料缺陷、设计疏忽、施工质量低下等各种复杂原因引起或者是由于多个因素耦合作用的结果。但是对于工程结构而言,其破坏往往始于裂缝的出现和发展。钢筋混凝土结构在各种内部和外部荷载的作用下,将会产生内力和变形。这种荷载极有可能是作用于结构上的静动力荷载也有可能是作用于结构上的环境效益。

荷载作用于钢筋混凝土结构时将导致结构产生变形和应变,从而在结构内部引起应变能。随着结构上的作用荷载不断增加,在结构内部产生的应变能将迅速累积。当结构内部应变能过大时钢筋混凝土结构由于荷载引起的变形将达到极限值,结构将由于无法继续承受荷载而首先发生局部性的裂缝。裂缝一旦产生,将在一定程度上释放累计于结构内部的应变能,从而能使钢筋混凝土结构在释放应变能后的状况状态下达到新的受力平衡状态。

倘若结构上的外荷载继续持续施加甚至强度继续增加,则钢筋混凝土结构又将发生由于荷载作用引起的内力、变形和应变能积累。应变能积累到一定程度后又将发生裂缝并发生新的受力平衡。上述过程在钢筋混凝土结构服役过程中不断重复发生。伴随着钢混结构在荷载作用下应变能的反复积累和释放过程,钢混结构表面和内部的裂缝也将不断地产生、发展和贯通,如果裂缝严重到一定程度后将最终导致构件甚至结构的损伤破坏和失效。就目前而言,作用于钢筋混凝土结构上的各类荷载效应主要包括以下几种:外界静动力荷载作用、服役环境作用、温度荷载作用等。以下即结合各作用效应阐述钢筋混凝土裂缝的形成原因。

1)外荷载作用

钢筋混凝土结构构件主要由柱、梁板等受力构件组成。在正常服役荷载下钢混梁板结构主要以承受弯矩作用为主。而竖向构件如柱和基础则主要以承受竖向压力为主。实际服役过程中不同类型的结构构件其受力特点和结构形式均存在一定程度差异。因此,钢混结构上的裂缝的类型特点和危害显然也存在很大差异。钢混受压构件若按正常服役条件进行设计建造通常出现裂缝的概率较小。钢混受压构件若发生与其受力方向平行的裂缝时,则表明结构构件已经欠缺受压承载力。因此,通常情况下为了充分有效地发挥其中钢筋的受拉性能,钢混构件受拉区混凝土通常允许带裂缝服役。基于此,为了符合钢混结构耐久性的长期要求,我国相关设计规范和规程对不同服役条件下的钢混构件的允许裂缝宽度均给出了明确具体的规定。

2)温度荷载作用

众所周知,工程结构使用的水泥材料中通常含有大量碱性物质,如硅酸三钙(3CaO·SiO3)、铝酸三钙(3CaO·Al2O3)等。这类物质在水化过程中不可避免地产生大量水化热。据现有试验实测数据表明水泥约80%的水化热将在浇筑后的3～7 d内集中产生。水化热导致混凝土结构内部的温度迅速上升,这种现象反过来又进一步加速了水泥水化的过程,又将在混凝土内部产生更多水化热。因此水化热容易导致混凝土结构产生不平衡的温度梯度和温度应力,这将大大增加混凝土结构产生裂缝的可能性。特别是对于重大工程中广泛使用的大体积混凝土而言,这种现象尤为显著。大体积混凝土通常表面积较大,因此容易与周边空气发生热能交换,因此表面热量很容易散失并且表面通常温度较低。

但大体积混凝土内部情况则完全不同,其由于混凝土材料导热系数较小,因此其内部由于水化产生的大量热量将不断集聚并难以散发,这将导致其内部存在很大的不均匀温度梯度并进一步导致其内外显著的温度差值。因此钢混结构的内外将出现非常明显的温度差异和显著的时变温度应力。这种温度应力将导致大体积混凝土结构出现很多温致裂缝。

3)混凝土干燥收缩效应水灰比作为控制混凝土拌合物和易性的一个极为重要指标,其数值必须控制在合理的范围。水灰比过小将导致拌合物流动性不佳,而较大则将导致拌合物发生离析,严重地影响混凝土的密实度和硬化性能。目前土木工程上水灰比通常控制在0.4～0.6。事实上真正用于水化的水量总量通常不及拌和水总量的三分之一,多余的水分要完全靠蒸发。钢混结构表面由于受到日照和环境温度影响通常水分蒸发较快,干燥收缩程度较混凝土内部要明显,从而引起收缩裂缝的萌生和扩展,通常裂缝深度较浅并多呈不规则形状。

4)水泥体积安定性影响

水泥的体积安定性通常指水泥材料在凝结过程中其体积改变的均匀程度。

如果熟料中加入过多的石膏或者氧化镁和氧化钙等物质,将导致水泥硬化后继续进行水化反应并使得水化产物的体积发生膨胀从而引起水泥开裂。水泥安定性不良将导致结构发生裂缝,这种裂缝通常为龟裂状,并将不可避免地降低结构的强度和耐久性。

5)混凝土自应力影响

混凝土硬化后即使没有承受外力也将由自身的收缩而引发裂缝。通常在混凝土墙板结构上容易产生这种上下贯通的裂缝类型。水化热达到一定的程度后,混凝土由于热膨胀所引发的应力开始逐渐减小并消失,此时混凝土将开始均匀地收缩,裂缝呈现出一定的规律性。

6)外加剂的不良影响

目前混凝土中使用的各种掺合料种类繁多,但目前对于各类掺合料物理参数的实测和实验数据还有待完善,目前对水化热及收缩变形影响还欠缺充足可靠的长期实验资料。目前工程实践表明很多外加剂使用后较为严重地影响了混凝土的收缩变形,部分甚至降低了混凝土的耐久性能。

3 结 语

随着混凝土理论和实用技术的不断发展和完善,对于混凝土的使用和维护的手段已从传统的方法不断趋向多样化。目前新发展起来的混凝土裂缝控制技术在工程应用上已经具有一定优势,为钢筋混凝土结构的设计、建造以及加固提供了一条崭新的途径。随着科学技术的进步以及混凝土技术的不断发展,新的混凝土抗裂方法和技术将会得到推出和发展,这将会最大限度地减少由于混凝土裂缝导致的工程结构损伤破坏。

[1] 中华人民共和国行业标准.结构抗震加固技术规程(JGJ 116—2009)[S].北京:中国建筑工业大学出版社,2009.

[2] 杨 繁,陈 波,王干军.建筑结构安全评估模型修正方法研究[J].中国安全科学学报,2014,24(5):104-108.

[3] 陈 波,孙玉周,郭伟华.钢筋混凝土板动力特性的时变温度效应实验研究[J].西南交通大学学报,2014,49(1):66-71.

[4] 陈 波,郑 瑾,瞿伟廉.基于摩擦阻尼器的高耸电视塔结构风振反应被动控制[J].振动与冲击,2011,30(2):243-247.

[5] 刘茂军,赵艳林,吕海波.钢筋混凝土结构裂缝产生的机理分析及应对策略[J].混凝土,2009(9):56-58.

[6] 王铁梦.工程结构裂缝控制[M].北京:中国建筑工业出版社,1998.

[7] 徐业愚.钢筋混凝土裂缝分析与控制[B].西部探矿工程,2002(5):140-141.

[8] 陈 波,郑 瑾,王建平.桥梁结构温度效应研究进展[J],武汉理工大学学报,2010,32(24):79-83.

[9] 江传良,冼巧玲.钢筋混凝土结构裂缝分析及其防治[B].科学技术与工程,2006,6(1):90-93.

[10]郑家树.钢筋混凝土结构裂缝分析及控制[J].西南民族大学学报,2008,34(2):386-388.

[11]王宗昌,屈芳民,蔡荣升.混凝土结构裂缝的分类特征及密封处理[J].混凝土,2002(5):77-78.

[12]朱耀台,詹树林.混凝土裂缝成因与防治措施研究[J].材料科学与工程学报,2003(5):90-91.

[13]陈肇元,崔京浩.钢筋混凝土裂缝分析与控制[C].南京:第十届全国结构工程学术会议论文集,2001:57-84.

[14]冯秀苓.混凝土结构温度裂缝成因及控制措施[J].华北航天工业学院学报,2004,14(2):21-23.

[15]鞠丽艳.混凝土裂缝抑制措施的研究进展[J].混凝土,2002(5):11-14.

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.

湖北省建设科技项目资助(鄂建文[2011]154号-115,鄂建文[2011]154号-118).

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