1. 材料與裂縫的關(guān)系
混凝土是粗細(xì)集料、水泥石、水和氣體所組成的非均質(zhì)堆聚結(jié)構(gòu),混合料在不同溫、溫度條件下凝結(jié)硬化,同時(shí)產(chǎn)生體積變形。水泥石的干燥和冷卻收縮大,集料的干燥和冷卻收縮小,而水泥石和集料之間相互粘結(jié)產(chǎn)生的約束,變形將導(dǎo)致微裂縫產(chǎn)生。
2. 鋼筋混凝土承受變形應(yīng)力的特點(diǎn)
2.1 “抗與放”設(shè)計(jì)
結(jié)構(gòu)承受的約束作用份內(nèi)約束(自約束)和外約束兩類。如果結(jié)構(gòu)變形是完全自由變形達(dá)到最大值,則內(nèi)應(yīng)力為零,也就不產(chǎn)生任何裂縫。如果變形受到約束,在全約束狀態(tài)下則應(yīng)力達(dá)到最大值,而變形為零。在完全約束與完全自由狀態(tài)之間,為彈性約束狀態(tài),自由變形可分解為約束變形和實(shí)際變形。這種約束狀態(tài)與荷載作用下的結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)(虎克定律)有著根本區(qū)域。
2.2 約束內(nèi)力與結(jié)構(gòu)剛度的關(guān)系
在荷載作用下結(jié)構(gòu)的內(nèi)力只與荷載及結(jié)構(gòu)幾何尺寸有關(guān),但在變形作用下,結(jié)構(gòu)的約束內(nèi)力不僅與變形作用及結(jié)構(gòu)幾何尺寸有關(guān),還與結(jié)構(gòu)剛度有關(guān),這是約束內(nèi)力與荷載內(nèi)力的重要區(qū)別。例如:
一簡(jiǎn)支梁兩端受到轉(zhuǎn)動(dòng)約束,梁沿截面高度為h,承受溫差ΔT時(shí),梁上的約束力矩
M= EJ * aΔt/h
式中:a―混凝土的線膨脹系數(shù)。
可見(jiàn)約束力矩不僅與溫差和截面高度有關(guān),而且與梁的抗彎剛度成正比。
當(dāng)鋼筋混凝土構(gòu)件進(jìn)入極限狀態(tài)時(shí),裂縫充分發(fā)展剛度下降至趨近于零時(shí)則力矩也趨近于零,所以,變形力矩不影響結(jié)構(gòu)的極限狀態(tài)。
3.裂縫產(chǎn)生的原因分析
3.1變形裂縫產(chǎn)生的原因
裂縫產(chǎn)生的影響原因主要包括:收縮及水化熱的增加、、混凝土強(qiáng)度等級(jí)日趨增高、結(jié)構(gòu)約束應(yīng)力不斷增大、外加劑的負(fù)效應(yīng)、養(yǎng)護(hù)方法不當(dāng)?shù)扔绊懸蛩亍?nbsp;
3.2 塑性裂縫產(chǎn)生原因
塑性沉降裂縫:由于固體顆粒沉降時(shí)受到阻礙而產(chǎn)生的,可依據(jù)混凝土沉降受阻的形式不同分為鋼筋或螺栓阻礙、沉降深度不同、模板不平或吸水三種原因所致。
混凝土塑性收縮裂縫:混凝土水平構(gòu)件上表面暴露部分,特別是混凝土地面和鋼筋混凝土樓板的表面,很容易產(chǎn)生塑性收縮開(kāi)裂。
3.3 溫度裂縫產(chǎn)生原因
溫度裂縫多出現(xiàn)在大體積混凝土結(jié)構(gòu)中,引起裂縫的主要原因是水泥水化熱的大量積聚,使混凝土出現(xiàn)早期升溫和后期降溫,產(chǎn)生內(nèi)部與表面的溫差。由于混凝土內(nèi)部和表面的散熱條件不同,混凝土溫度中心高,表面低,形成溫度梯度,產(chǎn)生溫度變形和溫度應(yīng)力。溫度應(yīng)力和溫差成正比,溫差越大,溫度應(yīng)力也越大。當(dāng)這種溫度應(yīng)力超過(guò)混凝土的內(nèi)外約束應(yīng)力時(shí),就會(huì)產(chǎn)生裂縫。
3.4 干燥收縮開(kāi)裂產(chǎn)生原因
混凝土的干燥收縮開(kāi)裂,主要是由于毛細(xì)管壓力造成的�；炷林械拿�(xì)管孔隙,在混凝土干燥過(guò)程中失水,毛細(xì)管逐漸變形,產(chǎn)生很大的毛細(xì)張力,使混凝土體積收縮(外觀體積收縮<0.2%)。如果混凝土用水量增加,水灰比增大,毛細(xì)管孔隙也增多,混凝土體積收縮增大,發(fā)生收縮變形時(shí),由于周圍約束的存在,內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力(抗拉應(yīng)力),當(dāng)應(yīng)力超過(guò)混凝土的抗拉強(qiáng)度時(shí),就會(huì)產(chǎn)生干燥收縮裂縫。
4. 防止裂縫產(chǎn)生的對(duì)策
4.1 選擇水泥品種和控制水泥用量
根據(jù)大量試驗(yàn)研究和工程實(shí)踐發(fā)現(xiàn),每m³混凝土的水泥用量增減10kg,水化熱將使混凝土的溫度相應(yīng)升高或降低1℃。減少水泥水化熱和降低內(nèi)外溫差的辦法是選用中熱硅酸鹽水泥或低熱礦渣硅酸鹽水泥,摻加泵送劑或粉煤灰時(shí),也可選用礦渣硅酸鹽水泥。在滿足強(qiáng)度要求前提下,可摻加粉煤灰減少水泥用量,控制在450kg/m³以下。
4.2 選用質(zhì)量?jī)?yōu)良的粗、細(xì)集料
粗集料要優(yōu)先選用天然連續(xù)級(jí)配的粗集料,在條件允許的情況下,盡可能選用較大的粒徑,能減少用不量、水泥用量,進(jìn)而減少水化熱。
混凝土中的粗骨料對(duì)收縮起主要約束作用。粗骨料的彈性模量及伴隨外部干濕而產(chǎn)生的伸縮變形等方面影響約束作用。骨料的品種不同,即使混凝土配合比相同,干燥收縮也約束作用受有很大差別。使用一般石灰石碎石的混凝土,比使用其他品種巖石的碎石混凝土干燥收縮小,不同品種粗骨料對(duì)收縮抵抗性為:石灰?guī)r>安山巖>砂巖。
4.3 摻加摻合料
混凝土中摻入一定數(shù)量的優(yōu)質(zhì)粉煤灰,不但能代替部分水泥,而且由于粉煤灰顆粒呈球狀具有滾珠效應(yīng),能起到潤(rùn)滑作用,可改善混凝土拌合物的流動(dòng)性、粘聚性和保水性,并能滿足泵送混凝土中粒徑在0.315mm以下的細(xì)集料占到15%的要求,從而提高了可泵性。摻加粉煤灰后,其中的活性A12O3、SiO2與水泥水化析出的CaO,形成新的水化產(chǎn)物,填充孔隙、增加密實(shí)度,從而改善了混凝土早期抗拉強(qiáng)度和極限變形略有降低。因此,對(duì)早期抗裂要求較高的混凝土,粉煤灰摻量不宜太多,宜在10%~15%以內(nèi)。摻加原狀或磨細(xì)粉煤灰之后,可以降低混凝土中水泥水化熱,減少絕熱條件下的溫度升高。摻粉煤灰的水泥混凝土的溫度水化熱,在1~28d齡期內(nèi),大致為:摻入粉煤灰的百分?jǐn)?shù)就是溫度和水化熱降低的百分?jǐn)?shù),即摻加20%粉煤灰的水泥混凝土,其溫升和水化熱約為不摻粉煤灰的水泥混凝土的80%,可見(jiàn)摻加粉煤灰對(duì)降低混凝土的水化熱和溫升是非常有效的。
4.4 化學(xué)外加劑
加入引氣劑,切斷毛細(xì)管可以減少水分的揮發(fā),而且引氣劑對(duì)泵送混凝土工作性的改善也十分有利,是降低混凝土塑性裂縫的有效措施。摻加減水、增塑、緩凝、引氣劑等,可以改善混凝土拌合物的流動(dòng)性、粘聚性和保水性。由于減水作用和分散作用,在降低用水量和提高強(qiáng)度的同時(shí),還能降低水化熱,推遲放熱峰值出現(xiàn)的時(shí)間,減少溫度裂縫。摻加減水劑、泵送劑,特別是同時(shí)摻加粉煤灰的雙摻技術(shù)不會(huì)增大干燥收縮,但對(duì)于某些減水劑,尤其是具有引起作用時(shí),有增大凝土干燥收縮的趨勢(shì)。
4.5 混凝土單方用水量
混凝土的干燥收縮受用水量的影響最大,混凝土的干燥收縮和用水量成正比,在水泥用量較高的條件下,混凝土的干燥收縮隨著用水量的增加而急劇增大。綜合水泥用量和用水量來(lái)說(shuō),水灰比越大,干燥收縮增大,混凝土易開(kāi)裂。從確�；炷聊途眯缘挠^點(diǎn)出發(fā),降低單方混凝土用水量,是提高混凝土耐久性的必要條件。在混凝土配合比設(shè)計(jì)中應(yīng)盡可能將單方混凝土用水量控制在170kg/m³以下,對(duì)于澆筑板和墻體的混凝土,單方用水量的控制尤為重要。還應(yīng)特別注意,施工中混凝土的塌落絕對(duì)不允許大于配合比設(shè)計(jì)給定的塌落度。
4.6 施工工藝
采用二次投料的凈漿裹石或砂漿裹石工藝,可有效防止水分聚集在水泥砂漿和石子的界面上,使硬化后的界面過(guò)渡層結(jié)構(gòu)致密、粘結(jié)力增大,從而提高混凝土強(qiáng)度10%或節(jié)約水泥5%,并進(jìn)一步減少水化熱和裂縫。
為消除混凝土塑性裂縫,進(jìn)行二次振搗可排除混凝土因泌水,在石子、水平鋼筋下部形成的空隙和水分,提高粘結(jié)力和抗拉強(qiáng)度,并減少內(nèi)部裂縫與氣孔,提高抗裂性,還可以增加混凝土和鋼筋的粘結(jié)強(qiáng)度。第二次振搗的時(shí)間一般應(yīng)以混凝土振搗棒插入混凝土密實(shí)后再抽出來(lái)時(shí),混凝土表面未留下明顯的痕跡為最后時(shí)間。在施工中,控制混凝土的出機(jī)溫度和澆筑溫度是降低混凝土的總溫升,減少大體積結(jié)構(gòu)的內(nèi)外溫差的一個(gè)重要措施。
混凝土澆筑溫度是指分層澆筑時(shí),上層混凝土即將覆蓋下層混凝土,下層混凝土表面以下3~5cm處的溫度。降低混凝土出機(jī)溫度和澆筑溫度最有效的方法是降低原材料溫度。石子在每m³混凝土中所占重量最大,所以降低石子溫度是最有效的辦法。在氣溫較高時(shí),為了防止太陽(yáng)直接照射,可以在砂石堆場(chǎng)搭設(shè)簡(jiǎn)易遮陽(yáng)棚,必要時(shí)可向集料噴淋霧狀水,或者在使用前冷水沖洗集料,或骨料預(yù)冷,也可采用冷水或加冰屑拌合混凝土等。
4.7 合理配筋
合理的配筋,特別是構(gòu)造配筋,細(xì)一點(diǎn)密一點(diǎn)可以提高砼的極限拉伸,加強(qiáng)構(gòu)造配筋,如板頂部的受壓區(qū)連續(xù)配筋,板的陽(yáng)角及陰角放射筋,增加梁的腰筋密度等,對(duì)減少裂縫產(chǎn)生有較好的效果。
4.8 鋼纖維混凝土
鋼纖維混凝土是一種由水泥、粗細(xì)集料和隨機(jī)分布的短鋼纖維組成的復(fù)合材料。鋼纖維混凝土由于裂后變形性能好,適用于抗震抗爆結(jié)構(gòu)和結(jié)構(gòu)中的各種復(fù)雜受力區(qū)段。在鋼筋混凝土框架節(jié)點(diǎn)中用1.5%的鋼纖維代替1.7%箍筋(體積率),可使抗震強(qiáng)度提高27%,耗能能力提高28%,主筋粘結(jié)滑移減低60%~78%,并可避免節(jié)點(diǎn)鋼筋擁擠。在鋼筋混凝土受拉區(qū),適量的鋼纖維混凝土可使裂縫寬度降低40%。
4.9 混凝土養(yǎng)護(hù)
為了嚴(yán)格控制大體積混凝土的內(nèi)外溫差,減少裂縫,養(yǎng)護(hù)是一個(gè)十分重要和關(guān)鍵的工序。保溫能減少混凝土表面的熱擴(kuò)散,降低混凝土表層的溫差。由于散熱時(shí)間較長(zhǎng)混凝土強(qiáng)度和松弛作用得到充分發(fā)揮,使混凝土總溫差產(chǎn)生的拉應(yīng)力小于混凝土的抗拉強(qiáng)度,防止了貫穿裂縫的產(chǎn)生。澆筑時(shí)間不長(zhǎng)的混凝土,仍然處于凝結(jié)、硬化過(guò)程,水泥水化速度較快,適宜的潮濕條件可防止混凝土表面脫水而產(chǎn)生收縮裂縫。同時(shí)在潮濕條件下,可使水泥的水化充分、完全,提高混凝土的抗拉強(qiáng)度。
