混凝土超长结构裂缝原因及预防措施

                            (内蒙古中铁轨道交通设计咨询有限公司，内蒙古 呼和浩特 010011)
摘 要：文章首先分析产生混凝土裂缝的原因，然后针对这些原因介绍了在设计过程中应采取的相应设计方法和在施工中应采取的合理措施。
关键词：混凝土；裂缝；措施；方法
中图分类号：U416.04  文献标识码：A  文章编号：1007—6921(2008)03—0080—02
1 混凝土超长结构
      混凝土超长结构是指结构单元长度超出《混凝土结构设计规范》（GB50012－2002）9.1.1条所规定的混凝土结构伸缩缝最大间距的结构。结构设置伸缩是基于控制由于混凝土的干燥收缩和热胀冷缩而引起的变形，超长混凝土结构必须考虑在施工期间和建成使用如何控制减少裂缝。
2 混凝土产生裂缝的原因
      混凝土中产生裂缝有多种原因，包括湿度的变化和混凝土的收缩，混凝土的脆性和材料的不均匀性，原材料不合格（如碱骨料反映），模板变形，基础不均匀沉降等。其中湿度的变化和混凝土的收缩是引起裂缝的主要原因。
2.1 温度应力（包括施工期间的温度应力和建成使用后温度变化产生的应力）
      施工期间自浇筑混凝土开始放热至混凝土完全冷却以后的时期，混凝土中的水泥放出大量的水化热，同时混凝土弹性模量发生显著的变化，这个时期形成了弹性模量变化残余应力和混凝土的冷却所引起残余应力。
      温度变化对结构产生作用，当结构或构件变形约束不能自由变形时将引起应力。如：框架变形受到地基基础的约束，框架梁的变形受到框架柱的约束，楼板的变形受到墙、梁的约束；这类外约束引起的力为外约束应力；结构构件非均匀受热，如混凝土背却时表面的湿度低，内部湿度高，在表面出现拉应力，在中间出现压应力，这类由于结构本身互相约束而出现的温度应力为内约束应力。
2.2 混凝土的收缩（主要有塑性收缩、自收缩、干燥收缩和碳化收缩）
      塑性收缩是新拌混凝土失水引起的收缩，它的失水是由表面脱水而引起。当收缩力大于基体的抗拉强度时，就会使表面产生开裂。混凝土日早期塑性收缩最大速率发生在浇筑后1～4h，此后收缩平缓。因此在收缩速度较大的时期特别要采取保护措施以避免混凝土开裂。化学减缩主要是无水熟料与水起化学反应，使固相体积逐渐增加，而水泥中的水体系的总体积逐渐减少的缘故。干燥收缩的主要原因是水分在混凝土硬化后较长时间产生的水分蒸发引起的，由于集料的干燥收缩很小，因此混凝土的干燥收缩主要是水泥石干燥收缩造成的。碳化收缩是大气中的CO₂在存在水的条件下与水泥水化产物作用生成CaCO₃、硅胶、铝胶和游离水而引起的收缩，产生收缩的原因在于这些游水的蒸发。碳化作用必定产生游离水，这些游离水蒸发时产生毛细管张力，从而导致浆体收缩。碳化收缩均发生在混凝土土表面，对收缩影响最的是相对湿度。
      如上所述，温度应力往往和混凝土的干所引起的应办共同作用；想要根据已知的湿度准确分析出温度应力的分布、大小，这一过程比较复杂。在大多数情况下，需要依靠模型试验或数值计算。然而随着我国建设事业的发展，建筑物使用功能的需要，超长结构的建筑物越来越多，超长结构在设计施工过程中必须采取有效的措施控制裂缝。
3 预防裂缝的方法与措施
3.1 设计方面
      对超长结构设计时要因地制宜，区别对待。对不同地区的环境温度、施工条件，建筑物的不同使用性质、平面布置、立面体形等，应有不同的处理措施。
3.1 采用低标号混凝土
      混凝土土的强度等级高，水泥用量多，混凝土硬化过程中水化热高，收缩大，容易造成裂缝。设计过程中，在满足承载力和变形的条件下，优先采用较低标号的混凝土，宜在C30～C35的范围，这一方法在基础和楼板上能较好的实现。
3.2 设置施工后浇带
      利用设置“施工后浇带”，在施工中采用施工后浇带可有效地减少温度收缩应力，然后再浇灌施工后交带使结构成整体。只要使浇灌后浇带前及浇灌后浇带后，结构混凝土因温差和收缩应力叠加值小于混凝土抗拉强度，就不会产生裂缝。
3.3 采用膨胀混凝土
      采用掺膨胀剂配制的补偿收缩混凝土，利用膨胀剂的收缩功能解决混凝土收缩开裂。当温差变形αT≤ε_p（α为混凝土线膨胀系数，ε_p为极限拉伸）时，结构就不会开裂。综合温差T＝T₁＋T₂（T₁为混凝土水化热最高温度与环境平均气温之差），要求T₁≤25℃；T₂为混凝土收缩当量温差，T₂=ε_Y（t）/α，ε_Y为混凝土收缩值，普通混凝土限制收缩率为ε_Y＝（2～3）X10^－4，即T₂＝20－30℃，普通混凝土1～15d早期的极限拉伸ε_p＝（1～2）X10^－4，所以容易出现裂缝。采用膨胀混凝土能产生膨胀效应，在10～15d的膨胀率ε₂＝（2～4）X10^－4，不但可补偿混凝土的收缩，而且能够混凝土的温差，可补偿温差10℃。在膨胀率ε₂＝（2～3）X10^－4，配筋率ρ＝0.2%～0.8%时，可在结构中产生0.2～0.7Mpa预压应力，该预压应力可以补偿混凝土在硬化过程中产生的温差和干缩拉应力，从而预防了混凝土的开裂。
3.4 增大配筋率
      普通楼板宜增加分布钢筋配筋率；底层和顶层楼板由于温度影响较大应该考虑温度受力筋，配筋率更应加大。混凝土墙体由于养护困难，受湿度影响大，为了控制温差和干缩引起的竖向裂缝，水平钢筋的配筋率不宜小于0.5%（200厚混凝土墙，ф12＠110），且最好采用变形钢筋。
3.5 施加预应力
在地下室顶板和屋面板采用部分预应力，使混凝土产生0.2～0.7Mpa预压应力，补偿混凝土在硬化过程中产生的温差和干缩拉应力，从而预防了混凝土的裂缝。
3.6 加强外保温
      超长结构的外墙和屋面保温非常重要，外墙应采用外保温隔热做法，屋面保温层厚度也应适当加厚，条件允许采用架空隔热做法。
3.7 顶层局部设缝或设置滑移层
      顶层结构受温度变化影响较大，考虑温度影响，在顶层设置伸缩缝能够起到明显的效果，顶层结构的下一层为单柱、单墙和单梁，顶层设逢，设为双柱、双墙和双梁（见图1，某高校教学主楼115m长，由于建筑要求不能设缝，在顶部采用了设分体柱的方法）。为了解除约束，也可采用在顶层楼板处设置滑移层的方法（见图2），起到控制结构开裂的效果。
3.8 应力集中部位加配钢筋
      当框架柱与剪力墙连接在一起时，由于框架柱的截面和配筋率都比墙体大，收缩落差不同，在连接部位产生过大的应力集中易开裂，为分散应力，在连接处增加水平钢筋（ф8～ф10）＠200，钢筋长度为1 100mm，300mm锚入柱中，800插入墙中（见图3）。若条件许可，钢筋长度分1 100mm和1 500mm两种，隔一布一，可取得更好的效果。
4 施工方面
4.1 采用收缩量小的水泥
      混凝土是一种收缩性材料，虽然其收缩的绝对值不大，但由于其较高的弹性模量和很低的抗拉强度，即使很小一点的收缩变形也会产生很大的拉应力。因此，应该设法尽最大可能地降低混凝土的收缩值。对于商品混凝土搅拌站来说，一是要尽量少用收缩量大的水泥，如矿渣水泥，矿渣硅酸盐水泥的收缩比普通硅酸盐水泥大25%左右。
4.2 降低混凝土水灰比
      在满足施工易性的条件下，应尽量减少混凝土的水灰比，尽量减少单位体积水泥浆量和砂浆量。混凝土水灰比大，收缩将显著增加，同时抗强度降低。如水灰比为0.6的混凝土收缩比水灰比为0.4的增加约40%；而与混凝土相比，砂浆和水泥浆的收缩大约增加2～5倍。
4.3 尽可能使用细度大的水泥
      水泥的细度越细，混凝土越容易开裂。这是由于：①细度大的水泥水化快，产生较大的水的消耗，易引起混凝土的自干燥收缩。②水泥细度细，则使毛细管细化，较细的毛细管失水时将产生较大的张力。③细颗粒容易水化充分，产生更多的易于干燥收缩的凝胶和其他水化物。粗颗粒的减少，减少了稳定体积的未水化颗料，因而影响到混凝土的长期性能。水泥标号越高，细度越小，在满足使用的情况下尽可能用低标号水泥。
4.4 严格控制原材料的质量
      石子含泥量越高，混凝土也容易开裂。这是由于石子表面所带的泥份妨碍了石子与砂浆之间的咬合粘结，弱化了石子的界面结构，降低了界面强度，也就降低了混凝土的强度，特别是降低了抗拉强度。因而在相同收缩应变的情况下，石子含泥量高的混凝土更容易开裂。
4.5 正确的浇注及振捣方式和多次抹面
      不正确的振捣方式造成混凝土分层离析、表面浮浆而使混凝土面层开裂或造成混凝土砂浆大量向低处流淌，致使混凝土产生不均匀沉降收缩，在结构厚薄处出现裂缝；如梁板一起浇注时应先浇地梁后浇板，不得将混凝土堆在板面上，然后用振动棒把凝土往地梁里塞，工程实例表明，该做法混凝土硬化后在板梁交界处有规律地出现了许多互相平行的裂缝。由于商品混凝土由于采用搅拌车运送、泵送浇捣，混凝土坍落度比较大，凝结时间比较长。一般混凝土初凝时间都在10h以上，甚至更长。根据商品混凝土的特点，应做好二次振捣和多次用木抹子抹面，让塑性沉降裂缝和缩裂缝及时得到愈合。若不进行二次振捣和多次抹面，混凝土表面不可避免会出现裂缝。开始裂缝是浅表的、窄细的，若不及时处理，裂缝就会扩展，由于应力集中，最终的裂缝很可能是贯穿性的。二次振捣混凝土不仅不会降低，工反而会使强
度提高。
4.6 合理的拆模时间及养护
      规定合理的拆模时间，以免混凝土表面发生急剧的湿度梯度，加强保温养护措施，现场通常采取措施为混凝土浇注后先覆盖一层塑料薄膜，用麻袋装锯末，厚度80mm～100mm厚岩棉被。夏季施工中长期暴露的混凝土浇筑场表面侧边，设置专人撒水养护时间不少于15d，有条件的应对基础侧边进行覆土掩盖，避免内部水分蒸发过快，产生裂缝。
5 感想与展望
      在现实工程中，裂缝确实存在。根据统计，因设计不当造成的裂缝可能占5%左右，因混凝土材料方面原因造成的裂缝可能占15%左右，由施工因素造成的混凝土早期裂缝可能占80%左右。所以造成裂缝根源不外乎设计、材料、施工等方面的因素。解决裂缝的问题也主要是应该从这三方面着手，特别大跨度、超长结构从设计到施工是比较复杂的，只要每一个环节认真对待，结构混凝土裂缝问题就可少出以至没有。另外，规范是双刃剑，既规范了本行业的行为，又束缚了本行业的发展与创新。设计和施工人员在深刻理解规范且有依据或实验数据的情况下应该突破规范设计，促进我国规范更快向前发展。
［参考文献］
［1］ 混凝土结构设计规范（GB50010-2002）［S］.
［2］ 民用建筑工程设计常见问题分析及图示（05SG109-3）［Z］.北京：中国建筑标准设计研究院.