混凝土裂缝的成因与控制

混凝土裂缝的成因与控制

1 概论

1.1 本课题的目的、意义以及范围

随着我国国民经济的高速增长,促进了建筑业的快速、持续的发展。混凝土因其取材广泛,价格低廉,抗压强度高,可浇注成各种形状,并且耐火性好,不容易风化,且养护费用低,成为当今世界建筑结构中使用最广泛的建筑材料之一。而随着商品混凝土的诞生，由于其施工方便快捷，性能稳定，质量可靠，劳动强度低，生产效率高，同时又可减少噪音，保护环境等综合优点，更是把混凝土推向了一个顶峰。混凝土的裂缝是不可避免的，其微观裂缝是本身物理力学性质决定的，但它的有害程度是可以控制的，有害程度的标准是根据使用条件决定的。目前世界各国的规定不完全一致，但大致相同。在实际工程中, 往往是各种因素多重作用引起混凝土开裂。宽度小于或等于0.05mm的裂缝通常对使用无大的危害, 叫做无害裂缝, 而结构物的有害裂缝不仅会降低力学性能和承载力, 而且直接影响结构耐久性, 缩短使用寿命。施工中应采取措施使结构尽量不出现裂缝, 或减少裂缝的数量和宽度, 特别是避免出现有害裂缝。本课题就以如何减少混凝土裂缝的产生以及产生裂缝后如何快速有效的处理提出较好的处理方案。

1.2 国内外研究情况

与国外相比，我国对混凝土收缩与徐变的研究工作起步较晚，在上世纪50-60年代的钢筋混凝土结构设计计算中，主要是参考国外的有关数据，不能足以解决工程设计中的很多问题。在上世纪80 年代末我国科技人员根据我国的原材料特点，进行了大量的试验和研究工作，由中国建筑科学研究院混凝土研究所负责的“混凝土收缩与徐变的试验研究”专题，是根据原建工总局科技局1982 年建筑发展计划的要求，组织天津大学等十个单位成立专题研究组，经过三年多的努力，在资金缺乏、试验条件差的情况下克服了各种困难，按计划地完成了试验研究工作，取得了大量的规律性较好的可贵资料。研究人员分别对强度等级为C20, C30, C40和

C50 的普通混凝土和强度等级为C20 和C30 的轻骨料混凝土标准试件进行了为期一年的收缩与徐变试验研究，得出了在标准条件下，混凝土收缩与徐变的基本表达式，公式中试验系数的取值随着混凝土品种和强度等级的变化而变化；其中，混凝土品种对其收缩值和徐变系数有较大的影响，在标准条件下，轻骨料混凝土的收缩值比普通混凝土的约高46%，徐变系数约低13%；在非标准状态下，分别考虑了相对湿度、构件尺寸、养护方法、加荷龄期、粉煤灰掺量和应力水平这些系数对混凝土收缩与徐变的影响，用多系数表达式来计算混凝土的收缩与徐变。通过这些专题的研究，不仅填补了我国在这一方面的空白，而且大大缩短了与国外的差距。但因混凝土收缩与徐变本身的复杂性与试验的艰巨性，某些数据还不够，还有很多问题(诸如水泥用量、水灰比等材料因素，配筋率等结构因素对混凝土收缩与徐变的影响；混凝土收缩与徐变的试验数据采集手段；以及改善混凝土收缩与徐变的措施方面等)需进一步地展开研究工作。1989 年10 月，中国建筑科学研究院建材所与广东省交通科学研究所联合，对广东省洛溪大桥高强混凝土收缩和温度变形的特性，影响因素以及温度收缩裂缝的成因和基本特点，以便于设计人员建立起最基本的概念，从而有针对性地结合具体工程特点来考虑防止和减轻温度收缩裂缝的具体措施。国外的研究进展与评述国外对混凝土早期开裂的问题研究较早，在20 世纪30 年代的北美一座坝体施工过程中，人们就己经认识到大体积水工混凝土会因为水泥水化时放热而产生明显的温升，并在随后的降温过程体积收缩受约束而出现开裂，开始采用掺火山灰的方法减少水化热的影响；对于大面积结构物因失水收缩产生的开裂，采用浇水、喷雾的方法来加以解决。欧共体国家进行的联合科研项目研究了高性能混凝土从水泥水化，体积变形，早期力学性质到现场实测方法等方面的研究，并提出了一套用于设计和施工阶段控制早期混凝土裂缝的专家系统。瑞典认为混凝土结构早龄期的温度分布、相连结构的温度、早期混凝土瞬时的力学性质和约束条件都是影响混凝土开裂的重要参数。计算结果进行了比较，结果表明自生收缩对试验的混合构件中应变和内部应力的发展起到了重要的影响作用。就自然环境中混凝土的收缩展开了试验研究，试验的混凝土强度等级变化范围为C30}C70 混凝土分为两种(掺加钢纤维和不掺加钢纤维)，将测得的混凝土收缩试验结果与ACI209 中收缩应变的计算公式值进行了比较，结果表明：自然环境中变化的相对湿度和温度对混凝土干燥或自生收缩的影响不明显，在混凝土中掺加钢纤

维对C30 混凝土的收缩影响可以忽略，但随着混凝土强度等级的提高，钢纤维对混凝土收缩的约束影响明显增强；ACI209 公式仅适用于中低强度混凝土(C30}C45)收缩应变的计算，不适用于高强混凝土的收缩应变计算。国内外对因荷载作用引起的“荷载裂缝”展开了大量的研究工作，编制出规范中有关“荷载裂缝”方面的设计规定，在工程中发挥了较好的裂缝控制作用；而对因变形原因引起的“非荷载裂缝”则主要是在设计和施工中规定了一些构造措施(如伸缩缝间距)来防止和减轻，所以对其发生发展机理函待更深入的研究并建立起有效的裂缝控制措施。一些构造措施的采用在实际工程中并不能有效地防止“非荷载裂缝”的发生。我国建设部曾将控制和防治结构物裂缝的问题列入重点攻关计划，但由于对“非荷载裂缝”的机理研究得不够深入，在我国新颁布实施的“混凝土结构设计规范”GB50010-2002 中对防止“非荷载裂缝”也未能取得明显突破，而将这一课题留待下一次修订时解决。在此情况下，对工程中常见的收缩变形裂缝展开进一步的深入研究是十分现实和迫切的。

2 混凝土裂缝类型及成因

2.1 混凝土裂缝的类型

1、塑性沉降裂缝

此类裂缝产生的主要原因是由于混凝土骨料沉降时受到阻碍（如钢筋、模板）而产生的。这种裂缝大多出现在混凝土浇注后0.5小时至３小时之间，混凝土尚处在塑性状态，混凝土表面消失水光时立即产生，沿着梁及板上面钢筋的走向出现，主要是混凝土塌落度大、沉陷过高所致。另外在施工过程中如果模板绑扎的不好、模板沉陷、移动时也会出现此类裂缝。

2、塑性收缩裂缝

此类裂缝产生的主要原因是混凝土浇筑后，在塑性状态时表面水分蒸发过快造成的。这类裂缝多在表面出现，形状不规则、长短宽窄不一、呈龟裂状，深度一般不超过50mm。产生的原因主要是混凝土浇注后３—４小时左右表面没有被覆盖，特别是平板结构在炎热或大风天气混凝土表面水分蒸发过快，或者是基础、模板吸水过快，以及混凝土本身的水化热高等原因造成混凝土产生急剧收缩，此时混凝土强度趋近于