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地下结构裂缝产生的原因之浅析

收录时间:2009-08-05 05:29 来源:建筑中文网  作者:刘天乙  阅读:0次 评论:0我要评论

内容提示:钢筋砼结构出现裂缝是不可避免的,在保证结构安全和耐久性的前提下,裂缝是人们可接受的材料特征。近十多年来,随着钢筋砼结构的长大化和复杂化,以及商品砼的大量推广和砼强度等级的提高,结构裂缝出现机率

延伸阅读:产生原因 地下空间 结构进制 裂缝

摘 要:钢筋砼结构出现裂缝是不可避免的,在保证结构安全和耐久性的前提下,裂缝是人们可接受的材料特征。近十多年来,随着钢筋砼结构的长大化和复杂化,以及商品砼的大量推广和砼强度等级的提高,结构裂缝出现机率大大增加,有些已危及结构的安全性和耐久性,有的地下工程裂渗已影响其使用功能。现根据长期的科学研究和大量工程实践,提出钢筋砼结构裂缝控制和防水一些新技术,供工程界参考,不妥之处请指正。(参考《建筑中文网
    关键词:地下空间;结构进制;裂缝;产生原因
    结构裂缝产生的原因很复杂,根据国内外的调查资料,引起裂缝有两大类原因,一种由外荷载(如静、动荷载)的直接应力和结构次应力引起的裂缝,其机率约20%;一种是结构因温度、膨胀、收缩、徐变和不均匀沉降等因素由变形变化引起的裂缝,其机率约80%。裂缝发生与材料、设计施工和维护有关,现作以下分析。
    1 材料缺陷
    在变形裂缝中收缩裂缝占有80%的比例,从砼的性质来说大概有:
    1.1干燥收缩
    研究表明,水泥加水后变成水泥硬化体,其绝对体积减小。每100克水泥水化后的化学减缩值为7~9ml,如砼水泥用量为350kg/m3,则形成孔缝体积约25~30L/m3之巨。这是砼抗拉强度低和极限拉伸变形小的根本原因。研究表明,每100克水泥浆体可蒸发水约6ml,如砼水泥用量为350kg/m3,当砼在干燥条件下,则蒸发水量达21L/m3。毛细孔缝中水逸出产生毛细压力,使砼产生“毛细收缩”。由此引起水泥砂浆的干缩值为0.1%~0.2%;砼的干缩值为0.04%~0.06%。而砼的极限拉伸值只有0.01%~0.02%,故易引起干缩裂缝。
    1.2温差收缩
    水泥水化是个放热过程,其水化热为165~250J/g,随砼水泥用量提高,其绝热温升可达50~80℃。研究表明,当砼内外温差10℃时,产生的冷缩值εc=△T/α=10/110-5=0.01%,如温差为20~30℃时,其冷缩值为0.02%~0.03%,当其大于砼的极限拉伸值时,则引起结构开裂。
    1.3塑性收缩
    砼初凝之前出现泌水和水份急剧蒸发,引起失水收缩,此时骨料与水泥之间也产生不均匀的沉缩变形,它发生在砼终凝之前的塑性阶段,故称为塑性收缩。其收缩量可达1%左右。在砼表面上,特别在抹压不及时和养护不良的部位出现龟裂,宽度达1~2mm,属表面裂缝。水灰比过大,水泥用量大,外加剂保水性差,粗骨料少,振捣不良,环境温度高,表面失水大等都能导致砼塑性收缩而发生表面开裂现象。
    1.4自生收缩
    密封的砼内部相对湿度随水泥水化的进展而降低,称为自干燥。自干燥造成毛细孔中的水分不饱和而产生负压,因而引起砼的自生收缩。高水灰比的普通砼(OPC)由于毛细孔隙中贮存大量水分,自干燥引起的收缩压力较小,所以自生收缩值较低而不被注意。但是,低水灰比的高性能砼(HPC)则不同,早期强度较高的发展率会使自由水消耗较快,以至使孔体系中的相对湿度低于80%。而HPC结构致密,外界水泥很难渗入补充,在这种条件下开始产生自干收缩。研究表明,龄期2个月水胶比为0.4的HPC,自干收缩率为0.01%,水胶比为0.3的HPC,自干收缩率为0.02%。HPC的总收缩中干缩和自收缩几乎相等,水胶比越小自收缩所占比例越大。由此可知,HPC的收缩性与OPC完全不同,OPC以干缩为主,而HPC以自干收缩为主。问题的要害是:HPC自收缩过程开始于水化速率处于高潮阶段的头几天,湿度梯度首先引发表面裂缝,随后引发内部微裂缝,若砼变形受到约束,则进一步产生收缩裂缝。这是高标号砼容易开裂的主要原因之一。
    1.5减水剂的影响
    人们发现,自二十世纪八十年代中期推广商品(泵送)砼以来,结构裂缝普遍增多,这是为什么呢?除了与砼的水泥用量和砂率提高有关外,人们忽视了减水剂引起的负面影响。例如过去干硬性及预制砼的收缩变形约为4~6×10-4,而现在泵送砼收缩变形约为6~8×10-4,使得砼裂缝控制的技术难度大大增加。研究表明,在砼配合比相同情况下,掺入减水剂的坍落度可增加100~150mm,但是它与基准砼的收缩值相比,却增加120%~130%。所以,在《砼减水剂》规范GB138076-97中规定掺减水剂的砼与基准砼的收缩比≤135%。研究表明,掺入不同类型的减水剂砼的收缩比是不相同的,一般是:木钙减水剂>萘磺酸盐减水剂>三聚氰胺减水剂>氨基磺酸减水剂>聚丙烯酸减水剂。这说明商品砼浇筑的结构开裂机率大与减水剂带来负面影响有关。其机理尚不清楚。
    以上是从水泥砼物理化学特性分析其各种收缩现象,早期塑性收缩会导致结构出现表面裂缝,砼进入硬化阶段后,砼水化热使结构产生温差收缩和干燥收缩(包括自干收缩),这是诱发裂缝的主要原因。近十年大量使用商品砼开裂增加,除与单方砼水泥和掺合料用量增加外,减水剂增加砼收缩值变形的负面影响也是一个重要因素。
    2 设计问题
    钢筋砼结构是由砼和钢筋共同承担极限状态的承载力,结构设计师根据地基情况,静、动荷载、环境因素、结构耐久性等控制荷载裂缝。这里不作讨论。从国内外有关规范可知,对结构变形作用引起的裂缝问题,客观上存在两类学派:
    第一类,设计规范规定很灵活,没有验算裂缝的明确规定,设计方法留给设计人员自由处理。基本上采取“裂了就堵、堵不住就排”的实际处理手法。
    第二类,设计规范有明确规定,对于荷载裂缝有计算公式并有严格的允许宽度限制。对于变形裂缝没有计算规定,只按规范留伸缩缝,即留缝就不裂的设计原则。
    大量工程实践证明,留缝与否,并不是决定结构变形开裂与否的唯一条件,留缝不一定不裂,不留缝不一定裂,是否开裂与许多因素有关。控制裂缝应该防患于未然,首先尽量预防有害裂缝,重点在防。我国结构工程向长大化、复杂化发展,砼设计强度等级向C40~C60发展,设计师多注重结构安全,而对变形裂缝控制考虑不周,这也是结构裂缝发生增多的原因之一。
    3 施工管理问题
    砼配合比设计是否科学合理,水泥与外加剂是否相适应,砂石级配及其含泥量是否符合规范要求,砼坍落度控制是否合理,这些都影响到砼的质量及其收缩变形。
    砼浇筑震捣不均匀密实,施工缝和细部处理马虎,会带来结构开裂的后患;过震则使浮浆过厚,抹压又不及时,则砼表面出现塑性裂缝,十分难看。
    边墙拆模板过早(1~3d),砼水化热正处于高峰,内外温差最大;砼易“感冒”开裂。
    砼养护十分重要,但许多施工单位忽视这一环节,尤其是墙体和柱梁的保温保湿养护不到位,容易产生收缩裂缝。某些露天构筑物尽管当地湿度很大,但由于吹风影响,加速了砼水分蒸发速度,亦即增加干缩速度,容易引起早期表面裂缝。这也许是夏季比秋冬季,南方比北方出现结构裂缝较多的原因。
    从已建工程调查中发现,底板养护较好,出现裂缝概率较低,而底板上外墙裂缝概率很高约占80%,这与保温保湿养护不足有很大关系。
    除上述技术因素外,施工管理不严,赶进度,偷工减料,工人素质差,施工马虎等也是造成结构裂缝的人为因素。
    4 对维护缺乏认识
    我们发现不少结构是在浇筑完3~6个月,甚至在1~2年内出现裂缝。除荷载问题外,主要是环境温度和风速引起的收缩变形所致。有些地下室不及时复土;上部结构不及时做好封闭;出入口长期敞开,屋面防水层破坏不及时修补等。这些与施工和业主对结构维护缺乏认识有关。钢筋砼结构与其他物件一样都存在“热胀冷缩”的特征,尤其超长结构更为明显,所以,应重视已浇结构的保温保湿维护工作。 来源: 《建筑中文网》.

原文网址:http://www.pipcn.com/research/200908/13068.htm

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