（固体力学专业论文）现浇钢筋混凝土楼板裂缝成因及其综合控制研究.pdf

摘要 现浇混凝土楼板是工业与民用建筑中普遍采用的结构形式，然而现浇楼板的 裂缝却成为一项经常发生的工程质量通病，并成为近几年来工程质量投诉的热点 问题。 为了深入探讨并解决这一困扰工程界的难题，本文首先对混凝土结构裂缝产 生的机理进行了阐述，在此基础上，从设计和施工两个基本方面分析了现浇混凝 土楼板裂缝产生的原因并针对不同的原因提出了相应的预防控制措施。最后结合 工程实例，应用空间有限元程序对四边固支混凝土楼板进行了应力计算分析，从 而对现浇混凝土楼板裂缝产生的原因及裂缝的分布得出了理论上的相关结论。 本文将有关工程结构裂缝理论和工作实践相结合，对设计和施工过程中经常 出现的又常被忽视的工程结构裂缝因素进行了较为透彻的分析，对于编制工程结 构抗裂方案、指导施工、避免现浇混凝土楼板裂缝的产生，具有现实的意义。 关键词：现浇混凝土楼板；裂缝；预防控制措施；有限元 a b s t r a c t c a s t i n - s i t uc o n c r e t ef l o o ri saw e l l - a d o p t e ds t r u c t u mt y p ei ni n d u s t r ya n d r e s i d e n t i a lb u i l d i n g s h o w e v e r ，t h ec r a c k si nc a s t i n s i t uc o n c r e t ef l o o ri sb e c o m i n g af r e q u e n t l yo c c u r r e dc o m m o np r o b l e ma n dah o t c o m p l a i n tq u a l i t yi s s u ei nr e c e n t y e a r s i no r d e rt oe x p l o r et h i sb a f f l i n gp r o b l e md e e p l ya n dt oc r a c kd o w no ni t ，t h i s a r t i c l ee x p l a i n si n i t i a l l yh o wt h ec r a c k si nr e i n f o r c e dc o n c r e t es t r u c t u r ec o m e f r o m b a s e do nr e s e a r c ha n de x p e r i e n c ei nm a n yp r o j e c t s ，t h ec r a c k s f o r m i n g r e a s o n si nc a s t i n - - s i t ur e i n f o r c e dc o n c r e t ef l o o ra r cs y s t e m a t i c a l l ya n a l y z e df r o m d e s i g na n dc o n s t r u c t i o na s p e c t s m e a n w h i l e ， c o r r e s p o n d i n gm e a s u r e sf o r p r e v e n t i n ga n dc u r i n g a r cp r o p o s e d f i n a l l y ，a p p l y i n gt h e3 df i n i t ee l e m e n t p r o g r a mt oap r a c t i c a le n g i n e e r i n gp r o j e c t ，t h ec a l c u l a t i o no fs t r u c t u r a lf o r c ea n d s t r e s sa r ec a r r i e do u t ，a n ds o m et h e o r e t i c a lc o n c l u s i o n so ft h ec a s ea n dd i s t r i b u t i o n p a t t e r no ft h ec r a c k sa r eo b t a i n e d c o m b i n i n gs t r u c t u r ec r a c k st h e o r yw i t hp r a c t i c e ，t h i sa r t i c l ea n a l y z e st h o r o u g h t h er e a s o n so fc r a c k s ，w h i c ha r ef r e q u e n t l ya p p e a r e db u to f t e no m i t t e di nd e s i g na n d c o n s t r u c t i o ni nc a s t i n - s i t ur e i n f o r c e dc o n c r e t ef l o o r t h u s ，t h i se s s a yi so fr e a l i s t i c v a l u et oi n s t r u c tc o n s t r u c t i o na n da v o i dt h ec r a c k s k e y w o r d s ：c a s t i n s i t uc o n c r e t ef l o o r ，c r a c k ，p r e c a u t i o n s ，f i n i t ee l e m e n t i i 现浇钢筋混凝土楼板裂缝成因及其综合控制研究 1 1 引言 第一章绪论 随着建筑业的发展，我国的工业设施、基础设施以及民用建筑大量采用混凝 土和钢筋混凝土结构。混凝土结构中出现的裂缝，历来被视为混凝土工程中的一 大顽症而使人们倍感头疼。裂缝的出现，首先给人一种不安全感，使建筑物的美 观大打折扣，即使是不影响结构安全的细微裂缝，人们也不愿意看到它。当裂缝 的宽度超过规定值，其深度和长度足够大时，将使钢筋保护层遭受破坏，导致钢 筋锈蚀，钢筋锈蚀后的体积膨胀又进一步使混凝土裂缝扩大，如此恶性循环的结 果将使混凝土结构逐渐破坏，丧失承载能力。同时，裂缝的出现降低了混凝土的 密实性，以水为载体的侵蚀性介质，如硫酸盐、氯盐等将乘虚而入，承受水压的 结构会通过裂缝漏水，混凝土的抗冻性也因裂缝的存在而进一步降低。混凝土结 构如果有较多的裂缝，其使用性能也大受影响，如水池漏水、装饰开裂等。总之， 裂缝的产生大大降低了混凝土的耐久性。 这些年来，随着混凝土结构，特别是现浇混凝土结构工程数量的不断增多， 加上工程管理不完善，混凝土的裂缝事故，尤其是民用住宅工程的现浇混凝土楼 板裂缝事故也逐渐增多。近年来，工程结构裂缝日益增多的原因主要有以下几个 方面【纠： ( 1 ) 混凝土结构的改变。目前预制混凝土结构用的越来越少，现浇结构大 量使用，其变形全部在现场完成，产生裂缝难以避免。随着高层建筑和太型设施 的出现，更多地使用超长、超厚以及超静定结构，而且随着混凝土强度等级的提 高，结构体积的加大，其刚度也大大增加。 ( 2 ) 水泥性能的改变。新的水泥标准提高了水泥强度，水泥生产厂则从配 料上增加了硅酸三钙和铝酸三钙的比例，同时提高了水泥粉磨细度，这些措施也 同时提高了水泥的水化热以及收缩率，使混凝土容易产生温度和收缩裂缝。 ( 3 ) 矿物掺料以及外加剂的广泛使用。掺料及外加剂品种的增加使混凝土 的性能有了比较大的改善，但是随之而来的是使用不当而带来产生裂缝的后果。 ( 4 ) 施工工艺的改变。使用大流动性的混凝土虽然加快了施工进度，减轻 了劳动强度，但是其用水量、胶凝材料用量和砂率将随之提高，从而增加了混凝 土开裂的机会。 ( 5 ) 结构设计中只重视极限承载力状态而忽略正常使用极限状态，忽略了 构造设计和构造配筋的作用。 现浇钢筋混凝土楼板裂缝成因及其综合控制研究 ( 6 ) 对于高强高性能混凝土的研究比较多，但是对于中等强度高性能混凝 土的研究相对比较少 ( 7 ) 混凝土抗拉性能、温度、收缩、徐变等长期性能的实验研究相对比较 少。 近年来，工程质量监督站等部门接到的有关现浇混凝土楼板裂缝的质量投诉 也在逐年增加。这些事故的出现，不仅影响了建筑工程的质量，而且因处理裂缝 花费了大量的时间、人力和物力，造成了许多不必要的经济损失，如有的工程施 工时间只用一年，而修补裂缝竟然进行了三年，甚至修补费用也超过了土建费用。 因此，如何准确分析混凝土裂缝的成因，如何有效地控制混凝土结构裂缝的出现 以及如何经济、合理而有效地对混凝土裂缝进行处理这一研究课题，在当今社会 就更显示出其紧迫性和重要的现实意义。 1 2 国内外混凝土结构裂缝研究现状 混凝土材料由于其可以配制成不同强度、不同性能和不同形状的各种混凝土 结构物并且具有较好的耐久性，所以它成为当今各种建筑结构中使用最广泛，应 用量最大的一种材料。但是由于混凝土的抗拉强度比较低，当结构中出现较小的 拉应力时，裂缝将随之出现。近些年来，工程规模日趋扩大，结构形式日益复杂， 工程结构裂缝问题更加突出。工程结构出现裂缝成为一个相当普遍的现象，它是 长期困扰着建筑工程技术人员的技术问题。但是近代科学关于混凝土强度的微观 研究以及大量工程实践所提供的经验都说明，结构物的裂缝是不可避免的，裂缝 是一种人们可以接受的材料特征，如果对建筑物的抗裂要求过严，将会付出巨大 的经济代价。科学的要求应是将其有害程度控制在允许范围内。这些关于裂缝的 预测、预防和处理工作，称为“建筑物的裂缝控制”。有关它的研究工作具有重 要科学意义和技术经济意义。 国际上许多的国家都有专门的科研机构从事钢筋混凝土在荷载作用下裂缝 的研究工作并且编制了相应的规范，如美国混凝土协会a c l 2 2 4 委员会，英国水 泥与混凝土协会c & c a 及其规范b s 8 1 1 0 ，b s 8 0 0 1 ，德国钢筋混凝土协会及规范 d i n l 0 4 - - 1 9 7 2 ，法国规范c c b a ，欧洲混凝土协会c e b ，欧洲混凝土协会一国际预 应力混凝土协会( c e b f i p ) ，前苏联混凝土及钢筋混凝土研究院及穆拉雪夫学 派等。我国清华大学、东南大学、大连理工大学、中国建筑科学研究院、冶金部 建筑研究总院等都做了大量研究工作并编制出钢筋混凝土规范有关裂缝方面的 设计规定，在工程设计中发挥着重要的作用。 普通钢筋混凝土结构在一般情况下是允许带裂缝工作的，这是其他材料( 如 钢、木、甚至砖砌体等) 结构所不遇的特殊问题，但需要严格控制裂缝的开展， 2 现浇钢筋混凝土楼板裂缝成因及其综合控制研究 以保证结构的可靠性。通常由施工、构件和环境条件等所引起裂缝，应该在设计 过程中采取适当的构造措施，在施工中采用合理的工艺和技术加以解决或改善。 至于受拉裂缝，一般不允许在使用阶段出现，设计时以限制拉应力值来避免。国 内外规范一般是根据构件的工作环境和荷载作用时间的情况对裂缝加以限制。简 介如下【卅： ( 1 ) 我国混凝土结构设计规范( g b j1 0 8 9 ) 规定，在设计钢筋混凝土 构件时，应根据其使用要求确定控制裂缝的三个等级： 一级一一严格要求不出现裂缝的构件，在短期( 全部) 荷载作用下，截面上 不出现拉应力，即： 盯。s 0 ( a ) 二级一般要求不出现裂缝的构件，在短期( 全部) 荷载作用下，截面上 的拉应力小于混凝土抗拉强度的一部分；在长期( 部分) 荷载作用下不出现拉应 力，即： 短期荷载吒sc t 。坑 ( b ) 长期荷载 盯。0 ( c ) 式中：口。为拉应力的限制系数，其值为0 3 一1 0 ，取决于构件的工作条 件和环境湿度等。 y 为受拉区混凝土塑性影响系数。 三级一一允许出现裂缝的构件，计算的最大裂缝宽度一不得超过允许值， 即： 一引】 ( d ) 裂缝宽度的允许值 】依据构件的工作环境( 室内外湿度) 、荷载性质( 静力、 振动) 和所用钢筋的种类等确定。 显然，要求一级和二级控制裂缝的构件，采用普通钢筋混凝土很难满足，即 使做到，也将极不经济。一般采用预应力混凝土来满足，用式( a ) 、( b ) 、( c ) 计算时，左边的混凝土应力值应该扣除有效的预压应力值。普通钢筋混凝土一般 都属于三级。 ( 2 ) 欧洲模式规范c e b - - f i p ( 1 9 7 8 ) 对于腐蚀不敏感的钢筋混凝土构件， 允许裂缝宽度按暴露条件分为三等： 轻度的04mm 中等程度的02mm 严重的01mm ( 3 ) 美国a c l 2 2 4 建议的裂缝允许宽度为： 干燥空气或有保护膜0 4 m m 现浇钢筋混凝土楼板裂缝成因及其综合控制研究 潮湿、湿空气、土03mm 海水飞溅区( 干、湿交替) 0 1 5 r a m 挡水结构 0 1m m 允许裂缝宽度规定的差异一方面是由于规定此值的科学依据还不充分，另一 方面是各国规范计算裂缝宽度的公式有很大的出入。有些国家根据研究结果认 为，混凝土裂缝宽度的限制值可放宽至0 4 r o m e o 5 m m 。 近2 0 年来，关于混凝土裂缝在钢筋锈蚀影响的研究中，很重要的发现是裂 缝处钢筋锈蚀与锈蚀的程度和进展并不像最初设想的那么显著。因此可以期望将 裂缝控制得相当严格的规定放宽。有越来越多的研究者同意即使表面裂缝宽度达 0 4 m m 也不存在锈蚀的问题。有关混凝土中钢筋锈蚀的机理和裂缝性质的分析， 以及暴露试验结果都不能说明表面裂缝宽度与锈蚀速度之间存在有必然联系。工 程调查和暴露试验表明，保证混凝土的密实性和必要的保护层厚度，要比控制表 面裂缝宽度对于防止锈蚀更为重要。关于裂缝宽度与锈蚀关系的研究还没有得到 能够为大多数研究者一致接受的结论。因此，为谨慎起见，通常认为处于严重侵 蚀环境下构件的裂缝宽度控制在0 1 哪是合理的。 值得注意的是，平行于主筋的纵向裂缝，对于结构耐久性的影响要比垂直于 主筋的横向裂缝严重得多。因为当引起裂缝的荷载移去时，后一种裂缝将趋于闭 合，而平行于钢筋的裂缝不会闭合，还可能持续发展，对钢筋锈蚀有极大的危害。 但是，目前对此还缺乏系统的研究，对于纵向裂缝还提不出合理的控制要求。 总之，有关混凝土结构裂缝机理及裂缝控制的研究在世界范围内至今还没有 形成统一的意见，各国都有自己的理论和控制标准。我国有关裂缝控制方面的规 范基本上沿用了前苏联的研究成果，这方面的研究工作做得相对较少。 1 3 混凝土结构裂缝分析的目的和意义【2 1 从混凝土结构的基本原理而言，在大多数情况下混凝土构件是带裂缝工作 的。因此产生裂缝并不意味着结构承载力不足，更与断裂、倒塌等破坏不同。在 一般条件下裂缝并不影响结构的安全，因而是“无害”的。但是，裂缝的形态、 数量和宽度应该限制在一定范围内，以免影响观感和使用功能，并对建筑物的耐 久性造成影响。 混凝土裂缝产生的原因非常复杂、种类繁多，如果不对裂缝进行系统全面的 分析和研究，就很难揭示出工程结构病害产生的内涵和机理。因此，对混凝土裂 缝的分析和研究不仅阐明了裂缝形成机理、裂缝危害性评定等问题，还直接为今 后工程结构病害的综合治理提供技术前提和决策依据，这正是混凝土结构裂缝分 析和研究的目的。 4 现浇钢筋混凝土楼板裂缝成园及其综合控制研究 混凝土结构裂缝分析的意义在于它较系统全面地解决了下述问题： ( 1 ) 对混凝土结构裂缝类型进行了较全面的归纳和分析。 ( 2 ) 解决了如何判断混凝土结构裂缝成因的问题。 ( 3 ) 逐步解决裂缝控制标准统一化的问题。 ( 4 ) 为今后结构设计、施工和养护中考虑减少或避免裂缝的产生提供了理 论依据。 1 4 本文的主要研究内容 混凝土施工裂缝控制是混凝土工程实践中具有现实意义的技术问题，是一门 正在发展中的新兴技术学科，它综合了地基基础、结构、材料、施工工艺、使用 维护等多方面的科技知识。多年来，国内外的不少学者从混凝土的实际结构入手， 运用现代化的理论和实验手段，对混凝土结构的裂缝形成机理及开展过程进行了 详细的研究，对于混凝土的宏观裂缝在不同的湿度、温度及荷载作用下对混凝土 结构的功能的短期和长期影响进行了大量的试验。 但是有关现浇混凝土楼板裂缝的研究，往往不够全面，尚有待进一步系统和 完善。本文旨在通过对大量存在现浇混凝土楼板裂缝的工程实例的调查和研究， 结合近期我国建筑工程发展的新趋势、新要求，全面系统地分析裂缝原因，有针 对性地制订出控制裂缝的综合措施并以钢筋混凝土结构裂缝理论、钢筋混凝土板 设计理论、钢筋混凝土结构非线性分析、空间有限元为基础，对山东省青岛市某 办公楼现浇楼板裂缝产生的原因进行分析研究，具体开展了以下几个方面的工 作： 1 研究钢筋混凝土结构裂缝的类型，产生的原因，特别针对现浇混凝土楼 板从设计和施工两个方面分析了其裂缝产生的原因并提出了相应的控制措施。 2 为了更好地解决现浇混凝土楼板裂缝这一质量通病，本文提出了裂缝控 制的综合方法，这一方法对于指导混凝土楼板的设计、施工，避免现浇楼板裂缝 的产生，具有一定的现实意义。 3 对钢筋混凝土裂缝的有限元分析方法进行了研究，建立了钢筋混凝土裂 缝有限元模型：探讨空间有限元程序a n s y s 在处理钢筋混凝土裂缝上的使用方 法。从而为有限元程序a n s y s 在处理钢筋混凝土裂缝上取得经验。 4 利用空间有限元程序建立了某办公楼现浇混凝土楼板的空间有限元模型，在理论上 对该楼板开裂进行了分析，以实际调查的裂缝状态验证运用有限元程序对裂缝的成因及发展 分析的可靠性。 现浇钢筋混凝土楼扳裂缝成因及其综合控制研究 第二章钢筋混凝土结构裂缝理论分析 2 1 混凝土裂缝的基本概念【2 1 1 一般来说，裂缝是指固体材料中的某种不连续现象，在学术上属于结构材料 强度理论范畴。近代科学关于混凝土强度的微观研究以及大量的工程实践所提供 的经验表明：裂缝是一种人们可以接受的材料特征。结构物的裂缝是不可避免的， 要想控制混凝土构筑物不开裂是很困难的，而只能把裂缝宽度控制在一个合理的 范围内。按照裂缝的外观特点，混凝土裂缝可分为微观裂缝和宏观裂缝两种。 微观裂缝是指混凝土在低于开裂荷载或未加荷载之前就存在于混凝土内部， 由于沉陷、水化、干燥、碳化等因素引起混凝土干缩而产生的肉眼不可见的微小 裂缝。它是影响混凝土塑性变形( 非线性应力一应变曲线、徐变、滞变曲线) 的 主要因素。微裂缝的特点是细而短，肉眼不可见。一部分微裂缝存在于砂浆中； 一部分存在于骨料与砂浆的界面上。这种裂缝一般产生于混凝土凝结硬化时，由 于内应力或应力流的转向而致，它可用混凝土的构造理论加以解释。微裂的存在 是混凝土材料本身固有的物理性质，它对混凝土的弹塑性、徐变、强度、变形、 泊松比、刚度、化学反应等有较大的影响。在荷载的作用下，微观裂缝会扩展并 迅速增多，相互之间串联起来，形成工程上广泛研究的宏观裂缝，直到完全破坏。 微裂缝的主要种类有四种：( 1 ) 粘结裂缝，粗骨料表面与水泥砂浆之间的裂缝。 ( 2 ) 砂浆裂缝，水泥砂浆内部的裂缝。( 3 ) 骨料裂缝，骨料颗粒本身的裂缝。 ( 4 ) 连续裂缝，两条粘结裂缝或骨料裂缝之间由连续裂缝相连接。 宏观裂缝主要指各种荷载( 外荷载、温度、收缩、沉降、变形等) 作用下产 生的裂缝，按其形状可分表面的、贯穿的、纵向的、横向的、上宽下窄、下宽上 窄、枣核形、对角线式、斜向的、外宽内窄的和纵深的( 深度达1 2 厚度) 等。 裂缝的形状与结构应力分布有直接关系。一般裂缝方向同主拉应力方向垂直或与 剪应力平行( 纯剪裂缝) 。 混凝土微观裂缝是肉眼不可见的。肉眼可见裂缝范围一般以0 0 5 r a m 为界( 实 际最佳视力可见0 0 2 m m ) 。大于等于0 0 5 r a m 的裂缝称为“宏观裂缝”。宏观裂缝 是微观裂缝扩展的结果。 一般工业与民用建筑中，宽度小于0 0 5 r a m 的裂缝对正常使用( 防水、防腐、 承重等) 都无危险性，故假定具有小于0 0 5 r a m 裂缝的结构为无裂缝结构，所谓 不允许裂缝设计，也只能是相对的无大于0 0 5 m m 初始裂缝的结构。 总之，混凝土有裂缝是绝对的，无裂缝是相对的，所谓结构的抗裂质量只是 现浇钢筋混凝土楼板裂缝成因及其综合控制研究 把裂缝控制在一定的范围内而已。近代混凝土亚微观的研究认为：微裂的扩展程 度就是材料破损程度的标志，同时，微观裂缝的存在也是材料本身固有的一种物 理性质。 2 2 混凝土裂缝产生的主要原因 结构物在实际使用过程中承受两大类荷载，有各种外荷载和变形荷载( 温度、 收缩、不均匀沉降等) ，统称广义荷载。其中静荷载、动荷载和其他外荷载，称 为第一类荷载；而变形荷载，称为第二类荷载。裂缝的成因主要有以下三种： ( 1 ) 由外荷载( 如静荷载、动荷载) 的直接应力即按常规计算的主要应力 引起的裂缝。 ( 2 ) 由外荷载作用，结构次应力引起的裂缝。因为许多结构物的实际工作 状态同常规计算模型有出入，例如壳体计算常用薄膜理论假定，相对壳面误差不 大，相对边缘区域误差较大，于是该区域常因弯矩和切力引起裂缝；而弯矩和切 力相对薄膜理论的直接应力来说，称之为次应力。又如屋架按铰接节点计算，但 实际混凝土屋架节点却有显著的弯矩和切力，它们时常引起节点裂缝，此处的弯 矩和切力称为次应力。还有些常规不计算的外荷载应力，但实际却引起结构裂缝。 ( 3 ) 由变形变化引起的裂缝( 称之为第二类“荷载”) ，即结构由温度、 收缩和膨胀、不均匀沉降等因素而引起的裂缝。应特别注意这种裂缝的起因是由 于结构首先要求变形，当变形得不到满足才引起应力，而且应力还与结构的刚度 大小有关，只有当应力超过一定数值才引起裂缝，裂缝出现后变形得到满足或部 分满足，同时刚度下降，应力就发生松弛。某些结构，虽然材料强度不高，但有 良好的韧性，也可适应变形要求，抗裂性能较高。这是区别于荷载裂缝的主要特 点。 按普通外荷载的计算原则，从外荷载的作用、结构内力的形成，直至裂缝的 出现与扩展，荷载不变条件下，似乎都是在同一时间瞬时发生并一次完成的，是 个“一次过程”。但是变形荷载的作用，从环境的变化，变形的产生，到约束应 力的形成，裂缝的出现与扩展等都不是在同一时间瞬时完成的，它有一个“时间 过程”，称之为“传递过程”，即应力累积和传递的过程，它是一个多次产生和发 展的过程，这是区别于外荷载裂缝的第二个特点。 建筑物的裂缝也可能由于特殊的变形变化引起，如地震引起的裂缝可看作地 基的“动态变形变化”：滑坡、地基水平位移引起建筑物裂缝也是由于地基变 形引起的，可能是缓慢地徐变变形，也可能是突然失稳变形。 混凝土在施工和使用过程中承受两大类荷载，即外荷载( 如静荷载、动荷载 及其它荷载) 和变形荷载( 温度、收缩等) 。因此，混凝土裂缝的主要成因可以 现浇钢筋混凝土楼板裂缝成因及其综合控制研究 分为两类：由外荷载的直接应力引起的裂缝和由变形变化引起的裂缝。根据国内 外资料表明，工程实践中的裂缝原因，属于由变形变化为主引起的裂缝约占8 0 以上，由外荷载的直接应力引起的裂缝约占2 0 。在很多情况下裂缝的形成并 不是某一原因的简单反应，而是诸多原因的综合反应。如前述8 0 9 6 的裂缝中也包 括变形变化与荷载共同作用，但以变形变化为主所引起的裂缝：同时，在2 0 的 裂缝中也包括变形变化与荷载共同作用，但以荷载为主所引起的裂缝瑚l 。 对于现浇钢筋混凝土楼板，由变形荷载为主引起的裂缝所占的比例更大，通 过大量的实际工程调查发现：几乎所有的现浇混凝土楼板裂缝都是由变形为主的 荷载所引起的，所以木文所重点关注的是由第二类荷载( 收缩、温度等) 引起的 裂缝，而在当前大量工程中都采用外墙有机聚合物外保温的情况下，温度裂缝有 所减少，混凝土的收缩作用就成了引起裂缝的主要因素。下面详细介绍混凝土的 收缩机理以及混凝土的收缩对混凝土裂缝的影响。 2 3 混凝土收缩的分类及机理【6 l 【8 【”l 【3 2 混凝土是由多种材料组成的非均质材料，在施工和使用的过程中出现不同程 度、不同形式的裂缝，是相当普遍的现象。混凝土裂缝并非都是事故，从功能上 讲，裂缝有有害裂缝和无害裂缝之分。不同裂缝的处理方法不同。因此，对混凝 土的裂缝进行处理前，应先弄清裂缝形成的原因、性质及危害后方可进行处理。 混凝土中所含水分的改变、化学反应、温度变化都会引起混凝土的体积变化。 混凝土体积变化大致可分为两个阶段：第一阶段为混凝土凝结硬化前的塑性收缩 及因水泥水化热和混凝土浇筑温度高引起的混凝土塑性膨胀。第二阶段为凝结硬 化后混凝土湿度梯度和内部温度的降低引起的体积收缩。混凝土的体积变化可能 使混凝土承受拉应力而存在开裂趋势：凝结硬化前塑性收缩引起混凝土开裂，凝 结硬化后温度应力引起混凝土表面受拉而开裂，以及降温引起混凝土内部受拉和 湿度梯度引起干缩而造成的开裂。由于混凝土所能承受的抗拉能力远低于它所能 承受的抗压能力，混凝土处于受拉状态时更易开裂，即当混凝土体积变化使混凝 土受拉时，混凝土有开裂趋势。因而，对于混凝土收缩变形的研究应当是裂缝控 制的主要课题。 由于混凝土组成材料和微观构造的不同以及所受外界影响的不同，混凝土产 生收缩裂缝的原因较为复杂，对结构功能的影响也是不同的。收缩裂缝种类及产 生裂缝的原因有以下诸方面： 1 塑性收缩裂缝 这种裂缝发生在混凝土浇筑后数小时仍处于塑性状态的时刻。发生这种裂缝 的因素是多方面的，如混凝土早期养护不好，混凝土浇筑后表面没有及时覆盖， 现浇钢筋混凝土楼板裂缝成因及其综台控制研究 受风吹日晒，表面游离水蒸发过快，产生急剧的体积收缩，而此时混凝土强度很 低，不能抵抗这种变形应力而导致开裂。 混凝土塑性收缩裂缝的量级很大，可达1 左右，一般出现在新浇筑构件表 面，形状很不规则，类似干燥的泥浆，其宽度可大可小，小的细如发丝，大的可 达数毫米，裂缝较浅，多为中间宽两头细，且长短不一，裂缝间距由数厘米到数 米不等，互不贯通。大多在混凝土初凝后，外界风速大，气温高的情况下，或本 身温度长时间过高( 4 0 c 以上) ，而气候很干燥的情况下出现。塑性裂缝又叫龟 裂，严格地讲属于干缩裂缝，出现很普遍。 防止这类裂缝的措施是：尽量降低混凝土的水化热，控制水灰比，采用合适 的搅拌时间和浇筑措篪，以防止混凝土表面水分过快的蒸发【1 】。 2 沉降收缩裂缝 混凝土浇灌振捣后，骨料颗料悬浮在一定稠度的水泥浆体中，浆体的重量密 度较低，对于水灰比为0 6 的浆体而言，大概只有骨料重量密度的一半，所以骨 料在浆体中有下沉趋势，而浆体中的水泥颗粒又远重于水，使得新拌混凝土中的 水泥向上转移，即发生沉降与泌水现象，形成竖向体积缩小沉落，这种沉落直到 混凝土硬化时才停止。骨料沉落若受到钢筋、预埋件、模板、大的粗骨料以及先 期凝固混凝土的局部阻碍或混凝土本身各部分沉落不同就会产生沉降收缩裂缝。 泌水使混凝土的多余水分减少，有利于提高硬化后的混凝土强度，但是泌水 和沉降所带来的害处更大。 骨料的下沉和水分的上升会在水平钢筋的底部形成空隙并积聚水分( 如图 2 - 1 所示) ，为钢筋锈蚀留下隐患；上升的水分还会滞留在粗骨料底部，造成浆 体和骨料之间界面薄弱环节以至于形成空隙，影响混凝土的抗渗性与抗冻性：当 垂直下沉的固体颗粒达到水平设置的钢筋或紧固螺栓等埋设件，或受到侧面模板 的磨擦阻力时，就会受到阻拦并与周围的混凝土形成沉降差，结果在混凝土顶部 表面处导致塑性沉降裂缝( 如图2 - 2 所示) 。此外，如果同时浇筑梁、板或柱( 墙) 的混凝土，由于这些构件的深度不同，有着不同的沉降，从而在这些构件交接面 处形成沉降差并产生塑性沉降裂缝( 如图2 - 3 所示) ，混凝土坍落度愈大，沉降 开裂的可能性愈大。在接近表面的水平钢筋上方最容易形成沉降裂缝，并随钢筋 直径加粗和保护层减薄而愈趋严重。当保护层过薄时，塑性沉降裂缝甚至会伸入 钢筋表面并沿着钢筋通长发展。这种纵向裂缝和沿着钢筋横截面开展的横向裂缝 对于钢筋锈蚀的危险程度有着根本的区别，前者应该杜绝，后者则关系不大。 9 现浇钢筋混凝土楼板裂缝成因及其综合控制研究 图2 1 塑性沉降造成钢筋底部空隙 与塑性收缩裂缝不同，塑性沉降裂缝有明确的部位和方向性，如模板刚度不 足( 如图2 - 4 所示) 或支模前未能夯实地基或者未能察觉地基土有遇水膨胀倾向 而造成的开裂。 麓圆 图2 - 2 塑性沉降裂缝 图2 4 模板刚度不足引起塑性开裂 防止这种裂缝的方法是：采用合适的混凝土配合比( 特别要控制水灰比) ， 防止模板沉陷，合适的振捣和养护等。在裂缝发生、混凝土塌落终止后，将混凝 土表面重新抹面压光，可使裂缝闭合【2 】【5 l 3 干燥收缩裂缝 混凝土在塑性流动终止并进入硬化阶段，干燥收缩一直进行，即使达到28 天龄期也不能说已经终止，有的工程可以持续若干年甚至几十年。所以说干燥收 1 0 现浇钢筋混凝土楼板裂缝成因及其综合控制研究 缩是水泥基于混凝土的固有特性，浇注时呈流动状态的混合介质，硬化呈固体状 态，除了硬化生成硅酸钙等固有物质，这是一个化学过程以外，还伴随着一个蒸 发失水干燥的物理过程，养护不好就出现干燥收缩裂缝。混凝土内的固体水泥浆 体体积会随含水量而改变。而骨料对水泥浆体体积的变化则起很大的约束作用， 使混凝土的体积变化远低于水泥浆体的体积变化。 硬化水泥浆体内富含孔隙，理论上水灰比小于0 4 并有理想的养护条件，可 使孔隙率减至2 8 的最低值。混凝土实际采用的水灰比都较大，而且不可能完全 水化，所以一般混凝土的浆体孔隙率约有5 0 左右或更大。 混凝土收缩由两部分组成，一是湿度收缩，即混凝土中多余的水分蒸发，体 积减小而产生收缩，这种收缩占总收缩量的5 0 9 0 ；二是混凝土的自收缩， 即水泥水化作用，使形成的水泥骨架不断紧密，造成体积减小。混凝土的收缩值 一般为0 2 o 4 ，钢筋混凝土为0 1 5 0 2 ，收缩量随时间增长而不断加大， 初期收缩快，而后日趋缓慢。 收缩裂缝的形成，必须同时存在两个条件：收缩变形和约束。最常见的是施 工过程中养护不当引起的，如受到风吹日晒，表面水分散失过快，体积收缩大， 而内部湿度变化很小，收缩也小，表面收缩变形受到内部混凝土的约束，因此在 构件表面产生较大的拉应力，当拉应力超过混凝土的极限抗拉强度时，即产生干 缩裂缝。此外，平卧薄构件水分蒸发过快，产生的体积收缩受到地基垫层或台座 的约束，也出现干燥裂缝。 收缩裂缝除与养护条件有关外，还与振捣、混凝土原材料收缩量等有关。混 凝土振捣过度，表面形成水泥含量较多的砂浆层，则收缩量过大，容易出现裂缝。 采用含泥量较大的粉砂配制的混凝土，也会加大收缩，从而容易产生收缩裂缝。 干燥收缩裂缝为表面性裂缝，其宽度较小，大多数为0 0 5 r o m e o 2 m m 之间， 其走向纵横交错，没有规律性。 防止这类裂缝的措施是：改善水泥性能，合理减少水泥用量，降低水灰比， 对结构合理分缝，配筋不要过高，降低材料含泥量，而加强潮湿养护尤为重要【1 6 】。 4 温度收缩裂缝 表面温度裂缝大多数是由于温差过大引起的。混凝土结构，特别是大体积混 凝土结构浇灌后，在硬化期间水泥释放出大量的水化热而不易散发，内部温度不 断上升，达到较高温度，而混凝土表面散热较快，使混凝土表面和内部温差较大。 如果施工过程中注意不够或拆模过早；或冬季施工，过早拆除保温层；或受到寒 流袭击，均会导致混凝土表面温度急剧变化而产生较大的降温收缩，此时表面受 到内部混凝土的约束，将产生很大的拉应力，而混凝土早期抗拉强度和弹性模量 很低，因而使表面出现裂缝。 现浇钢筋混凝土楼板裂缝成因及其综合控制研究 深进的和贯通的温度裂缝大多数是由于结构降温差较大，受到外界的约束而 引起的。当大体积混凝土基础、墙体浇筑在坚硬地基或厚大的老混凝土垫层上， 又没有采取隔离层等放松约束的措施时，如果混凝土浇灌时的温度较高，加上水 泥水化热的温升很大，则会使混凝土的温度很高。当混凝土冷却收缩，因受到地 基、混凝土垫层或其它外部结构的约束时，将使混凝土内部出现很大的拉应力， 产生降温收缩裂缝。裂缝有时是深进的，有时是贯穿性的，它常破坏结构的整体 性。 混凝土表面温度裂缝的走向无一定规律性。梁、扳式结构或长度较大的结构， 裂缝多平行于短边；大面积结构，裂缝常纵横交错：深进的和贯穿的温度裂缝， 一般与短边平行或接近于平行，裂缝沿全长分段出现，中间较密；裂缝宽度大小 不一，一般在o 5 m m 以下，且沿全长没有多大变化；温度裂缝多半发生在旌工 期间，裂缝宽度受温度变化较明显，冬季较宽，夏季较细；大多数温度裂缝沿结 构截面呈上宽下窄情况。遇上下边缘区配筋较多的结构，有时亦出现中间宽、两 端窄的梭形裂缝。 防止这种裂缝的主要措施是：合理地分层、分块、分缝，采用低热水泥，掺 加拌合材料( 如粉煤灰) ，埋入冷水管，预冷骨料，采用冰水，加强养护，注意 天气预报，采取防寒措施。对于高温天气，要采取隔热措施，有时与防止干缩裂 缝一起考虑【1 0 】m l 。 5 碳化收缩裂缝 碳化收缩是大气中的c o ，在存在水的条件下与水泥水化产物作用生成 c 。c 仗、硅胶、铝胶和游离水而引起的表面体积收缩。产生收缩原因在于这些游 离水的蒸发。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 而引起浆体收缩。碳化作用的实质是碳酸对水泥石的腐蚀作用。而碳化收缩则是 由于碳化作用所产生的游离水的蒸发引起，但浆体在充分干燥和水饱和的场合都 不易产生碳化作用。因为在完全干燥的场合毛细管水己蒸发，c o ，无法在毛细管 中形成碳酸，因此无法与水化产物直接作用，当然也就不会产生碳化收缩。而在 水饱和的状态下，c o ，很难进入毛细孔内，也无法在毛细管内形成的碳酸。正因 为如此，碳化作用和碳化收缩均发生在混凝土表面。对碳化收缩影响最大的是相 对湿度。由此所引起表面体积收缩，受到结构内部未碳化混凝土的约束而导致表 面发生龟裂。在空气相对湿度较小的干燥环境中最为显著。另外在密闭不透风的 地方，使用火炉加热保温，产生大量的c o ，常会使混凝土表面加快碳化，而产 生这类裂缝【。 碳化收缩裂缝在结构的表面出现，里花纹状，无规律性，裂缝一般较浅，深 1 o m m 6 o m m ，有的至钢筋保护层全深，裂缝宽度为0 o s m m o 2 m m ，少数大于 现浇钢筋混凝土楼板裂缝成因及其综合控制研究 1 o m m ，多发生在混凝土浇筑完后数月或更长时间。 6 自生收缩裂缝 自生收缩裂缝是水泥水化作用引起的裂缝，并不属于干燥裂缝。在已经硬化 的水泥浆体中，未水化的水泥继续水化是产生自生收缩的主要原因。水化使孔隙 尺寸减少并消耗水分，如无外界水分补给，就会引起毛细水负压而使水化产物产 生体积变化，即自生收缩【划。 自生收缩主要发生在混凝土硬化的早期，是在恒温、与外界无水分交换的条 件下，混凝土宏观体积的减小。自生收缩与干燥收缩不同，它在混凝土体内相当 均匀地发生，而不仅仅在混凝土表面发生。一般认为混凝土在开始凝结后的几天 或十几天内即可完成自生收缩。 水灰比越低，自生收缩越大，掺加硅粉更能加大自生收缩。根据日本t a z a w a 的试验，水灰比等于0 2 的加硅粉混凝土，自生收缩量可超过6 0 0 x 1 0 。6 ，而且 二天即可达到5 0 0 x l o 。6 。水灰比在0 3 5 左右的高强混凝土的早期自生收缩约有 2 0 0 3 0 0 x 1 0 6 ，为了控制自生收缩，需要在混凝土硬化一开始时就加水养护。 从上述分析可以看出，一些改善自生收缩的措施常常与提高混凝土强度相矛 盾，在实际工程中应具体分析，如采用高强混凝土，则必须重视自生收缩的危害， 但如强度等级比较低的混凝土( 2 0 3 0 m p ) ，自生收缩可能并不是主要矛盾。在 施工现场改善自生收缩又与其他指标不相悖的最佳措施，就是及时并充分地加水 养护。防止塑性干裂的一些措施大都有利于改善和控制自生收缩。 对于混凝土收缩变形而言，国内的研究文献有限，大多借鉴国外规范的经验 公式和理论。由于收缩机理的复杂性，该领域仍存在大量的问题有待于进一步探 讨和深入研究。 混凝土裂缝的生成，一般不是直接作用( 结构荷载和施工荷载) 的结果，大 部分可以归结为温度变形和收缩变形等间接作用的效应。混凝土收缩裂缝控制的 重点，集中于自生收缩和干燥收缩的研究，尤其是现浇墙板厚度较薄，整浇墙板 施工完成后形成的暴露面比较大，混凝土失水形成早期收缩裂缝的趋势较大。随 着混凝土泵送技术的广泛运用，连续浇筑方式引起的收缩裂缝的控制逐渐成为国 内外研究工作的重点之一。 现浇钢筋混凝土楼板裂缝成因及其综合控制研究 第三章现浇混凝土楼板裂缝产生机理及控制措施 3 1 现浇混凝土楼板裂缝的常见形态 随着砖混结构中使用的预制混凝土空心楼板逐渐被现浇混凝土楼板所代替， 近几年来现浇混凝土楼板在住宅工程中的应用已经非常普及，而现浇混凝土楼板 裂缝是目前较难克服的质量通病之一，为了全面地分析裂缝产生的原因，彻底地 治理这质量通病，进行了大量的调研工作并结合施工经验进行了较系统地分 析。现浇混凝土楼板裂缝的常见形态主要有以下7 种类型： 1 产生在房问中部。横向或纵向跨中裂缝，通常贯通楼板，宽度可达0 5 唧 1 5 m 。 2 在建筑物四角的斜裂缝，与墙呈大约4 5 度角，宽度不大于1 o m m 。 3 板面沿顺钢筋方向的裂缝。 4 板上面沿墙边或梁边的裂缝。 5 沿p v c 管线在板内埋设位置的裂缝。 6 沿在楼板留置的施工缝或后浇带位置的裂缝。 7 板面分布的不规则裂缝，裂缝宽度较小，深度也较浅。 3 2 现浇混凝土楼板裂缝的主要特征 通过工程实践过程中的调查和产生裂缝工程实例的有关资料的分析，现浇钢 筋混凝土楼板裂缝具有以下特点： 1 裂缝一般在房屋尚未投入使用即楼板除自重外未受到可变荷载时就会产 生。 2 相当大的一部分裂缝为贯穿性裂缝，虽不致造成楼板的强度及承载力明 显下降，但对用户的正常使用产生较大的影响。 3 裂缝产生在混凝土浇筑完一段时间以后，一般为两个月到一年左右。超 过一年后，裂缝基本上不再发展。 4 裂缝产生与季节有一定关系，秋、冬季节裂缝产生较多。 5 严格控制伸缩缝间距仍无法避免裂缝产生。 6 现浇楼板裂缝问题在全国各地均有发生，分布较广，不是某一类地区所 特有的。 7 裂缝在地基条件很好的情况下也会发生。 8 裂缝可产生在某一房间楼板上，不一定集中发生在整幢房屋长方向两端。 现浇钢筋混凝土楼板裂缝成因及其综合控制研究 即如果以圈梁为界线划分楼板的话，则各楼板都可能开裂。 3 3 设计因素导致的裂缝原因及相应的控制措施 3 3 1 设计因素导致的裂缝原因分析 设计方面的原因是形成现浇混凝土楼板裂缝的重要原因之一，如果工程设计 不当，即使施工及其它方面不出问题，也将会出现裂缝，因此设计方面的原因是 形成现浇混凝土楼板裂缝的内因。通过大量的工程实践及裂缝工程调查，设计方 面的原因归纳总结如下： 1 建筑平面不规则，形状突变，凹凸较多，即转角较多，这些转角处由于 应力集中，形成薄弱部位，受到混凝土收缩及温差变化，引起楼板开裂。由于住 宅标准对通风、采光、日照、明厅、明卫的要求，因此建筑平面不规则、凹凸布 局比较普遍。建筑专业设计人员在设计时，一般只注重建筑功能而忽视结构问题， 因此建筑平、立面不规则给结构设计带来不利的影响p l “】。 2 当楼板体型过长、伸缩缝间距设置过大或未考虑设置伸缩缝时，混凝土 收缩而引起的拉应力积聚往往在中部最大，导致横向裂缝，由于形状关系，此类 型裂缝往往在相对薄弱的瓶颈处发生，如楼梯间、天井、凹角处等( 如图3 1 、 3 2 所示) 。 图3 - 1 楼梯间处的横向裂缝 1 l j r l 图3 - 2 发生在凹角或瓶颈处的横向裂缝 这类裂缝大多呈梭形，在板中最宽，到板边的墙、梁处变窄最后消失。裂缝 贯通截面，因此往往引起渗漏问题【”】【2 4 】。 3 楼板配筋不当。有的楼板配筋率太低，钢筋间距偏大，再加上现浇楼板 现浇钢筋混凝：t 楼板裂缝成因及其综合控制研究 按照周边嵌固的双向板设计，故板的跨中只有板底钢筋而没有板面钢筋，因此裂 缝集中在板中央( 如图3 3 所示) 。由于楼板底部钢筋的约束，裂缝呈楔形，上 宽下窄并且不贯通，但由于预埋设备( 如灯座等) 和预留孔，也可能引起贯通裂 缝而造成渗漏问题。如用冷轧扭钢筋、冷轧带肋钢筋等强度代换，则其配筋率更 低，裂缝出现的机率更大。 忙 ( a ) 板的横截面 ，1 ，一 | 、一 板中裂缝 ；： ! ，： ( c ) 板中裂缝状态 图3 3 板面裂缝 4 楼板中暗埋有大量p v c 电线管。由于楼板较薄，因此在埋有p v c 电线管 处楼板削弱很大，而楼板中部一般又只有下部一层钢筋，容易出现顺着p v c 管走 向的裂缝。经过调查发现板中部的通长裂缝经常从灯头处穿过，特别是现代住宅 建筑中对住宅智能化的设计要求越来越高，致使楼板中埋设的p v c 管线的数量和 直径都有大幅度的增加，导致此类裂缝越来越普遍。比如在对青岛市崂山区某在 建工程的检查中发现：在l o c m 厚的楼板中纵横布置着1 0 余条p v c 管线，最大直 1 6 现浇钢筋混凝土楼板裂缝成因及其综合控制研究 径达4 c m 左右，并且还存在管线相互重叠的现象。这些部位在楼板中成为相对较 薄弱的部位，在混凝土的收缩变形过程中，楼板将会在这些薄弱部位率先开裂。 5 地基基础处理不当。如果地基处理不当，基础设计不合理，将使房屋产 生较大的不均匀沉降，也容易使楼板开裂。此种裂缝的出现一般伴随出现墙体裂 缝。 6 设计上按规范要求验算最大裂缝宽度，只考虑了在一般情况下为主要因 素的结构荷载、几何尺寸和边界条件等计算参数，而未涉及到施工工艺等诸多可 能成为裂缝主要原因的情况。 砖混结构的现浇混凝土板设计一般在l o o m m 1 3 0 r a m 之间，厚度比较薄，而 现浇板面积比较大。板的体积与表而积的比值越小，混凝土的收缩变形就越大。 同时板的变形超前梁的变形，在水平方向上楼板的收缩变形使板内出现拉应力， 梁内呈压应力。另一方而，砖混结构的外纵墙与山墙在外界气温的影响下，历经 热胀和冷缩的反复作用，双方作用的温差合力，使房间外墙角部的楼板产生较大 的