（水利工程专业论文）工程结构中混凝土裂缝控制技术研究.pdf

1 t1i嚣*p鼍饕j鬻。屯聱。 王猩结掏生渥趟土裂缝控制燕苤班究 l 啷f il l i lf l li ir l li i iiii y 18 2 7 7 2 6 工程结构中混凝土裂缝控制技术研究 指导教师签字歪盥 答辩委员会成员签字：堑童：墨 幽 立玉盐 盐 一 独创声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含未获得 ( 洼! 翅遗直基丝重要挂剔直：明鲍：奎拦亘窒2 或其他教育机构的学位或证书使 用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：州：签字日期：沪d 年么月亏日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人 授权学校可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用 影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。同时授权中国科学技术信息 研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公 众提供信息服务。( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：上_ 呲： 导师签字： 子哆 签字日期：洲口年占月；日 签字日期：p 啪年占月；日 i l l 工程结构中混凝土裂缝控制技术研究 摘要 混凝土结构的收缩裂缝是学术界和工程应用中长期关注的重要课题，本文研 究了混凝土结构收缩与温度裂缝类型及产生原因，四种结构形式的混凝土结构裂 缝成因及其控制措施，并分析了混凝土现浇楼板裂缝控制措施，提出了一种效果 较好的裂缝控制技术，并根据工程实例进行了可行性讨论。 论文具体内容包括： 1 、裂缝产生机理、裂缝形态分类的理论分析； 2 、变形作用如温度应力、混凝土收缩等引起的裂缝的种类及其各种裂缝的 控制措施； 3 、从设计、施工工艺和环境方面，总结了大体积混凝土、混凝土预制构件、 砌块住宅、特殊构筑物等四种结构当中的混凝土裂缝控制技术； 4 、结合工程实践从混凝土材料方面、施工因素方面、设计方面对建筑工程 中最为常见的钢筋混凝土现浇楼板裂缝问题进行了探讨，分析了这类裂缝产生的 成因，提出了一种效果较好的裂缝控制技术； 5 、本文提出的现浇楼板常见裂缝的控制技术在具体工程中应用表明从材 料、设计、施工等多个方面进行综合控制现浇楼板裂缝的措施是完全可行的，并 且效果显著，经济和社会效益较高。 关键词：混凝土：收缩：非荷载裂缝：控制：设计：施工；材料：现浇混凝土楼板： i v s t u d yo nt e c h n ic l u e so fc r a c kcontudy0 nie cu er a o ko o n tr oic i inc o n c r e t es t r u c t u r e s a b s t r a c t s h r i n k a g ec r a c ki nc o n c r e t es t r u c t u r eisa ni m p o r t a n ts u b j e c tc a r e d b ya c a d e m i cm e m b e r sa n di nb u il d i n ge n g i n e e r i n g t h i sp a p e ri n v e s t i g a t e d c o n c r e t es h r i n k a g ea n dt e m p e r a t u r ec r a c k s ， s i m u l t a n e o u s l y ，t h e i rc a u s e s w e r es t u d i e d c a u s e so ff o u rc o m m o nt y p e sc o n c r e t es t r u c t u r e sc r a c k sa n d i t sp r e v e n t i o nc o n t r o lm e a s u r e sw e r es t u d i e d i ta n a l y s i st h ec o n t r o l m e a s u r e so ft h ec r a c k sw h i c hi nc a s t 。i n 。s i t ec o n c r e t ef l o o ra n dp r o p o s e ag o o d v a r i e t yo fc r a c kc o n t r o lt e c h n o l o g yb a s e do np r o j e c t s ，i t s f e a s i b i l i t yo ft h ep r o j e c tw a sd i s c u s s e d p a p e r si n c l u d i n g ： 1 t h em e c h a n i s m a n dc l a s s i f i c a t i o no f c r a c kw a s a n a l y z e d t h e o r e tic a ll y 2 d e f o r m a t i o nw a sd e s c r i b e d ，s u c ha sc r a c kc a u s e db y t e m p e r a t u r e s t r e s sa n dc o n c r e t es t r u c t u r e s h r i n k a g e a n di n t r o d u c et h ec o n t r o l m e a s u r e sf o rv a r i o u sk i n d so fc r a c k s 3 t h ec o n t r o lt e c h n iq u e so ft h ec o n c r e t ec r a c ki n m a s sc o n c r e t e ， p r e c a s tr e i n f o r c e dc o n c r e t e ，c o n c r e t eb l o c k b u i d i n g s a n d e s p e c i a l s t r u c t u r eb u i l d i n gw e r es u m m a r i z e di nd e s i g n ，c o n s t r u c t i o nt e c h n o l o g ya n d e n v i r o n m e n t a la s p e c t si nt h isp a p e r 4 t h em o s tc o m m o nc r a c k si n c a s t - i n - s i t ec o n c r e t ef l o o rf r o m e n g i n e e r i n gp r a c t i c ew e r ei n v e s t i g a t e d c o n s i d e r e do fc o n c r e t em a t e r i a l s ， c o n s t r u c t i o nt e c h n o l o g y ，d e s i g np r o c e d u r e ，t h ec a u s e so fs u c hc r a c k sw e r e a n a l y z e d ，a n dp r e v e n tt h et r e a t m e n ta n dp r e v e n t i v em e a s u r e s 5 i n p u tt h ec o n t r o lm e t h o d sf o rc r a c k so fc a s t - i n - s i t ec o n c r e t ef l o o r i n t ot h ep r o j e c ta n dc o n f i r mi ti sp o s s i b l et oc o n t r o lt h ec r a c k so ft h e c a s t i n s i t ec o n c r e t ef l o o rt h r o u g hc o m p o u n dm a t t e r sa sm a t e r i a l s ，d e s i g n v 工程结构中混凝土裂缝控制技术研究 a n dc o n s t r u c t i o n t h ee f f e c ti sn o t i c e a b l ea n dt h eg o a l i sr e a c h e d e c o n o m i c a l l ya n ds o c i a l l ya c k n o w l e d g e d k e y w o r d s ：c o n c r e t e ：c r a c k ：n o n io a d e dc r a c k ： c o n t r o l ：d e sig n ： c o n s t r u c tio n ：m a t e riais ：c a s t - in - pia c er ein f o r c e dc o n c r e t ef io o r 工程结构中混凝土裂缝控制技术研究 目录 摘要 1 绪论1 1 1 研究的工作背景：o l 1 2 国内的研究历史和现状2 1 3 国外的研究历史和现状4 1 4 本文的主要研究内容5 2 常见混凝土结构收缩与温度裂缝类型及产生原因研究6 2 1 沉降收缩裂缝6 2 2 塑性收缩裂缝7 2 3 干燥裂缝：8 2 4 温度裂缝9 2 5 碳化收缩裂缝10 2 6 自生收缩裂缝11 2 7 本章小节1 2 3 裂缝控制方法一：13 3 1 结构设计方面1 3 3 1 1 结构平面布置1 6 3 1 2 后浇带的有效作用1 7 3 1 3 加强构造配筋问题1 8 3 1 4 混凝土构件厚度1 9 3 1 5 混凝土结构形式与强度等级问题1 9 3 2 施工工艺方面2 1 3 2 1 商品混凝土的原料供应问题。2 1 3 。2 2 新浇筑混凝土的养护问题。2 1 3 2 3 施工阶段的裂缝控制。2 2 3 3 混凝土材质方面2 3 v i l 工程结构中混凝土裂缝控制技术研究 3 4 环境影响2 5 3 5 本章小结2 5 4 不同类型混凝土结构裂缝控制措施2 6 4 1 大体积混凝土结构裂缝控制2 6 4 1 1 大体积混凝土定义2 6 4 1 2 大体积混凝土基础特点2 6 4 1 3 大体积混凝土裂缝产生的原因2 7 4 1 4 大体积混凝土裂缝的控制措施2 8 4 2 钢筋混凝土预制构件的裂缝控制+ 2 9 4 2 1 预应力大型屋面板3 0 4 2 2 预应力钢筋混凝土梁：3 2 4 2 3 板式构件3 3 4 3 砌块住宅结构的裂缝控制3 3 4 3 1 砌块住宅建筑裂缝影响因素3 3 4 3 2 砌块裂缝的防治措施3 5 4 4 特殊构筑物的裂缝3 6 4 4 1 梁板结构的裂缝3 6 4 4 2 沉井的裂缝3 7 4 4 3 钢筋混凝土烟囱的裂缝。3 8 4 5 本章小结3 8 5 控制措施应用坝浇混凝土楼板裂缝控制3 9 5 1 概j 蓬3 9 5 1 1 现浇混凝土楼板裂缝的危害。3 9 5 1 2 现浇混凝土楼板裂缝的分类：4 0 5 2 现浇混凝土楼板裂缝原因4 2 5 2 1 设计方面4 2 5 2 2 施工方面4 3 5 2 3 材料方面4 4 5 3 各种防裂措施- ：。4 5 v 工程结构中混凝土裂缝控制技术研究 5 3 1 设计方面4 6 5 3 2 材料方面4 7 5 3 3 施工方面4 7 5 3 4 管理方面。4 8 5 4 本章小结4 8 6 结论与展望4 9 6 1 结j 沧4 9 6 2 展望5 0 参考文献51 致 射5 3 个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果5 4 1 绪论 1 1 研究的工作背景 混凝土结构是我国工程中最常见、应用最广泛的结构形式之一，由于混凝土 结构自身组成材料的弱点( 抗拉强度较低) ，其裂缝的出现是不可避免的。这里所 说的裂缝是指工程中可见的宏观裂缝，其宽度在o 0 2 m m 以上。根据裂缝产生的 原因，其大致可分为三类，第一类是由外荷载( 如静、动荷载) 的直接应力，即 按常规计算的主要应力引起的裂缝；第二类是由外荷载作用，结构次应力引起的 荷载；第三类是由变形引起的裂缝( 我们称之为第二类“荷载 ) ，结构由温度、 收缩和膨胀、不均匀沉降等因素引起的裂缝。据国内外的资料调查，工程实践中 结构物的裂缝由变形( 温度、收缩、不均匀沉降) 引起的约占8 0 t u ；而由荷载 引起的约占2 0 。前述8 0 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。 混凝土收缩裂缝是由于混凝土的收缩变形受到约束而引起的，收缩变形包括 两部分，干燥收缩变形及温降收缩变形。混凝土随湿度、温度变化要产生胀缩变 形，当收缩受到约束( 抑制、阻碍) 作用产生的拉应力超过混凝土的抗拉强度时， 就会产生收缩裂缝。混凝土结构在施工过程及使用过程中，收缩变形受到约束作 用是在所难免的，而混凝土的抗拉伸能力又很弱，所以，混凝土结构较容易出现 收缩裂缝。造成结构收缩裂缝开裂的概率也大为增加。 工程中出现的收缩裂缝，虽然暂时并不影响结构物的安全，但它会损害建筑 保温、防水等正常使用功能，并引起使用者心理层面上的不安：而且从结构物的 长期使用要求来看，它会影响房屋的耐久性和使用寿命，影响结构物的安全性。 近年来，随着我国房屋商品化政策的实施，人们对房屋质量和耐久性的要求也明 显提高，房屋开裂的质量问题日益引起重视，在住房改革以及商品房销售过程中， 因房屋出现裂缝而引起的纠纷时有发生，严重者甚至会发展成为社会不安定因 素。因此，必须与重视控制“荷载裂缝 一样，对工程中出现的收缩裂缝进行有 效地控制和防治 2 1 。 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) 来防止或减轻，所以对其发生发展机理有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变形作 用引得的裂缝发生。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，但由于对变形引起的裂缝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 g b 5 0 0 1 0 2 0 0 2 中对防止变形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。为此，本文拟将混凝土结构中由变 形引起的裂缝作为研究对象，系统、深入地研究其发生发展机理，并针对混凝土 不同结构体系的特点提出有效的控制措施，这不仅在结构理论研究方面有重要意 义，而且对促进我国建筑行业新工艺、新技术的推广，实施可持续发展战略有重 要的现实意义。 1 2 国内的研究历史和现状 近代科学关于混凝土强度的细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，政府建筑监督部门也将细微裂缝归结为质量通 病，是一种人们可以接受的材料特征，如对建筑物抗裂要求过严，必将付出巨大 的经济代价；科学的要求应该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，统称之为“建筑物的裂缝控制，这方面的科学研究 工作具有重要的现实意义和技术经济意义。 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5 0 、 6 0 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8 0 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1 9 8 2 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 c 2 0 ，c 3 0 ，c 4 0 和c 5 0 的普通混凝土和强度等级为c 2 0 和c 3 0 的轻骨料混凝土 2 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4 6 ，徐变系数约低1 3 ； 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1 。 王铁梦【1 2 】教授对工业与民用建筑中大体积混凝土的裂缝控制进行了研究。系 统地分析了建筑物的裂缝发展变化规律，提出了有效的裂缝控制设计和施工措 施。文献在总结宝钢、地铁建设等重大工程裂缝实践经验的基础上，运用综合研 究方法，结合材料、设计、施工、地基及环境条件，提出了“抗”与“放”相结 合的设计原则，结合实践提出了伸缩缝间距及裂缝控制计算公式，这些成果在工 程中得到了广泛应用。 文献【1 3 】对化学外加剂和矿物掺合料对水泥砂浆干缩与开裂的影响进行了试 验研究，该文认为在保持单位体积用水量和集料用量相同( 砂浆体体积含量也相 同) 的情况下，掺加减水剂对砂浆干缩值的影响与采用的减水剂种类和水灰比有 关；加入减水剂使试件较早开裂，而且裂纹总宽度增加，开裂时对应的干缩值通 常较低，而且开裂后单位干缩值引起的裂纹宽度较大；用矿物掺合料等体积取代 水泥时，矿物掺合种类对砂浆干缩值的影响较大，其中粉煤灰可以降低砂浆的干 缩值，矿渣对干缩值的影响较小；必须从配合比设计以及养护等方面采取措施来 控制开裂。 文献【1 4 】针对高强混凝土早期开裂的影响因素进行了研究，得出了以下主要结 论：磨细矿渣增大了高强混凝土的收缩开裂趋势，其中细度越大，开裂趋势更明 显；粉煤灰可以明显降低高强混凝土的收缩开裂趋势，而硅灰使高强混凝土的收 缩开裂趋势明显增加。 3 王猩缱擅生暹鳖型缝控剑蕉苤亟究 文献 1 5 】在大量的施工和处理裂缝的经验以及理论研究基础上提出“工程结构 裂缝控制的综合方法”，包括结构力学近似计算法、结构与基础的共同作用、施 工技术、材料优选、以及环境条件等。 1 3 国外的研究历史和现状 国外对混凝土早期开裂的问题研究较早，在2 0 世纪3 0 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【1 6 1 。 欧共体国家进行的联合科研项目1 刀i m p r o v e dp r o d u c t i o n o fa d v a n c e d c o n c r e t es t r u c t u r e s ( i p a c e s ) ( 1 9 9 7 - 2 0 0 1 ) 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。 h r l u 【1 8 1 认为混凝土抗拉强度取决于许多因素，如配合比，养护条件等，而 研究表明拉应变能力是一个相对的常数，不受配合比、养护龄期和抗压强度的影 响。所以基于混凝土拉应变能力比基于拉强度来估计开裂更方便更简单。根据拉 应变能力建立的概率模型可以用于估计不同配合比混凝土的温度裂缝。 e i i c h i e l 9 】等就水泥、化学掺合料，矿物掺合料和水灰比对混凝土自由收缩的 影响进行了试验研究，结果表明随着水灰比的下降，自由收缩逐渐增大；而且一 些掺合料可以有效地减小混凝土的自生收缩。 p i c t r oi ，u 瑚1 等详细探讨了养护温度和水泥类型( 波特兰水泥和矿渣水泥) 这 两个因素对高性能混凝土的自由收缩和由此引起的应力方面的影响，结果表明， 养护温度越高，在混凝土中并不会引起更大的自生收缩变形，但通常会使收缩和 应力发展的速度加快；在给定的温度下，矿渣水泥的早期收缩要大于普通波特兰 水泥的早期收缩。 0 b e r n a r d 2 i 】等就自生收缩对早龄期结构构件性能的影响进行了试验分析， 试验给出了水化作用中温度发展历程和总的应变，将试验结果与数值模拟的计算 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。 4 工程中，制约混凝土结构收缩裂缝的发生发展主要有以下因素：混凝土收缩 变形( 干缩变形和温差变形) 的大小；混凝土力学性能指标的高低以及混凝土变形 的约束程度。现行混凝土收缩变形的计算公式已不适用于商品混凝土收缩变形的 计算；而且实际工程结构的裂缝，绝大多数是由于混凝土抗拉强度不足而引起的， 但以往的科研工作大都只是围绕抗压强度方面进行研究，在抗拉方面研究较少， 以致于很难找到准确的计算理论；此外，混凝土变形约束程度的大小也需要进一 步地确定。因此，很有必要对上述存在的问题展开深入地试验和理论研究，更系 统地研究收缩裂缝的发生发展机理，以较好地控制收缩裂缝。 1 4 本文的主要研究内容 l 、对裂缝产生机理、裂缝形态分类等进行理论分析。 2 、简单介绍变形作用如温度应力、混凝土收缩等引起的裂缝。 3 、结合自身施工经验，对不同结构类型的混凝土工程裂缝控制措施进行总 结，为以后混凝土结构设计、施工积累有效的经验。 4 、针对现浇混凝土楼板裂缝进行了深入地量化对比分析，根据工程实例研 究本文中提出的防裂措施的防裂效果，对现浇混凝土楼板的防裂提出一套行之有 效的措施。 5 2 常见混凝土结构收缩与温度裂缝类型及产生原因研究 钢筋混凝土结构是一种耐久性较好的结构体系，但是由于混凝土的均质性较 差，抗拉强度较低，又有膨胀收缩、徐变等特性，加之在实际工程中，往往由于 施工过程控制不严、设计考虑不周、使用不当等原因，致使混凝土结构出现不同 程度的裂缝，给结构造成一定的损伤，影响建筑物的正常使用，有些裂缝则危及 结构的安全，甚至造成建筑物的严重破坏或倒塌。 防止和减轻混凝土裂缝对建筑物的损害，正确“诊断”混凝土裂缝形成的原 因，提出切实有效的“防治 方法，是至关重要的。 在本章中对混凝土比较常见的收缩与温度裂缝裂缝加以分析总结，以便在施 工过程中更好的对裂缝加以认识、控制和预防。 2 1 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w c = o 6 的浆体而言，大概只有骨料重度密度的一半【5 】，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。 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，结果在混凝土项部表 面处造成塑性沉降裂缝。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，混凝土塌落度愈大，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。 6 图2 1 塑性沉降造成的钢筋底部空隙 防止这类裂缝的措施： l 、选用合理的配合比，水灰比要适当，尽量减小混凝土的坍落度，减少细 骨料的用量嘲。 2 、浇筑时加强振捣，保证振捣密实。 3 、二次抹压工序，在混凝土终凝前进行二次压面，以消除表面裂纹。 2 2 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， 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。塑性收缩机理一般可用水泥浆体毛细孔 隙内的毛细水拉力来解释【3 】。当混凝土固体质点间的毛细孔隙水因蒸发减少时， 形成弯液面产生拉力，使尚处于可塑状态的混凝土收缩。也可能由于混凝土水灰 比过大，增加用水量通常认为会使毛细孔隙增大，从而减少造成塑性收缩的毛细 水压力，但实际情况用水量大的新拌混凝土有高得多的塑性收缩值，更易发生塑 性开裂。产生这一结果的原因是塑性收缩值的大小还与浆体抵抗塑性收缩的能力 有关，如果浆体较硬，其抵抗收缩的能力会较大，而增加用水量则使稠度降低， 所以最终的塑收缩量反而大为增加。模板、垫层过于干燥、使用收缩率较大的水 泥以及水泥用量过大等也会导致这类裂缝的出现。 混凝土塑性收缩裂缝的量级很大，可达1 左右，一般出现在新浇结构构件 表面，形状很不规则，类似干燥的泥浆，如图2 2 所示，其宽度可大可小，小的 7 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，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。 图2 2 现浇砼板塑形收缩裂缝 防止这类裂缝的措施： 1 、使用合理的配合比，选用合适的减水剂减少水的用量。 2 、尽量减少细骨料的用量。 3 、采用二次抹压工序，在混凝土终凝前进行二次压面，将表面压实。 4 、注意保水养护，浇筑后要及时覆盖养护，高温天气要覆盖、每天多次 洒水降温，刮风天气要采用塑料薄膜进行覆盖养护1 4 1 。 2 3 千燥裂缝 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2 8 天龄期也不能说己经终止，有的工程可以持续若干年甚至几十年。所以说干燥收 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，整个化学过程伴随蒸发失水干燥，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。 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 0 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。混凝土收缩值一 般为0 2 4 3 4 ，钢筋混凝土为o 1 5 - 0 2 ，收缩量随时间增长而不断加大， 初期收缩快，后期日趋缓慢忉。 干燥收缩裂缝为表面性裂缝，其宽度较小，大多数为o 0 5 m m - - o 2 m m 之间， 8 其走向纵横交错，没有规律性。在较薄的梁、板类构件中，这种裂缝多半沿短方 向分布( 如图2 3 所示) 。在整体结构中，这种裂缝多半发生在结构变截面处， 面裂缝多半延伸至变截面部位或块体边缘。在大体积混凝土平面部位，这种裂缝 图2 3 干缩裂缝 较为多见，但侧面亦常出现。在预制构件中，这种裂缝多半产生在箍筋位置。总 之，一般说来，这种裂缝在混凝土露天养护完毕经过一段时间后，出现于混凝土 表层或侧面，并随湿度变化而变化，表面强度收缩可使裂缝由表及里、由小到大 逐步向深部发展。 要控制和预防干缩裂缝应注意做到： 1 、施工过程中控制好混凝土的水灰比，因细骨料收缩性较大，应采用适当 的方法减少水泥用量。 2 、浇筑后应立即覆盖、养护，防止水分的流失。 3 、成形前要进行二次抹压、收面。 4 、对于地基梁部分当强度达到要求后要及时进行埋填，减少在空气中暴露 时间。 5 、预埋管线时要采取措施固定好，现浇板一般都比较薄，应用绑线将埋管 紧贴下网钢筋固定，遇到管线集中、交叉或较粗管线时，要在其上面增加钢筋网 片以控制开裂。 2 4 温度裂缝 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。 哺1 如果施工过程中注意混凝土强度不够或拆模过早；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 9 达5 5 6 5 ，而室内温度一般在2 5 3 5 ；在冬季，屋面温度约为1 0 一- 1 5 ，而室内温度一般为1 6 2 2 ，即屋面内外将有2 5 3 0 温差，当屋面保 温、隔热达不到节能设计标准时，将导致构件间( 如板、梁、柱等构件) 产生温 度变形或温度变形差，加之混凝土结构间有约束存在时，将会导致混凝土出现温 度裂缝。由于屋面保温隔热性能不佳产生的温度裂缝，往往具有顶层重、下层轻； 两端重、中间轻；向阳重、背阴轻，且随温度变化而变化的特点。 混凝土结构的温度裂缝，由于其约束程度不同，将产生较大的差异。混凝土 约束大致可分为“外约束和“内约束 两大类：“外约束”是指一个物体受到 其它物体的阻碍，一个结构变形受到另一个结构的阻碍，这种物体与物体之间， 结构与结构之间的相互牵制作用称作“外约束”；“内约束 是指一个物体或一个 物体本身各质点之间的相互约束作用成为“内约束 。混凝土结构产生的温度裂 缝，绝大部分与“外约束 有关，少部分是由于“内约束所造成。 2 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 a c o ，、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嘲。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已蒸发，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，呈花纹状，无规律性( 如图2 - 5 所示) 。 裂缝一般较浅，深1 , - 6 m m ，有的至钢筋保护层全深，裂缝宽度为o 0 5 o 2 m m ， 少 图2 5 碳化收缩裂缝 数大于1 o m m ，多发生在混凝土浇筑完后数月或更长时间。 2 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【1 0 1 。 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，因此，测定自生收缩应该从混凝土凝结后就立即 加以测量，而不是按现有的收缩测定方法，从龄期2 天后才开始测定。 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 a ) ，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。 2 7 本章小节 本章主要总结了混凝土常见的收缩与温度裂缝，如沉降收缩、塑性收缩、干 燥收缩、温度、碳化收缩、自生收缩裂缝各自产生机理，并分析了不同类型的裂 缝常用控制措施，如选用合适的水灰比、振捣密实、二次压面、加强养护等。 1 2 3 裂缝控制方法 3 1 结构设计方面 影响混凝土裂缝的因素有很多，例如混凝土材料的收缩性能，混凝土的变形 模量、抗拉强度以及徐变等力学性能，对于混凝土材料的收缩性能通常采用不同 的收缩估算模式进行计算，混凝土的变形模量、抗拉强度【1 5 】以及徐变等力学性能， 也有相应的估算方法。而从这些估算公式中我们也可以看出影响混凝土裂缝出现 一些因素，例如湿养时间，环境湿度，构件尺寸，水泥用量，水灰比，配筋等。 这样我们在控制混凝土裂缝的出现时也能有针对性采取相应的措施。 a ) 国内外各种技术标准或技术文件基于不同的试验研究和经验，对于混凝土 干缩应变的估算方法的建议也有所不同，今后也还会发展变化。经过国内大量实 验和工程测试证明，美国混凝土协会a c l 2 0 9 法对混凝土干缩应变进行估算量最 准确。其公式为： f t 。r = 丽岛，” ( 混凝土湿养7 d ) t 瓦，r = 丽t 。” ( 混凝土湿养1 - 3 d ) 占，- - 7 8 0 x 1 0 一k ， 式中：占一混凝土经气千持续t ( d ) 的收缩应变； 足“一混凝土经气干o o ( d ) 的收缩极限应变； t 一一混凝土经湿养或蒸养之后的气干持续时间( d ) ； k s = $ m p h p d p s p f p c p 。 几湿养期间( m ) m ( d ) ： 1371 42 89 0 几：1 2 1 1 1 00 9 30 8 6o 7 5 几一环境相对湿度( h ) 磊= 1 4 0 0 0 1 0 h ( 适于4 0 h 8 0 ) 尾= 3 0 0 - 0 0 3 0 h ( 适于8 0 h 1 0 0 ) 伤构件尺寸( 按平均厚度或按体表比考虑) ： 平均厚度( d ) 历按如下规定取值，在1 5 0 d 5 0 f 是细骨料( q 8 r a m ) 重对粗骨料总重的，即含砂率。 尾水泥量( c ) 皮= 0 7 5 + 0 0 0 0 6 1 c ( c 的单位是k g m 3 ) 统新拌混凝土含气率( a ) 凡= 0 9 5 + o 0 0 8 a ( a 的单位是容积，但尾需不小于1 0 。) b ) 混凝土的弹性模量 混凝土浇筑初期是升温阶段，处于塑性状态，混凝土的弹性模量很小，由变 形变化引起的温度应力也很小，一般可忽略不计。但是经过数日，混凝土的弹性 模量随着时间迅速上升，此时由于变形变化引起的温度应力也随着弹性模量的上 升而显著增大，因此必须考虑弹性模量的变化规律。根据国内外有关资料分析， 混凝土的弹性模量可以采用双曲线函数表达式进行计算： 1 4 = 菇而而上( 2 8 ) 式中：互f 1 一任何龄期混凝土的弹性模量( m p a ) 丘2 8 ) 一二一龄期的混凝土的弹性模量( m p a ) c ) 混凝土的极限拉伸值 混凝土的抗裂能力取决于混凝土的极限拉伸值。根据国内的试验资料看，该 值离散性很大，影响因素较多。因此对于每个具体工程，如何改善混凝土的非均 质性和提高混凝土的极限拉伸值，必须综合各方面的因素全面进行研究。 混凝土的极限拉伸值与配筋有关，大量工程实践的调查表明，合理的配筋可 以提高混凝土的抗裂性。配筋后混凝土的极限拉伸值可采用下列经验公式： ) _ 2 ) - o 5 棚+ p p i d ) 1 0 气嵩 占加) 龄期为t 的配筋混凝土极限拉伸值； 6 p a ( t ) 龄期为t 的混凝土瞬时极限拉伸值； z 混凝土抗拉设计强度； p 配筋率( 不加百分数，如，o 3 则z p = o 3 ) d 钢筋的直径( c m ) 。 对于温度作用，设计时要考虑的主要是季节温差。很多工程设计不能预先确 定混凝土浇筑时间，可取结构中夏天的最高温度与冬天的最低温度之差。由于温 度应力计算需要的是构件内部的温度而不是大气温度，因此需通过传热学方法由 构件周围气温算出构件内部的温度。根据各地的气象资料，可以方便地推算出室 外构件的温度变化，对于室内构件如楼板，还需要考虑围护结构的保温特性和空 调等因素【1 7 1 。因为影响因素很多