苏华彬砼防裂论文.doc

混凝土工程防裂技术重庆市土木建筑学会舒华彬2006年9月16日混凝土工程防裂技术一、混凝土结构物裂缝问题采用混凝土结构的建筑物和构筑物在建设过程和使用过程中常常出现不同程度、不同形式的裂缝。结构物的破坏和倒塌都是从裂缝的扩展开始的，如强地震后震区的建筑物上布满了裂缝，荷载试验的钢筋混凝土梁上出现大量裂缝等等，所以人们对裂缝往往产生一种破坏前兆的恐惧感。同时裂缝可以引起渗漏，有损观感因而影响建筑物的正常使用。此外裂缝可使结构物长期强度降低、保护层剥落、钢筋腐蚀、混凝土碳化从而对结构物的耐久性造成极其不利的负面影响。例如大体积混凝土和大面积混凝土工程的出现，在施工过程中产生的早期裂缝的预防始终是困扰建筑工程技术人员的技术难题。因为这类早期裂缝，尤其是贯穿裂缝，常常在混凝土浇灌完毕几天之后出现，给混凝土造成“先天不足”，降低混凝土结构物的承载能力，造成渗漏，影响结构物的正常使用。而且，这类裂缝处理效果也不理想，因此必须预防这类裂缝的发生。工程界对混凝土结构物的裂缝问题十分重视。对裂缝问题的对策的基本思路：一是治理，二是预防和控制。笔者认为应强化预防和控制。对混凝土结构物已经发生裂缝往往采用系统分析裂缝原因，科学评估裂缝安全性（危害性），正确找出处理方案（治缝方案、混凝土结构物加固方案或拆出重建方案）的方法来解决。对于待建结构物则应采取预防和控制裂缝的思路进行结构物施工前、施工中和施工后的工作。虽然混凝土结构物的安全性首先是由结构设计来保证。而结构设计是建立在强度的极限承载能力基础上的，但大多数工程的使用标准却是由裂缝控制的，对混凝土结构物的某些部位不允许出现裂缝。二、混凝土结构物裂缝产生的原因大量研究表明，混凝土结构物有两类：一是荷载引起，二是变形变化引起，据有关专家统计，外荷载引起的裂缝约占20%，变形变化引起的约占80%。1、荷载作用引起的裂缝研究表明，混凝土的抗拉强度约为抗压强度的714%，平均为10%，即混凝土的抗拉强度大大小于其抗压强度。当荷载引起的混凝土结构物的拉应力大于该结构物混凝土的抗拉强度时该混凝土结构物便发生裂缝。此类裂缝产生原因可分为以下几种情况：（1）使用荷载过超过设计荷载混凝土结构建成使用时发生裂缝，这类裂缝原因又可分为以下两种情形：1）设计错误设计荷载过小，不能满足实际使用荷载的要求。即结构物的设计承载能力小于结构物实际的使用要求。2）使用错误用户随意改变结构物用途，致实际使用荷载超过结构物的设计承载能力。（2）施工荷载超过设计荷载施工过程中，由种种原因造成的施工荷载过大，超过结构物的设计承载能力。此类裂缝原因也可以为以下两种情形：1）施工管理不善引起的施工荷载过大施工时随意性堆放建筑材料、机具、模具等于混凝土结构物之上，造成施工荷载超过混凝土结构物的设计承载能力。2）新浇混凝土结构物几何尺寸过大（如混凝土结构转换层），此时该混凝土结构物及其模具即为其下层结构物的施工荷载，当此荷载超过下层结构的设计承载能力时，下层结构便发生裂缝。2、变形作用引起的裂缝变形作用包括温度变形（水化热、气温、生产热、太阳辐射），温度变形（自生收缩、失水干缩、碳化收缩、塑性收缩等），地基变形（膨胀地基、湿陷地基、地基差异沉降等）。温度变形作用引起的裂缝发生在混凝土已经硬化，但尚未达到设计强度的过程中，这是一个复杂的化学物理过程。混凝土拌合物一形成即发生水泥的水化反应。其产生的水化热不断释放与扩散，与外界取得热平衡。对于大体积混凝土来说，其中心部位的水氏热因散热缓慢则发生热量大量积聚而使混凝土温度升高，在升至最高温度后又开始降温至外界温度一致，这一热过程大约在14天左右。而升温阶段的终点与降温阶段的始点大约在57天左右。混凝土的力学性能在这一过程中也是逐步变化，由没有强度逐步发展到具有一定的强度。混凝土的温度变形性能在这一过程中也遵循“热账冷缩”的规律，而在升温阶段发生膨胀，降温阶段发生收缩。同时，混凝土也发生自生收缩、塑性收缩。此外在干燥环境中还将发生因水分蒸发而产生的干缩现象。总之混凝土在硬化过程中将发生收缩变形。假如没有约束（即限制条件）混凝土的变形是自由的，混凝土内将不会产生因变形所致的内应力。混凝土也不会发生裂缝。当约束条件与混凝土发生的收缩变形同时存在时，约束条件将阻止混凝土的收缩变形，而导致在混凝土中产生拉应力。约束越大，拉应力越大。混凝土收缩变形越大，拉应力也越大。当这种情况下混凝土所产生的拉应力大于其抗拉强度时混凝土就发生裂缝。虽有约束条件，假如混凝土不变形（即无收缩变形也无膨胀变形时，混凝土不产生内应力（即内应力为0）。混凝土不产生裂缝。如虽存在约束条件但混凝土发生膨胀变形时，约束条件阻碍混凝土的膨胀变形而使混凝土产生压应力，工程实践表明这种压应力小于混凝土的抗压强度，混凝土不会发生裂缝。这种情况下产生的压应力相当于混凝土内建立了增强其抗裂性能的预应力。然而，任何结构中的混凝土都是处于约束条件下，也就是处于限制条件下的。常见的约束条件有以下几种：（1）基层约束（含地基、墙基、与之迭合另一部分已硬化的混凝土）。（2）邻位的约束。（3）钢筋的约束。（4）环境温度的约束。混凝土早期抗拉强度很低，而此时混凝土的冷缩较大，加上其他原因所致的收缩变形的迭加，在约束（限制）条件下，混凝土将产生较大的拉应力，如此拉应力大于此时混凝土的抗拉强度，即发生裂缝。这就是施工阶段，大体积、大面积混凝土容易产生裂缝的基本原因。3、其他原因产生的裂缝如碱骨料反应也会引起混凝土开裂破坏。（可采用严格控制水泥、外掺剂的含碱量，加强原材料检测等，方法予以预防此类事故发生本文不讨论此类问题）。三、防止荷载作用引起的混凝土裂缝的思路与对策精心设计、正确使用、强化管理、科学施工。1、精心设计设计单位根据建设单位提出的结构物的用途与荷载规范准确确定设计荷载，结构计算模型（简图）并精确进行结构计算。设计审查单位认真审查设计，防止设计计算荷载小于设计使用要求荷载所致裂缝事故的发生。2、正确使用使用单位与监管部门应按设计要求正确使用结构物，严禁使用荷载超过设计荷载的事故发生。如因用途必需，将发生使用荷载超过设计荷载的情况，则应先进行结构加固设计与施工，增强结构物的承载能力。达到实际的使用荷载小于结构物加固后的设计荷载的情形，防止结构物裂缝的发生。3、强化管理施工与管理单位强化施工管理，严禁在结构物上随意堆放建筑材料、机具、模具及其支撑等物品，防止施工荷载超过设计荷载所引起的混凝土结构物裂缝的发生。4、科学施工多层或多层混凝土建筑物楼盖施工时，一般采用一次浇筑混凝土的施工工艺。其施工荷载往往大于其下层楼盖的设计荷载，为防止下层楼盖发生裂缝或破坏，常采用二三层加钢管支撑组成临时组合结构共同承担施工荷载，减小施工层下层楼盖的施工荷载，防止下层楼盖裂缝发生。当混凝土楼盖几何尺寸较大（如结构转换层）且位置较高（距基础底板的距离过大）时，如采用上述方法施工则将耗用大量的临时钢管支撑。此外也可采用“偷梁换柱”法。改变施工荷载传力路程。在钢筋混凝土柱上增设施工用牛腿，施工牛腿上设置施工用钢结构梁支承转换层。转换层施工荷载通过施工用钢结构梁传递给施工用牛腿，再传递给构钢筋混凝土柱，而不传递给下层楼盖，从而避免了转换层下层楼盖的裂缝。待转换层混凝土强度达到设计要求时，再拆除施工临时钢结构梁和半腿。此法也将耗费大量的钢材。由此可见以上两种方法都不经济面不可取。为达到现防止转换层下结构楼盖因转换层施工而发生裂缝又节省施工费用的要求，工程界常采用“迭合梁”法进行结构转换层的施工。即将转换层分两次或多次自下而上分部进行混凝土工程的施工，待下部混凝土强度达到设计要求时，再进行上部混凝土工程的施工。这样将施工荷载化整为零的方法，减小了下层楼盖的施工荷载，同时充分利用转换层下部混凝土结构的承载能力支承转换层上部结构的施工荷载，也达到减小转换层下层楼盖的施工荷载，防止裂缝发生，又节省了大量的施工费用的要求。四、防止变形作用引起的混凝土裂缝的思路与对策1、防裂思路由前面的分析可知，处于约束（限制）条件下的混凝土结构物发生收缩变形时，混凝土结构物内部产生拉应力，当此拉应力大于结构物混凝土此时的抗拉强度，混凝土结构物则发生裂缝。理论分析与工程实践表明，结构物所受的约束越大，此拉应力越大。混凝土收缩变形越大，此拉应力也越大。此拉应力越大，混凝土越容易发生裂缝，反之，混凝土结构物的约束越小，此拉应力越小，结构物混凝土的收缩变形越小，此拉应力越小，拉应力小于此时混凝土的抗拉强度时，混凝土不发生裂缝。结构物的收缩变形为零（即不收缩）时，此拉应力为零。此时结构物混凝土也不发生裂缝。当结构物混凝土的变形膨胀变形时，则结构物产生的压应力。此压应力即为结构物所受的预（压）应力，相当于提高了混凝土的抗拉强度值。这种情况下，结构物混凝土不仅不发生裂缝，还因此而增加了混凝土结构物的抗裂能力。通过以上分析可知，防止变形作用引起混凝土的裂缝的思路应该是：减少约束、降低收缩、改变混凝土收缩变形性能，为方便记忆，也就是是：一“减”、二“降”、三“改”，且重在“改性”。改变混凝土上的什么性能呢？工程实践表明，采用补偿收缩微膨胀混凝土成套技术（含原材料选择、配合比设计、混凝土制备、运输、施工、养护）可使混凝土产生膨胀变形，提高混凝土的抗拉强度，减小收缩性能，为什么重在“改性”呢？因为在某此特定情况下如迭合梁工程，为确保成功迭含，迭合面需作成锯齿形。以加强迭合面授抗剪能力。迭合面上部混凝土工程施工，减少约束无法实现，反而要增加约束，这时只有变收缩为膨胀，因为在约束条件下混凝土膨胀时所产生的应力是压应力，而混凝土抗压能力较强，一般不会发生裂缝。所以此时只有“改性”一种办法来防止裂缝发生。2、防裂对策（1）设计1）合理的平面设计，避免截面的突变，从而减小约束应力。2）尽量采用小直经、密间距方式合理布置分布钢筋。转角处、变截面处应布置加强钢筋。转换梁应适度设置纵向抗温度变形钢筋，转换梁侧面与底面层沿梁长度方向通长设置钢筋（板）网。3）避免采用高强混凝土、尽可能选用中低强混凝土。充分利用后期强度，采用60d或90d强度，判定混凝土强度质量，以减少水泥用量，降低水化热。4）采用滑动层减少混凝土界面岩石基层（或邻层）的约束。岩石界面上不应“原槽浇筑”普通混凝土,但可采用掺有微膨胀剂的微膨胀混凝土。5）精心设计，采用可靠技术措施、防止结构物地基基础发生差异沉降引起的裂缝。（2）材料1）采用低热水泥，降低水化热。2）尽可能减少水泥用量，降低水泥用量、减少混凝土收缩值。3）采用高效减水剂减少用水量、减少混凝土收缩值。4）采用脂肪醇之类的减蒸剂，避免使用减少泌水率的外加剂预防塑性收缩裂缝。5）采用中粗砂或“改性”特细砂及级配良好的石子配制混凝土，并严格控制砂、石含泥量以减少水泥用量、从而降低水氏热、减少混凝土收缩值。6）采用高效膨胀剂替代水泥，延迟水化热峰值，控制降温速度并改变混凝土收缩为速度膨胀。7） 掺加增强纤维（如聚丙稀纤维）、改善混凝土性能。减少塑性收缩。（3）施工1）润湿地基成模具以减少水分散失。2）采用降温措施（砂石入库、防阳光直射、冰化水代自来水配制混凝土等）配制大体积混凝土，降低混凝土入模温度。3）用草袋和塑料簿膜对大体积混凝土进行隔热保温养护，对大体积和掺有微膨胀剂的混凝土必须进行保水（湿）养护，严格执行养护制度，并设专人负责。养护时间不得少于14d。4）改进施工工艺缩短混凝土拌制到养护的时间。5）采用无“缝”（无后浇缝）施工技术，用跳仓打法连续施工，注意后浇混凝土部分应按“膨胀加强带” 作法，与先浇混凝土部分相比适度增加膨胀剂掺量。6）加强振捣采用二次压光工艺处理混凝土表面，防止塑性收缩。7）采用信息化施工技术将大体积混凝土中心与处表的最大温差控制在25或30以下。四、典型工程案例1、重庆工商银行大厦基础工程该工程位于重庆南坪江南大道建筑面积305.63m2，36层（含地下2层）。三楼高度116.3m，框架筒体混凝土结构。地下室为现浇箱形混凝土结构。基础底板平面尺寸为26.7m26.7m，最大厚度为2.4m。混凝土总量为1600m3。设计要求：混凝土60龄终期抗压强度等级为C28（300号），抗渗标号B6。地基为灰色微风化长石砂岩。1987年2月开工，1987年6月完成基础底板施工，1991年2月竣工。该工程基础底板为大体积混凝土工程。笔者按一“减”、二“降”、三“改”的防裂技术思路，采用了以下技术措施：1）采用低热水泥。2）减少水泥用量和用水量（在设计上利用后期强度；采用中砂；采用粒径较大，级配良好的粗骨料；严格控制砂、石含泥量及针片状石子含量；掺用减水剂）。3）化整为零，分块浇筑（因当时重庆尚无预拌混凝土行业）。4）降低混凝土入模温度（采用食用冰化水拌合混凝土；冷水冲洗石子，现场搅拌站设遮阳装置等方法，使混凝土入模温度控制在25以下）。5）采用保温保湿养护。6）采用减少地基约束的设计构造措施（设置滑动层；改善锚桩与基础的连接构造）。7）采用信息施工技术，严格控制大体积混凝土内部与表面温差在25以内。该工程实践表明，所用措施减小了地基约束、降低水泥水化热、减少了混凝土的收缩、增强了混凝土抗裂性能、达到了预期的防裂效果。该工程被评为“优良”工程。该工程为上世纪八十年代我国西部地区第一高楼。其大体积混凝土防裂技术的成功采用在重庆地区工程技术界颇有影响，为岩石地基上大体积混凝土防裂技术的典型案例。（详重庆建筑杂志1991年2期：重庆工商银行大厦工程基础工程施工）2、重庆世界贸易中心工程该工程建筑面积130385m2，65层，高262m(含5层地下室)，从0.000起并建筑高度246m(不含钢架高度20.1m)，裙楼16层（含地下室），主楼49层。顶层有层高19m的360度观景台，屋顶有1400m2的直升飞机停机坪。是集商场、休闲观光、商务、办公、会议为一体高档综合大楼。该工程位于重庆市商业中心之首解放碑地区，该工程于1996年开工建设，现已建成投入使用，为已建成的我国西部地区最高建筑。该工程挺拔向上，建筑外型充满时代精神，蕴含高科技新技术示范工程特征。在重庆市解放碑高层建筑群中、出类拔萃、鹤立鸡群，是新重庆建设发展的地标性建筑。该工程地基为泥岩，柱基础采用大直经（12003200）C30混凝土嵌岩桩，主楼筒体基础采用C40混凝土筏板（厚2.5m，为当时我国西南地区最厚混凝土筏板，混凝土量2000m3，是三长边与三短边构成的似三角形的六边形，筏底板与岩石地紧密结合，设计不同意设滑动层。地下室外墙与底板为C30混凝土结构并与固岩与基岩相邻）。主体结构为混凝土筒体一框架结构。主楼-5层12夹层15根框架柱下部为钢管混凝土结构（直经1500，壁厚25，混凝土抗压强度等级主要为C60，少量为C50），其他框架柱为混凝土结构。筒体为混凝土结构，壁厚最大为900，混凝土强度等级最高为C60。楼盖与屋盖均为混凝土结构设计未设置后浇带。主楼十二夹层，+62.7m标高处转换梁采用截面为1.5m4m，长度为130m的13跨超长特大连续钢筋混凝土深梁、混凝土强度等级为C50。筏基、筒体、转换梁、楼屋盖、柱等混凝土除要求强度、密实度达到设计与规范要求外，均有防止裂缝要求。因此防裂技术是本工程的重中之重的课题。加之施工时未找到成功案例参考，又是重庆地区首次正式采用C60混凝土，故又是需要探索与创新的难题。为解决高强混凝土的防裂技术难题，作为该工程的项目管理者与技术负责人，笔者经过大量的调查，深入的分析，认真的思索，简明扼要地提出了混凝土裂缝的机理与大体积混凝土防裂技术思路：一“减”、二“降”、三“改”、重在改“性”（减少约束、降低水化热、混凝土改性限制膨胀）及大体积混凝土防裂技术对策与措施（从设计、材料、施工等全面、全过程、全系统的技术对策与措施）。采用了UEA混凝土和UEA一杜拉纤维混凝土技术。转换梁采用迭合梁施工技术。这项防裂技术用于该工程实践，获得成功，达到了预期防裂效果。并在1998年11月15日由重庆市建委召开的重庆市VEA混凝土工程应用经验交流会上作了介绍。其详情请参阅笔者发表在1999年2月，重庆建筑大学学报第21卷第1期UEA混凝土在重庆世界贸易中心工程中的层用一文。3、重庆海关综合业务大楼重庆海关综合业务大楼位于重庆市渝北区冉家坝51号地块。该工程总建筑面积31473，建筑总高度50.32m，共11层（含地下一层）。为重庆市窗口建筑之一。该工程基础采用人工挖孔混凝桩，主体采用现浇混凝土框架剪力墙结构。楼盖与屋盖局部为预应力钢筋混凝土梁,其它为普通钢筋混凝土梁板结构。混凝土强度等级：桩为C20、C30。地下室底板C30。楼（屋）盖为C40、C35、C30。0.00以上平面呈反L形,主楼平面尺寸为95. 1m21m，配楼平面尺寸为51.3m28.7m,主配楼结合廊道平面尺寸为28.7m12.6m。地下室车库平面尺寸为118.7m88m。主楼楼（屋）盖原设计者宽1m，间距分别为16.4m，14.85m，23.35m，16.25m，13.65m的后浇带，以防楼（屋）盖发生早期裂缝。设计要求严格控制早期裂缝。为确保混凝土裂缝控制目标，笔者依据混凝土防裂理论，采用了以下防裂对策与措施：（1）除挖孔柱、独立柱为普通混凝土外，其他均采用掺有ZY高性能膨胀剂和高弹模聚乙稀醇纤维（PVA）的膨胀纤维混凝土。以改变混凝土的收缩性能。（2）将后浇带改为膨胀加强带，其膨胀剂的掺量由其他部分的68%提高到910%。（3）采用一次支模，跳仓连续浇筑法施工，预防止了裂缝出现又节省了后浇带理论所需的工期，同时确保后浇膨胀带的施工质量特别是观感质量。（4）请工程经验丰富的有较高科技水平的混凝土工程应用技术科学研究单位重庆市建筑科学研究院混凝土工程应用研究所作为混凝土技术支持单位，做好混凝土原材料选择、配合比设计、混凝土配制、运送、布料、振捣、养护等全过程各个环节的技术支持。严格控制混凝土工程施工质量。经过参建各方的共同努力，该工程已于2005年完成主体工程，并且达到了预期的防裂效果。混凝土强度符合设计要求。里实外光，后浇膨胀带与邻位连为一体，几