混凝土结构裂缝控制

1、混凝土结构非受力裂缝控制刘彦辉，宋本立，宋向茹（北京城建八建设发展有限公司，北京 100192）摘 要：通过混凝土收缩变形的计算，说明不同施工条件下混凝土的收缩变形存在很大差别，并说明混凝土的收缩裂缝是可以控制的。关键词：收缩变形；极限延伸率Non-mechanical crack control of concrete structureLIU Yanhui，SONG Benli，SONG Xiangru（Beijing Urban Construction Development Co.，eight Beijing，100192）Abstract：Through the calculati

2、on of concrete shrinkage deformation， it is illustrated that there is large difference among the shrinkage deformation of concrete under different construction conditions， and the shrinkage crack of concrete can be controlled.Keywords：Shrinkage deformation；Ultimate elongation ratio1 概述混凝土结构在未承受外部荷载的

3、条件下由于混凝土内部因素、施工因素与环境因素的作用产生的裂缝，称作非受力裂缝。混凝土是由多种材料混合并经过物理化学变化而形成的一种非均质的物体。由于组成混凝土的各种材料之间要求具有严格的比例，而其物理性能（例如线膨胀系数等）又存在一定差异，所以如果不能按照规范认真配制与施工，就会发生混凝土表面开裂的质量问题，也有可能发生混凝土强度不足造成重大事故。由于混凝土是建设工程中常用的最大宗的建筑材料，所以如何保证混凝土的产品质量应该引起足够的重视。混凝土的质量缺陷中最常见的是裂缝，本文就混凝土结构产生裂缝的原因与对策作一些分析。 作者简介：刘彦辉（1970-），男，工程师，副总工程师，主要从事混凝土搅

4、拌站与混凝土施工的技术管理。单位地址：北京市立水桥5号院3号楼（100192）通信地址：北京市海淀区复兴路81号6号楼3单元301由于组成混凝土的各种材料的物理性能不完全相同，即使混凝土的生产及施工过程完全符合规范要求，如果从微观角度观察，混凝土表面与内部仍然会产生不同程度的裂缝，只不过这些裂缝有的是肉眼可见的，有的是肉眼不可见的。按照裂缝的严重程度，可分为无害裂缝与有害裂缝两类。前者在规范上可以允许的，即不需要处理就可以验收的裂缝；后者在规范上是不允许的，必须在施工中努力避免并应在事后经过认真处理才能验收的裂缝。根据裂缝形成的条件不同，可以将混凝土裂缝分为收缩裂缝与温度裂缝两大类。前者是指由

5、于各种原因造成混凝土收缩而导致的裂缝，包括干燥收缩（又称作干缩）、塑性收缩、碳化收缩、化学减缩及自收缩等；后者是指由于混凝土内部与表面温差过大（指混凝土的表面温度低于其内部温度而产生的温差）造成混凝土的表面收缩（又称作冷缩）所导致的裂缝。可见从严格意义上来说混凝土的裂缝都是由于收缩造成的。混凝土的收缩又分为自由收缩与限制收缩两类。自由收缩是指混凝土块体假定不受任何约束条件影响（包括摩擦力）而产生的收缩，自由收缩条件下不会在混凝土内部产生拉应力，因而不会导致裂缝的产生；限制收缩是指混凝土块体在收缩过程中受到一定约束而产生的收缩，限制收缩条件下将会在混凝土内部产生拉应力，因而可能导致裂缝的产生。不

6、过真正意义上的自由收缩是不存在的，工程上的混凝土结构一般都会受到钢筋、模板、地基等条件的约束，因而都属于限制收缩。但限制收缩并不一定必然产生裂缝，只有在限制收缩条件下混凝土中引起的拉应力超过了混凝土的抗拉强度或者在混凝土中引起的拉应变（即限制收缩变形）超过了混凝土允许的拉伸变形（即极限延伸率），混凝土才会产生裂缝。一般说来，如果控制得好，混凝土的收缩变形完全可以做到不超过混凝土的极限延伸率，从而可以做到避免裂缝的产生。此外，对于大体积混凝土，由于混凝土内部与表面之间的温差较大，如果疏于管理与控制，就很容易产生温差裂缝，但只要措施得当（例如在混凝土中掺入膨胀剂配制成补偿收缩混凝土），同样可以做到

7、使混凝土的收缩变形与温差变形以及补偿收缩变形三者的代数和不超过混凝土允许的拉伸变形，也同样可以避免裂缝的产生。本文列举混凝土顶板、墙板等板类结构的裂缝进行计算举例讨论。因为板类结构在工程中是大量存在的，其中产生的裂缝也是比较常见的；同时由于这类结构的厚度较小，其内外温差也就很小，可以忽略不计，即可以单纯地从混凝土的收缩这一个方面进行讨论与分析，使问题能够得以简化。以下以顶板为例通过不同施工条件下混凝土的抗裂计算说明优化影响混凝土收缩变形的各项因素对降低混凝土收缩变形、避免产生裂缝的实际意义。2 已知条件选取结构单元为8500mm×8500mm×140mm顶板，结构配筋率为=

8、0.75%，混凝土强度等级为C30，计算龄期为=30d，混凝土配合比见表1。表1 混凝土设计配合比基准水灰比基准用水量（kg/m3）水泥基准用量（kg/m3）体积砂率粉煤灰代用率泵送剂掺量 （液体/固体）砂含石率胶凝材料浆体体积比例配合比（kg/m3）水泥水砂石粉煤灰泵送剂0.501753500.430.150.022/0.00770.100.302981708691012748.23 影响混凝土收缩变形的因素计算混凝土收缩变形的公式为S（）=3.24×10-4（1-e-b）×m1m2m11 式中b经验常数，养护条件较好时取0.01，养护条件较差时取0.03计算龄期（d）m

9、1、m2、m11考虑各种非标准状态下的修正系数，也即考虑影响混凝土收缩变形各项因素的修正系数，可根据表2表12取值。标准状态是指表中修正系数为1.00的情况。表2 水泥品种修正系数水泥品种修正系数（m1）矿渣水泥1.15快硬水泥1.12低热水泥1.10石灰矿渣水泥1.00普通水泥1.00火山灰水泥1.00抗硫酸盐水泥0.78钒土水泥0.52表3 水泥细度修正系数水泥细度（2/g）修正系数（m2）15000.9020000.9330001.0040001.1350001.3560001.6870002.0580002.42表4 集料品种修正系数集料品种修正系数（m3）砂岩1.90砾砂1.00无粗

10、集料1.00玄武岩1.00花岗岩1.00石灰岩1.00白云岩0.95石英岩0.80表5 水灰比修正系数混凝土品种水灰比修正系数（m4）普通混凝土0.200.650.300.850.401.000.501.210.601.420.701.620.801.80轻集料混凝土CL20-CL301.00表6 初期养护时间修正系数初期养护时间（d）修正系数（m5）初期养护时间（d）修正系数（m5）11.11140.9321.11200.9331.09280.9341.07400.9351.04600.9371.00900.93100.961800.93表7 相对湿度修正系数环境条件相对湿度（）修正系数（m

11、6）干燥条件251.25301.18401.10正常条件501.00潮湿条件600.88700.77800.70900.54表8 尺寸修正系数V/S（cm）修正系数（m7）2.001.202.501.003.750.955.000.9010.000.8515.000.65大体积混凝土0.40说明：V混凝土块体体积S混凝土块体表面积表9 粉煤灰取代水泥率修正系数粉煤灰取代水泥率（）修正系数（m8）01.0010-200.95表10 水泥浆量修正系数水泥浆量（）修正系数（m9）150.90201.00251.20301.45351.75402.10452.55503.03说明：水泥浆量指体积比。表

12、11 减水剂修正系数减水剂品种减水剂掺量（）修正系数（m10）萘系0.001.000.701.101.001.201.201.30说明：，减水剂掺量指有效成分。表12 配筋率修正系数配筋率（%）修正系数（m11）0.01.000.50.600.80.501.00.401.50.304 按规范操作与设计配合比考虑（条件1）的抗裂计算4.1 混凝土收缩变形计算（1）经验常数b取值按较好的养护条件考虑，b=0.01（2）计算龄期取值=30d（3）水泥品种修正系数m1取值本例使用普通水泥，根据表2取m1=1.00。（4）水泥细度修正系数m2取值本例水泥细度（比表面积，cm2/g。）按3500 cm2/

13、g考虑，根据表3取m2=1.065。（5）集料品种修正系数m3取值本例使用石灰岩质集料，根据表4取m3=1.00。（6）水灰比修正系数m4取值本例水灰比为0.50（见表1），根据表5取m4=1.21。（7）初期养护时间修正系数m5取值本例按潮湿养护时间21d考虑，根据表6取m5=0.93。（8）相对湿度修正系数m6取值本例按相对湿度为90%以上，根据表7取m6=0.54。（9）尺寸修正系数m7取值本例顶板混凝土体积：V=850×850×14=10115000cm3；顶板表面积S=850×850×2=1445000cm2；V/S=10115000/1445

14、000=7cm；根据表8取m7=0.88。（10）粉煤灰取代水泥率修正系数m8取值本例粉煤灰取代水泥率为15%（见表1），根据表9取m8=0.95。（11）水泥浆量修正系数m9取值本例胶凝材料浆体体积比例为30%（见表1），根据表10取m9=1.45。（12）减水剂修正系数m10取值本例减水剂（泵送剂）掺量（按固体有效成分为35%计）为0.77%（见表1），根据表11取m10=1.12。（13）配筋率修正系数m11取值本例配筋率为0.75%，根据表12取m11=0.52。（14）计算混凝土的限制收缩变形将b、与m1、m2、m11之值代入公式（1）得：S（）=3.24×10-4（1-e

15、-0.01×30）×1.00×1.065×1.00×1.21×0.93×0.54×0.88×0.95×1.45×1.12×0.52 =0.38×10-44.2 混凝土极限延伸率计算混凝土极限延伸率计算公式为：Sk=0.5Rf(1+/d) ×10-4×(1+0.5) （2）式中：Rf混凝土抗拉设计强度（MPa），对于C30混凝土Rf=1.43；结构配筋率（%），本例=1.50；d钢筋直径（cm），本例d=1.4。将上述数据代入公式（2）得Sk=0.

16、5×1.43×(1+1.5/1.4) ×10-4×(1+0.5)=2.22×10-4而任一龄期时混凝土的极限延伸率为：Sk（）=0.8（lg）2/3 Sk （3）将龄期=30d与Sk=2.22×10-4代入公式（3）得：Sk（）=0.8×（lg30）2/3 ×2.22×10-4=2.31×10-44.3 计算结论由于混凝土的限制收缩变形S（）=0.38×10-4，远远小于混凝土的极限延伸率Sk（）=2.31×10-4，故此种条件下混凝土不会产生开裂。5 按实际施工情况考虑（条

17、件2）的抗裂计算5.1 混凝土收缩变形计算（1）经验常数b取值按较差的养护条件考虑，b=0.03。（2）计算龄期取值=30d（3）m1、m2、m3、m7、m8、m10、m11取值分别与第四项第1中的第（3）、（4）、（5）、（9）、（10）、（12）、（13）相同。（4）水灰比修正系数m4取值由于施工时即使在搅拌站用水量的控制也存在一定偏差，更为重要的是混凝土运输车司机、混凝土泵车司机与混凝土施工人员都程度不同地存在向混凝土内加水的现象。以施工人员加水为例，加水后如果能将混凝土运输车的搅拌滚筒快速转动56min，则混凝土可以大致搅拌均匀；但实际上加水后一般祗搅拌12min，远不能将混凝土搅拌均

18、匀，这样就会造成局部混凝土用水量大为增加的现象。施工人员一次加水为80kg左右，这部分水大约搅拌于5.0m3的混凝土中，这样混凝土的单位用水量即增加80/5=16kg/m3，基准用水量达到175+16=191 kg/m3，而水泥的基准用量不变，仍为350kg/m3，基准水灰比就变为191/350=0.55，根据表5取m4=1.32。（5）初期养护时间修正系数m5取值实际施工中，混凝土的初期养护时间一般为35d，按4d考虑，根据表6取m5=1.07。（6）相对湿度修正系数m6取值实际施工中，混凝土所处环境的相对湿度一般为40%左右，根据表7取m6=1.10。（7）水泥浆量修正系数m9取值由于实际

19、施工中向混凝土内加水达到16kg/m3，使胶凝材料浆体体积比例增加为32.1%，根据表10取m9=1.58。（8）计算混凝土的限制收缩变形将b、与m1、m2、m11之值代入公式得：S（）=3.24×10-4（1-e-0.03×30）×1.00×1.065×1.00×1.32×1.07×1.10×0.88×0.95×1.58×1.12×0.52 =2.44×10-45.2 混凝土极限延伸率计算由于实际施工中向混凝土内加水，使水灰比由0.50增至0.55，根据

20、混凝土强度与水灰比成反比的规律，则混凝土的强度等级将由C30降至C25，混凝土的设计抗拉强度也由1.43MPa降至1.27MPa，因此根据公式（2）：Sk=0.5×1.27×(1+1.5/1.4) ×10-4×（1+0.5）=1.98×10-4根据公式：Sk（）=0.8×（lg30）2/3 ×1.98×10-4=2.06×10-45.3 计算结论由于混凝土的限制收缩变形S（）=2.44×10-4，大于混凝土的极限延伸率Sk（）=2.06×10-4，故此种条件下混凝土将产生开裂。 为便于

21、比较，将上述两种条件下影响混凝土收缩变形的各项因素与相应的修正系数以及计算结果列表如下（见表13），并将常数b也一并列入修正系数中。表13 影响因素与计算结果比较表影响因素比较序号影响因素修正系数代号修正系数条件1条件21养护条件b0.010.032水泥品种m11.001.003水泥细度m20.0651.0654集料品种m31.001.005水灰比m41.211.326初期养护时间m50.931.077相对湿度m60.541.108尺寸m70.880.889粉煤灰代用水泥率m80.950.9510水泥浆量m91.451.5811减水剂m101.121.1212配筋率m110.520.52计算结

22、果比较序号计算项目代号计算结果条件1条件21混凝土限制收缩变形（×10-4）S()0.382.442混凝土极限延伸率（×10-4）Sk()2.312.066 对策从上述计算可知，不同施工条件下混凝土的限制收缩变形相差很大，在条件1时混凝土的限制收缩变形为0.38×10-4，在条件2时为2.44×10-4，前者仅为后者的15%左右；而且仅为条件1时混凝土极限延伸率2.31×10-4的六分之一，远远没有达到开裂的程度。这说明祗要严格遵守规范，精心操作、精心施工，努力优化并控制影响混凝土收缩变形的各项因素，像顶板、墙板之类的板类构件的裂缝是完全可以避

23、免的。从上述计算可以大致总结出减少混凝土的收缩变形、避免产生裂缝的对策，以下从三个方面进行讨论。6.1 设计方面从公式（2）即Sk=0.5Rf(1+/d) ×10-4×（1+0.5）可以看出，钢筋直径d对混凝土的极限延伸率有较大影响，d愈大极限延伸率愈小，反之则愈大，因此建议设计方面在施工许可的条件下可以尽可能地将钢筋的直径取得小一些，使钢筋的间距变得密一些，这样便可以在不增加钢筋用量的条件下使混凝土的极限延伸率得以提高，也就是可以相应提高混凝土的抗裂性能。6.2 材料方面应在满足设计要求与施工要求的条件下在混凝土配合比设计中尽可能降低用水量以及胶凝材料用量，因为用水量与胶凝材料用量愈大，胶凝材料浆体的体积比例就愈大，从表10可以看出相应的修正系数m9也就愈大，混凝土的收缩变形也就愈大；此外，混凝土配合比一旦确定，就不允许任何人随意改变，例如绝对不能允许司机随意加水的现象发生。因为向混凝土内加水就是加大水灰比，从表5可以看出，水灰比愈大相应的修正系数m4也就愈大，混凝土的收缩变形也就愈大。同时搅拌站应加强管理，对混凝土运输车与泵车司机加强教育，严格禁止司机随意向混凝土内加水，以保证出厂混凝土的质量始终是合格的。6.3 施工方面由于规范规定，泵送混凝