钢筋混凝土结构裂纹控制

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　　摘 要：钢筋混凝土的裂缝控制问题是建筑工程中很重要的问题之一，建筑物裂纹的出现，轻则影响建筑物的美观，严重的影响整个建筑物的结构承载力，甚至有倒塌的危险，将直接关系人民的生命安全。本文是在大量建设实践和现场实验研究基础上，概述了变形作用引起裂缝的原因，约束变形特征，抗与放的设计准则以及综合技术措施等。
　　关键词：裂缝收缩松弛
　　
　　1.概述
　　裂缝出现的时间因不同的建筑物而异，有的出现早，有的出现晚，但多发生在新建构筑物的1~3年内，缝宽不等，严重者形成贯穿性裂缝。 由于结构在外荷载作用下的破坏和倒塌是从裂缝扩展开始的，因此人们对裂缝往往产生一种建筑破坏的恐惧感，是可以理解的。在正常配筋受弯构件的破坏状态是指受拉钢筋到达屈服强度，受压区混凝土到达受弯的抗压强度，此状态称为承载力极限状态。这一状态全过程是伴随着荷载的不断增加，裂缝出现。裂缝扩展，受压区塑性不断发展，最后达到完全破坏。裂缝的出现，并非与荷载作用有直接关系，通过大量的调查与实测研究证明裂缝是由于变形作用引起，包括温度变形，收缩变形及地基不均匀沉降(膨胀)变形。由于这些变形受到约束引起的应力超过混凝土的抗拉强度导致裂缝，统称“变形作用引起的裂缝”。
　　2.裂缝的直接原因
　　2.1 收缩及水化热增加 泵送商品混凝土工艺的出现，从过去的干硬性，低动性，现场搅拌混凝土转向集中搅拌，转向大流动性泵送浇注，水泥用量增加，水灰比增加，砂率增加，骨料粒径减小，用水量增加等导致收缩及水化热增加。
　　2.2 混凝土强度等级日趋提高
　　建筑结构混凝土强度等级日趋提高，但有许多结构不适当的 选择了过高的强度等级。习惯上认为：“强度等级越高安全度越大，就高不就低，提高强度等级没坏处”。有时迁就施工方便，采用高强混凝土，这是一种误导，导致水泥标号增加，水泥用量增加，水用量增加，细骨料及粗骨料粒径偏小，砂率偏大等都使水化热及收缩增加。
　　2.3 结构约束应力不断增大
　　结构规模日趋增大，结构形式日趋复杂，超长超厚及超静定结构成为经常采用结构形式并采用现浇施工，这种结构形式有显著约束作用，对于各种变形作用必然引起较大约束应力。
　　2.4 外加剂的负效应
　　外加剂及掺合料种类繁多，只有强度指标缺乏对水化热及收缩变形影响的考虑，有些试验资料并不严格，有许多外加剂严重的增加收缩变形，有的甚至降低耐久性。
　　2.5 忽略结构约束
　　忽略构造钢筋重要性，因而经常出现构造性裂缝。结构设计中经常忽略结构约束性质，不善于利用“抗与放”的设计原则，缺乏相应的设计施工规范、规程。
　　2.6 养护方法不当
　　目前在混凝土施工中采用的养护方法基本沿用过去简易的方法，这种方法已远不适应泵送混凝土的较大温度收缩变形的要求。
　　2.7 混凝土抗拉性能不足
　　这种裂缝在抗力方面都是由于混凝土抗拉性能不足(抗拉强度和极限拉伸)引起的，这方面的材料级配研究很少。
　　综合上述，泵送商品混凝土对混凝土的质量(均质性)有很大的提高，对供应方式有重要的改进，但是对混凝土的裂缝控制的难度大大增加了。
　　3. 钢筋混凝土承受变形应力的特点
　　3.1 “抗与放”设计准则
　　结构承受的约束作用分内约束和外约束两类。结构的变形如果是完全自由的变形达到最大值，则内应力为零，也就不可能产生任何裂缝。如果变形受到约束，在全约束状态下则应力达到最大值，而变形为零。在全约束与完全自由状态的中间过程，即为弹性约束状态，亦即自由变形分解成为约束变形和显现变形。实际变形越大，约束应力越小；实际变形越小，约束应力越大，这种约束状态与荷载作用下的结构受力状态(虎克定律)有着根本区别。
　　在约束状态下，结构首先要求有变形的余地，如结构能满足此要求，不再产生约束应力。如结构没有条件满足此要求，则必然产生约束应力，超过混凝土的抗拉强度，导致开裂。所以，提出了“抗与放” 的设计准则，应当在工程设计中，根据结构所处的具体条件加以灵活的应用。
　　3.2 约束内力与结构刚度的关系
　　外荷载作用下结构的内力只与荷载及结构几何尺寸有关，但在变形作用条件下，结构的约束内力不仅与变形作用及结构几何尺寸有关，尚与结构刚度有关，这是约束内力与荷载内力的重要区别。 当温差不断增加，钢筋混凝土构件进入极限状态时，裂缝充分发展，刚度下降并趋近于零时则力矩也趋近于零。所以，变形力矩不影响结构的极限状态，这一论断己为实验证实。但是裂缝影响使用(渗漏)及耐久性(钢筋锈蚀)。如果结构的承载力由抗剪、抗冲切作决定，变形作用引起的贯穿性裂缝可能降低承载力。
　　3.3 钢筋混凝土与素混凝土裂缝控制的区别
　　任何尚未荷载作用的混凝土，它的组合材料包括水泥、水、砂、 石、外加剂及掺合料等组成，相互的物理化学作用硬化成为一种多空隙复合材料，由于初始温度收缩应力作用而形成内部许多微观裂缝，这种裂缝在外力作用下不断扩展，成为宏观裂缝，继续扩展对素混凝土迅速导致破坏。
　　但是，对于钢筋混凝土，特别是有充分构造配筋的钢筋混凝土出现一定程度的裂缝，不会迅速导致破坏，只是限制裂缝宽度问题，使其不达到有害程度。因此，构造配筋显得十分重要，可以有效地控制裂缝的出现及分散裂缝(用许多微细无害裂缝取代少量粗大的有害裂缝)。
　　4. 混凝土的某些基本物理力学性质
　　4.1 混凝土的收缩及水化热
　　实际工程中，大部分结构构件均属薄壁结构，泵送混凝土浇注的构件收缩量很大，因此经常出现收缩裂缝。混凝土的收缩机理至今尚未统一，但大多数的研究成果认为混凝土是具有大量孔隙的材料。孔隙的半径颇不一致，半径较小的毛细孔，其中水份蒸发引起孔壁压力的变化，导致混凝土体积的缩小。混凝土内除了少部分水提供水泥水化的需要，其余大部分水分都要蒸发掉，收缩变形同时发生，最终收缩完成的时间大约20年，但其主要部分的收缩是在最早的1～2年内。由于近来水泥活性和强度等级的增加，收缩量显著增加，并且拖延时间较长。影响收缩的因素很多，如水泥品种采用矿渣水泥比普通硅酸盐水泥水化热低，但其收缩约大25％。遇到超厚的大底板或大块式基础，则水化热起控制作用，宜选用粉煤灰水泥或矿渣水泥，所以，应根据截面的厚度分别选用不同品种的水泥。 水灰比大，收缩将显著增加，同时抗拉强度降低。有时尽管水灰比不变，增加用水量，同时增加水泥量即水泥浆量，如水泥浆量为0.2比0.4时的收缩量增加约45％。减水剂可有效的降低水灰比及用水量，而粉煤灰具有圆珠润滑效应和火山灰效应，所以“双掺技术”对泵送混凝土既可提高和易性又可减少收缩。
　　养护条件对混凝土的收缩影响很大，养护14天的收缩比养护3天的收缩降低约20%。环境的相对湿度越高，收缩越小，许多结构所处的环境湿度波动很大，如最低30％～40％，最高达80％～90％。环境温度越高，风速越大，收缩越大，同时高空浇灌容易引起开裂。混凝土的配筋对于收缩值起一定的约束作用。 建筑市场出现了很多新型的外加剂和掺合料，质量保证主要靠强度试验的结果，几乎没有进行体积变形稳定性方面的试验，而许多材料都有增加收缩的特点，必须进行长时期准确的收缩试验，才能得到有利于控制裂缝的材料。
　　4.2 混凝土的抗拉强度及极限拉伸
　　泵送混凝土浇注后，其抗压强度和抗拉强度都随着时间而增长，但增长的速率，抗拉滞后于抗压，水泥标号的提高及水泥用量的增加， 对抗压强度增长较为显著，而对抗拉强度增长较小。
　　通过双掺发现，混凝土随着荷载速率及养护条件的变化，其极限拉伸和抗拉强度波动很大，在极慢速条件下，其极限拉伸值在提高，显然这里包含了徐变变形，这对温度收缩应力是很有利的。 值得注意的是，混凝土中的较大含泥量及其它杂质能明显地降低混凝土的抗拉性能，有的混凝土骨料中混入了有害膨胀物引起混凝土的崩裂。合理的配筋，可以提高混凝土的极限拉伸。
　　5. 设计过程中裂缝的主动控制原则与施工措施
　　钢筋混凝土结构的裂缝是不可避免的，为控制裂缝的产生，在建筑物的平面设计中应力求规则对称，如平面形状不对称，采用“伸缩缝”将其分成若干独立规则单元，以避免由于温度变化产生竖向开裂。裂缝控制的主要方法是通过设计、施工、材料等方面综合技术措施将裂缝控制在无害范围内。综合技术措施包括：合理选择结构形式，降低结构约束程度，对与水平构件梁、板、墙等采用中低强度级混凝土，加强构造配筋，优选有利于抗拉性能的混凝土级配，减小水灰比、减少坍落度、降低砂率增加骨料粒径，降低含泥量及杂质含量。选用影响收缩和水化热较小的外加剂和掺合料。采取保温保湿的养护技术，尽量利用混凝土后期强度。对于超长结构可采取跳仓浇灌或后浇带方法施工。对于复杂结构采用近代化学灌浆技术处理，满足设计使用和耐久性要求。

　　1.注浆技术的定义和分类
　　注浆技术是将具有充填胶结性能的材料配成浆液,利用注浆设备将其注入到地层的裂隙、孔隙或孔洞中,待浆液凝结、硬化后达到填充、加固或堵水的目的。注浆技术实用性强、应用范围广,是地下工程施工中的重要辅助施工技术,主要应用于水利堤坝、矿山巷道、竖井、隧道、地铁等工程开挖时的防渗堵漏和加固 。
　　2.注浆材料
　　随着世界各国地下工程建设的高速发展,注浆材料得到了越来越广泛的开发和利用。它大致可以分为普通注浆浆液材料、化学注浆浆液材料和绿色注浆浆液材料三大类。
　　2. 1普通注浆浆液材料
　　普通注浆浆液材料最常用的是水泥类注浆材料。这种浆液来源广泛、施工工艺简单,但稳定性差,易沉淀析水, 在地下水流速较大的情况下施工时,浆液易受水的冲刷和稀释, 抗水溶蚀性和抗水分散性差。为了提高浆液的稳定性,一般是向水泥浆液中加入0.2%―5%的膨润土和相应的外加剂。它的缺点是随着膨润土掺量的增加,浆液结石体早期强度显著下降,甚至几天不凝,这使浆液在灌入地层后易被地下水冲蚀,降低灌浆效果。水泥注浆材料自1838年英国汤姆逊隧道开始应用,人们在实践中发现普通水泥粒径较大,渗透能力有限, 一般只能深入大于0.1mm的裂隙和空隙,而对于微细裂隙注浆加固效果较差。
　　2. 2化学注浆浆液材料
　　一是水玻璃类化学注浆材料:水玻璃注浆材料主要采用水玻璃和固化剂, 使其发生化学反应,生成大量的硅凝胶从而凝结硬化,具有凝结时间可调、强度可控等优点; 但其结石体抗压强度较低,耐久性能及抗水溶蚀性能差。
　　二是有机高分子化学注浆材料:包括丙烯酰胺类浆材、环氧树脂类浆材和聚氨酯浆材等。一般当砂土颗粒粒径≤0.5mm 或岩石裂隙开口≤0.2mm,地下水流速大于500mm /min 时, 采用有机高分子化学注浆材料可以解决普通水泥浆液无法解决的工程问题。这种材料具有黏度低、渗透能力及可注性强、能注入土层或岩石中的细小裂隙或孔隙、固结性能好、凝结强度和凝结时间的可控性好等优点;其缺点是结实体强度较低,耐久性较差,对周围环境和地下水源有污染。由于化学注浆材料价格高、配方复杂,而且大多数化学注浆材料都有毒, 因而其发展受到限制,尤其1974年日本上岗县发生注浆污染事故后,日本、美国相继禁止了有毒浆材的使用 。
　　三是复合化学注浆材料: 近年来出现的水泥―水玻璃双液注浆材料不仅具有水泥浆的全部优点,而且兼有水玻璃浆液的一些特点,凝固时间可以从几秒到几十分钟内调节,结石体抗压强度较高,凝结后结石率可达到100%,可注性比水泥浆高,是目前研究和应用较多的注浆材料。但水泥―水玻璃双液注浆材料消耗水泥量大,又非绿色材料,不适合时代的可持续发展要求,且水泥―水玻璃双液注浆材料的最终固结强度低,耐久性能差 。
　　2. 3绿色注浆浆液材料
　　当前地下工程建设突出存在注浆材料用浆量大、成本高、对水泥原材料消耗过度,环境污染严重等问题,无法形成材料生产与环境相协调的产业化格局。在我国,粉煤灰、矿渣、钢渣等工业废渣的拥有量很高,但利用率却非常低,其有效使用率还不到10% ,而且它们对环境造成了极大的污染。试验表明工业废渣能被碱激发,其固体颗粒较普通水泥颗粒小,且颗粒级配分布也更合理, 因此可以作为双液注浆原材料。
　　采用水玻璃激发粉煤灰、矿渣、钢渣等工业废渣制备注浆材料,不仅有利于大量工业废渣变废为宝,减少环境污染,降低注浆材料成本,而且该注浆材料的综合性能优异,这为实现注浆材料节能环保和高性能化提供了一种选择。在我国有效利用大宗工业废渣研制高性能、绿色注浆材料,无疑是与时代可持续发展相协调的新型注浆材料研究方向。
　　3.注浆方法
　　为改善实际工程的注浆效果,除研制合适的注浆材料以外,注浆方法也逐渐被人们所重视。
　　3. 1高压喷射注浆法
　　高压喷射注浆法始于20 世纪60 年代后期,在我国已经有了广泛的应用,并且制定了相应的施工设计规范。在高速公路软弱地基加固、水利工程防渗、矿山井巷加固与防渗等方面得到了越来越多的应用。在一些大城市,随着地铁建设和高层建筑的崛起,不少深基坑工程亦都采用了高压喷射注浆技术来进行深基坑的止水防渗 。
　　高压喷射注浆法是利用高压射流切割原理,通过带有喷嘴的注浆管在土层的预定深度以高压设备使浆液或水成为20MPa左右或更高的高压射流从喷嘴中喷射出来,冲击切割土体,当喷射流的动压超过土体结构强度时,土粒便从土体中剥离。一部分细小的颗粒随浆液冒出地面,其余土粒在喷射流的冲击力、离心力和重力的作用下,与浆液搅拌混合,并按一定的浆土比例和质量大小有规律的重新排列,浆液凝固后,便在土中形成一个固结体 。
　　对于高压旋喷喷射流,破坏土体结构强度的最主要因素是喷射动压。根据动量定律,在空气中喷射时的破坏力为:
　　 P =ρQum =ρAu2m
　　式中: P―破坏力(N)；ρ―密度( kg/m3)；Q―流量(m3 / s) ,Q =umA；um ―喷射流的平均速度(m / s) 。
　　3. 2静压注浆法
　　静压注浆又称劈裂灌浆。在软土地基中进行静压注浆施工,是利用劈裂作用机理,即用压力注入比重较大的水泥浆或水泥砂浆,在压力传递作用下,灌入的浆液沿地基应力场中的最小主应力面或弱应力分布区劈裂、延伸,所形成的浆脉状或不规则形状的凝结体, 对周围土体产生挤压和密实作用,使土体的孔隙减小,压缩模量增加。浆液凝结体在土体中起到骨架作用,从而达到提高地基承载力, 减少沉降变形的目的。
　　静压注浆既可用于地基加固工程,又可用于基坑止水帷幕工程。施工时容易产生地面冒浆、串浆等现象,不易保证注浆加固效果,为了克服这一缺点,设计时采用静压振冲注浆方案。振冲注浆是利用振动钻机造孔, 并直接利用钻杆注浆,由于振动造孔时地基原状土的扰动较小,钻杆和土层间相互挤压、抱紧,注浆施工时可以保证在一定压力下所注浆液不会顺钻杆窜出地面,并可根据土层的特点,进行下行或上行分层注浆,使浆液均匀扩散,提高加固效果 。
　　3. 3复合注浆法
　　复合注浆法是将静压注浆法和高压旋喷注浆法进行时序结合,发挥两种注浆技术优势的一种新型注浆技术。实际工程中先采用高压旋喷注浆成桩柱体,再采用静压注浆增强旋喷效果,扩散加固浆液,防止固结收缩,消除注浆盲区。将复合注浆方法应用在桩基础加固中,能充分发挥静压注浆法和高压旋喷注浆法的优点, 克服其缺点。复合注浆法适用地层范围广,它既可用于砂卵石层,又可用于粘土、粉土和粉细砂层及淤泥层,同时可用于处理岩溶土洞。而且复合注浆法可操作性强,施工简便,施工噪音小,注浆材料对环境无污染,加固效果好。
　　4.注浆效果的监控及检测
　　随着科学技术的进步,电子仪器及相应的技术已被注浆界所采用,日、英、法、美等国的注浆施工监控都已达到了自动化程度。任一注浆阶段的注浆压力、流量、浆液成分及所注浆液的发展情况都可以及时获得,以用于指导注浆全过程,并具有统计、分析及说明注浆结果所需的全部资料。
　　注浆效果的检测是注浆技术中的一个重要环节。例如以堵水为目的的注浆,应检测注浆前后土体渗透性的变化,并进行比较和判定,如注水试验、漏水试验及潜望镜、孔内摄影等;以加固为目的的注浆,则可通过测定注浆前后受注土层的强度变化来判断注浆效果等。
　　注浆效果检查评定技术是对注浆施工好坏的有效评价, 在实际注浆施工中,一定要根据注浆要求高低、现场条件和注浆目的等综合选择合理的注浆评定方法和技术评判标准。
　　5.结语
　　随着工程技术的不断进步,各个学科领域的相互渗透,新的注浆理论、新的施工工艺、新的注浆材料、新的注浆设备及新的注浆效果检测手段将不断地被开发和研制出来。注浆技术将获得强大的生命力,注浆理论将进一步完善,注浆技术也必将得以更广泛地应用和更高速地发展。
　　

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