钢筋混凝土结构裂缝控制的综合方法

    现代工程建设的规模日趋宏大，结构形式日趋复杂，施工工艺发生了巨大的变化，人们对建筑质量的要求日趋严格，在这种建筑形势下工程结构的裂缝问题变得日趋突出。现代工程建设的规模日趋宏大，结构形式日趋复杂，施工工艺发生了巨大的变化，人们对建筑质量的要求日趋严格，在这种建筑形势下工程结构的裂缝问题变得日趋突出。

    结构物的裂缝是具有相当普遍性的技术难题，对于混凝土结构、钢筋混凝土结构、砖石结构、砖混结构、钢结构等具有同等重要性。早自三十年代起，许多专家学者应用断裂力学理论解决与处理工程问题，自五十年代以后又有专家学者试用物理力学方法从分子结构的微观作用来探索宏观结构材料强度问题。在混凝土、钢筋混凝土结构以及砖石结构方面仍然采用建筑力学的方法（材料力学、结构力学、弹性力学）即假定材料是均质、弹性、各向同性等。计算中材料的本构关系是采用试验室的实验结果，因此这发球半经验半理论的方法。断裂力学在较为均质的结构材料领域作出了巨大的贡献

    在钢筋混凝土结构及砖石结构领域应用何种方法进行具有成效的研究，还是一个值得深入探讨的问题，根据本文作者多年从事工程裂缝处理的实际经验：

    工程裂缝问题是具有高度综合性质的复杂问题，它涉及到结构形式，材料及其组合，施工工艺，地基基础以及周围环境（温度、湿度、风速、化学腐蚀等），而且所有这些参数都与时间有关

    1． 大体积混凝土的定义

    任意体量的混凝土，其尺寸的大小足以使人们必须采取措施控制由于变形作用（温度、湿度等）引起裂缝的混凝土结构称为大体积混凝土。作者认为过去以厚度为单一的依据已显不足，虽然厚度只有数厘米的薄壁结构，水化热已没有意义，但收缩裂缝已显得十分突出，因此，此处“大体积”是一考虑温度收缩裂缝的代名词，这样的定义与ACI——116R国际定义接机。

    2． 结构因素

    工程结构的设计应对结构的约束作用有充分的了解。结构物的变形有三种：自由变形、约束变形和实际变形，其中只有约束变形产生约束应力。约束变形（约束应力）超过建筑材料的极限拉伸（抗拉强度），便引起裂缝。

    变形作用引起的作用力有最大值，设计者可以采取“抗与敌”或“抗放兼施”进行结构形式的设计。如何根据结构具体条件选用上述哪一种合适的方法和理论的良好结合，留伸缩缝与不留神伸缩的方法都对放为主或抗为主的方法。

    结构所受到的外部作用分为：外荷载（静动荷载）是第一类荷载；其次是十分重要的外部作用是变形作用即第二类“荷载”，变形作用包括温度、湿度、地基差异沉降（膨胀）。对变形作用的研究还很不够。

    作结构裂缝分析，首先应当注意第一类荷载引起的裂缝的可能，特别值得注意的是那些自重荷载超过设计承载力约30%的结构拆模后发现0.1mm左右的裂缝是正常的结构受力状态。当结构的极限承载力取决于抗拉、搞剪和稳定条件时变形作用引起的裂缝对结构的极限承载力的影响是不允许忽视的，常说“温度收缩裂缝没关系”是不全面的，有时误事。

    从工程经验中知道混凝土大底板对墙的约束系数Cx比地基对混凝土底板的约束系数约大100倍，故地基上混凝土底板的裂缝率极低，而长墙的裂缝率极高，在国际上也尚未解决，因此在我国受混凝土基础约束长墙出现轻微的竖向裂缝是可以谅解的，经略加处理仍然满足设计施工要求，不宜据此降低评级标准。

    设计时注意构造配筋十分重要，目前国内设计对此都不够重视，对结构抗裂影响很大，对连续式梁板不宜采用分离式配筋，孔洞处配加强，对混凝土腰部增配构造钢筋，构造钢筋的直径由8mm~14mm，间距100mm~200mm，视情况而定。

    对于混凝土的强度等级，尽量在水平结构中，如梁、板、墙等，用低档强度C25~C35，利用后期强度R60。

    3． 材料因素

    在混凝土强度等级既定条件下，搅拌站根据混凝土级配国家行业标准及当地的条件进行优选，尽可能降低水泥用量，降低水灰比，降低含砂率，增加细度模数及粗骨料粒径，在混凝土中适当掺量的究煤灰对降水化热，提高和易性降低碱骨料反应等都有好处。应开展各种材料及级配，收缩性能的实验时间不应低于一年。对于砼的出罐坍落度及现场坍度应进行严格的试验和施工时的控制不宜产生坍落度越大越方便的误导。宜开展除抗压强度试验外的抗拉强度进行试验研究，以有利于选择抗裂性较高的混凝土级配。严格对外加剂的称量进行经常性的检验，预防失常。对水泥及骨料的化学分析应进行复核。

    4． 施工因素

    施工单位应在混凝土浇注前作详细的混凝土浇灌施工组织设计，并协调搅拌站、监理、设计及甲方管理部门组成混凝土浇灌领导小组，对混凝土的浇灌、振捣、养护及坍落度控制作出技术方案，并严格执行，特别是对坍落度的控制必须严格且得到搅拌站的同意，保温保湿养护时间应当不低于半个月，重大工程就不低于一个月，注意后浇带的施工经常出现两个问题：一、后浇带构造不良，清理垃圾困难。二、后浇带填充封闭过早，起不到后浇带作用，从而变成后期裂缝的泉源。混凝土浇注过程宜有取信息化施工，利用必要的监测手段跟踪测试，控制养护条件。

    5． 环境因素

    从过去混凝土施工的教训看来混凝土的浇灌过程中环境的气象条件十分重要，包括气温、寒潮情况相对湿度、风速状态、降雨等。为宜在雨中浇灌混凝土，它严重地增加水灰比，降低抗裂性，火势与寒潮都会直接增加温度收缩力，因此施工前必须与气象站保持紧密的联系。

    6． 裂缝控制标准

    国际上各国规范虽有不同，但大致上差别不大，由于混凝土泵送工艺的发展，大量超静定结构的应用，肯定了大体积混凝土裂缝的不可避免性，对裂缝的允许宽度有逐渐放宽的趋势例如过去地下防水工程允许裂缝宽度0.1mm,近年来已被放宽至0.2mm。正常环境条件下0.3~0.4mm，对于预应力钢筋混凝土则分为三有控制：1。不允许出现拉奕力；2。拉而不裂（常用）；3：裂而不宽（小于0.2mm），但是由于预应力钢筋混凝土迅速发展到大截面超静定结构中，混凝土强度等级很高，如不注意大体积混凝土的特点，张拉前可能出超过允许宽度大量裂缝，张拉后也不能闭合（预应力很不均匀），是值得在预应力技术发展与应用中注意的重大难题。钢筋混凝土的裂缝与环境中潮湿状态、氧离子、氯离子、酸性气体等作用，当裂缝宽度（紧贴钢筋表面）在0.25~0.3mm以上时，钢筋发生锈蚀，根据氧化铁的成分不同，其体积增加倍，导致混凝土剥落，特别昌顺钢筋的纵向裂缝危害很大，必须凿除补强。

    裂缝包括早期裂缝（约30天以内）、中期裂缝（约6个月以内）和后期裂缝（1年至数10年）。有些结构承受反复温差及荷载作用造成裂缝累计损伤，形成后期裂缝的增加与扩展。

    以上，简要提供了控制裂缝的综合方法，但在分析结构裂缝叶还应根据具体时空条件及约束状态找出引起裂缝的主、次原因，进而确定合理的加固方案。

    7． 后浇带的优缺点

    在大体积砼施工中，“后浇带”属一种临时性温度伸缩缝措施，是控制裂缝产生办法之一，在上海地区也被用来解决地基的差异沉降问题，这些永久性伸缩缝前进了一大步。但“后浇带”一般都贯能整个结构，不仅影响到结构的整体性及整体风度，也给施工中的清理凿毛、焊接和支撑都带来一定困难，还延长了工期，在搭楼封顶前，地下室处于漏水状态，且在换撑时底板由于后浇带而降低了水平侧移刚度，可能引起较大位移，所以设计及施工单位都想法取消“后浇带”为此，根据地下室箱基与大底板共同作用的整体刚度接近刚性基础，具有抵抗主裙的一定程度差异沉降的能力的实际善提出可用桩基把主裙楼的差异沉降高速到30mm以内，并结合以往大体积砼的施工经验，经周密的理论分析，在设计与施工单位配合下，在宝钢多项工程及新上海国际大厦、东海商业中心、金融广场、浦贸大厦、世界金融大厦（底板厚3.3mm，裙房边缘距塔楼最远达46.67m）等许多工程中采取严密技术和组织措施。做到了一次性连续浇灌，取消了"后浇带"，这是目前高层次建设基础工程的一项新进展。

    8． 从材料的角度看控制裂缝的发展方向

    大家知道，现代建设材料的发展趋势是“提高强度”，创造高强钢筋和高强混凝土。发展的目的是节约材料和减轻自重。在某些特殊领域，如预应力跨度结构，其应用是很有价值的，在超高层建筑中可减小截面，减轻自重。

    但是，一般建筑结构中，从结构的裂缝控制观点看来，高强的建筑材料优越必得不到充分发挥，在设计强度的30%以内。材料已经开裂，而且高强材料往往伴随着脆性。有些工 程，其结构强度还远未发挥出来的时候，即因为开裂而进行加固补强。提高混凝土的抗压强度对抗拉强度约为抗压强度的十分之一，（Rf=0.1R，C60时Rf =0.5R）。所以建筑材料如能向提高"韧性"的方向发展，将会有更大的国民经济意义。国内外50年代发展起来的钢丝网水泥就是一例。钢丝网水泥也是一种钢筋混凝土。它由粒每期05.~1.5mm的细骨料和水泥组成混凝土，用直径1mm的细钢丝分散配筋，组成一新的复合材料，具备了一系列普通混凝土所不能具备的特性：高弹性，良好的抗裂稳定性，具有相当高的抗拉能力，相应的较高强度和适应薄壁结构等，在各种轻型大跨度层盖结构、大型容器中小造船工程的应用中进展很大。

    值得注意的是，这样配筋的砂浆混凝土结构在弯曲与轴拉作用下，第一批裂缝的出现不仅与水泥材料活性及用量有关，而且与配筋率有显著的关系。相同配筋率条件下，增加钢筋与砂浆接触面积可提高钢丝网水泥的抗拉强度。钢丝网水泥极限抗拉强度达80MPa以上。细钢丝与砂浆的结构可以使它的极限拉伸接近钢丝的极限拉伸。

    其出现裂缝的拉应力为3.1~3.2MPa,极限拉伸为5~6×10-4，构件完全断裂的相对变形ε=15~18×10-4，这些都远远超过了普通钢混凝土的抗裂性能。所以这种结构具有很高的抗渗能力（可抵抗10个以上水压头）。

    为改善混凝土脆性，提高其韧性，从60年代开始，对纤维混凝土进行了大量的研究。有的国家1972年获得专利权，最近几年，我国也开始了这方面的研究，并在高速公路路面、桥面板、特构中获得初步应用，纤维种类很多，如塑料、玻璃、钢丝等。用走私为0.005～0.015mm的玻璃丝，0.15～0.75mm的尼龙丝、钢丝等，纤维长0.1～7.62cn分散地掺在混凝土中，组成一种新的复合材料。它可以提高抗拉强度1～3倍，抗弯～5倍，提高冲击韧性10余倍。其机现是缓和混凝土内部应力集中，提高了抗裂能力。

    以体积配筋率为1.5%的钢纤维混凝土为例，与普通混凝土比较，早期抗弯强度提高1.5～2倍，抗拉抗弯强度南昌市1.5～1.8倍，极限拉伸（即开开裂强度）可达4.6MPa。延伸率提高2倍左右，抗压强度提高1.3倍，抗剪强度提高1.5～2倍。此外钢纤维混凝土的韧性是普通混凝土的40～200倍，耐冲击性能约为普通混凝土的5～10倍。

    复合材料的变形性能包括拉伸、压缩、剪切、扭转、弯曲、转角等。近年来纤维增强的耐热材料获得进展。这些新成就展现了钢筋混凝土朝着提高韧性方面研究的广阔前景。

    一项新技术的发展不可缺少的条件是经济效益，在大量应用中必须考虑这一因素。钢纤维混凝土在力学性能方面具备很大优点，但一般来说，其造价比较昂贵，目前只在特殊工程中获得应用。

    近年来国外关于微膨胀混凝土的研究与应用有新的发展，特别是用在一些中小型工程上效果比较显著。其主要的问题是膨胀稳定性，有些材料不易达到控制微膨胀的施工要求；有些材料早期膨胀，后期收缩；有些则徐弯太大，应力松驰颇多，预膨胀压应力。其最终结构达不到长期收缩的补偿目的。关于这类材料的稳定性方面的改善问题还要做许多工作，特别注意早期微膨胀产生的预应力被早期徐变松驰的缺陷。新材料的开发固然是很重要的一方面，但正如本书的基本观点，控制裂缝是必然综合结构、施工、材料、地基基础、环境诸多因素的综合技术。应特别重视材料试验条件与实际结构状况的差异。