建筑工程師評(píng)職論文淺析混凝土裂縫產(chǎn)生原因

　　城市建設(shè)高速發(fā)展今天，高層建筑工程不斷的涌現(xiàn)在各大中城市中。筏板基礎(chǔ)的應(yīng)用越來越廣泛，但筏板基礎(chǔ)混凝土體積大，混凝土在澆筑和硬化過程中釋放的水化熱會(huì)產(chǎn)生較大的溫度應(yīng)力和收縮應(yīng)力，導(dǎo)致混凝土出現(xiàn)裂縫，不僅有損外觀形象，還會(huì)造成鋼筋外露、腐蝕并減小建筑結(jié)構(gòu)抵抗荷載的能力，降低建筑結(jié)構(gòu)的整體性和剛度，成為結(jié)構(gòu)的隱患。

　　一 筏板基礎(chǔ)混凝土溫度裂縫機(jī)理分析

　　(一)水泥水化放熱產(chǎn)生的溫度收縮

　　水泥水化放熱是筏板基礎(chǔ)大體積混凝土產(chǎn)生裂縫的主要原因。水泥水化時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量的熱量，而大體積混凝土結(jié)構(gòu)物的斷面一般較厚，熱量聚集在結(jié)構(gòu)物內(nèi)部不易散熱，混凝土?xí)蚴軣岫a(chǎn)生較大的體積膨脹。在此后的降溫階段，混凝土體積會(huì)因自身溫度不斷降低而逐漸收縮。此時(shí)，筏板受到地基或其他結(jié)構(gòu)物件的約束，這樣就會(huì)在混凝土筏板內(nèi)部產(chǎn)生很大的溫度收縮應(yīng)力。一旦混凝土筏板中的溫度收縮應(yīng)力超過了混凝土當(dāng)時(shí)齡期的拉應(yīng)力強(qiáng)度，就會(huì)在混凝土中產(chǎn)生貫串整個(gè)截面的裂縫，使結(jié)構(gòu)的抗?jié)B性、整體性、耐久性等性能嚴(yán)重降低，帶來嚴(yán)重后果。另外，筏板基礎(chǔ)混凝土還會(huì)因?yàn)閮?nèi)部散熱慢而溫度較高，表面部分散熱快而溫度低，使混凝土內(nèi)部與表面之間收縮值相差過大，產(chǎn)生過大的表面拉應(yīng)力，從而使混凝土表面產(chǎn)生裂縫。

　　(二)外界氣溫變化的影響

　　(1)溫度

　　大體積混凝土施工階段所產(chǎn)生的溫度裂縫,是其內(nèi)部矛盾發(fā)展的結(jié)果。一方面是混凝土由于內(nèi)外溫差而產(chǎn)生應(yīng)力與應(yīng)變,另一方面是混凝土本身的強(qiáng)度和抵抗變形的能力。混凝土內(nèi)部溫度變化產(chǎn)生變形受到混凝土內(nèi)部和外部的約束后,將產(chǎn)生很大應(yīng)力。當(dāng)這種應(yīng)力超過了混凝土可以承受的抗拉強(qiáng)度時(shí),就會(huì)產(chǎn)生裂縫。 外界氣溫愈高，混凝土的澆注溫度也愈高，而外界溫度下降，又增加了混凝土的降溫幅度，特別是氣溫驟降，會(huì)大大增加外層混凝土與內(nèi)部混凝土的溫度梯度，這對(duì)筏板基礎(chǔ)大體積混凝土是極為不利的。

　　混凝土內(nèi)部的溫度是水化熱的絕熱溫度，澆注溫度和結(jié)構(gòu)物的散熱降溫導(dǎo)致各種溫度的疊加，而溫度應(yīng)力則是由溫差所引起的溫度變形造成的。溫差越大，溫度應(yīng)力也越大。同時(shí)，在高溫條件下，大體積混凝土不易散熱，在這種情況下，研究合理的溫度控制措施，防止混凝土內(nèi)外溫差引起的溫度應(yīng)力，就顯得更為重要。

　　水泥水化過程是大體積混凝土中的主要溫度因素?；炷猎谟步Y(jié)過程中,由于水泥的水化作用,在初始幾天產(chǎn)生大量的水化熱,混凝土溫度升高。而大體積混凝土結(jié)構(gòu)一般較厚,導(dǎo)熱不良,相對(duì)散熱小,所以大量的熱量聚集在結(jié)構(gòu)內(nèi)部。當(dāng)溫度梯度大到一定程度時(shí),表面拉應(yīng)力超過混凝土的極限抗拉強(qiáng)度時(shí),混凝土表面產(chǎn)生裂縫。在升溫階段,混凝土未充分硬化,彈性模量小,因此拉應(yīng)力較小,只引起混凝土表面裂縫。

　　(三)施工工藝因素

　　在混凝土結(jié)構(gòu)澆筑、構(gòu)件制作、起模、運(yùn)輸、堆放、拼裝及吊裝的過程中,若施工工藝不合理、施工質(zhì)量低劣,容易產(chǎn)生縱向的、橫向的、豎向的、斜向的、水平的、表面的、貫穿的等各種裂縫,特別是細(xì)長薄壁結(jié)構(gòu)更容易出現(xiàn)。裂縫出現(xiàn)的部位與走向、裂縫寬度因產(chǎn)生的原因而異,通常有:

　　(1)振搗方式不當(dāng)引起裂縫

　　不正確的振搗方式會(huì)造成混凝土分層離析、表面浮漿而使混凝土面層開裂,或造成混凝土砂漿大量向低處流淌致使混凝土產(chǎn)生不均勻沉降收縮而在結(jié)構(gòu)厚薄交界處出現(xiàn)裂縫。

　　商品混凝土由于采用攪拌車運(yùn)輸、泵送澆筑,混凝土坍落度比較大,凝結(jié)時(shí)間比較長,一般混凝土初凝時(shí)間都在10h以上甚至更長,即使在炎熱的夏天,在摻了高效緩凝減水劑后,澆搗好的混凝土表面被太陽暴曬,水分蒸發(fā)很快,形成一層幾毫米厚的“被子”,看上去混凝土似乎已凝結(jié),實(shí)際內(nèi)部還遠(yuǎn)未達(dá)到初凝,甚至還能流動(dòng)。曾多次用貫入阻力儀測(cè)定摻了高效緩凝減水劑的混凝土砂漿在太陽直曬之下的凝結(jié)時(shí)間,結(jié)果初凝時(shí)間都在12～16h。這樣的混凝土若不進(jìn)行二次振搗和多次抹面,混凝土表面不可避免會(huì)出現(xiàn)裂縫。

　　(2)養(yǎng)護(hù)不當(dāng)引起混凝土開裂

　　現(xiàn)場養(yǎng)護(hù)不當(dāng)是造成混凝土收縮開裂最主要的原因?；炷翝仓?若表面不及時(shí)覆蓋進(jìn)行潮濕養(yǎng)護(hù),表面水分迅速蒸發(fā),很容易產(chǎn)生收縮裂縫、特別是在氣溫高、相對(duì)濕度低、風(fēng)速大的情況下,干縮更容易發(fā)生。有資料表明,當(dāng)風(fēng)速為16m/s時(shí),混凝土中的水分蒸發(fā)速度是無風(fēng)時(shí)的四倍。

　　對(duì)于高性能混凝土,由于水灰比小,膠凝材料用量大,混凝土密實(shí)性好,泌水少,若保養(yǎng)不好,干縮情況更為嚴(yán)重。對(duì)于保濕養(yǎng)護(hù)的時(shí)間,肯定是越長越好[2]。養(yǎng)護(hù)14天的混凝士的收縮比只養(yǎng)護(hù)3天的收縮降低約20%。但由于工程工期的制約,絕大多數(shù)施工人員做不到,所以混凝土出現(xiàn)干縮裂縫就在所難免了。

　　2 外界環(huán)境因素

　　(1)鋼筋銹蝕因素

　　由于混凝土質(zhì)量較差或保護(hù)層厚度不足,混凝土保護(hù)層受二氧化碳侵蝕炭化至鋼筋表面,使鋼筋周圍混凝土堿度降低,或由于氯化物介入,鋼筋周圍氯離子含量較高,均可引起鋼筋表面氧化膜破壞,鋼筋中鐵離子與侵入到混凝土中的氧氣和水分發(fā)生銹蝕反應(yīng),其銹蝕物氫氧化鐵體積比原來增長了約2～4倍[3],從而對(duì)周圍混凝土產(chǎn)生膨脹應(yīng)力,導(dǎo)致保護(hù)層混凝土開裂、剝離,沿鋼筋縱向產(chǎn)生裂縫,并有銹跡滲到混凝土表面

　　(2) 材料質(zhì)量因素

　　混凝土是指由水泥、石灰、石膏類無機(jī)膠結(jié)料和水或?yàn)r青、樹脂等有機(jī)膠結(jié)料的膠狀物與集料按一定比例拌和,并在一定條件下硬化而成的石材。通常我們所講的混凝土指的是水泥混凝土,主要由水泥、水、砂石集料組成,其中水泥和水起膠凝作用[4],集料起骨架填充作用,水泥和水發(fā)生反應(yīng)后形成堅(jiān)硬的水泥石,將集料顆粒牢固地粘結(jié)成整體,使混凝土具有一定的強(qiáng)度。

　　但是若組成混凝土所用的材料質(zhì)量不合格,則會(huì)影響混凝土的強(qiáng)度,導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)出現(xiàn)裂縫。

　　綜合以上分析，我們不難看出，建筑工程筏板混凝土產(chǎn)生裂縫的原因，以溫度收縮產(chǎn)生的裂縫為常見，危害也最大。在筏板混凝土施工中，既要防止混凝土的表面裂縫，又要防止混凝土的收縮裂縫。所以，基于這幾方面的原因，我們可以從下方面的力學(xué)分析中得出控制預(yù)防的方法。

　　二 筏板基礎(chǔ)混凝土表面裂縫控制的力學(xué)分析

　　混凝土澆筑初期，水泥水化產(chǎn)生大量的水化熱，使筏板混凝土的溫度上升很快。但由于混凝土表面散熱條件較好，熱量可向大氣中散發(fā)，所以其表面溫度上升較少;而其內(nèi)部由于散熱條件較差，熱量散發(fā)少，這樣其內(nèi)部溫度上升較多。內(nèi)外部由此形成了溫度梯度，結(jié)果在筏板混凝土內(nèi)部產(chǎn)生壓應(yīng)力，面層上產(chǎn)生拉應(yīng)力，當(dāng)該拉應(yīng)力超過混凝土的抗拉強(qiáng)度時(shí)，在筏板混凝土的表面就會(huì)產(chǎn)生裂縫。

　　產(chǎn)生裂縫的溫度應(yīng)力包括兩個(gè)主要組成部分：升溫階段，由混凝土中心溫度與混凝土表面溫度之差產(chǎn)生的相對(duì)變形受到約束引起的溫度應(yīng)力;降溫階段，由混凝土內(nèi)部從高溫降至環(huán)境溫度時(shí)產(chǎn)生收縮變形受到外約束而引起的溫度應(yīng)力。所以，我們控制筏板混凝土裂縫的一項(xiàng)關(guān)鍵因素是將筏板混凝土表面溫差控制在一定范圍內(nèi)，使其由于此原因產(chǎn)生的溫度應(yīng)力小于同齡期混凝土的抗拉強(qiáng)度。根據(jù)現(xiàn)階段的工程實(shí)踐及理論研究，我國《混凝土外加劑應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》把溫差限值確定為25℃。

　　三 筏板基礎(chǔ)混凝土收縮裂縫控制的力學(xué)分析

　　筏板基礎(chǔ)混凝土收縮裂縫產(chǎn)生在混凝土的降溫階段，即當(dāng)混凝土降溫時(shí)，由于逐漸散熱而產(chǎn)生收縮，再加上混凝土硬化過程中，由于混凝土內(nèi)部拌和的水化和蒸發(fā)，以及膠質(zhì)體的膠凝作用，促使混凝土硬化時(shí)收縮。這兩種收縮由于受到基底或結(jié)構(gòu)本身的約束，會(huì)產(chǎn)生很大的收縮應(yīng)力(拉應(yīng)力)，如果產(chǎn)生的收縮應(yīng)力超過當(dāng)時(shí)齡期的混凝土極限抗拉強(qiáng)度，就會(huì)在混凝土中產(chǎn)生收縮裂縫，它會(huì)貫穿全斷面，成為結(jié)構(gòu)性裂縫，給住宅工程帶來嚴(yán)重危害。

　　建筑工程筏板基礎(chǔ)的厚度(高度)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于其他兩個(gè)方向的尺寸。當(dāng)?shù)装搴穸扰c長度之比小于或等于0.2時(shí)，底板在溫度收縮變形變化作用下，離開端部區(qū)域，靠近中部全截面受力較均勻。所以對(duì)于這種原因引起的裂縫，我們?cè)诠こ虒?shí)踐和理論研究中得出了一些經(jīng)驗(yàn)公式控制溫度收縮應(yīng)力，把溫度收縮應(yīng)力控制在小于齡期混凝土的抗拉強(qiáng)度。具體的各經(jīng)驗(yàn)公式要根據(jù)具體的工程尺度，混凝土齡期來定。

　　四 結(jié)論

　　在建筑工程筏板基礎(chǔ)混凝土施工中，溫度與溫度應(yīng)力的發(fā)展規(guī)律對(duì)混凝土的裂縫控制是至關(guān)重要的。溫度應(yīng)力的計(jì)算要充分考慮施工條件、環(huán)境溫度、混凝土彈性模量、徐變、干縮及應(yīng)力松弛的影響。

　　影響筏板基礎(chǔ)混凝土結(jié)構(gòu)的溫度應(yīng)力因素很多，其中混凝土的配合比、澆注環(huán)境及邊界散熱條件是主要因素，所以基于前文分析論證，在今后的工程實(shí)踐中應(yīng)從以下幾個(gè)方面入手來控制溫度裂縫。

　　(一) 改進(jìn)混凝土配合比，在混凝土中摻入混合材料(如減水劑和粉煤灰等)，降低水泥水化熱，減少單位體積水泥用量。

　　(二) 在混凝土中加入一定的膨脹劑，利用混凝土的補(bǔ)償收縮原理提高混凝土的抗裂性，這種已“抗”為主，“抗”與“放”相結(jié)合的方法能較好的解決筏板基礎(chǔ)混凝土的裂縫控制問題。

　　(三) 降低混凝土的澆注溫度，可以降低混凝土的最高溫度，從而可減少基礎(chǔ)溫度和內(nèi)外溫差?？刂茲沧囟葢?yīng)盡量避免在高溫季節(jié)施工或采用與骨料預(yù)冷等辦法降低入模溫度。

　　(四) 改善邊界散熱條件和約束條件，采取保溫保濕的養(yǎng)護(hù)措施，不使表面混凝土散熱太快，使混凝土表面保持較高的溫度，降低混凝土的內(nèi)外溫差。

　　綜上所述，建筑工程混凝土筏板基礎(chǔ)裂縫主要是前述兩方面的原因，我們?cè)诮窈蟮墓こ虒?shí)踐中嚴(yán)格按規(guī)范規(guī)程以及分析總結(jié)的方法做，就一定能將這種問題消除，從而使我們的工程質(zhì)量得到保證，使我們的經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益、環(huán)境效益提高。