混凝土收縮裂縫探討
2006-04-04 00:00
摘 要：分析了混凝土的收縮過(guò)程及其機(jī)理，介紹了混凝土收縮應(yīng)變的計(jì)算方法以及混凝土收縮裂縫的防控原則，以防止收縮裂縫產(chǎn)生，提高建筑物的外觀質(zhì)量和長(zhǎng)期耐久性。
關(guān)鍵詞：收縮裂縫，收縮應(yīng)變值，防控原則
Discussion on shrinkage cracks of concrete
LIU Peng cheng WANG Hai ying WANG Guo hong
Abstract ： It analyzes shrinkage course and its mechanism of concrete, and introduces calculation method for shrinkage strain of concrete andprevention principle of shrinkage cracks, which to prevent shrinkage crack and improve visual quality and durability of building.
Key words ： shrinkage crack, shrinkage strain value, prevention principle
引言
混凝土發(fā)生裂縫是建筑工程中一個(gè)普遍的技術(shù)問(wèn)題。其產(chǎn)生裂縫的原因主要有荷載因素和非荷載因素，對(duì)于前者，《規(guī)范》已針對(duì)不同的建筑等級(jí)及要求給出了成熟的裂縫控制驗(yàn)算公式。根據(jù)一項(xiàng)調(diào)查統(tǒng)計(jì)[1]表明：由于非荷載(溫度、收縮、不均勻沉降)引起的裂縫約占80 %；而屬于由荷載引起的僅占20 %。同時(shí)，由于泵送混凝土采用高水泥用量、高單位用水量和高砂率的配比，因此，隨著泵送商品混凝土的大量推廣應(yīng)用，混凝土非荷載裂縫出現(xiàn)的幾率也大大增加，不僅影響了建筑物的外觀質(zhì)量，同時(shí)對(duì)建筑物的長(zhǎng)期耐久性也產(chǎn)生了不良影響，甚至?xí)谷藗儺a(chǎn)生“裂縫恐懼感”。由此可見，非荷載裂縫在混凝土裂縫中占有主導(dǎo)地位，研究和探討它有極其重要的現(xiàn)實(shí)意義。下面對(duì)非荷載裂縫中的收縮裂縫做一些防控研究。
1 混凝土收縮過(guò)程及機(jī)理
了解混凝土收縮過(guò)程及機(jī)理，有助于深入其實(shí)質(zhì)，把握其本質(zhì)，從而對(duì)采取相應(yīng)的抗收縮裂縫對(duì)策有所幫助。
混凝土材料因物理化學(xué)作用而產(chǎn)生的體積縮小現(xiàn)象統(tǒng)稱為收縮。從混凝土開始澆筑至使用期，收縮過(guò)程大致可以分為五個(gè)階段即：塑性收縮期，自生收縮期，水化熱溫差收縮期，干燥收縮期，環(huán)境溫度收縮期等。
混凝土收縮的原因及機(jī)理主要可概括為以下三個(gè)方面：
1) 干燥收縮的原因是混凝土內(nèi)部水分的消失。但是，開始干燥時(shí)所損失的自由水并不會(huì)引起混凝土的收縮，因此其主要原因是吸附水的消失；
2) 自生收縮是在沒(méi)有水分轉(zhuǎn)移下的收縮，其原因是水泥水化物的體積小于參與水化反應(yīng)的水泥和水的體積，因此這是一種由水泥的水化反應(yīng)所產(chǎn)生的固有收縮，但其值與干燥收縮比較是微不足道的；
3) 碳化收縮是混凝土中的水泥水化物與空氣中的二氧化碳發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的結(jié)果。
混凝土如果在無(wú)約束的條件下收縮，它只會(huì)單純地引起體積縮小，而不會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力，但實(shí)際工程中的混凝土構(gòu)件均會(huì)不同程度的受到約束，使得混凝土為了保持初始長(zhǎng)度，收縮就會(huì)在混凝土中產(chǎn)生拉應(yīng)力[2]。由此可知，混凝土產(chǎn)生收縮裂縫必須具備三個(gè)條件：收縮變形的大小，約束的情況，實(shí)時(shí)的抗拉強(qiáng)度。這也是預(yù)防及控制混凝土收縮裂縫的出發(fā)點(diǎn)。
2 混凝土收縮應(yīng)變實(shí)用計(jì)算法
2. 1 一般計(jì)算方法
英國(guó)BS5400 提出的關(guān)于收縮應(yīng)變計(jì)算式由四個(gè)系數(shù)相乘，即[3]：
εsh = kl ×kc ×ke ×kj 。
其中， kl ，kc ，ke ，kj 為影響系數(shù)，由表格或圖解的方式給出以供查用歐洲混凝土委員會(huì)—國(guó)際預(yù)應(yīng)力協(xié)會(huì)給出的計(jì)算式為：
εsh ( t，t0) =εsh0 [βs ( t) - βs ( t0) ] ，
εsh0 =εs1 ×εs2 ×εsh0 。
式中：εsh0 ———收縮應(yīng)變基準(zhǔn)值；
εs1 ———取決于環(huán)境；
εs2 ———取決于名義厚度h0 。
εs1 ，εs2可由相應(yīng)的圖表查出，βs 為收縮隨時(shí)間發(fā)展的函數(shù)，也可由圖表查出， t 為所考慮瞬間混凝土的齡期， t0 為開始考慮收縮影響瞬間混凝土的齡期。
B —P 模式給出的計(jì)算式更為復(fù)雜，它沒(méi)有相應(yīng)的通過(guò)實(shí)驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)圖表，偏重于純計(jì)算式的應(yīng)用。另外，還有美國(guó)混凝土學(xué)會(huì)、英國(guó)混凝土協(xié)會(huì)等也給出了不同的計(jì)算條款。
2. 2 一種實(shí)用計(jì)算法
該法的基礎(chǔ)是找出標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的最大收縮應(yīng)變，而任何處于其他狀態(tài)下的最大收縮應(yīng)變用各種不同的系數(shù)加以修正。任意狀態(tài)下最大(最終) 收縮應(yīng)變值以εy (∞) 表示，標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下以ε0y ( ∞) 表示，則：
εy (∞) =ε0y ( ∞)M1 ×M2 ×M3 ×M4 ×…×Mn 。
式中： M1 ， M2 ， M3 ，…， Mn ———各影響因素的修正系數(shù)，可由相應(yīng)的表格查出，具體表格可參閱參考文獻(xiàn)[1]；
ε0y ( ∞) ———在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下由實(shí)驗(yàn)得出的收縮應(yīng)變值。
標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)為：275號(hào)普通水泥；標(biāo)準(zhǔn)磨細(xì)度(比表面積為2500 cm2/ g～3500 cm2/ g) ；骨料為花崗巖碎石；水灰比為0.4 ；水泥漿含量為20%；混凝土振動(dòng)搗實(shí)；自然硬化； 試件截面為20cm ×20cm；測(cè)定收縮前濕養(yǎng)護(hù)7d ；周圍空氣相對(duì)濕度為50%等。
ε0y ( ∞) 用結(jié)構(gòu)相對(duì)收縮變形表示，其實(shí)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)值為： 3.24 ×10-4 。而對(duì)于任意時(shí)間任意狀態(tài)下收縮應(yīng)變的計(jì)算式可由下式表示：
εy ( t) =εy ( ∞) ×(1-e-bt ) 。
式中： b ———經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，一般取0.01；
εy ( t) ———任意時(shí)間任意狀態(tài)下的收縮應(yīng)變， t 以天為單位。
這樣，就可以求出約束方向任意時(shí)間任意狀態(tài)下的收縮應(yīng)變值，從而可以初步判斷約束方向混凝土收縮裂縫是否會(huì)出現(xiàn)，如果有出現(xiàn)裂縫的可能，就可以參照其修正系數(shù)，對(duì)混凝土相應(yīng)的配制條件(由決定M1 ， M2 ， M3 .值的因素決定，可由相應(yīng)的表格查出) 如：水泥品種、水泥細(xì)度、配筋率等加以調(diào)整，直到滿足條件εy ( t) <εcmax為止，以達(dá)到初步防控混凝土收縮裂縫的目的。
3 混凝土收縮裂縫的防控原則
在工程實(shí)踐中，采用“放”的原則的應(yīng)用主要有：
1) 設(shè)置混凝土后澆帶。新版高層規(guī)程和混凝土規(guī)范中規(guī)定：每30 m 留出施工后澆帶，其寬度為800mm～1000 mm。這是國(guó)內(nèi)外通用的減小混凝土收縮不利影響的有效方法。
2) 設(shè)置伸縮縫?；炷两Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范對(duì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)伸縮縫的最大間距依據(jù)結(jié)構(gòu)類別和所處環(huán)境做出了規(guī)定。
3) 在施工過(guò)程中，應(yīng)重視施工組織管理，采取正確的澆筑順序與振搗方式等。
在工程實(shí)踐中，采用“抗”的原則的應(yīng)用主要有：
1) 采取構(gòu)造
措施控制或減少混凝土收縮，如增設(shè)鋼筋或鋼筋網(wǎng)作為補(bǔ)償；在溫度收縮應(yīng)力較大的現(xiàn)澆板中，表面布置雙向溫度收縮鋼筋等。有的構(gòu)造物伸縮縫的間距雖然符合規(guī)范要求，但由于施工周期長(zhǎng)，結(jié)構(gòu)為暴露在大氣中的露天結(jié)構(gòu)，故在結(jié)構(gòu)中斷面薄弱處、應(yīng)力集中處宜采用各種加強(qiáng)措施。
2) 采取外加劑和施加預(yù)應(yīng)力補(bǔ)償混凝土的收縮。在混凝土中加入外加劑，產(chǎn)生少量預(yù)壓應(yīng)力來(lái)補(bǔ)償混凝土硬化過(guò)程中產(chǎn)生的收縮應(yīng)力，從而使裂縫控制在無(wú)害范圍內(nèi)，當(dāng)然，應(yīng)用時(shí)要注意外加劑的技術(shù)條件，并注意保溫養(yǎng)護(hù)。預(yù)應(yīng)力混凝土可增強(qiáng)梁板剛度，所產(chǎn)生的預(yù)應(yīng)力可抵消由于混凝土收縮產(chǎn)生的軸向拉應(yīng)力，從而消除或減少收縮裂縫的出現(xiàn)，達(dá)到擴(kuò)大伸縮縫間距，不設(shè)后澆帶，當(dāng)然，所施加的預(yù)應(yīng)力必須是專門用于抵消收縮應(yīng)變的預(yù)應(yīng)力。
3) 混凝土體積較大時(shí)，要防止各種收縮應(yīng)力疊加等。
在大量工程中，單純地采取“放”或“抗”的措施達(dá)不到預(yù)期的效果，而應(yīng)把兩者結(jié)合起來(lái)，才能達(dá)到防控混凝土收縮裂縫的效果。
4 結(jié)語(yǔ)
收縮裂縫屬于早期裂縫范圍，其形成機(jī)理復(fù)雜，需要考慮的因素頗多，既有環(huán)境因素，又有材料本身的原因，還有施工工藝的影響。因此，不能單純地依賴于計(jì)算或概念手段，而應(yīng)把兩者結(jié)合起來(lái)綜合應(yīng)用，從整體論的觀點(diǎn)進(jìn)行防控，不能簡(jiǎn)單地認(rèn)為采取了某種措施就萬(wàn)事大吉了，只有具體分析，適時(shí)、適度地做好每個(gè)環(huán)節(jié)，才能達(dá)到防控混凝土收縮裂縫的理想效果。
參考文獻(xiàn)：
[1 ]王鐵夢(mèng). 建筑物的裂縫控制[M] . 上海：上?？茖W(xué)技術(shù)出版社，1987. 24226.
[2 ]過(guò)鎮(zhèn)海. 鋼筋混凝土原理[M] . 北京：清華大學(xué)出版社，1997.79281.
[3 ]周 履，陳永春. 收縮徐變[M] . 北京：中國(guó)鐵道出版社，1994.32235.
[4 ]陳肇元. 鋼筋混凝土裂縫分析與控制[J ] . 工程力學(xué)，2001 (2) ：66267.
作者簡(jiǎn)介：劉鵬程(19752 ) ，男，昆明理工大學(xué)建筑工程學(xué)院碩士研究生，云南昆明 650224
王海瑩(19682 ) ，女，副教授，昆明理工大學(xué)建筑工程學(xué)院，云南昆明 650224
王國(guó)宏(19812 ) ，男，昆明理工大學(xué)建筑工程學(xué)院碩士研究生，云南昆明 650224 編輯：
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