混凝土裂縫形成與控制

1、10-7 混凝土裂縫的形成和控制混凝土結(jié)構(gòu)物的裂縫可分為微觀裂縫和宏觀裂縫。 微觀裂縫是指那些肉眼看 不見的裂縫，主要有三種，一是骨料與水泥石粘合面上的裂縫，稱為粘著裂縫； 二是水泥石中自身的裂縫， 稱為水泥石裂縫； 三是骨料本身的裂縫， 稱為骨料裂 縫。微觀裂縫在混凝土結(jié)構(gòu)中的分布是不規(guī)則、不貫通的。反之，肉眼看得見的 裂縫稱為宏觀裂縫，這類裂縫的范圍一般不小于 0.05m m。宏觀裂縫是微觀裂縫 擴(kuò)展而來的。 因此在混凝土結(jié)構(gòu)中裂縫是絕對存在的， 只是應(yīng)將其控制在符合規(guī) 范要求范圍內(nèi)，以不致發(fā)展到有害裂縫。10-7-1 混凝土裂縫產(chǎn)生的主要原因混凝土結(jié)構(gòu)的宏觀裂縫產(chǎn)生的原因主要有三種， 一

2、是由外荷載引起的， 這是 發(fā)生最為普遍的一種情況， 即按常規(guī)計(jì)算的主要應(yīng)力引起的； 二是結(jié)構(gòu)次應(yīng)力引 起的裂縫， 這是由于結(jié)構(gòu)的實(shí)際工作狀態(tài)與計(jì)算假設(shè)模型的差異引起的； 三是變 形應(yīng)力引起的裂縫， 這是由溫度、收縮、膨脹、不均勻沉降等因素引起結(jié)構(gòu)變形， 當(dāng)變形受到約束時(shí)便產(chǎn)生應(yīng)力，當(dāng)此應(yīng)力超過混凝土抗拉強(qiáng)度時(shí)就產(chǎn)生裂縫。當(dāng)混凝土結(jié)構(gòu)物產(chǎn)生變形時(shí)， 在結(jié)構(gòu)的內(nèi)部、 結(jié)構(gòu)與結(jié)構(gòu)之間， 都會受到相 互影響、相互制約，這種現(xiàn)象稱為約束。當(dāng)混凝土結(jié)構(gòu)截面較厚時(shí)，其內(nèi)部溫度 和濕度分布不均勻， 引起內(nèi)部不同部位的變形相互約束， 這樣的約束稱之為內(nèi)約 束；當(dāng)一個(gè)結(jié)構(gòu)物的變形受到其他結(jié)構(gòu)的阻礙所受到的約束稱為

3、外約束。 外約束 又可分為自由體、 全約束和彈性約束。 建筑工程中的大體積混凝土結(jié)構(gòu)所承受的 變形，主要是因溫差和收縮而產(chǎn)生的。建筑工程中的大體積混凝土結(jié)構(gòu)中， 由于結(jié)構(gòu)截面大， 水泥用量多， 水泥水 化所釋放的水化熱會產(chǎn)生較大的溫度變化和收縮作用， 由此形成的溫度收縮應(yīng)力 是導(dǎo)致鋼筋混凝土產(chǎn)生裂縫的主要原因。這種裂縫有表面裂縫和貫通裂縫兩種。 表面裂縫是由于混凝土表面和內(nèi)部的散熱條件不同， 溫度外低內(nèi)高， 形成了溫度 梯度，使混凝土內(nèi)部產(chǎn)生壓應(yīng)力， 表面產(chǎn)生拉應(yīng)力， 表面的拉應(yīng)力超過混凝土抗 拉強(qiáng)度而引起的。 貫通裂縫是由于大體積混凝土在強(qiáng)度發(fā)展到一定程度， 混凝土 逐漸降溫， 這個(gè)降溫差引

4、起的變形加上混凝土失水引起的體積收縮變形， 受到地 基和其他結(jié)構(gòu)邊界條件的約束時(shí)引起的拉應(yīng)力， 超過混凝土抗拉強(qiáng)度時(shí)所可能產(chǎn) 生的貫通整個(gè)截面的裂縫。這兩種裂縫不同程度上，都屬有害裂縫。高強(qiáng)度的混凝土早期收縮較大，這是由于高強(qiáng)混凝土中以30%60%礦物細(xì)摻合料替代水泥，高效減水劑摻量為膠凝材料總量的1%2% ，水膠比為0.250.40，改善了混凝土的微觀結(jié)構(gòu)， 給高強(qiáng)混凝土帶來許多優(yōu)良特性， 但其負(fù) 面效應(yīng)最突出的是混凝土收縮裂縫幾率增多。 高強(qiáng)混凝土的收縮， 主要是干燥收 縮、溫度收縮、塑性收縮、化學(xué)收縮和自收縮?；炷脸醅F(xiàn)裂紋的時(shí)間可以作為 判斷裂紋原因的參考： 塑性收縮裂紋大約在澆筑后幾

5、小時(shí)到十幾小時(shí)出現(xiàn)； 溫度 收縮裂紋大約在澆筑后2到10d出現(xiàn)；自收縮主要發(fā)生在混凝土凝結(jié)硬化后的幾 天到幾十天；干燥收縮裂紋出現(xiàn)在接近 1 年齡期內(nèi)。干燥收縮：當(dāng)混凝土在不飽和空氣中失去內(nèi)部毛細(xì)孔和凝膠孔的吸附水時(shí)， 就會產(chǎn)生干縮，高性能混凝土的孔隙率比普通混凝土低，故干縮率也低。塑性收縮：塑性收縮發(fā)生在混凝土硬化前的塑性階段。 高強(qiáng)混凝土的水膠比 低，自由水分少，礦物細(xì)摻合料對水有更高的敏感性，高強(qiáng)混凝土基本不泌水， 表面失水更快，所以高強(qiáng)混凝土塑性收縮比普通混凝土更容易產(chǎn)生。自收縮：密閉的混凝土內(nèi)部相對濕度隨水泥水化的進(jìn)展而降低， 稱為自干燥。 自干燥造成毛細(xì)孔中的水分不飽和而產(chǎn)生負(fù)壓，

6、 因而引起混凝土的自收縮。 高強(qiáng) 混凝土由于水膠比低， 早期強(qiáng)度較快的發(fā)展， 會使自由水消耗快， 致使孔體系中 相對濕度低于 80%，而高強(qiáng)混凝土結(jié)構(gòu)較密實(shí)， 外界水很難滲入補(bǔ)充， 導(dǎo)致混凝 土產(chǎn)生自收縮。高強(qiáng)混凝土的總收縮中，干縮和自收縮幾乎相等，水膠比越低， 自收縮所占比例越大。 與普通混凝土完全不同， 普通混凝土以干縮為主， 而高強(qiáng) 混凝土以自收縮為主。溫度收縮：對于強(qiáng)度要求較高的混凝土，水泥用量相對較多，水化熱大，溫 升速率也較大，一般可達(dá)3540C，加上初始溫度可使最高溫度超過 7080C。 一般混凝土的熱膨脹系數(shù)為10Xl0-6/C,當(dāng)溫度下降2025C時(shí)造成的冷縮量為 22.5X

7、 10-4,而混凝土的極限拉伸值只有11.5X 10-4,因而冷縮常引起混凝土開 裂?；瘜W(xué)收縮：水泥水化后，固相體積增加，但水泥 -水體系的絕對體積則減小， 形成許多毛細(xì)孔縫， 高強(qiáng)混凝土水膠比小， 外摻礦物細(xì)摻合料， 水化程度受到制 約，故高強(qiáng)混凝土的化學(xué)收縮量小于普通混凝土。當(dāng)混凝土發(fā)生收縮并受到外部或內(nèi)部約束時(shí)， 就會產(chǎn)生拉應(yīng)力，并有可能引 起開裂。對于高強(qiáng)混凝土雖然有較高的抗拉強(qiáng)度， 可是彈性模量也高，在相同收 縮變形下，會引起較高的拉應(yīng)力，而由于高強(qiáng)混凝土的徐變能力低， 應(yīng)力松弛量 較小，所以抗裂性能差。10-7-2大體積混凝土裂縫控制的計(jì)算10-7-2-1大體積混凝土溫度計(jì)算公式1

8、.最大絕熱溫升(二式取其一)(1) Th=( mc+ k F) Q/c p(2) Th = mc Q/c p (1-e-mt)(10-43)式中 Th混凝土最大絕熱溫升C);mc混凝土中水泥(包括膨脹劑)用量(kg/m3)；F混凝土活性摻合料用量(kg/m3);K 摻合料折減系數(shù)。粉煤灰取 0.250.30;Q水泥28d水化熱(kJ/kg)查表10-81;不同品種、強(qiáng)度等級水泥的水化熱表10-81水泥品種水泥強(qiáng)度等級水化熱Q (kJ/kg)3d7d28d硅酸鹽水泥42.531435437532.5250271334礦渣水泥32.5180256334c混凝土比熱、取 0.97 kJ/ (kg K

9、門;p 混凝土密度、取 2400 (kg/m3);e為常數(shù)，取2.718;t混凝土的齡期(d);m系數(shù)、隨澆筑溫度改變。查表10-82系數(shù)m表10-82澆筑溫度(C)51015202530m (l/d)0.2950.3180.3400.3620.3840.4062.混凝土中心計(jì)算溫度Ti （t） =Tj + Th E （t） 式中 Ti（t） t齡期混凝土中心計(jì)算溫度C）；Tj混凝土澆筑溫度（C）; E（t） t齡期降溫系數(shù)、查表10-83。降溫系數(shù)E 表10-83澆筑層厚度（m）齡期t (d)369121518212427301.00.360.290.170.090.050.030.011.

10、250.420.310.190.110.070.040.031.500.490.460.380.290.210.150.120.080.050.042.500.650.620.570.480.380.290.230.190.160.153.000.680.670.630.570.450.360.300.250.210.194.000.740.730.720.650.550.460.370.300.250.243 混凝土表層（表面下50100mm處）溫度1）保溫材料厚度（或蓄水養(yǎng)護(hù)深度）S =0.5h 入 x （T2 Tq） Kb/ 入（Tmax 丁2）（ 10-45）式中S保溫材料厚度（m）；

11、入x所選保溫材料導(dǎo)熱系數(shù)W/ （m K）查表10-84;幾種保溫材料導(dǎo)熱系數(shù)表10-84材料名稱密度(kg/m3)導(dǎo)熱系數(shù)入:W/（m K）材料名稱密度 / kg/m3)導(dǎo)熱系數(shù)入:W/（m -K）建筑鋼材780058礦棉、巖棉1102000.0310.06鋼筋混凝土24002.33瀝青礦棉氈1001600.0330.052水0.58泡沫塑料20500.0350.047木模板5007000.23膨脹珍珠巖403000.0190.065木屑0.17油氈0.05草袋1500.14膨脹聚苯板15250.042瀝青蛭石板3504000.0810.105空氣0.03膨脹蛭石802000.0470.07泡

12、沫混凝土0.10T2混凝土表面溫度（C）;Tq施工期大氣平均溫度（C）；入一一混凝土導(dǎo)熱系數(shù)，取2.33W/ （ m K）;Tmax計(jì)算得混凝土最高溫度（C）；計(jì)算時(shí)可取T2Tq= 1520CT max= T2 = 2025°CKb 傳熱系數(shù)修正值，取1.32.0,查表10-85傳熱系數(shù)修正值表10-85保溫層種類K1K21純粹由容易透風(fēng)的材料組成（如：草袋、稻草板、鋸末、砂子）2.63.02由易透風(fēng)材料組成，但在混凝土面層上再鋪一層不透風(fēng)材料2.02.33在易透風(fēng)保溫材料上鋪一層不易透風(fēng)材料1.61.94在易透風(fēng)保溫材料上下各鋪一層不易透風(fēng)材料1.31.55純粹由不易透風(fēng)材料組成（

13、如：油布、帆布、棉麻氈、膠合板）1.31.5注：1. &值為一般刮風(fēng)情況（風(fēng)速v4m/s，結(jié)構(gòu)位置25m）;2. K2值為刮大風(fēng)情況。2）如采用蓄水養(yǎng)護(hù)，蓄水養(yǎng)護(hù)深度hw = x M （TmaxT2） Kb 入 w/ （700Tj+0.28mic Q）（10-46）式中 hw養(yǎng)護(hù)水深度（m）；x 混凝土維持到指定溫度的延續(xù)時(shí)間，即蓄水養(yǎng)護(hù)時(shí)間（h）；M 混凝土結(jié)構(gòu)表面系數(shù)（1/m），M = F/V;F與大氣接觸的表面積（m2）;3V混凝土體積（m ）;T max T 2 一般取 2025 （C）；Kb 傳熱系數(shù)修正值；700折算系數(shù)kJ/ （m3 K）；入w水的導(dǎo)熱系數(shù)，取 0.58W

14、/ （ m K）。3）混凝土表面模板及保溫層的傳熱系數(shù)B = 1/藝 S i/ S i+ 1/B q（10-47）式中 B 混凝土表面模板及保溫層等的傳熱系數(shù)W/ （m2K）；S i各保溫材料厚度（m）；入i各保溫材料導(dǎo)熱系數(shù)W/ （m K）；B q空氣層的傳熱系數(shù)，取23W/ （ m2 K）。4）混凝土虛厚度h'= k 入/B （10-48）式中h'混凝土虛厚度（m）；k折減系數(shù)，取2/3;入一一混凝土導(dǎo)熱系數(shù)，取2.33W/ (m K)。5) 混凝土計(jì)算厚度H = h+ 2h'(10-49)式中 H混凝土計(jì)算厚度(m);h混凝土實(shí)際厚度(m)。6) 混凝土表層溫度丁

15、2(t)= Tq + 4 h' (H h') T1 (t) Tq/H2(10-50)式中 T2( t)混凝土表面溫度C);Tq施工期大氣平均溫度(C)；h'混凝土虛厚度(m);H混凝土計(jì)算厚度(m);T1 (t)混凝土中心溫度(C)。4 混凝土內(nèi)平均溫度Tm (t) = T1 (t) + T2 (t) /2(10-51)10-7-2-2應(yīng)力計(jì)算公式1. 地基約束系數(shù)(1)單純地基阻力系數(shù)Cx1 (N/mm3)，查附表10-86單純地基阻力系數(shù)Cx1 (N/mm3)表10-86土質(zhì)名稱承載力(kN/m2)CX1推薦值軟粘土801500.010.03砂質(zhì)粘土2504000.

16、030.06堅(jiān)硬粘土5008000.060.10風(fēng)化巖石和低強(qiáng)度素混凝土5000100000.601.00C10以上配筋混凝土5000100001.001.50(2)樁的阻力系數(shù)Cx2 = Q/F(10-52)式中 Cx2樁的阻力系數(shù)(N/mm3);Q樁產(chǎn)生單位位移所需水平力(N/mm);當(dāng)樁與結(jié)構(gòu)鉸接時(shí) Q = 2E I KnD/ （4E I） 3/4當(dāng)樁與結(jié)構(gòu)固接時(shí) Q = 4E I KnD/ （4E I） 3/4E樁混凝土的彈性模量（N/mm2）;I樁的慣性矩（mm4）;Kn地基水平側(cè)移剛度，取1X 10-2 （N/mm3）;D樁的直徑或邊長（mm）;F每根樁分擔(dān)的地基面積（mm2）。（

17、3）大體積混凝土瞬時(shí)彈性模量E（t） = Eo （1-e-0.09t）（10-53）式中 E（t）齡期混凝土彈性模量（N/mm2）;Eo28d混凝土彈性模量（N/mm2）,查附表10-87;混凝土常用數(shù)據(jù)表10-87強(qiáng)度等級彈性模量E (x 104N/mm 2)強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值（N/mm 2）強(qiáng)度設(shè)計(jì)值（N/mm 2）軸心抗壓fck抗拉ftk軸心抗壓fc抗拉ftC7.51.4550.753.70.55C101.756.70.9050.65C152.20101.207.50.90C202.5513.51.50101.10C252.80171.7512.51.30C303.00202.00151.50C

18、353.1523.52.2517.51.65C403.25272.4519.51.80C453.3529.52.6021.51.90C503.45322.7523.52.00C553.55342.85252.10C603.60362.9526.52.20e常數(shù)，取 2.718;t齡期（d）。（4）地基約束系數(shù)B （t） =（Cx1 + Cx2）/h E（t）（10-54）式中 B （t） t齡期地基約束系數(shù)（1/mm）;h混凝土實(shí)際厚度（mm）；Cx1單純地基阻力系數(shù)（N/mm3）,查表10-86;Cx2樁的阻力系數(shù)(N/mm3);E(t)1齡期混凝土彈性模量(N/mm2)。2. 混凝土干縮率

19、和收縮當(dāng)量溫差(1?；炷粮煽s率£ Y(t) = £ °Y (l-e-°.°11) Mi M2Mio(10-55)式中 £ Y(t)t齡期混凝土干縮率；& 0Y標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下混凝土極限收縮值，取3.24X 10-4；Mi M2M10各修正系數(shù)，查表10-88。修正系數(shù)M1-M10表10-88水泥品種M1水泥細(xì)度2 (cm /g)M2骨料品 種M3W/CM4水泥漿 量()M5普通水泥1.0015000.92花崗巖1.000.20.65150.90礦渣水泥1.2520000.93、.一【、t r r 玄武巖1.000.30.85201

20、.00快硬水泥1.1230001.00P石灰?guī)r1.000.41.00251.20低熱水泥1.1040001.13礫巖1.000.51.21301.45石灰礦渣水泥1.0050001.35無粗骨 料1.000.61.42351.75火山灰水泥1.0060001.68石英巖0.800.71.62402.10抗硫酸鹽水泥0.7870002.05:白云巖0.950.81.80452.55磯土水泥0.5280002.42砂巖0.90-503.03初期養(yǎng)護(hù)時(shí)值(d)M6相對濕度W(%)M7L/FM8操作方法M9配筋率EaFa/EbFbM10121.11251.2500.54機(jī)械振搗1.000.001.00

21、31.09301.180.10.76人工振搗1.100.050.8641.07401.100.21.00蒸汽養(yǎng)護(hù)0.850.100.7651.04501.000.31.03高壓釜處理0.540.150.6871.00600.880.41.200.200.61100.96700.770.51.310.250.5514180.93800.700.61.4040900.93900.540.71.43> 900.930.81.44注：L 底板混凝土截面周長；F 底板混凝土截面面積；Ea、Fa鋼筋的彈性模量、截面積；Eb、Fb混凝土彈性模量、截面積。(2)收縮當(dāng)量溫差Ty(t)= £ Y

22、 (t)/ a(10-56)式中 Ty (t) t齡期混凝土收縮當(dāng)量溫差C);a 混凝土線膨脹系數(shù)，1X 10-5 (1/'C)。3 結(jié)構(gòu)計(jì)算溫差(一般3d劃分一區(qū)段) Ti = Tm (i) Tm (i+3) + Ty (i+3) Ty 仃)(10-57)式中 Ti i區(qū)段結(jié)構(gòu)計(jì)算溫差(C);Tm (i) i區(qū)段平均溫度起始值(C)；Tm (i+3) i區(qū)段平均溫度終止值(C)；Ty (i+3)i區(qū)段收縮當(dāng)量溫差終止值(C);Ty (t) i區(qū)段收縮當(dāng)量溫差始始值(C)。4 各區(qū)段拉應(yīng)力毋=瓦4T瓦1 一 l/ch( L/2)式中 (T ii區(qū)段混凝土內(nèi)拉應(yīng)力(N/mm2)；E&qu

23、ot;i區(qū)段平均彈性模量(N/mm2);瓦一一i區(qū)段平均應(yīng)力松弛系數(shù)，查表10-89;松弛系數(shù)S (t)表10-89齡期t (d)36912151821242730S (t)0.570.520.480.440.410.3860.3680.3520.3390.327T i區(qū)段平均地基約束系數(shù)；L 混凝土最大尺寸(mm)；ch雙曲余弦函數(shù)。5. 到指定期混凝土內(nèi)最大應(yīng)力n匚 max 二1 /(1 一 ' )' 匚 i(10-59)i =1式中(T max到指定期混凝土內(nèi)最大應(yīng)力(N/mm2)；V 泊桑比，取0.15。6. 安全系數(shù)K = ft/ T max ( 10-60)式中K大

24、體積混凝土抗裂安全系數(shù)，應(yīng)1.15;ft到指定期混凝土抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值（N/mm2）,查表10-8710-7-2-3平均整澆長度（伸縮縫間距）1 混凝土極限拉伸值£ p=7.5ft （0.1+ 卩/d） 10-4 （lnt/ln28）（10-61）式中 £ p混凝土極限拉伸值；ft混凝土抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值（N/mm2）；卩配筋率（）,卩=Fa/Fc；d鋼筋直徑（mm）；ln以e為底的對數(shù)；t指定期齡期（d）；Fa鋼筋截面積（rn2）；Fc混凝土截面積（m2）。2 平均整澆長度（伸縮縫間距）(10-62)L = E5 丿廠- arch|1-1 £p !)式中Lcp平均整澆

25、長度（伸縮縫間距）（mm）;h混凝土厚度（mm）；E （t）指定時(shí)刻混凝土彈性模量（N/mm2）;Cx地基阻力系數(shù)（N/mm3）, Cx= Cx1 + Cx2；arch反雙曲余弦函數(shù); T指定時(shí)刻的累計(jì)結(jié)構(gòu)計(jì)算溫差C）10-7-3大體積混凝土控制溫度和收縮裂縫的技術(shù)措施為了有效地控制有害裂縫的出現(xiàn)和發(fā)展， 必須從控制混凝土的水化升溫、延 緩降溫速率、減小混凝土收縮、提高混凝土的極限拉伸強(qiáng)度、改善約束條件和設(shè) 計(jì)構(gòu)造等方面全面考慮，結(jié)合實(shí)際采取措施。10-7-3-1降低水泥水化熱和變形1 選用低水化熱或中水化熱的水泥品種配制混凝土，如礦渣硅酸鹽水泥、火山灰質(zhì)硅酸鹽水泥、粉煤灰水泥、復(fù)合水泥等。2

26、充分利用混凝土的后期強(qiáng)度，減少每立方米混凝土中水泥用量。根據(jù)試驗(yàn)每增減10kg水泥，其水化熱將使混凝土的溫度相應(yīng)升降 仁C。3使用粗骨料，盡量選用粒徑較大、級配良好的粗細(xì)骨料；控制砂石含泥 量；摻加粉煤灰等摻合料或摻加相應(yīng)的減水劑、緩凝劑，改善和易性、降低水灰 比，以達(dá)到減少水泥用量、降低水化熱的目的。4在基礎(chǔ)內(nèi)部預(yù)埋冷卻水管，通入循環(huán)冷卻水，強(qiáng)制降低混凝土水化熱溫 度。5在厚大無筋或少筋的大體積混凝土中，摻加總量不超過 20%的大石塊， 減少混凝土的用量，以達(dá)到節(jié)省水泥和降低水化熱的目的。6在拌合混凝土?xí)r，還可摻入適量的微膨脹劑或膨脹水泥，使混凝土得到 補(bǔ)償收縮，減少混凝土的溫度應(yīng)力。7改善配筋。為了保證每個(gè)澆筑層上下均有溫度筋，可建議設(shè)計(jì)人員將分布筋做適當(dāng)調(diào)整。溫度筋宜分布細(xì)密，一般用 © 8鋼筋，雙向配筋，間距15cm。 這樣可以增強(qiáng)抵抗溫度應(yīng)力的能力。 上層鋼筋的綁扎， 應(yīng)在澆筑完下層混凝土之 后進(jìn)行。（8）設(shè)置后澆縫。 當(dāng)大體積混凝土平面尺寸過大時(shí)， 可以適當(dāng)設(shè)置后澆縫， 以減小外應(yīng)力和溫度應(yīng)力；同時(shí)也有利于散熱，降低混凝土的內(nèi)部溫度。10-7-3-2 降低混凝土溫度差1選擇較適宜的氣溫澆筑大體積混凝土，盡量避開炎熱天氣澆筑混凝土。 夏季可采用低溫水或冰水?dāng)嚢杌炷粒?可對骨料噴冷水霧或冷氣進(jìn)行預(yù)冷，