鋼筋混凝土基礎梁裂縫淺析

楊振偉

工程實例:河南大學新校區北田徑場看臺,建筑層數地上2層,框架結構,建筑高度29.7 m,南北長159.1 m,東西長28.2 m,總建筑面積約7 385 m2,抗震設防烈度為7度,建筑耐火等級為二級,看臺防水為三級。基礎形式:柱下條形基礎,持力層為第二層粉細砂層。看臺結構為鋼筋混凝土框架結構,看臺墊層為C10混凝土,基礎、柱、梁板及其他為C30混凝土。

鋼筋混凝土基礎梁平面圖見圖1。

該工程于2007年7月開工,基礎混凝土于8月9日開始澆筑,順序為由南至北依次澆筑。基礎施工完畢后開始進行二層板的施工,順序依舊為由南至北。但在二層板?軸～?軸的鋼筋綁扎完畢,準備進行澆筑混凝土的過程中,發現在?軸與?軸、?軸與?軸有兩道貫穿?,?,?三道軸線的裂縫,且所有裂縫均發生在南北梁上,分布為跨中或1/3處,東半部多,西半部少,裂縫呈V形,先開裂為上部,經過觀察,裂縫仍在發展,遂令施工單位停止施工。

該裂縫是監理人員在檢查支撐體系時意外發現的,此時二層板①軸～?軸已經澆筑完畢,?軸～?軸鋼筋已綁扎完畢未澆筑,整個二層看臺板是由下部滿堂腳手架支撐,即整個基礎梁處于受力非常小或基本不受力(只有自重)的狀態,基本可以排除由于強度或外力所致。另外,地質勘探部門在現場又做了幾處釬探實驗,結果與地質報告完全相符,設計單位通過再次驗算基礎梁的承載力完全符合要求。

據此分析、判斷:此裂縫不影響安全和使用,可以繼續施工。這種裂縫產生的原因如下:

首先由于季節變化產生溫度變化,引起商品混凝土收縮是產生裂縫的主要原因。混凝土產生裂縫有多種原因,主要是溫度的變化。混凝土在硬化期間水泥放出大量水化熱,內部溫度不斷上升,在表面引起拉應力。后期在降溫過程中,又會在混凝土內部出現拉應力,氣溫的降低也會在混凝土表面引起很大的拉應力。當這些拉應力超出混凝土的抗裂強度時,即會出現裂縫。

混凝土是一種脆性材料,抗拉強度是抗壓強度的1/10左右,短期加荷的極限變形只有(0.6～1.0)×104,長期加荷時的極限拉伸變形也只有(1.2～2.0)×104。根據溫度應力的形成過程可分為三個階段:1)早期:自澆筑混凝土開始至水泥放熱基本結束,一般約30 d,這個階段的兩個特征:a.水泥放出大量的水化熱;b.彈性模量的急劇變化。由于彈性模量的變化,這一時期在混凝土內形成殘余應力。2)中期:自水泥放熱作用基本結束時起至混凝土冷卻到穩定溫度時止,這個時期,溫度應力主要是由于混凝土的冷卻及外界氣溫變化所引起,這些應力與早期形成的殘余應力相疊加,在此期間混凝土的彈性模量變化不大。3)晚期:混凝土完全冷卻以后的運轉時期,溫度應力主要是外界氣溫變化所引起,這些應力與前兩種的殘余應力相疊加。該工程鋼筋混凝土基礎梁澆筑于8月,9月份,當時氣溫很高,水化熱不易散發,至11月底,天氣驟然變冷,工程施工人員認為基礎梁強度已經達到,沒有采取任何保暖措施,致使基礎梁裸露于干冷環境中,混凝土遇冷收縮,水熱化已散失殆盡,即刻出現微裂縫現象。基礎梁混凝土強度見表1。

表1 基礎梁混凝土強度

也許有人會問,基礎梁中有大量鋼筋,為什么沒有阻止裂縫的出現,這是因為鋼的線膨脹系數與混凝土的線膨脹系數相差很小,在溫度變化時兩者間只發生很小的內應力。由于鋼的彈性模量為混凝土的7倍～15倍,當混凝土應力達到抗拉強度而開裂時,鋼筋的應力將不超過100 kg/cm2～200 kg/cm2。因此,在混凝土中想要利用鋼筋來防止細小裂縫的出現很困難,但加筋后結構內的裂縫一般就變得數目多、間距小、寬度與深度較小了,但它對結構的強度和耐久性仍有一定的影響。

其次,由于縱向基礎梁跨度較大,剛度較小,橫向跨度小、剛度較大(橫向基礎梁跨度為7.5 m～9 m,縱向基礎梁跨度為3 m～5.5 m),致使由于溫度變化產生的應力均集中于縱向梁上,這就是為什么縱向梁裂縫多,而橫向梁裂縫少的原因。

第三,混凝土配合比設計不當直接影響混凝土的抗拉強度,是造成混凝土開裂不可忽視的原因。配合比不當指水泥用量過大,水灰比大,含砂率不適當,骨料種類不佳,選用外加劑不當等,這幾個因素是互相關聯的。有關試驗資料顯示:用水量不變時,水泥用量每增加10%,混凝土收縮增加5%;水泥用量不變時,用水量每增加10%,混凝土強度降低20%,混凝土與鋼筋的粘結力降低10%。混凝土設計強度等級越高,混凝土脆性越大,越易開裂。因此,當水灰比不變時,企圖用增加水泥用量來提高混凝土強度是錯誤的。此時只能增大混凝土的和易性,增大混凝土的收縮變形。混凝土強度是由水灰比控制的,混凝土生產廠家為了保證混凝土強度,盡量減小水灰比,加大水泥用量。同時,為了保證混凝土的和易性,使澆筑更加方便、快捷,混凝土生產廠家不惜加大水泥和水的用量。該工程混凝土試驗報告顯示,所用商品混凝土強度不僅僅達到了設計要求,而且富余量特別多,大部分超過設計值50%以上。這樣做雖然保證了混凝土強度,但水泥和水分較多,在天氣變冷時混凝土極易收縮,產生大量裂紋。

對裂縫的處理:在主體完成后,基礎回填前進行。裂縫寬度w≤0.3 mm時,采用表面封閉法,利用混凝土表層微細獨立裂縫或網狀裂紋的毛細作用吸收低粘度且具有良好滲透性的修補液體。對裂縫寬度0.3 mm＜w≤1.0 mm時,以一定的壓力降低粘度,用高強度的裂縫修補液體注入裂縫腔內。

根據以上分析,此種裂縫收縮完成的時間約1年～2年,裂縫繼續發展屬于正常現象。

建議:首先,混凝土要有合適的配合比,選擇合適的配合比,不僅要滿足強度要求、施工要求,還要從防止產生裂縫的需要出發,適當的選擇好水灰比,在滿足強度要求的原則下,盡可能減少水泥用量。另外在今后的混凝土結構施工時,要盡量縮短澆筑時間,減小混凝土澆筑時的溫差,加強混凝土保溫意識。

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