鋼筋混凝土結構裂縫特點研究

金先斌

(武漢市青山區建管站,武漢 430070)

鋼筋混凝土結構裂縫特點研究

金先斌

(武漢市青山區建管站,武漢 430070)

該文闡述了鋼筋混凝土結構裂縫問題的發展狀況。首先介紹了鋼筋混凝土結構裂縫的基本概念及裂縫種類。總結了目前鋼筋混凝土結構裂縫形成的主要原因,對各主要原因的影響進行了相關的解釋和闡述。進一步探討了未來鋼混結構裂縫問題的特點和規律以及裂縫技術未來的趨勢。

鋼混結構; 結構裂縫; 溫度效應; 外加荷載

鋼筋混凝土是目前國際國內土木工程最重要的建筑材料。自19世紀下半頁鋼筋混凝土誕生以來,至今已有100多年的使用歷史。鋼筋混凝土的制造和使用技術伴隨著土木工程建設的發展和科學技術的進步而不斷向前發展。目前絕大部分土木工程結構均采用鋼筋混凝土建造。目前鋼筋混凝土結構損壞的工程質量事故,絕大多數是從裂縫的發展和擴展開始的。實際上,鋼筋混凝土結構一般都是帶裂縫工作的,甚至很多情況下結構裂縫是時刻發生變化。隨著鋼筋混凝土結構裂縫的不斷發展變化,結構服役期的安全性和耐久性都會明顯降低,嚴重的話甚至會導致結構構件的破壞和整體結構的倒塌。

數十年來,在土木工程領域中一個相當普遍的難題就是鋼筋混凝土結構的裂縫問題。裂縫問題已經嚴重影響到建筑結構的服役安全,對人們正常的生產和生活造成了影響。100多年來一直困擾著土木工程的技術人員和科學工作者,顯然這是一個亟待解決的工程技術問題。因此,如何掌握和了解鋼筋混凝土結構的裂縫特點和規律,確保土木工程結構在服役荷載和裂縫共同作用下的安全性、適用性和耐久性就顯得十分重要。因此,研究結構裂縫問題的特點及其防治方法顯得尤為必要。

1 鋼筋混凝土裂縫的種類

鋼筋混凝土裂縫種類繁多,通常可以按照不同的方法進行分類。按照裂縫在結構中的的深度通常可分如下幾類:1)深部裂縫,即混凝土結構的表面裂縫在外荷載和環境作用下經過一定程度的發展,然后裂縫將擴展至內部;2)混凝土表面裂縫,即在外荷載和環境作用下結構表面發生的部分深度較淺的裂縫;3)穿透裂縫,即混凝土結構中的裂縫在外荷載作用下發生較為嚴重的發展,從而形成了貫穿整個結構某斷面的裂縫,這種裂縫危害很大,將導致結構分離。

若按照混凝土裂縫發展的特點和規律則主要可分為3類:1)靜止類型的裂縫,即混凝土結構中已經存在的裂縫其長寬等幾何指標均不再發生變化和擴展;2)擴展裂縫,這種裂縫其長寬將隨著時間而增長;3)寬度擴展裂縫,即混凝土結構中的裂縫其寬度在外荷載作用下發生改變,但裂縫長度基本不發生變化的裂縫。

若按照混凝土裂縫產生的原因,則大體上可以分為5類:

1)外荷載引發的裂縫。當混凝土結構承受過大的外荷載作用時,結構構件將會由于承載力不足而發生裂縫。這種裂縫即為外荷載引發的裂縫。

2)收縮類型裂縫。混凝土結構在服役過程中,由于自然環境如溫度濕度等的變化,混凝土不可避免地將發生收縮變形。在收縮過程中混凝土存在約束邊界條件,這將限制混凝土的自由收縮變形并導致混凝土內部產生應力。如果混凝土中的約束應力較大并大于其抗拉強度,則混凝土將由于強度不足而發生收縮裂縫。

3)溫度荷載裂縫。溫度荷載裂縫是混凝土在服役過程中由于日照等時變溫度荷載作用而產生了溫度梯度而引起的裂縫類型。如在夜晚混凝土表層由于缺乏日照將溫度下降,而混凝土內部溫度下降得較為緩慢,因此產生了內外的溫度差和溫度梯度,這將導致內部混凝土對表層混凝土起約束作用,即發生由于溫度應力引發的溫度裂縫。

4)堿骨料反應裂縫。眾所周知,水泥中存在大量的堿性物質,如氧化鈉、氧化鉀等。同時還存在骨料中的活性二氧化硅、微晶白云石等。如果它們發生反應將導致混凝土發生較為顯著的膨脹作用,顯然這種膨脹將不可避免地引起混凝土內部的應力并進一步引發混凝土產生裂縫。通常將這類裂縫稱為由于材料堿骨料反應而引起的裂縫類型。

5)鋼筋銹蝕裂縫。鋼筋混凝土內部存在鋼筋,但是由于惡劣服役環境的影響,可能發生鋼筋的銹蝕,導致鋼筋與混凝土表面的連接界面出現問題,從而導致銹蝕裂縫出現。通常這種裂縫一般沿著鋼筋長度方向發展。

2 鋼筋混凝土裂縫的形成原因

鋼筋混凝土結構發生裂縫并非偶然顯現,均是由于服役環境惡劣、材料缺陷、設計疏忽、施工質量低下等各種復雜原因引起或者是由于多個因素耦合作用的結果。但是對于工程結構而言,其破壞往往始于裂縫的出現和發展。鋼筋混凝土結構在各種內部和外部荷載的作用下,將會產生內力和變形。這種荷載極有可能是作用于結構上的靜動力荷載也有可能是作用于結構上的環境效益。

荷載作用于鋼筋混凝土結構時將導致結構產生變形和應變,從而在結構內部引起應變能。隨著結構上的作用荷載不斷增加,在結構內部產生的應變能將迅速累積。當結構內部應變能過大時鋼筋混凝土結構由于荷載引起的變形將達到極限值,結構將由于無法繼續承受荷載而首先發生局部性的裂縫。裂縫一旦產生,將在一定程度上釋放累計于結構內部的應變能,從而能使鋼筋混凝土結構在釋放應變能后的狀況狀態下達到新的受力平衡狀態。

倘若結構上的外荷載繼續持續施加甚至強度繼續增加,則鋼筋混凝土結構又將發生由于荷載作用引起的內力、變形和應變能積累。應變能積累到一定程度后又將發生裂縫并發生新的受力平衡。上述過程在鋼筋混凝土結構服役過程中不斷重復發生。伴隨著鋼混結構在荷載作用下應變能的反復積累和釋放過程,鋼混結構表面和內部的裂縫也將不斷地產生、發展和貫通,如果裂縫嚴重到一定程度后將最終導致構件甚至結構的損傷破壞和失效。就目前而言,作用于鋼筋混凝土結構上的各類荷載效應主要包括以下幾種:外界靜動力荷載作用、服役環境作用、溫度荷載作用等。以下即結合各作用效應闡述鋼筋混凝土裂縫的形成原因。

1)外荷載作用

鋼筋混凝土結構構件主要由柱、梁板等受力構件組成。在正常服役荷載下鋼混梁板結構主要以承受彎矩作用為主。而豎向構件如柱和基礎則主要以承受豎向壓力為主。實際服役過程中不同類型的結構構件其受力特點和結構形式均存在一定程度差異。因此,鋼混結構上的裂縫的類型特點和危害顯然也存在很大差異。鋼混受壓構件若按正常服役條件進行設計建造通常出現裂縫的概率較小。鋼混受壓構件若發生與其受力方向平行的裂縫時,則表明結構構件已經欠缺受壓承載力。因此,通常情況下為了充分有效地發揮其中鋼筋的受拉性能,鋼混構件受拉區混凝土通常允許帶裂縫服役。基于此,為了符合鋼混結構耐久性的長期要求,我國相關設計規范和規程對不同服役條件下的鋼混構件的允許裂縫寬度均給出了明確具體的規定。

2)溫度荷載作用

眾所周知,工程結構使用的水泥材料中通常含有大量堿性物質,如硅酸三鈣(3CaO·SiO3)、鋁酸三鈣(3CaO·Al2O3)等。這類物質在水化過程中不可避免地產生大量水化熱。據現有試驗實測數據表明水泥約80%的水化熱將在澆筑后的3～7 d內集中產生。水化熱導致混凝土結構內部的溫度迅速上升,這種現象反過來又進一步加速了水泥水化的過程,又將在混凝土內部產生更多水化熱。因此水化熱容易導致混凝土結構產生不平衡的溫度梯度和溫度應力,這將大大增加混凝土結構產生裂縫的可能性。特別是對于重大工程中廣泛使用的大體積混凝土而言,這種現象尤為顯著。大體積混凝土通常表面積較大,因此容易與周邊空氣發生熱能交換,因此表面熱量很容易散失并且表面通常溫度較低。

但大體積混凝土內部情況則完全不同,其由于混凝土材料導熱系數較小,因此其內部由于水化產生的大量熱量將不斷集聚并難以散發,這將導致其內部存在很大的不均勻溫度梯度并進一步導致其內外顯著的溫度差值。因此鋼混結構的內外將出現非常明顯的溫度差異和顯著的時變溫度應力。這種溫度應力將導致大體積混凝土結構出現很多溫致裂縫。

3)混凝土干燥收縮效應水灰比作為控制混凝土拌合物和易性的一個極為重要指標,其數值必須控制在合理的范圍。水灰比過小將導致拌合物流動性不佳,而較大則將導致拌合物發生離析,嚴重地影響混凝土的密實度和硬化性能。目前土木工程上水灰比通常控制在0.4～0.6。事實上真正用于水化的水量總量通常不及拌和水總量的三分之一,多余的水分要完全靠蒸發。鋼混結構表面由于受到日照和環境溫度影響通常水分蒸發較快,干燥收縮程度較混凝土內部要明顯,從而引起收縮裂縫的萌生和擴展,通常裂縫深度較淺并多呈不規則形狀。

4)水泥體積安定性影響

水泥的體積安定性通常指水泥材料在凝結過程中其體積改變的均勻程度。

如果熟料中加入過多的石膏或者氧化鎂和氧化鈣等物質,將導致水泥硬化后繼續進行水化反應并使得水化產物的體積發生膨脹從而引起水泥開裂。水泥安定性不良將導致結構發生裂縫,這種裂縫通常為龜裂狀,并將不可避免地降低結構的強度和耐久性。

5)混凝土自應力影響

混凝土硬化后即使沒有承受外力也將由自身的收縮而引發裂縫。通常在混凝土墻板結構上容易產生這種上下貫通的裂縫類型。水化熱達到一定的程度后,混凝土由于熱膨脹所引發的應力開始逐漸減小并消失,此時混凝土將開始均勻地收縮,裂縫呈現出一定的規律性。

6)外加劑的不良影響

目前混凝土中使用的各種摻合料種類繁多,但目前對于各類摻合料物理參數的實測和實驗數據還有待完善,目前對水化熱及收縮變形影響還欠缺充足可靠的長期實驗資料。目前工程實踐表明很多外加劑使用后較為嚴重地影響了混凝土的收縮變形,部分甚至降低了混凝土的耐久性能。

3 結 語

隨著混凝土理論和實用技術的不斷發展和完善,對于混凝土的使用和維護的手段已從傳統的方法不斷趨向多樣化。目前新發展起來的混凝土裂縫控制技術在工程應用上已經具有一定優勢,為鋼筋混凝土結構的設計、建造以及加固提供了一條嶄新的途徑。隨著科學技術的進步以及混凝土技術的不斷發展,新的混凝土抗裂方法和技術將會得到推出和發展,這將會最大限度地減少由于混凝土裂縫導致的工程結構損傷破壞。

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Research on Crack Characteristics of Reinforced Concrete Structures

JIN Xian-bin
(Architecture Management Station of Qingshan District,Wuhan 430070,China)

The developing status and trends of reinforced concrete structures are introduced in this study.The crack concept and types of reinforced concrete structures are firstly introduced.The developing reason of reinforced concrete structures at present are summarized and the major reasons are illustrated.Furthermore,the crack properties of reinforced concrete structures in the future are explored and the developing trends are predicted.

reinforced concrete structure; structural crack; temperature effect; external loading

10.3963/j.issn.1674-6066.2015.05.008

2015-08-20.

湖北省建設科技項目資助(鄂建文[2011]154號-115,鄂建文[2011]154號-118).

金先斌(1966-),工程師.E-mail:cbsteven@163.com