混凝土裂缝处理方法

混凝土裂缝处理方法

一、荷载引起的裂缝

混凝土构件在常规静、动荷载及次应力下产生的裂缝称荷载裂缝,归纳起来主要有直接应力裂缝、次应力裂缝两种。

(一)直接应力裂缝是指外荷载引起的直接应力产生的裂缝。

裂缝产生的原因有:

1、设计计算阶段,结构计算时不计算或部分漏算;计算模型不合理;结构受力假设与实际受力不符;荷载少算或漏算;内力与配筋计算错误;结构安全系数不够。

结构设计时不考虑施工的可能性;设计断面不足(宁波跨海大桥);钢筋设置偏少或布置错误;结构刚度不足;构造处理不当;设计图纸交代不清等。

2、施工阶段,不加限制地堆放施工机具、材料;不了解预制结构结构受力特点,随意翻身、起吊、运输、安装;不按设计图纸施工,擅自更改结构施工顺序,改变结构受力模式;不对结构做机器振动下的疲劳强度验算等。

3、使用阶段,超出设计载荷的作用于楼地面、墙面;工业厂房超负荷使用;发生大风、大雪、地震、爆炸等。

(二)次应力裂缝是指由外荷载引起的次生应力产生裂缝。

裂缝产生的原因有:

1、在设计外荷载作用下,由于结构物的实际工作状态同常规计算有出入或计算不考虑,从而在某些部位引起次应力导致结构开裂。

例如:两铰拱桥拱脚设计时常采用布置“X”形钢筋、同时削减该处断面尺寸的办法设计铰,理论计算该处不会存在弯矩,但实际该铰仍然能够抗弯,以至出现裂缝而导致钢筋锈蚀。

2、工业建筑中经常需要凿槽、开洞、设置牛腿等,在常规计算中难以用准确的图式进行模拟计算,一般根据经验设置受力钢筋。

研究表明,受力构件挖孔后,力流将产生绕射现象,在孔洞附近密集,产生巨大的应力集中。

在长跨预应力连续梁中,经常在跨内根据截面内力需要截断钢束,设置锚头,而在锚固断面附近经常可以看到裂缝。

因此,若处理不当,在这些结构的转角处或构件形状突变处、受力钢筋截断处容易出现裂缝。

实际工程中,次应力裂缝是产生荷载裂缝的最常见原因。

次应力裂缝多属张拉、劈裂、剪切性质。

次应力裂缝也是由荷载引起,仅是按常规一般不计算,但随着现代计算手段的不断完善,次应力裂缝也是可以做到合理验算的。

例如现在对预应力、徐变等产生的二次应力,不少平面杆系有限元程序均可正确计算,但在40年前却比较困难。

在设计上,应注意避免结构突变(或断面突变),当不能回避时,应做局部处理,如转角处做圆角,突变处做成渐变过渡,同时加强构造配筋,转角处增配斜向钢筋,对于较大孔洞有条件时可在周边设置护边角钢。

荷载裂缝特征依荷载不同而异呈现不同的特点。

这类裂缝多出现在受拉区、受剪区或振动严重部位。

但必须指出,如果受压区出现起皮或有沿受压方向的短裂缝,往往是结构达到承载力极限的标志,是结构破坏的前兆,其原因往往是截面尺寸偏小。

(三)根据结构不同受力方式,产生的裂缝特征如下:

1、 中心受拉:裂缝贯穿构件横截面,间距大体相等,且垂直于受力方向。

采用螺纹钢筋时,裂缝之间出现位于钢筋附近的次裂缝。

2、 中心受压:沿构件出现平行于受力方向的短而密的平行裂缝。

3、受弯:弯矩最大截面附近从受拉区边沿开始出现与受拉方向垂直的裂缝,并逐渐向中和轴方向发展。

采用螺纹钢筋时,裂缝间可见较短的次裂缝。

当结构配筋较少时,裂缝少而宽,结构可能发生脆性破坏。

4、 大偏心受压:大偏心受压和受拉区配筋较少的小偏心受压构件,类似于受弯构件。

5、 小偏心受压:小偏心受压和受拉区配筋较多的大偏心受压构件,类似于中心受压构件。

6、受剪:当箍筋太密时发生斜压破坏,沿梁端腹部出现大于45°方向的斜裂缝;当箍筋适当时发生剪压破坏,沿梁端中下部出现约45°方向相互平行的斜裂缝。

7、 受扭:构件一侧腹部先出现多条约45°方向斜裂缝,并向相邻面以螺旋方向展开。

8、 受冲切:沿柱头板内四侧发生约45°方向斜面拉裂,形成冲切面。

9、局部受压:在局部受压区出现与压力方向大致平行的多条短裂缝。

二、 温度变化引起的裂缝

混凝土具有热胀冷缩性质,当外部环境或结构内部温度发生变化,混凝土将发生变形,若变形遭到约束,则在结构内将产生应力,当应力超过混凝土抗拉强度时即产生温度裂缝。

在某些大跨径梁中,温度应力可以达到甚至超出活载应力。

温度裂缝区别其它裂缝最主要特征是将随温度变化而扩张或合拢。

引起温度变化主要因素有:水化热

出现在施工过程中,大体积混凝土浇筑之后由于水泥水化放热,致使内部温度很高,内外温差太大,致使表面出现裂缝。

施工中应根据实际情况,尽量选择水化热低的水泥品种(矿渣水泥),限制水泥单位用量(使用减水剂),减少骨料入模温度(冰水搅拌),降低内外温差(通过表面保温),并缓慢降温,必要时可采用循环冷却系统(预埋)进行内部散热,或采用薄层连续浇筑以加快散热。

2、蒸汽养护或冬季施工时施工措施不当,混凝土骤冷骤热,内外温度不均,易出现裂缝。

3、年温差

一年中四季温度不断变化,但变化相对缓慢,我国年温差一般以一月和七月月平均温度的作为变化幅度。

考虑到混凝土的蠕变特性,年温差内力计算时混凝土弹性模量应考虑折减。

4、日照

屋面、墙面受太阳曝晒后,温度明显高于其它部位,温度梯度呈非线形分布。

由于受到自身约束作用,导致局部拉应力较大,出现裂缝。

日照和下述骤然降温是导致结构温度裂缝的最常见原因。

5、骤然降温

突降大雨、冷空气侵袭、日落等可导致结构外表面温度突然下降,但因内部温度变化相对较慢而产生温度梯度。

日照和骤然降温内力计算时可采用设计规范或参考实际资料进行,混凝土弹性模量不考虑折减。

6、钢制预埋件与钢筋或其它钢制件联结时,若焊接措施不当,铁件附近混凝土容易烧伤开裂。

采用电热张拉法张拉预应力构件时,预应力钢材温度可升高至350℃,混凝土构件也容易开裂。

试验研究表明,由火灾等原因引起高温烧伤的混凝土强度随温度的升高而明显降低,钢筋与混凝土的粘结力随之下降,混凝土温度达到300℃后抗拉强度下降50%,抗压强度下降60%,光圆钢筋与混凝土的粘结力下降80%;由于受热,混凝土体内游离水大量蒸发也可产生急剧收缩。

三、 收缩引起的裂缝

在实际工程中,混凝土因收缩所引起的裂缝是最常见的。

在混凝土收缩种类中,塑性收缩和干缩是发生混凝土体积变形的主要原因,另外还有自生收缩和碳化收缩。

1、塑性收缩

发生在施工过程中、混凝土浇筑后4~5小时左右,此时水泥水化反应激烈,分子链逐渐形成,出现泌水和水分急剧蒸发,混凝土失水收缩,同时骨料因自重下沉,因此时混凝土尚未硬化,称为塑性收缩。

塑性收缩所产生量级很大,可达1%左右。

在骨料下沉过程中若受到钢筋阻挡,便形成沿钢筋方向的裂缝。

在构件竖向变截面处如t梁、箱梁腹板与顶底板交接处,因硬化前沉实不均匀将发生表面的顺腹板方向裂缝。

为减小混凝土塑性收缩,施工时应控制水灰比,避免过长时间的搅拌,下料不宜太快,振捣要密实,竖向变截面处宜分层浇筑。

2、干缩

混凝土结硬以后,随着表层水分逐步蒸发,湿度逐步降低,混凝土体积减小,称为干缩(缩水收缩)。

因混凝土表层水分损失快,内部损失慢,因此产生表面收缩大、内部收缩小的不均匀收缩,表面收缩变形受到内部混凝土的约束,致使表面混凝土承受拉力,当表面混凝土承受拉力超过其抗拉强度时,便产生收缩裂缝。

混凝土硬化后收缩主要就是干缩。

如配筋率较大的构件(超过3%),钢筋对混凝土收缩的约束比较明显,混凝土表面容易出现龟裂裂纹。

3、自生收缩

自生收缩是混凝土在硬化过程中,水泥与水发生水化反应,这种收缩与外界湿度无关,且可以是正的(即收缩,如普通硅酸盐水泥混凝土),也可以是负的(即膨胀,如掺膨胀剂的膨胀水泥混凝土)。

4、碳化收缩

大气中的二氧化碳与水泥的水化物发生化学反应引起的收缩变形。

碳化收缩只有在湿度50%左右才能发生,且随二氧化碳的浓度的增加而加快。

碳化收缩一般不做计算。

混凝土收缩裂缝的特点是大部分属表面裂缝,裂缝宽度较细,且纵横交错,成龟裂状,形状没有任何规律。

但收缩值累积过大,也会造成混凝土的贯通裂缝(断板)。

例如:大面积水泥混凝土楼地面,如果不及时切割伸缩缝,必然断板。

研究表明,影响混凝土收缩裂缝的主要因素有:

① 水泥品种、标号及用量

矿渣水泥、快硬水泥、低热水泥混凝土收缩性较高,普通水泥、火山灰水泥、矾土水泥混凝土收缩性较低。

另外水泥标号越低、单位体积用量越大、磨细度越大,则混凝土收缩越大,且发生收缩时间越长。

例如,为了提高混凝土的强度,施工时经常采用强行增加水泥用量的做法,结果收缩应力明显加大。

② 骨料品种

骨料中石英、石灰岩、白云岩、花岗岩、长石等吸水率较小、收缩性较低;而砂岩、板岩、角闪岩等吸水率较大、收缩性较高。

另外骨料粒径大收缩小,含水量大收缩越大。

③水灰比 用水量越大,水灰比越高,混凝土收缩越大。

④外掺剂 外掺剂保水性越好,则混凝土收缩越小。

⑤外掺料 外掺料的细度越高,混凝土收缩越大。

外掺料的掺量越大,混凝土收缩越大。

一般商品(泵送)混凝土都含有较大掺量(15%~30%)的粉煤灰,混凝土收缩较大,所以采用商品(泵送)混凝土的工程比较容易开裂。

⑥养护方法

良好的养护可加速混凝土的水化反应,获得较高的混凝土强度。

养护时保持湿度越高、气温越低、养护时间越长,则混凝土收缩越小。

蒸汽养护方式比自然养护方式混凝土收缩要小。

⑦外界环境

大气中湿度小、空气干燥、温度高、风速大,则混凝土水分蒸发快,混凝土收缩越快。

⑧振捣方式及时间

机械振捣方式比手工捣固方式混凝土收缩性要小。

振捣时间应根据机械性能决定,一般以5~15s/次为宜。

时间太短,振捣不密实,形成混凝土强度不足或不均匀;时间太长,造成分层,粗骨料沉入底层,细骨料留在上层,强度不均匀,上层易发生收缩裂缝。

对于温度和收缩引起的裂缝,增配构造钢筋可明显提高混凝土的抗裂性,尤其是薄壁结构(壁厚20~60cm)。

构造上配筋宜优先采用小直径钢筋(φ8~φ14)、小间距布置(@10~@15cm),全截面构造配筋率不宜低于0.3%,一般可采用0.3%~0.5%。

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