建筑工程師評職論文淺析混凝土裂縫產(chǎn)生原因

　　城市建設高速發(fā)展今天，高層建筑工程不斷的涌現(xiàn)在各大中城市中。筏板基礎的應用越來越廣泛，但筏板基礎混凝土體積大，混凝土在澆筑和硬化過程中釋放的水化熱會產(chǎn)生較大的溫度應力和收縮應力，導致混凝土出現(xiàn)裂縫，不僅有損外觀形象，還會造成鋼筋外露、腐蝕并減小建筑結(jié)構抵抗荷載的能力，降低建筑結(jié)構的整體性和剛度，成為結(jié)構的隱患。

　　一 筏板基礎混凝土溫度裂縫機理分析

　　(一)水泥水化放熱產(chǎn)生的溫度收縮

　　水泥水化放熱是筏板基礎大體積混凝土產(chǎn)生裂縫的主要原因。水泥水化時會產(chǎn)生大量的熱量，而大體積混凝土結(jié)構物的斷面一般較厚，熱量聚集在結(jié)構物內(nèi)部不易散熱，混凝土會因受熱而產(chǎn)生較大的體積膨脹。在此后的降溫階段，混凝土體積會因自身溫度不斷降低而逐漸收縮。此時，筏板受到地基或其他結(jié)構物件的約束，這樣就會在混凝土筏板內(nèi)部產(chǎn)生很大的溫度收縮應力。一旦混凝土筏板中的溫度收縮應力超過了混凝土當時齡期的拉應力強度，就會在混凝土中產(chǎn)生貫串整個截面的裂縫，使結(jié)構的抗?jié)B性、整體性、耐久性等性能嚴重降低，帶來嚴重后果。另外，筏板基礎混凝土還會因為內(nèi)部散熱慢而溫度較高，表面部分散熱快而溫度低，使混凝土內(nèi)部與表面之間收縮值相差過大，產(chǎn)生過大的表面拉應力，從而使混凝土表面產(chǎn)生裂縫。

　　(二)外界氣溫變化的影響

　　(1)溫度

　　大體積混凝土施工階段所產(chǎn)生的溫度裂縫,是其內(nèi)部矛盾發(fā)展的結(jié)果。一方面是混凝土由于內(nèi)外溫差而產(chǎn)生應力與應變,另一方面是混凝土本身的強度和抵抗變形的能力。混凝土內(nèi)部溫度變化產(chǎn)生變形受到混凝土內(nèi)部和外部的約束后,將產(chǎn)生很大應力。當這種應力超過了混凝土可以承受的抗拉強度時,就會產(chǎn)生裂縫。 外界氣溫愈高，混凝土的澆注溫度也愈高，而外界溫度下降，又增加了混凝土的降溫幅度，特別是氣溫驟降，會大大增加外層混凝土與內(nèi)部混凝土的溫度梯度，這對筏板基礎大體積混凝土是極為不利的。

　　混凝土內(nèi)部的溫度是水化熱的絕熱溫度，澆注溫度和結(jié)構物的散熱降溫導致各種溫度的疊加，而溫度應力則是由溫差所引起的溫度變形造成的。溫差越大，溫度應力也越大。同時，在高溫條件下，大體積混凝土不易散熱，在這種情況下，研究合理的溫度控制措施，防止混凝土內(nèi)外溫差引起的溫度應力，就顯得更為重要。

　　水泥水化過程是大體積混凝土中的主要溫度因素。混凝土在硬結(jié)過程中,由于水泥的水化作用,在初始幾天產(chǎn)生大量的水化熱,混凝土溫度升高。而大體積混凝土結(jié)構一般較厚,導熱不良,相對散熱小,所以大量的熱量聚集在結(jié)構內(nèi)部。當溫度梯度大到一定程度時,表面拉應力超過混凝土的極限抗拉強度時,混凝土表面產(chǎn)生裂縫。在升溫階段,混凝土未充分硬化,彈性模量小,因此拉應力較小,只引起混凝土表面裂縫。

　　(三)施工工藝因素

　　在混凝土結(jié)構澆筑、構件制作、起模、運輸、堆放、拼裝及吊裝的過程中,若施工工藝不合理、施工質(zhì)量低劣,容易產(chǎn)生縱向的、橫向的、豎向的、斜向的、水平的、表面的、貫穿的等各種裂縫,特別是細長薄壁結(jié)構更容易出現(xiàn)。裂縫出現(xiàn)的部位與走向、裂縫寬度因產(chǎn)生的原因而異,通常有:

　　(1)振搗方式不當引起裂縫

　　不正確的振搗方式會造成混凝土分層離析、表面浮漿而使混凝土面層開裂,或造成混凝土砂漿大量向低處流淌致使混凝土產(chǎn)生不均勻沉降收縮而在結(jié)構厚薄交界處出現(xiàn)裂縫。

　　商品混凝土由于采用攪拌車運輸、泵送澆筑,混凝土坍落度比較大,凝結(jié)時間比較長,一般混凝土初凝時間都在10h以上甚至更長,即使在炎熱的夏天,在摻了高效緩凝減水劑后,澆搗好的混凝土表面被太陽暴曬,水分蒸發(fā)很快,形成一層幾毫米厚的“被子”,看上去混凝土似乎已凝結(jié),實際內(nèi)部還遠未達到初凝,甚至還能流動。曾多次用貫入阻力儀測定摻了高效緩凝減水劑的混凝土砂漿在太陽直曬之下的凝結(jié)時間,結(jié)果初凝時間都在12～16h。這樣的混凝土若不進行二次振搗和多次抹面,混凝土表面不可避免會出現(xiàn)裂縫。

　　(2)養(yǎng)護不當引起混凝土開裂

　　現(xiàn)場養(yǎng)護不當是造成混凝土收縮開裂最主要的原因。混凝土澆筑后,若表面不及時覆蓋進行潮濕養(yǎng)護,表面水分迅速蒸發(fā),很容易產(chǎn)生收縮裂縫、特別是在氣溫高、相對濕度低、風速大的情況下,干縮更容易發(fā)生。有資料表明,當風速為16m/s時,混凝土中的水分蒸發(fā)速度是無風時的四倍。

　　對于高性能混凝土,由于水灰比小,膠凝材料用量大,混凝土密實性好,泌水少,若保養(yǎng)不好,干縮情況更為嚴重。對于保濕養(yǎng)護的時間,肯定是越長越好[2]。養(yǎng)護14天的混凝士的收縮比只養(yǎng)護3天的收縮降低約20%。但由于工程工期的制約,絕大多數(shù)施工人員做不到,所以混凝土出現(xiàn)干縮裂縫就在所難免了。

　　2 外界環(huán)境因素

　　(1)鋼筋銹蝕因素

　　由于混凝土質(zhì)量較差或保護層厚度不足,混凝土保護層受二氧化碳侵蝕炭化至鋼筋表面,使鋼筋周圍混凝土堿度降低,或由于氯化物介入,鋼筋周圍氯離子含量較高,均可引起鋼筋表面氧化膜破壞,鋼筋中鐵離子與侵入到混凝土中的氧氣和水分發(fā)生銹蝕反應,其銹蝕物氫氧化鐵體積比原來增長了約2～4倍[3],從而對周圍混凝土產(chǎn)生膨脹應力,導致保護層混凝土開裂、剝離,沿鋼筋縱向產(chǎn)生裂縫,并有銹跡滲到混凝土表面

　　(2) 材料質(zhì)量因素

　　混凝土是指由水泥、石灰、石膏類無機膠結(jié)料和水或瀝青、樹脂等有機膠結(jié)料的膠狀物與集料按一定比例拌和,并在一定條件下硬化而成的石材。通常我們所講的混凝土指的是水泥混凝土,主要由水泥、水、砂石集料組成,其中水泥和水起膠凝作用[4],集料起骨架填充作用,水泥和水發(fā)生反應后形成堅硬的水泥石,將集料顆粒牢固地粘結(jié)成整體,使混凝土具有一定的強度。

　　但是若組成混凝土所用的材料質(zhì)量不合格,則會影響混凝土的強度,導致混凝土結(jié)構出現(xiàn)裂縫。

　　綜合以上分析，我們不難看出，建筑工程筏板混凝土產(chǎn)生裂縫的原因，以溫度收縮產(chǎn)生的裂縫為常見，危害也最大。在筏板混凝土施工中，既要防止混凝土的表面裂縫，又要防止混凝土的收縮裂縫。所以，基于這幾方面的原因，我們可以從下方面的力學分析中得出控制預防的方法。

　　二 筏板基礎混凝土表面裂縫控制的力學分析

　　混凝土澆筑初期，水泥水化產(chǎn)生大量的水化熱，使筏板混凝土的溫度上升很快。但由于混凝土表面散熱條件較好，熱量可向大氣中散發(fā)，所以其表面溫度上升較少;而其內(nèi)部由于散熱條件較差，熱量散發(fā)少，這樣其內(nèi)部溫度上升較多。內(nèi)外部由此形成了溫度梯度，結(jié)果在筏板混凝土內(nèi)部產(chǎn)生壓應力，面層上產(chǎn)生拉應力，當該拉應力超過混凝土的抗拉強度時，在筏板混凝土的表面就會產(chǎn)生裂縫。

　　產(chǎn)生裂縫的溫度應力包括兩個主要組成部分：升溫階段，由混凝土中心溫度與混凝土表面溫度之差產(chǎn)生的相對變形受到約束引起的溫度應力;降溫階段，由混凝土內(nèi)部從高溫降至環(huán)境溫度時產(chǎn)生收縮變形受到外約束而引起的溫度應力。所以，我們控制筏板混凝土裂縫的一項關鍵因素是將筏板混凝土表面溫差控制在一定范圍內(nèi)，使其由于此原因產(chǎn)生的溫度應力小于同齡期混凝土的抗拉強度。根據(jù)現(xiàn)階段的工程實踐及理論研究，我國《混凝土外加劑應用技術規(guī)范》把溫差限值確定為25℃。

　　三 筏板基礎混凝土收縮裂縫控制的力學分析

　　筏板基礎混凝土收縮裂縫產(chǎn)生在混凝土的降溫階段，即當混凝土降溫時，由于逐漸散熱而產(chǎn)生收縮，再加上混凝土硬化過程中，由于混凝土內(nèi)部拌和的水化和蒸發(fā)，以及膠質(zhì)體的膠凝作用，促使混凝土硬化時收縮。這兩種收縮由于受到基底或結(jié)構本身的約束，會產(chǎn)生很大的收縮應力(拉應力)，如果產(chǎn)生的收縮應力超過當時齡期的混凝土極限抗拉強度，就會在混凝土中產(chǎn)生收縮裂縫，它會貫穿全斷面，成為結(jié)構性裂縫，給住宅工程帶來嚴重危害。

　　建筑工程筏板基礎的厚度(高度)遠遠小于其他兩個方向的尺寸。當?shù)装搴穸扰c長度之比小于或等于0.2時，底板在溫度收縮變形變化作用下，離開端部區(qū)域，靠近中部全截面受力較均勻。所以對于這種原因引起的裂縫，我們在工程實踐和理論研究中得出了一些經(jīng)驗公式控制溫度收縮應力，把溫度收縮應力控制在小于齡期混凝土的抗拉強度。具體的各經(jīng)驗公式要根據(jù)具體的工程尺度，混凝土齡期來定。

　　四 結(jié)論

　　在建筑工程筏板基礎混凝土施工中，溫度與溫度應力的發(fā)展規(guī)律對混凝土的裂縫控制是至關重要的。溫度應力的計算要充分考慮施工條件、環(huán)境溫度、混凝土彈性模量、徐變、干縮及應力松弛的影響。

　　影響筏板基礎混凝土結(jié)構的溫度應力因素很多，其中混凝土的配合比、澆注環(huán)境及邊界散熱條件是主要因素，所以基于前文分析論證，在今后的工程實踐中應從以下幾個方面入手來控制溫度裂縫。

　　(一) 改進混凝土配合比，在混凝土中摻入混合材料(如減水劑和粉煤灰等)，降低水泥水化熱，減少單位體積水泥用量。

　　(二) 在混凝土中加入一定的膨脹劑，利用混凝土的補償收縮原理提高混凝土的抗裂性，這種已“抗”為主，“抗”與“放”相結(jié)合的方法能較好的解決筏板基礎混凝土的裂縫控制問題。

　　(三) 降低混凝土的澆注溫度，可以降低混凝土的最高溫度，從而可減少基礎溫度和內(nèi)外溫差。控制澆注溫度應盡量避免在高溫季節(jié)施工或采用與骨料預冷等辦法降低入模溫度。

　　(四) 改善邊界散熱條件和約束條件，采取保溫保濕的養(yǎng)護措施，不使表面混凝土散熱太快，使混凝土表面保持較高的溫度，降低混凝土的內(nèi)外溫差。

　　綜上所述，建筑工程混凝土筏板基礎裂縫主要是前述兩方面的原因，我們在今后的工程實踐中嚴格按規(guī)范規(guī)程以及分析總結(jié)的方法做，就一定能將這種問題消除，從而使我們的工程質(zhì)量得到保證，使我們的經(jīng)濟效益、社會效益、環(huán)境效益提高。