钢筋混凝土结构构件裂缝成因剖析

孙艳红

当前,钢筋混凝土广泛应用于建筑工程,成为主要建筑材料,钢筋混凝土构件业已成为结构的主要受力构件。虽然钢筋混凝土充分发挥了钢筋和混凝土材料的性能优点,但混凝土作为一种非均质多相复合材料,相组成上包括水泥石、骨料和骨料—水泥石界面三部分,在自身变形、收缩和荷载作用下,容易造成同相连续性或异相粘结的中断或破坏,再加上混凝土是典型的脆性材料,抗拉强度低,容易形成裂缝[1]。裂缝的存在影响建筑美观,削弱构件的整体性和承载能力,影响其安全性、适用性和耐久性,造成安全隐患,已成为建筑工程中普遍的质量问题,有必要对其形成、开展原因进行研究。

1 自身缺陷

钢筋混凝土结构构件主要由钢筋和混凝土两种性质不同的材料组成,共同承受荷载作用,混凝土主要表现出塑性,浇筑成型过程中,自身存在随机分布、不同尺寸和类型的微裂缝,伴随着温度变形和收缩,在约束和粘结应力的共同作用下,混凝土内部产生拉应力,并在局部集中,当大于混凝土极限抗拉强度时,迫使微裂缝扩张成裂缝。可以说混凝土自身的各向异性和受力的非连续性决定了裂缝与其之间的伴生关系。

2 设计原因

建筑工程设计过程是一项系统工程,应充分考虑地质条件、使用功能、环境因素、施工水平等因素,任一环节的疏忽都会引起构件的质量缺陷,带来灾难性后果。钢筋混凝土结构构件裂缝和设计密切相关,合理的设计可以把裂缝控制在允许的范围之内,设计的不合理会加剧裂缝的发展。如设计前期勘探不明或过高估计地基承载力引起地基基础的不均匀沉降;体型设计不合理;设计过程中荷载估计过小或漏算、计算模型选取不当导致的安全储备不足;构造不合理;重视安全性忽略耐久性验算;施工顺序及施工技术设计不合理等均会导致裂缝产生。

3 施工原因

1)材料因素。当前施工用混凝土主要为商用泵送混凝土,为了增强混凝土的流动性,延长混凝土的初凝时间,追求利益最大化,部分厂家会在一定程度上片面改变水泥的质量、混凝土骨料的级配、混凝土的配合比、外加剂的掺调、混凝土坍落度的控制,严重影响混凝土质量。

2)施工管理因素。施工管理主要是对施工人员和施工现场的管理,如果管理不当或管理不到位,均会严重影响施工质量。如偷工减料造成的构件尺寸偏小、钢材用量不足、钢筋绑扎或焊接不合要求、节点处理不当、踩踏受力钢筋等,甚至出现施工人员因专业水平较低无意识改变设计意图等。

3)施工工艺因素。施工工艺不良或混乱会严重影响施工质量,如混凝土振捣不密实、不均匀导致混凝土塌陷、沉降,过度振捣导致析水、模板变形,混凝土分层或分段浇筑时接头部位处理不当,模板刚度不足或模板支撑局部沉降,拆模过早或工艺不当,后浇带施工表面处理不当等。同时,新的施工技术如滑模施工技术等也会引起表面裂缝的出现。

4)养护工艺因素。良好的养护条件和工艺是确保钢筋混凝土构件质量的基本措施。混凝土养护是保证其适宜的温度、湿度,创造良好的硬化条件。养护不当或不及时都会导致裂缝产生,特别是在混凝土养护早期,混凝土还不是硬化体,处于可塑性状态,强度还没有完全建立起来,应避免附加荷载的作用。

4 环境因素

1)收缩裂缝。根据收缩的机理,收缩分为塑性收缩、自收缩和干燥收缩。塑性收缩主要发生在混凝土浇筑成型后到终凝前这段时间,此时混凝土处于可塑状态,强度尚未形成,由于骨料沉降和泌水,混凝土发生塑性收缩,当收缩裂缝大于混凝土的极限拉应变,混凝土开裂。自收缩由水泥水化作用引起:a.水泥水化作用下,混凝土自身体积减小,称为水化收缩;b.水化作用消耗混凝土内部孔隙的水分,形成真空,造成负压,产生收缩,称为自身干燥收缩。自收缩主要发生于混凝土浇筑成型以后到终凝后一周左右的时间。干燥收缩贯穿于混凝土使用的全过程。

2)温度裂缝。主要由水化热引起,水泥水化产生水化热,温度上升,伴随着水化放热的终了,混凝土温度开始下降,表层混凝土温度下降较快,产生收缩,内部温度下降较慢,仍处于受热膨胀状态,并对外层混凝土的收缩起约束作用,产生自生应力,并在局部集中,达到混凝土的极限抗拉强度,导致混凝土表面开裂。

3)温变裂缝。由外界温度变化产生的温差引起,如暴晒、冰雪覆盖、室内外温差、冷热变化等。表现为温差引起的收缩膨胀,之间互为约束产生自生应力,或温度降低,构件体积收缩,在外部约束作用下,产生约束应力,均会迫使混凝土开裂,形成裂缝。

4)冻融裂缝。冻融裂缝的产生与混凝土的密实程度和长期受潮密切相关,潮湿环境融入混凝土中的水分在寒冷气候作用下结冰,体积膨胀产生膨胀应力,在反复冻融循环作用下,生成冻融裂缝。表现为混凝土酥松、表面砂浆剥落、钢筋裸露、锈蚀。

5)钢筋锈蚀裂缝。受力钢筋锈蚀是影响钢筋混凝土构件耐久性的重要因素。正常情况下,钢筋在混凝土强碱性的作用下形成致密的保护膜,使钢筋处于钝化状态,此时钢筋不易发生锈蚀。但在环境的长期作用下,混凝土由于碳化和Cl-的侵蚀,破坏钢筋表面的保护膜,使钢筋处于活性或半活性状态,发生锈蚀,体积膨胀,对周围混凝土形成膨胀应力,积聚到一定程度,迫使混凝土开裂,进一步加剧钢筋的锈蚀和混凝土的开裂,同时钢筋锈蚀导致构件承载能力下降,影响构件的承载能力。

6)化学反应膨胀裂缝。化学反应膨胀裂缝是一类典型的非荷载变形裂缝,具有代表性的是碱骨料反应。碱骨料反应是混凝土中的碱与骨料中活性粒子发生化学反应生成无胶凝性能的凝胶体,体积膨胀3倍～4倍,产生很大的膨胀内应力,导致混凝土开裂。

5 预制构件

预制钢筋混凝土构件在建筑工程中的运用,提升了施工速度,节约建设成本。预制构件一般定点制作,质量可靠,但在运输、堆放、吊装等过程中,若工艺或管理不当,易受各种动静荷载、重复荷载和反复荷载作用,甚至碰撞,导致保护层脱落、承载能力下降、变形加剧等,在设计荷载作用下引起混凝土开裂。

6 构造裂缝

构造裂缝很大程度上是由于设计不良和施工因素引起,是裂缝的一种常见形式,如建筑平面设计不规则,构件拐角处、断面突变处应力集中,导致裂缝;构件中线路管线布置、构造措施不合理等均会影响构件的承载能力。如PVC电线暗管在板中的布置削弱了板的有效截面,同时粘结力不足,极易导致分布裂缝;结构开口部位和突出部位因收缩应力集中易于开裂等。

7 使用功能改变

建筑工程在设计之初就根据使用功能、地质条件、环境类别等因素确定体型、结构形式、荷载等。伴随着建筑工程的使用过程,可能会发生使用功能的改变,如建筑物用途变更、厂房工艺变化、设备更新或增添设备以及改建、扩建等。造成结构实际荷载增加、承载方式的改变,发生构件因承载能力不足而产生荷载裂缝,甚至导致安全事故。

8 自然灾害和偶发事故

自然载荷和偶发事故种类多样,破坏力巨大,如地震、水灾、风灾、雪灾、地基塌陷、滑坡、爆炸、撞击及其他工程事故等。建筑工程按照设计规范进行设计,具有一定的抵御自然灾害的能力,由于当前经济水平、设计及计算水平的限制:

1)没有条件对所有自然灾害和偶发事故进行设防;2)无法对其破坏作用机理进行全真计算模拟,如地震,根据《抗震设计手册》,设防烈度等级低于9级,设计手册规定结构设计大多数情况以等效地震荷载的形式表示地震作用,仅考虑水平和竖向两个方向的荷载作用,在重要建筑上考虑动载效应,这与实际地震作用不符,另外如水灾作用下引起的地基沉降,风灾、地震的反复荷载作用,爆炸冲击荷载等可能导致裂缝,甚至构件破坏。

9 结语

钢筋混凝土结构构件裂缝成因复杂,影响因素繁多。本文从材料自身缺陷、设计因素、施工因素、使用环境等8个方面阐述了裂缝的成因,举出了可能导致裂缝的做法,对钢筋混凝土结构设计、施工、质量管理及裂缝预防有一定的指导意义。

[1]张 雄.混凝土结构裂缝防治技术[M].北京:化学工业出版社,2007.

[2]韩泰芳,耿维恕.钢筋混凝土结构裂缝控制指南[M].北京:化学工业出版社,2006.

[3]白宝军.现浇钢筋混凝土结构的裂缝成因及控制[J].广东建材,2008(3):28-30.

[4]曾明祥.钢筋混凝土结构受力裂缝控制与加固处理方法的对比分析和应用[J].中外建筑,2008(6):148-150.

[5]李永生.混凝土裂缝控制[J].山西建筑,2008,34(7):168-169.