混凝土裂缝形成与控制.docx

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混凝土裂缝形成与控制

10-7混凝土裂缝的形成和控制

混凝土结构物的裂缝可分为微观裂缝和宏观裂缝。

微观裂缝是指那些肉眼看不见的裂缝，主要有三种，一是骨料与水泥石粘合面上的裂缝，称为粘着裂缝；二是水泥石中自身的裂缝，称为水泥石裂缝；三是骨料本身的裂缝，称为骨料裂缝。

微观裂缝在混凝土结构中的分布是不规则、不贯通的。

反之，肉眼看得见的裂缝称为宏观裂缝，这类裂缝的范围一般不小于0.05mm。

宏观裂缝是微观裂缝扩展而来的。

因此在混凝土结构中裂缝是绝对存在的，只是应将其控制在符合规范要求范围内，以不致发展到有害裂缝。

10-7-1混凝土裂缝产生的主要原因

混凝土结构的宏观裂缝产生的原因主要有三种，一是由外荷载引起的，这是发生最为普遍的一种情况，即按常规计算的主要应力引起的；二是结构次应力引起的裂缝，这是由于结构的实际工作状态与计算假设模型的差异引起的；三是变形应力引起的裂缝，这是由温度、收缩、膨胀、不均匀沉降等因素引起结构变形，当变形受到约束时便产生应力，当此应力超过混凝土抗拉强度时就产生裂缝。

当混凝土结构物产生变形时，在结构的内部、结构与结构之间，都会受到相互影响、相互制约，这种现象称为约束。

当混凝土结构截面较厚时，其内部温度和湿度分布不均匀，引起内部不同部位的变形相互约束，这样的约束称之为内约束；当一个结构物的变形受到其他结构的阻碍所受到的约束称为外约束。

外约束又可分为自由体、全约束和弹性约束。

建筑工程中的大体积混凝土结构所承受的变形，主要是因温差和收缩而产生的。

建筑工程中的大体积混凝土结构中，由于结构截面大，水泥用量多，水泥水化所释放的水化热会产生较大的温度变化和收缩作用，由此形成的温度收缩应力是导致钢筋混凝土产生裂缝的主要原因。

这种裂缝有表面裂缝和贯通裂缝两种。

表面裂缝是由于混凝土表面和内部的散热条件不同，温度外低内高，形成了温度梯度，使混凝土内部产生压应力，表面产生拉应力，表面的拉应力超过混凝土抗拉强度而引起的。

贯通裂缝是由于大体积混凝土在强度发展到一定程度，混凝土逐渐降温，这个降温差引起的变形加上混凝土失水引起的体积收缩变形，受到地基和其他结构边界条件的约束时引起的拉应力，超过混凝土抗拉强度时所可能产生的贯通整个截面的裂缝。

这两种裂缝不同程度上，都属有害裂缝。

高强度的混凝土早期收缩较大，这是由于高强混凝土中以30%~60%矿物细掺合料替代水泥，高效减水剂掺量为胶凝材料总量的1%~2%，水胶比为0.25~0.40，改善了混凝土的微观结构，给高强混凝土带来许多优良特性，但其负面效应最突出的是混凝土收缩裂缝几率增多。

高强混凝土的收缩，主要是干燥收缩、温度收缩、塑性收缩、化学收缩和自收缩。

混凝土初现裂纹的时间可以作为判断裂纹原因的参考：

塑性收缩裂纹大约在浇筑后几小时到十几小时出现；温度收缩裂纹大约在浇筑后2到10d出现；自收缩主要发生在混凝土凝结硬化后的几天到几十天；干燥收缩裂纹出现在接近1年龄期内。

干燥收缩：

当混凝土在不饱和空气中失去内部毛细孔和凝胶孔的吸附水时，就会产生干缩，高性能混凝土的孔隙率比普通混凝土低，故干缩率也低。

塑性收缩：

塑性收缩发生在混凝土硬化前的塑性阶段。

高强混凝土的水胶比低，自由水分少，矿物细掺合料对水有更高的敏感性，高强混凝土基本不泌水，表面失水更快，所以高强混凝土塑性收缩比普通混凝土更容易产生。

自收缩：

密闭的混凝土内部相对湿度随水泥水化的进展而降低，称为自干燥。

自干燥造成毛细孔中的水分不饱和而产生负压，因而引起混凝土的自收缩。

高强混凝土由于水胶比低，早期强度较快的发展，会使自由水消耗快，致使孔体系中相对湿度低于80%，而高强混凝土结构较密实，外界水很难渗入补充，导致混凝土产生自收缩。

高强混凝土的总收缩中，干缩和自收缩几乎相等，水胶比越低，自收缩所占比例越大。

与普通混凝土完全不同，普通混凝土以干缩为主，而高强混凝土以自收缩为主。

温度收缩：

对于强度要求较高的混凝土，水泥用量相对较多，水化热大，温升速率也较大，一般可达35~40℃，加上初始温度可使最高温度超过70~80℃。

一般混凝土的热膨胀系数为10×10-6/℃，当温度下降20~25℃时造成的冷缩量为2~2.5×10-4，而混凝土的极限拉伸值只有1~1.5×10-4，因而冷缩常引起混凝土开裂。

化学收缩：

水泥水化后，固相体积增加，但水泥-水体系的绝对体积则减小，形成许多毛细孔缝，高强混凝土水胶比小，外掺矿物细掺合料，水化程度受到制约，故高强混凝土的化学收缩量小于普通混凝土。

当混凝土发生收缩并受到外部或内部约束时，就会产生拉应力，并有可能引起开裂。

对于高强混凝土虽然有较高的抗拉强度，可是弹性模量也高，在相同收缩变形下，会引起较高的拉应力，而由于高强混凝土的徐变能力低，应力松弛量较小，所以抗裂性能差。

10-7-2大体积混凝土裂缝控制的计算

10-7-2-1大体积混凝土温度计算公式

1．最大绝热温升（二式取其一）

（1）Th＝（mc＋k·F）Q/c·ρ

（2）Th＝mc·Q/c·ρ（1－e-mt）（10-43）

式中Th——混凝土最大绝热温升（℃）；

mc——混凝土中水泥（包括膨胀剂）用量（kg/m3）；

F——混凝土活性掺合料用量（kg/m3）；

K——掺合料折减系数。

粉煤灰取0.25~0.30；

Q——水泥28d水化热（kJ/kg）查表10-81；

不同品种、强度等级水泥的水化热表10-81

水泥品种

水泥强度等级

水化热Q（kJ/kg）

3d

7d

28d

硅酸盐水泥

42.5

314

354

375

32.5

250

271

334

矿渣水泥

32.5

180

256

334

c——混凝土比热、取0.97［kJ/（kg·K）］；

ρ——混凝土密度、取2400（kg/m3）；

e——为常数，取2.718；

t——混凝土的龄期（d）；

m——系数、随浇筑温度改变。

查表10-82。

系数m表10-82

浇筑温度（℃）

5

10

15

20

25

30

m（l/d）

0.295

0.318

0.340

0.362

0.384

0.406

2．混凝土中心计算温度

T1（t）＝Tj＋Th·ξ（t）

式中T1（t）——t龄期混凝土中心计算温度（℃）；

Tj——混凝土浇筑温度（℃）；

ξ（t）——t龄期降温系数、查表10-83。

降温系数ξ表10-83

浇筑层厚度

（m）

龄期t（d）

3

6

9

12

15

18

21

24

27

30

1.0

0.36

0.29

0.17

0.09

0.05

0.03

0.01

1.25

0.42

0.31

0.19

0.11

0.07

0.04

0.03

1.50

0.49

0.46

0.38

0.29

0.21

0.15

0.12

0.08

0.05

0.04

2.50

0.65

0.62

0.57

0.48

0.38

0.29

0.23

0.19

0.16

0.15

3.00

0.68

0.67

0.63

0.57

0.45

0.36

0.30

0.25

0.21

0.19

4.00

0.74

0.73

0.72

0.65

0.55

0.46

0.37

0.30

0.25

0.24

3．混凝土表层（表面下50~100mm处）温度

1）保温材料厚度（或蓄水养护深度）

δ＝0.5h·λx（T2－Tq）Kb/λ（Tmax－T2）（10-45）

式中δ——保温材料厚度（m）；

λx——所选保温材料导热系数[W/（m·K）]查表10-84；

几种保温材料导热系数表10-84

材料名称

密度（kg/m3）

导热系数λ［W/（m·K）］

材料名称

密度（kg/m3）

导热系数λ［W/（m·K）］

建筑钢材

7800

58

矿棉、岩棉

110~200

0.031~0.06

钢筋混凝土

2400

2.33

沥青矿棉毡

100~160

0.033~0.052

水

0.58

泡沫塑料

20~50

0.035~0.047

木模板

500~700

0.23

膨胀珍珠岩

40~300

0.019~0.065

木屑

0.17

油毡

0.05

草袋

150

0.14

膨胀聚苯板

15~25

0.042

沥青蛭石板

350~400

0.081~0.105

空气

0.03

膨胀蛭石

80~200

0.047~0.07

泡沫混凝土

0.10

T2——混凝土表面温度（℃）；

Tq——施工期大气平均温度（℃）；

λ——混凝土导热系数，取2.33W/（m·K）；

Tmax——计算得混凝土最高温度（℃）；

计算时可取T2－Tq＝15~20℃

Tmax＝T2＝20~25℃

Kb——传热系数修正值，取1.3~2.0，查表10-85。

传热系数修正值表10-85

保温层种类

K1

K2

1

纯粹由容易透风的材料组成（如：

草袋、稻草板、锯末、砂子）

2.6

3.0

2

由易透风材料组成，但在混凝土面层上再铺一层不透风材料

2.0

2.3

3

在易透风保温材料上铺一层不易透风材料

1.6

1.9

4

在易透风保温材料上下各铺一层不易透风材料

1.3

1.5

5

纯粹由不易透风材料组成（如：

油布、帆布、棉麻毡、胶合板）

1.3

1.5

注：

1．K1值为一般刮风情况（风速＜4m/s，结构位置＞25m）；

2．K2值为刮大风情况。

2）如采用蓄水养护，蓄水养护深度

hw＝x·M（Tmax－T2）Kb·λw/（700Tj+0.28mc·Q）（10-46）

式中hw——养护水深度（m）；

x——混凝土维持到指定温度的延续时间，即蓄水养护时间（h）；

M——混凝土结构表面系数（1/m），M＝F/V；

F——与大气接触的表面积（m2）；

V——混凝土体积（m3）；

Tmax－T2——一般取20~25（℃）；

Kb——传热系数修正值；

700——折算系数[kJ/（m3·K）]；

λw——水的导热系数，取0.58[W/（m·K）]。

3）混凝土表面模板及保温层的传热系数

β＝1/[Σδi/δi＋1/βq]（10-47）

式中β——混凝土表面模板及保温层等的传热系数[W/（m2·K）]；

δi——各保温材料厚度（m）；

λi——各保温材料导热系数[W/（m·K）]；

βq——空气层的传热系数，取23[W/（m2·K）]。

4）混凝土虚厚度

h'＝k·λ/β（10-48）

式中h'——混凝土虚厚度（m）；

k——折减系数，取2/3；

λ——混凝土导热系数，取2.33[W/（m·K）]。

5）混凝土计算厚度

H＝h＋2h'（10-49）

式中H——混凝土计算厚度（m）；

h——混凝土实际厚度（m）。

6）混凝土表层温度

T2（t）＝Tq＋4·h'（H－h'）[T1（t）－Tq]/H2（10-50）

式中T2（t）——混凝土表面温度（℃）；

Tq——施工期大气平均温度（℃）；

h'——混凝土虚厚度（m）；

H——混凝土计算厚度（m）；

T1（t）——混凝土中心温度（℃）。

4．混凝土内平均温度

Tm（t）＝[T1（t）＋T2（t）]/2（10-51）

10-7-2-2应力计算公式

1．地基约束系数

（1）单纯地基阻力系数Cx1（N/mm3），查附表10-86

单纯地基阻力系数Cx1（N/mm3）表10-86