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砼结构胀缩变形引起结构裂缝
砼结构胀缩变形引起结构裂缝
结构裂缝在建筑上是个严肃的话题,建筑者不希望发生结构裂缝。
结构裂缝对建筑物造成的影响是很严重的,轻的影响使用,减低建筑物使用寿命,重的危及建筑物的安全,同时给使用者造成心理上负担。
从而必须找出其造成裂缝原因加于防治。
在建筑物施工前对这些引起裂缝的各种因素要有正确理解,要心中有数,对易出裂缝构件要作控制,针对性采取一些对策,减少一些不利因素,降低其危害程度。
我们质监人员也要理解明白产生结构裂缝种种因素,从而在质监过程中对施工现场进行指导,提出问题让设计、施工、监理、业主互相配合,从设计开始到施工结束,在构造上、施工方法上、人员素质、材料选用、施工时间要求均要有一个科学的态度,有一个实事求是的精神,使工程取得一个最好的效果。
所谓结构裂缝,我们经常碰到的。
例如:
楼板开裂、端跨墙身45度斜裂缝、中间部位墙身垂直裂缝、窗洞口上天盘窗角开裂、下窗台窗角开裂、楼层纵向大梁断裂等。
这些裂缝发生在结构上,我们称之谓结构裂缝。
结构构件用于承受荷载的,然而在未受到荷载下也出现了裂缝,显然不是由于承受荷重而出现裂缝,而是与荷载无关的因素。
这种裂缝是由于结构的变形引起的。
引起结构变形例如:
温度变化、砼收缩、不均匀沉降等变形。
不均匀沉降造成的房屋结构的开裂容易理解,这里不再叙述。
现就砼膨胀和收缩变形引起裂缝作一简单的讨论:
砼的收缩和膨胀的变形所引起的裂缝随着结构的不同、所处部位的不同,构件所处季节不同而不同,这种裂缝是多姿多态,无统一的模式,从而人们往往不能一下子就熟悉它、了解它。
从而判断带有主观性、随意性,随人的体验不同而不同,难于统一、正确。
现把其中几种典型结构裂缝提出来进行讨论。
砼从浇筑到硬化,到使用,它一直在收缩。
造成收缩的原因:
砼中含有大量的空隙、粗孔及毛细孔。
这些孔隙中存在水分,水分的流动影响到砼一系列的性质。
当砼在干燥条件下,首先是大空隙及粗毛细孔中的自由水分蒸发。
然后细孔及细微孔中水产生毛细压,砼中的水泥石受到这种压力产生变形收缩,即“毛细收缩”。
待毛细水蒸发以后,进一步蒸发其分子之间的化学结合的吸附水,首先蒸发晶格间水分;其次蒸发分子层中的吸附水,这些水分蒸发引起砼中水泥石显著压缩,产生“吸附收缩”。
水泥浆在水化过程中早期硬化过程也产生收缩,叫做“硬化收缩”,这种收缩亦称自生收缩。
砼在空气中与气作用而产生碳化,由此引起的“碳化收缩”。
这些收缩随砼中水泥活性提高,水泥量越多,其收缩变形越大。
砼水灰比不同,砼孔隙率也不同,则在相同条件,水灰比越大,收缩变形也越大。
砼的收缩值是很大的。
从图1中可以看到,在空气中养护,半年多一点时间,(相对收缩率)达3×10-4,一年可达4×10-4。
即一年10m长的构件将要收缩4mm。
随着时间推移,收缩一直在进行着,需要很长的时间才趋于稳定。
见图1。
图2也可看到砼水灰比越大,收缩变形值也越大。
1、砼收缩出现裂缝。
在楼层梁、板结构四个“大角”出现45度斜裂缝,见图3所示:
图3楼层四大角出现450斜裂缝
现浇楼层在四个大角出现45度斜裂缝,这种现象很普遍。
不论是多层建筑还是高层楼层均存在,几乎60%建筑存在这种裂缝。
为了便于说明这种裂缝出现的原因,我们假定有一块4.0m×4.0m的8cm厚的楼板,四周为300×600的钢筋砼大梁,见图4。
梁和板在相同的大气中,四个角易出现45度斜裂缝。
图4
原因1:
也是根本原因在相同的环境中板和梁的收缩是不同的,板收缩大,梁收缩小。
板和梁他们的外表面与大气接触面积是不同的。
显然板与大气接触面积比梁大得多。
我们借用水力半径这个概念,用水力半径的倒数来衡量构件与大气所接触的多少。
水力半径倒数称为,=
。
板的=
=25.5,梁的=
,说明板与周围接触的面积是梁与周围接触面积的2.5倍,砼在空气中养护收缩,板的收缩是梁的2.5倍,板的变形远大于梁的变形。
另外梁的收缩仅仅在表面,而梁的内部还没有失水收缩,在砼浇筑初期不仅没有收缩,有时还可能在膨胀。
由于板梁收缩有差异,在板角处,板要收缩,梁不让板收缩,给板约束,作用于板一个剪切应力,见图5。
梁对板的剪应力沿梁分布是不均匀的,中间小,到头部大。
在板角处取出一个单元体,见图5b),单元体四周作用着剪应力,由剪应力引起主拉应力。
当主拉应力超过砼的极限应力,砼就开裂。
图5
原因2:
梁和板的配筋本是不相同的,板的配筋率远小于梁的配筋率,配筋率不同其收缩也不同。
配筋率小,收缩大;配筋率大,收缩小。
梁的配筋率(包括面筋、付筋)通常在2.5-3%,而板的配筋是单层的,设8@200,则配筋率
。
配筋率相差甚远,达8-10倍,造成板的收缩比梁的收缩大。
从而又要引起板的45度的斜裂缝。
这种裂缝开始裂缝很小,不被发现,当砼浇筑一年左右,裂缝就明显了。
原因3:
砼处于气温剧烈变化条件下,极易受到气候的波动,气候波动对梁影响小。
即板受到最高或最低温度控制,而梁受到平均温度控制。
砼浇筑之初,特别是3、4月间,浇筑砼板易出现上述的45度的斜裂缝。
白天大气温度达20℃左右,晚上下降到0℃左右,温度变化近20℃,板的表面温度在太阳直接照射下表面温度可能达35℃以上,此时梁就不同了。
白天受不到太阳直接照射,晚上也不会降到0℃,而白天和黑夜相差不多,板的温差变化收缩不同而造成开裂。
2、材质不同,热膨胀系数不同,热胀冷缩变形不同而产生裂缝。
多层住宅圈梁与圈梁下面的砖砌体,砌体的膨胀系数为1×10-4,而砼的膨胀系数为1×10-5,膨胀系数不同,在大气温度变化,因为热胀冷却,他们是不同步的,存在一个变形差,引起开裂。
在房屋四角处,圈梁下面与砌体接触处出现水平裂缝,如图6所示四角处。
砼圈梁浇筑后,随着砼水分蒸发或水分被砖砌体吸收,砼收缩。
其收缩变形从圈梁中间开始越向两端越来越大,因为砌体纵向刚度比较好,墙纵向位移量很小,应力越来越大,当应力超过砌体的砂浆强度产生裂缝。
膨胀也是一样的,当圈梁与屋面边梁连接一起,特别是黑色屋面,在太阳作用下受热膨胀,圈梁膨胀,而砌体膨胀小,造成开裂。
图6圈梁四角处(圈梁与砌体之间水平缝)
3、屋面受热膨胀,引起墙身裂缝。
窗天盘内角和窗台外角出现斜裂缝,墙面45度斜裂缝见图7。
有时横墙上也出现45度裂缝或沿屋面裂缝及纵向墙上水平裂缝等,见图8。
图7窗角、墙身450斜裂缝
图8横山墙斜裂缝、纵向墙水平裂缝
其原因:
屋面受热膨胀,向房屋两端产生纵向水平推力。
若墙上取出单元体,见图7,图9。
屋面膨胀对墙体作用着剪应力,剪应力产生主拉应力,主拉应力大于墙体的极限应力,墙体开裂。
图9单元体应力图
4、对砼膨胀或收缩的约束的结果
对砼的膨胀和收缩进行约束,就产生约束力。
约束收缩有两种可能:
约束者断裂或被约束者断裂。
(1)约束者断裂
如图10所示屋面构造,屋面和主梁、次梁、边梁一起浇筑连成整体。
屋面为刚性钢筋细石砼、6mm厚,施工时该细石砼防水层施工认真,不但强度高、密实性好,与屋面面层结合得好。
屋面施工正值冬季,本工程只设横向缝,沿主梁跨度方向未设伸缩缝。
该工程施工后第二年夏天发现主梁断裂。
裂缝从板底垂直向下,最大裂缝达3mm之多。
裂缝均为贯穿裂缝,其原因:
屋面受热膨胀,受到边梁阻挡,边梁与主梁紧紧连接在一起,也就是说屋面膨胀受到主梁约束。
钢筋砼膨胀产生的力,当位移为0,其力为无穷大;当位移自由时约束力为0,所以主梁所承受的力是很大的。
其结果当梁承受力大于约束力时,梁断裂,让边梁产生位移。
图10二跨现浇屋面大梁断裂
(2)约束砼楼面收缩
某一工程长约90m,梁、板、柱结构,9层,施工工期短,元旦开始施工,11月投入安装,结构8月份完成,其主体结构基本上处在夏天高温季节施工,围护结构为大玻璃窗。
图11次梁断裂横向裂缝
该工程竣工后第二年5、6月间发现楼板裂缝次梁断裂,并且陆续增多。
楼面四个大角也出现45度斜裂缝。
见图11。
其原因:
工程楼面较长,纵向收缩量较大。
楼面收缩受到了柱子约束,柱子断面为800×800,柱高3.60。
次梁截面为0.500×0.200,主筋216,架立钢筋212,无腰筋。
柱子断面大,长度短,刚度大。
次梁和板在施工后,气候干燥,又受气温下降,砼收缩严重,次梁配筋率较低,钢筋不能有效地阻止收缩变形。
收缩变形所产生的内力很大。
由于柱子对楼面的结束,楼层各跨间内力是不同的,端头最小,从房屋端头向中间部位逐渐增加,增加到一定程度,梁内砼受不了,梁断裂见图12所示。
图12柱、梁承担收缩内力
设每一开间次梁及板收缩引起的内力为△F,则端头开间为△F,第2开间梁和板的内力为2△F,第三间的内力为3△F,第四开间为4△F,直到n开间,内力为n△F,n△F﹥砼能承受的极限拉力时,梁和板断裂,此时裂缝上下贯通。
△F的大小与柱子刚度有关,柱子断面大,高度矮,则刚度越大,△F越大,n△F﹥砼极限拉力时的n就越少。
裂缝离端头距离越近,有可能一幢建筑物可能出现多条裂缝。
当建筑物比较短时,中间部位的梁板内力﹤砼极限拉力,就不会出现裂缝。
该工程砼浇筑又在夏季施工,次梁配筋率低,仅为1%(所有纵向筋),不足普通梁的正常配筋率一半,板在纵向方向非受力方向配筋率更少,=0.015%,所以收缩变形特别大,抗拉能力又特别低,出现裂缝是必然的。
5、砼拆模过早引起裂缝
这种裂缝出现在墙体上比较多,其裂缝形态有垂直裂缝,有斜裂缝,裂缝发生在建筑楼层中部的柱中间。
砼浇筑后,本当砼在模壳内既保温,又保湿,砼内水泥胶粒子不断的水化,不断反应形成结晶粒子,强度提高,收缩减少。
当突然拆模,水分跑掉,反应中断,原膨胀的变成收缩。
砼墙板自身纵向刚度很大,所以在柱中间某部位最薄弱的地方发生裂缝,见图13。
此裂缝特别发生在建筑物中间部位的柱间墙上。
图13柱间墙裂缝
当墙的厚度较大,易出现表面裂缝。
特别在冬天,外界气温比较低,当过早拆模突然降温,而墙体中温度较高,墙的表面和墙中出现温差。
在施工中砼浇筑后第二至三天开始拆模,砼浇筑后第三天砼处于升温高峰期,在冬天突然拆模,砼暴露在冷空气中而内部温度最高值,外部受拉,内部受压,当拉应力超过砼极限应力,砼出现裂缝。
此时即使未见裂缝,但随着时间推移,待墙上砼继续降温失水收缩,外表面裂缝就出现了。
或者说,这些早期肉眼看不见的微裂缝,逐渐积累最后成为肉眼看得见的宏观裂缝。
三、裂缝的防治
1、减少砼的收缩,这是根本的措施。
在大气中养护砼产生裂缝主要因素是收缩。
收缩越严重,现浇板梁和板的收缩变形差越大;反过来说,收缩越少,梁与板收缩变形的差就越小,就不会产生裂缝。
减少砼收缩办法很多:
(1)减少砼的水灰比,减少砼的水泥浆量。
选择合适的配合比,使用掺合剂,降低水灰比,又可提高砼的强度,减少了水分。
减少水泥浆量,可采用高级别水泥,满足最少水泥用量的情况下,水泥量越少越好。
设计时选择砼级别时选低不选高,尽量采用低级别砼。
(2)掺加适合的膨胀剂,补偿砼的收缩。
膨胀剂在市场上品种很多。
我们在江宁区东山镇人民医院的病房大楼施工,掺加了JM-III外加剂(粉剂)掺入水泥用量的1%,效果不错。
(3)采用机械强制振捣,增加砼的密实度。
当前施工时砼的运输均采用泵管运送,只要满泵送条件下,尽量减少砼坍落度,减少水泥浆量,减少水泥浆后要加强振捣,振捣密实。
有条件时采用二次振捣,特别楼面结构。
砼在即将初凝时采用平板振捣器重新进行捣动一遍。
一方面使砼中石子固定一下位置,同时因钢筋反弹所留下的孔洞及钢筋下集聚的水泡全部赶跑,从而增加砼的密实度。
砼在收水后或终凝前用铁抹子抹压数遍,使表面裂缝弥合,从而延续结构裂缝发生。
(4)加强养护,这是减少裂缝发生的重要手段。
砼在潮湿环境下养护砼不但不收缩,反而可膨胀。
见图1所示。
在水中养护1周膨胀率0.8×10-4。
它的膨胀补偿砼的收缩,称为限制膨胀率。
潮湿养护14天可提高限制膨胀率为0.03-0.05%。
我们通过努力,切实多浇水养护14天,使之足够的限制膨胀率来弥补此后各种收缩,从而控制裂缝出现。
这是最有效的办法。
2、适当增加水力半径倒数较大的构件的配筋率,特别是楼面的板提高配筋率,配置温度筋。
钢筋能控制裂缝的扩展,减少裂缝宽度,使宏观裂缝变为微观的分散的裂缝。
多层现浇梁板结构在两端的四个大角处楼板,提高配筋率。
钢筋粗而稀的改成细而密的,配成双层钢筋。
纵向方向较长的楼层。
纵向的梁和板特别在中间部位的梁配筋率要提高。
3、构造上采取措施
(1)减少屋面的板面的受热,屋面的主要矛盾是屋面受热膨胀引起的结构开裂。
①降低屋面温度,设架空板,让架空板直接受热,屋面面层不直接受热。
②屋面设置有效的保温材料,使屋面结构不受热。
(2)让屋面自由膨胀,不让它受结束。
采用增加屋面分格缝,分格缝间距适当小一些,以4m-6m为宜。
目前施工中分格缝做法不规范,或者说不彻底,不能真正的自由膨胀。
有的表面有分格缝,实际上上分,下不分。
有的分格缝做不到头,而是不贯通。
有的分格缝设计不合理,遇到障碍就干脆不设。
(3)采用斜屋面。
斜屋面受热膨胀,不造成对屋面其他结构产生影响见图14。
斜屋面受热屋面膨胀是自由的,不会出现向外的推力。
图中屋面经膨胀后,变成虚线状态。
水平方向无内力。
图14斜屋面受热
(4)改进墙体结构
①降低屋面与墙体之间的连结。
与屋面接触的砌体采用低级别砂浆或柔性砂浆,特别是两端开间处。
②砌体裂缝出现处,加设钢筋砼构件。
例如窗洞口天盘的内窗角,和窗台的外窗角。
设置钢筋砼过梁,或者窗洞口周边均改为钢筋砼框,见图15。
增加天过梁、窗台过梁或窗洞框。
多层住宅顶层第一间,纵向隔墙与横墙同时砌筑,增加墙与抗屋面膨胀的刚度,让裂缝集中发生在屋面和墙与接触处,不使墙体产生斜裂缝,不产生粉刷大范围内的开裂。
图15增设天盘过梁、窗台过梁或窗洞框
(5)避开夏天高温天气和冬天寒冷天气砼浇筑
夏天高温天气浇筑砼防止本构件收缩开裂,冬天浇筑砼特别提防拆模时砼开裂及夏天受热膨胀,造成与它相关的结构开裂。
以上讲的是个人看法不很成熟,供商讨。
2002年5月6日
天盘过梁窗台过梁窗洞框
膨胀后的屋面12345次梁跨度开间
△F△F△F△F△F△F△F△F△F2△F2△F3△F3△F
4△F4△F5△F5△F6△F(n-1)△Fn△F
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次梁主梁12.0012.006.00×15=90
边梁大梁断裂主梁次梁
单元体
450斜裂缝水平裂缝治屋面裂缝
屋面对墙体的水平剪应力
圈梁下墙体水平缝→→→→→→→→→→
→→→→→→→→→→
→→→→→→
梁作用于板的剪应力
斜裂缝
40004000300×600300×600
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