超長(zhǎng)結(jié)構(gòu)混凝土溫度裂縫如何防控？

建工房產(chǎn) 2022-04-27 15:00 發(fā)表于江蘇

（上篇）預(yù)防混凝土溫度裂縫的“放”

人的皮膚受多變氣候影響容易干燥開(kāi)裂，混凝土結(jié)構(gòu)也一樣如此，高溫、日曬、干燥等不利環(huán)境都會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)開(kāi)裂。初秋悄然而至，早晚溫差逐漸變大，正如肌膚需要保養(yǎng)一樣，混凝土也需要防裂。本期創(chuàng)新工作室來(lái)談?wù)劤L(zhǎng)混凝土結(jié)構(gòu)溫度裂縫的成因和防治措施。

引言

混凝土裂縫有很多種，主要有收縮裂縫、溫度裂縫、沉降裂縫和結(jié)構(gòu)裂縫。有調(diào)查顯示，目前已建工程中出現(xiàn)的裂縫有95%左右是屬于溫度裂縫、收縮裂縫、沉降裂縫等非荷載裂縫，結(jié)構(gòu)裂縫僅占5%。那么，日常防治裂縫的工作重點(diǎn)首要就在于防治溫度裂縫。

那么溫度裂縫是怎么產(chǎn)生的呢？為什么超長(zhǎng)混凝土容易產(chǎn)生溫度裂縫呢？溫度裂縫的防治措施是什么？今天帶著這些問(wèn)題，我們開(kāi)始以下的分析。

溫度應(yīng)力和其影響因素01

溫度裂縫的產(chǎn)生是因?yàn)闇囟葢?yīng)力大于混凝土的極限抗拉強(qiáng)度，導(dǎo)致混凝土受拉破壞，要防止出現(xiàn)溫度裂縫首先要了解溫度應(yīng)力。溫度應(yīng)力按成因可分為兩類：（1）水泥硬化時(shí)產(chǎn)生的水化熱使混凝土內(nèi)外溫度不均產(chǎn)生應(yīng)力；（2）混凝土的熱脹冷縮受到外部制約，不能自由變形而引起應(yīng)力。本文主要討論后者。

為什么超長(zhǎng)結(jié)構(gòu)更容易產(chǎn)生溫度裂縫呢？首先我們了解下什么是超長(zhǎng)結(jié)構(gòu)。《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》對(duì)超長(zhǎng)結(jié)構(gòu)說(shuō)明如下：

《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（JGJ3-2010）13.9.1（條文說(shuō)明） ……本節(jié)所述超長(zhǎng)結(jié)構(gòu)，通常指平面尺寸大于本規(guī)程規(guī)定的伸縮縫間距的結(jié)構(gòu)。

了解了什么是超長(zhǎng)混凝土結(jié)構(gòu)，我們?cè)賹?duì)其進(jìn)行受力分析。以臥置在地基上的筏板為例，假設(shè)同一截面上的應(yīng)力分布均勻，在地基土的制約下，構(gòu)件截面上將出現(xiàn)水平法向應(yīng)力σx和豎向應(yīng)力σy，其沿構(gòu)件長(zhǎng)度方向的分布如下圖所示。

其中σx是引起垂直裂縫的主要應(yīng)力，是設(shè)計(jì)控制應(yīng)力，其最大值出現(xiàn)在構(gòu)件中點(diǎn)，即x=0 處。σy可能引起水平裂縫，但其值一般很小，可忽略不計(jì)。σx max的計(jì)算公式為：

其中：

E——混凝土彈性模量（MPa） H——板厚（mm） L——結(jié)構(gòu)物的長(zhǎng)度（mm） Cx——地基阻力系數(shù)（N/mm3） cosh——雙曲線余弦函數(shù) α——混凝土線膨脹系數(shù)，為1.0e-5/℃ T——綜合溫差，T=T1+T2-T3 T1——混凝土因水泥水化導(dǎo)致的升溫值 T2——混凝土干縮當(dāng)量溫差 T3——混凝土膨脹當(dāng)量溫差

分析式（1）可發(fā)現(xiàn)法向最大應(yīng)力σx的大小與構(gòu)造和材料兩大因素有關(guān)，我們把他們記做材料因子M和構(gòu)造系數(shù)S。

σx max = M·S

材料因子分析：混凝土彈性模量E、混凝土線膨脹系數(shù)α和混凝土強(qiáng)度等級(jí)相關(guān)，相對(duì)固定，可視為常數(shù)；綜合溫差T和混凝土的配合比相關(guān)。

構(gòu)造系數(shù)分析：構(gòu)造系數(shù)S是[0,1]之間的數(shù)，當(dāng)結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度L、地基阻力系數(shù)Cx增加時(shí)，構(gòu)造系數(shù)S也會(huì)變大。

材料因子和構(gòu)造系數(shù)變大，混凝土法向應(yīng)力也會(huì)變大。根據(jù)分析可知，防止溫度裂縫的關(guān)鍵在于結(jié)構(gòu)受力約束形式、構(gòu)件尺寸、混凝土材料。通過(guò)控制約束形式和構(gòu)件尺寸來(lái)實(shí)現(xiàn)釋“放”溫度應(yīng)力，通過(guò)調(diào)整混凝土材料來(lái)實(shí)現(xiàn)抵“抗”溫度應(yīng)力。

釋“放”溫度應(yīng)力的技術(shù)措施02

分析公式（1）可知，通過(guò)合理的構(gòu)造形式和減少構(gòu)件尺寸，降低構(gòu)造系數(shù)S的數(shù)值，可有效釋放結(jié)構(gòu)承受的約束應(yīng)力。由此思路可引出以下幾種“放”的技術(shù)措施：

1、設(shè)滑動(dòng)層減阻力

首先我們考慮的是如何減少約束，充分釋放溫度應(yīng)力，還是以超長(zhǎng)混凝土結(jié)構(gòu)筏板為例。在筏板與地基土之間的防水層上滿鋪一層10~20mm厚的細(xì)砂作為滑動(dòng)層，以減小底板和地基之間的摩擦系數(shù)，釋放約束應(yīng)力。從而讓混凝土自由收縮，釋放溫度應(yīng)力，避免混凝土開(kāi)裂。

2、設(shè)伸縮縫

縮短結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度L可減小構(gòu)造系數(shù)S，最終降低混凝土溫度應(yīng)力。因此釋放約束應(yīng)力的另一思路是通過(guò)合理分縫設(shè)計(jì)，降低結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度，伸縮縫的應(yīng)用正是基于這一原理。伸縮縫的做法是沿建筑物長(zhǎng)度方向每隔一定距離預(yù)留永久性結(jié)構(gòu)縫隙，將建筑物從屋頂、墻體、樓層和底板等構(gòu)件全部斷開(kāi)，縫隙內(nèi)用防水材料填充。規(guī)范（GB50010-2010）規(guī)定的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)伸縮縫的最大間距如下表所示。

3. 跳倉(cāng)法施工

縮短結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度L的方法還有跳倉(cāng)法施工?！疤鴤}(cāng)法”就是把超長(zhǎng)、超寬的混凝土結(jié)構(gòu)劃分成若干區(qū)段，采用間隔澆筑的一種施工方法。如下圖所示，按照“分塊規(guī)劃、隔塊施工、分層澆筑、整體成型”的原則，如同跳棋一樣，隔一段澆一段，相鄰兩段間隔時(shí)間一般不少于7天，來(lái)有效釋放混凝土在硬化初期劇烈的溫度和干燥收縮應(yīng)力。

4. 設(shè)誘導(dǎo)縫

縮短結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度L的第3種方法是設(shè)誘導(dǎo)縫。誘導(dǎo)縫是為了控制混凝土開(kāi)裂的位置，人為造成薄弱連接面，其做法如下圖所示。通過(guò)留置誘導(dǎo)縫，當(dāng)構(gòu)件的收縮應(yīng)力大于其抗拉強(qiáng)度時(shí)，構(gòu)件在設(shè)定位置有序開(kāi)裂，開(kāi)裂后構(gòu)件的結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度L減小，釋放了收縮應(yīng)力，從而防止在其他部位繼續(xù)發(fā)生無(wú)序的開(kāi)裂。因其容易產(chǎn)生滲水，只能用于水位低或干燥的地方。

5. 設(shè)后澆帶

縮短結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度L的另一種方法是設(shè)后澆帶。后澆帶將結(jié)構(gòu)暫時(shí)劃分為若干部分，經(jīng)過(guò)構(gòu)件內(nèi)部收縮，在若干時(shí)間后再澆搗該施工縫混凝土，將結(jié)構(gòu)連成整體。與傳統(tǒng)伸縮縫不同，后澆帶是只存在于施工階段的臨時(shí)性伸縮縫，避免了永久留縫所導(dǎo)致的滲漏水等問(wèn)題。后澆帶的留設(shè)間距可取與伸縮縫相同，封閉時(shí)間一般需根據(jù)兩側(cè)混凝土的收縮完成情況結(jié)合施工作業(yè)要求確定（一般不少于42天）。

總結(jié)03

如果把溫度應(yīng)力比作洪水，那么本文就“治理洪水”中的“疏水”介紹了幾種技術(shù)措施，下一篇我們將針對(duì)“治理洪水”中的“堵水”進(jìn)行講解，聊一下防止溫度裂縫中“抗”的技術(shù)措施。

（下篇）預(yù)防混凝土溫度裂縫的“抗”

“抗”的力量來(lái)源于材料因子01

上篇給出了導(dǎo)致溫度裂縫的“罪魁禍?zhǔn)住被炷了椒ㄏ驊?yīng)力σxmax：

如果說(shuō)“放”是通過(guò)控制結(jié)構(gòu)受力約束形式、構(gòu)件尺寸來(lái)降低構(gòu)造系數(shù)，那么“抗”就是通過(guò)調(diào)整混凝土材料來(lái)降低材料因子。材料因子由混凝土的材料屬性決定，主要與混凝土的水泥配合比、外摻料和外加劑相關(guān)。

超長(zhǎng)混凝土結(jié)構(gòu)的裂縫發(fā)展規(guī)律02

為什么超長(zhǎng)混凝土結(jié)構(gòu)容易產(chǎn)生溫度裂縫？為什么常見(jiàn)的超長(zhǎng)混凝土結(jié)構(gòu)裂縫出現(xiàn)的間距都有規(guī)律？讓我們進(jìn)一步分析：

以基礎(chǔ)底板溫度開(kāi)裂為例，當(dāng)混凝土開(kāi)始收縮時(shí)，基礎(chǔ)與地基的接觸面上出現(xiàn)剪應(yīng)力τ，基礎(chǔ)底板中產(chǎn)生水平法向應(yīng)力（即拉應(yīng)力）σx\\\\'，如圖1a所示；第一階段的最大拉應(yīng)力σx\\\\'max > ft（混凝土極限抗拉強(qiáng)度）時(shí)，第一批裂縫常發(fā)生在跨中，開(kāi)裂后引起應(yīng)力重分布，如圖1b所示；第二階段的最大拉應(yīng)力σx\\\\'\\\\'max > ft，則繼續(xù)開(kāi)裂，此時(shí)裂縫往往出現(xiàn)在1/4跨處，出現(xiàn)第二批裂縫并導(dǎo)致應(yīng)力重分布，如圖1c所示；……第n階段，直到最大拉應(yīng)力σx\\\\'\\\\'\\\\'max < ft，則開(kāi)裂穩(wěn)定下來(lái)，否則繼續(xù)按上述規(guī)律發(fā)展。

由此可知，控制裂縫的關(guān)鍵在于σmax ≤ ft。是不是提高ft就能解決混凝土開(kāi)裂呢？答案是混凝土作為一種脆性材料，它強(qiáng)度等級(jí)的提高對(duì)抗拉強(qiáng)度提高作用有限。同時(shí)，混凝土標(biāo)號(hào)的提高又會(huì)帶來(lái)水化熱增加導(dǎo)致的干縮問(wèn)題，成本也隨之提高，得不償失。那么還有什么辦法呢？

膨脹混凝土補(bǔ)償溫度收縮應(yīng)力03

聰明的工（ban）程（zhuan）師（ren）就想，能否利用混凝土的抗壓強(qiáng)度高的特性，先對(duì)混凝土作用預(yù)壓應(yīng)力σc，變相提高混凝土抗拉強(qiáng)度，使σmax ≤ ft+ σc，這樣就可以抑制混凝土開(kāi)裂。那么如何讓超長(zhǎng)混凝土結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生預(yù)壓應(yīng)力？答案是在混凝土中添加膨脹劑。在膨脹劑的作用下，混凝土產(chǎn)生預(yù)壓應(yīng)力，通過(guò)鋼筋受拉力進(jìn)行平衡，于是得出：

Ac·σc=As·σs=As·Es·εr（4）

令ρ=As/Ac為配筋率（%），則：

σc=ρ·Es·εr（5）

其中：σc —— 混凝土預(yù)壓應(yīng)力（MPa）As —— 鋼筋截面面積（mm2）Ac —— 混凝土截面面積（mm2）Es —— 鋼筋彈性模量（MPa）εr —— 混凝土的限制膨脹率（%）

我們可以試算一下，假設(shè)筏板混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C30，鋼筋配筋率為0.8%，鋼筋彈性模量2x105MPa，控制混凝土限制膨脹率0.05%，從式（5）可得：

σc=ρ·Es·εr=0.8%·2x105·0.05%=0.8MPa

也就是能讓混凝土獲得0.8MPa的預(yù)壓應(yīng)力，則混凝土最大允許法向應(yīng)力σmax提高為：

σmax=ft+σc=1.43+0.8=2.23MPa

比原混凝土提高約1.5倍，再把這個(gè)數(shù)值反代入公式（1），就能推出，使用膨脹混凝土的結(jié)構(gòu)物不開(kāi)裂長(zhǎng)度L可比普通混凝土大大提高。我們的結(jié)論是：如果按規(guī)范要求設(shè)置后澆帶間距為40米，按上述參數(shù)使用膨脹混凝土后可把該間距提高為60米。

混凝土限制膨脹率04

由式（5）可知，預(yù)壓應(yīng)力σc與限制膨脹率εr為正比關(guān)系，控制σc的關(guān)鍵就在于膨脹劑摻量，也就是控制限制膨脹率εr。

根據(jù)《混凝土膨脹劑應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》GBJ50119，通過(guò)試驗(yàn)可得出膨脹劑摻量和限制膨脹率的關(guān)系。以下以某種膨脹劑為例：

以上我們了解了“放”和“抗”的原理，在實(shí)際工程中聰明的工程師會(huì)采用這兩種方式互補(bǔ)——“放”、“抗”結(jié)合，解決溫度裂縫。

膨脹加強(qiáng)帶——“放”和“抗”相結(jié)合05

是否有必要提高整個(gè)底板混凝土的膨脹劑摻量（12%）來(lái)提高最大溫度應(yīng)力抗力呢？根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，每隔一段距離設(shè)膨脹加強(qiáng)帶（2~3米，膨脹劑摻量12%）就能降低整塊底板的膨脹劑摻量（9%）。其實(shí)膨脹加強(qiáng)帶就是一種“放”，用膨脹劑在混凝土中產(chǎn)生預(yù)壓應(yīng)力就是一種“抗”，這就是“放”、“抗”結(jié)合。如下圖所示：

膨脹應(yīng)力補(bǔ)償收縮應(yīng)力示意圖

膨脹加強(qiáng)帶的施工工藝即：先采用小膨脹混凝土（εr=2~3x10-4）澆筑加強(qiáng)帶兩側(cè)，待溫度和干縮變形得到有效釋放后，改用強(qiáng)度等級(jí)提高一級(jí)的大膨脹混凝土（εr=4~5x10-4）澆筑加強(qiáng)帶部分，如此可實(shí)現(xiàn)超長(zhǎng)混凝土結(jié)構(gòu)不留設(shè)永久性伸縮縫。