科技信息 。建筑与工程Ｏ ＳＣＩＥＮＣＥ＆ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ ＩＮＦＯＲＭＡＴＩＯＮ ２０１１年第１１期 超长混凝土结构裂缝成因与温度 作用效应分析 张建华 （宁夏人防设计院 宁夏银川 ７５０００１） 【摘要】混凝土结构裂缝成因比较复杂，而主要结构裂缝可分为两大类：一类是结构裂缝，主要是由外荷载引起的。一类是材料型裂缝，主 要是由变形引起的，主要是由温度和收缩应力引起的。荷载作用是一种直接作用，而变性作用则是一种间接作用，与约束有着密切的关系。工程 实践中的许多裂缝现象无法用荷栽原因解释，而温度及收缩作用则是混凝土开裂的主要因素。 【关键词】超长混凝土结构；温度应力；耐久一ｌ＃－；收缩变形；抗拉强度；硬化收缩 Ｏ引言 月至数月以内产生，主要发生的部位在应力较集中部位以及温度变化 较大的部位，一般为底层和顶层数层梁板以及外墙、挑檐、栏板等外露 近年来，我国城市建设不断加快，为适应新的城市功能，超长混凝 构件。除了上述裂缝以外．也有一些裂缝是由于设计和施工不当造成 土应用越来越广泛，形式也越来越复杂。这类结构，由于外部荷载引起 的。 结构裂缝的可能性很小。如前所述，超长混凝土的开裂主要是由温度 及收缩应力引起的，当混凝土内部产生的温度应力超过混凝土的极限 ２温度作用效应 抗拉强度的时候，混凝土就会被拉断，裂缝自然就产生了。温度及收缩 自然环境在不停的变化．因此．建筑物从施工到正式使用阶段时 应力引起的裂缝约占８０％，这些裂缝对结构耐久性和安全性带来了很 刻都受到各种自然环境条件变化的影响。自然环境的变化所引起的温 多危害。 度作用可分为：日照温差、骤然温差、季节温差三大类。 ２．１ 骤然温差：骤然温差主要是指建筑物在冷空气侵袭作用下和日 １超长混凝土裂缝成因 Ｉ．１温度应力引起的裂缝 ２．２ 日照温差：指的是在同一天．太阳照射在混凝土结构不同部位所 筑物影响不容忽视。建筑物的环境温度由空气温度和太阳热辐射在建 引起的温差。其中主要考虑的是顶层太阳辐射作用以及夏Ｅｌ太阳暴 筑物表面产生的日照温度组成。当结构或构件变形受约束时将产生应 晒、骤然大雨等最不利情况。由于混凝土传热能力低，大气温度变化向 力。根据钢筋混凝土温度应力产生的原因，混凝土温度应力可分为以 构件内部传播地很慢．日平均温度变化只引起结构表面的局部效应， 下两种： 热胀冷缩是物体受温度作用的一种自然现象．然而温度作用对建 落后夜间形成的内高外低温差。短时的强冷空气显著影响结构温度， 不容忽视．通过加强保温、隔热措施解决其产生的不利影响。 ２．３季节温差：季节温差是混凝土结构闭合阶段的施工期温度与使 它主要是由于钢筋混凝土结构本身的约束而产生的，且在整个断 用阶段温度之差，也称结构中面温差，只要是由长期缓慢的气温变化 面上，产生的拉应力与压应力保持平衡。例如，在混凝土冷却时．内外 所致，对结构的变形影响较大。对于超长混凝土结构，主要考虑季节温 存在温差，混凝土表面的温度收缩变形收到内部的约束．则在表面产 差的影响。季节温差引起的温度变化随龄期成周期性变化，据大量统 生拉应力，在内部出现压应力；或者，混凝土收缩时受到内部钢筋的制 计数据表明，大气温度变化基本符合余弦函数的变化规律。其表达式 约等等。 １．ＩＪ２外约束应力。 １．１．１ 自生应力。 所以可不必考虑。 最高气温； 是年最低气温；ｔ是计算时的龄期；ｔ。是结构开始受温度 能自由变形而引起的外约束应力。例如楼板受到梁柱的约束、框架梁 影响时的龄期，一般取水化热释放完毕时龄期，对超长混凝土结构可 的变形受到柱子的约束、框架变形受到地基基础的约束、墙板受到基 取７ｄ；ｔ 是结构开始受到温度作用影响时到第一年最高温度出现的时 础的约束、基础板受到梁和地基的约束等等。 间间隔。 可见，研究温度对结构变形影响时，约束则是一个不可忽视的基本概 温度应力计算时需要考虑的是结构内部的温度而不是大气温度， 念。当温度发生变化时，对于超长混凝土结构无论是外约束还是内约 因此，要通过传热学方法计算在周围气温条件下得到的结构内部温 束由于温差产生的温度变形无法自由释放，结构均会产生温度应力， 度。精确计算构件的季节温差并非易事，一般设计时综合考虑各种因 当此应力大于混凝土抗拉强度时，即产生裂缝。 素，采用估算值。一般情况下．设计时并不确定混凝土的浇筑时间，所 １．２混凝土收缩应力导致的裂缝 以，在进行季节温差计算时一般偏保守考虑。混凝土的浇筑时间选为 混凝土的重要组成部分是水泥和水，其收缩主要是由干燥失水和 夏季。综合其它各种因素，在西安地区的季节温差一般取４０℃。 碳化作用引起的。混凝土在结硬过程中发生不同程度的体积收缩，这 是一个物理一化学过程。混凝土收缩受混凝土强度等级、水泥品种、水 ３超长混凝土结构楼板裂缝产生的危害 灰比、坍落度、养护（保温、保湿）、外界环境、振捣方式及时间等各种因 如今，超长混凝土结构在工业与民用建筑、桥梁隧道、高速公路、 素的影响。混凝土收缩种类繁多，主要有干燥收缩、自生收缩、塑性收 水工大坝、海洋机场等工程项目中，逐渐得到了广泛应用。然而，在实 缩、碳化收缩。混凝土干燥收缩就是指混凝土在硬化过程中．由于温度 际工程中，裂缝问题不可避免。裂缝的存在一方面影响了结构的美观 应力作用，混凝土内部的水分不断向外散失产生的体积收缩容易产生 和正常使用；另一方面削弱了结构的刚度和整体性，导致很多工程事 裂缝造成混凝土强度和耐久性下降。水泥浆的化学结合水与水泥一起 故发生。 在早期结硬过程中产生少量的收缩，叫做“硬化收缩”，也叫自生收缩。 众所周知，混凝土的抗压强度和极限压缩变形能力较强，然而抗 自生收缩与干燥收缩一样，是由于水分的迁移造成的。塑性收缩的量 拉强度和极限拉伸能力相对较弱。抗拉强度仅是抗压强度的１／８—１／２０ 级很大，可达１％左右，在混凝土终凝前的塑性阶段，混凝土会发生泌 左右；２８天龄期Ｃ２０号混凝土的极限拉伸值不超过１．０ｘｌ０ 。因此超 水和水分快速蒸发的现象。并且水泥活性大，混凝土在浇筑后４—１５ｈ 长混凝土楼板产生裂缝．主要是由于拉应力值超过了混凝土抗拉强 内混凝土温度较高，水泥水化反应激烈，容易在表面出现龟裂。碳化收 度，或者是拉伸应变超过了极限拉伸值。超长混凝土结构楼板一旦产 缩主要是由大气中的二氧化碳和水泥的水化物发生化学反应产生的。 生裂缝．将会对建筑结构产生安全上以及使用上的影响。若外部环境 该反应需特定的温度和环境，主要发生在混凝土面层。实际工程中较 的有害成分侵入，裂缝部分会持续扩大并碳化，从而（下转第２２８页） 常见的温度收缩裂缝，一般发生在混凝土浇筑后一年内．但大多在半 钢筋混凝土结构的全部或部分受到外界约束．温度收缩变形时不 为：Ｏ（ｔ）＝ ＣＯＳ［２ｎｒｒ（ｔ—ｔｏ－ｔ＾）／３６５］ 式中：取一年为３６５ｄ； ＝（ ＞／２；￡）ｌ＝（‰一 ）／２；目一是年 ２０１１年第ｌ１期 ＳＣＩＥＮＣＥ＆ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹＩＮＦＯＲＭＡＴＩＯＮ Ｏ建筑与工程０ 科技信息 ２解决外加剂与水泥的不相适应问题的对策 外加剂与水泥的适应性是个错踪复杂的问题．出现外加剂与水泥 的不相适应问题．混凝土厂家及时对策： 外加剂的选择应注意选择大的厂家。因为大的厂家自动化程度高，技 术水平高．产品质量稳定、品种多。处理问题能力强。而小的厂家，人工 操作，产品不稳定，甚至有的厂家只是进半成品复配，进的原料质量都 难以保证．供给的外加剂质量也是难以有稳定的质量。 根据情况，以实验为基础，分析查找原因，调整混凝土配合比，提 ３．３粉煤灰的选择 高出厂坍落度，减少坍落度损失。常要调整粉煤灰用量，提高外加剂用 粉煤灰的影响主要有含碳量的影响．含碳量大的粉煤灰需水量 量，提高外加剂在混凝土中的液相残留，保持水灰比不变，提高水泥用 大，另外，粉煤灰越细，球型玻璃体含量越高，越能改善混凝土的性能， 量，这无疑提高了单方造价。或可采用二次添加法，即将出厂坍落度控 使需水量越小，粉煤灰的使用需要粉煤灰有减水效果。粉煤灰细度的 制在８０～１００．到工地使用前用外加剂溶液强搅约２ｍｉｎ调整到１４０，这 选择．比表面积在４５０ｍ２／ｄ～５５０ｍ２／ｄ、０．０４５ｒａｍ筛余在１２％一５％的粉煤 样更加经济有效。 灰与水泥颗粒能形成良好的级配组合。更好发挥微集料的填充效应， 混凝土厂家水泥常因库存量大，需要外加剂去适应水泥，即要外 对混凝土耐久性有利。粉煤灰的使用选择烧失量＜５％、需水量＜１００％ 加剂厂家调整配方，根据混凝土厂家使用的水泥调整外加剂中减水 的Ｉ、Ⅱ粉煤灰较好。 剂、缓凝剂的品种和掺量，或增加保塑剂、气泡稳定的引气剂等。 水泥厂家改变原材料来源、改变工艺，均会造成水泥品质的很大 混凝土配合比的确定，还需要考虑到混凝土的凝结时间，外加剂 改变，所以应要求水泥厂家出现这些情况应事先通知，如果生产出的 中有缓凝成份，较高的气温突然骤降，混凝土中外加剂用的过多，没有 水泥不能达到使用要求。则应要求水泥厂家恢复原有品质。或重新选 及时调整配方，造成混凝土长时间不凝结，严重影响混凝土强度，夏季 择水泥。 施工也应避开高温风大的中午时段，对原材料进行降温处理。混凝土 施工配合比中砂率的确定．还要根据砂细度的大小．粗骨料的孔隙率 ４结束语 调整大小 混凝土外加剂与水泥的适应性问题，是个错综复杂的问题，但也 是一个必须了解和基本掌握的问题。预防和处理混凝土出现外加剂与 水泥的适应性问题。首先要从混凝土原材料人手。原材料的选择不当， 均会给施工带来问题，增加费用，甚至造成工程事故，所以混凝土厂家 ３水泥、外加剂、粉煤灰的选择 ３．１水泥的选择 从外加剂与水泥产生不相适应问题的因素中．可以发现需水量大 的水泥，更容易出现与外加剂不相适应问题。所以应选择使用需水量 应该以实验为基础慎重科学地选择使用材料。ｅ 小，强度又较高的水泥。对于配制高性能混凝土，选择这样流变性好， 【参考文献１ 反应性能低的水泥更加重要。实验选择方法：以不同的厂家的外加剂 ［１］冯浩，朱清江．混凝土外加剂工程应用手册［Ｍ】．北京：中国建筑工业出版社， 检测该种水泥的净浆流动度或砂浆流动度．对多种外加剂均出现了最 ２ｏ０５． 大的流动度和最小的流动度损失的水泥，与外加剂适应性好，应选择 ［２］王华生，赵彗如．混凝土技术禁忌手册【Ｍ】．ｊＥ京：机械工业出版社，２００２． 使用。 ３．２外加剂的选择 ［３］胡红梅，马保国．矿物功能材料改善混凝土氯离子渗透性的试验研究［刀．混凝 土．２０ｏ４（２）． 应用已知与外加剂适应性较好的水泥实验，选择其能使该水泥砂 浆流动度较大的外加剂，并应试验掺加该外加剂的混凝土工作性能。 ［责任编辑：曹明明】 （上接第２２９页）５．１小梁底部垂直加腋，增加了核心区混凝土的体 积，有效转移了梁端塑性铰。减小了节点核心区钢筋的滑移，保护了节 【参考文献】 点区。但梁腋远离柱面的一端，由于截面变化造成该处应力集中．为防 ［】］白国良，李红星，朱佳宁．钢筋混凝土异型节点的抗震性能试验研究田．建筑 ２００４，２５（３）：８５—９１． 止该处混凝土崩裂，箍筋和纵筋外露，在梁纵筋弯起处要增加约束钢 结构学报．［２］吴涛，刘伯权，白国良，等．大型厂房钢筋混凝土框排架结构中异型节点的抗 筋防止混凝土崩裂。 Ｊ１．土木工程学报，２００６，３９（４）：１－６． ５．２采用弯折钢筋的方法转移塑性铰。可以有效的解决梁纵筋的滑 震性能和设计方法研究ｆ移问题，提高梁对节点核心区的约束作用．从而提高节点核心区的抗 ［３］ＧＢ５００１１－２００１建筑结构抗震设计规范ｆｓ】．北京：建筑工业出版社，２００１． ［４］ＧＢ５００１０－２００２混凝土结构设计规范ｆＳ１．北京：建筑工业出版社，２００２． 剪刚度以及梁柱组合体的耗能和延性。 ５．３试件达到通裂阶段前．节点剪力和剪切角骨架曲线基本呈直线 作者简介：沈华，男，汉族，宁夏银川人，１９９０年毕业于郑州工学院，高级工 变化，且剪切角较少，发展缓慢；试件通裂以后，随着外荷载的不断增 程师．现主要从事建筑结构设计方面的工作。 大，核心区剪切角迅速增大．节点变形主要集中在这一阶段。 ５．４在对梁破坏和节点破坏模式的分析基础上，建议节点区布置短 钢筋并附加锚具、提高配箍量，实现节点破坏模式的转变。 ［责任编辑：张慧］ （上接第２４３页）导致使用性能降低，最终造成结构物使用寿命缩短， 土的抗拉强度；第二，减小混凝土结构中的应力和应变值，使结构中的 甚至会影响结构物的安全性。在北方地区．混凝土一旦产生裂缝，水分 应力和应变小于混凝土的抗裂能力，使工程既安全又经济。 就会乘虚而人．即使渗入很浅，但当外界气温降到－２℃以下时，水分会 凝结成冰，水分结冰后体积膨胀。从而导致裂缝边缘散裂，而冰融循环 一【参考文献】 刘兴法．混凝土结构的温度应力分析（Ｍ】．北京：人民交通出版社，１９９１． 次散裂就发生一次，这样，裂缝将加宽。裂缝的产生加速了混凝土的 ［１］［２］富文权，韩素芳．混凝土工程裂缝分析与控制［Ｍ】．北京：中国铁道出版社， 中性化。使钢筋腐蚀速度变快。 ２ｏ０２． ４结束语 根据几十年来世界各国的工程实践总结，我们了解到要控制超长 混凝土结构产生裂缝必须采取综合有效措施，从设计到施工都要做到 认真把好每一关。我们可以通过两点来进行裂缝控制：第一，提高混凝 作者简介：张建华（１９６３一），男，汉族，１９８５年毕业于宁夏建筑工程学校，现 主要从事结构设计方面的工作。 【责任编辑：王明朝］