一、基本认识
无论大体积混凝土还是一般混凝土,在没有承受荷载情况下经常发生裂缝,这种裂缝通常被称为间接作用下的约束变形裂缝,或简称为变形裂缝。
混凝土施工期是变形裂缝高发期。分析裂缝产生机理可得出混凝土施工期因素关系如图1所示。
水泥水化热和混凝土失水是混凝土施工期间必然发生的,将引起体积膨胀或收缩变形。
水化热会引起混凝土升温体积膨胀变形,但同时散热也在进行,会引起混凝土降温体积收缩变形。在这个过程中,混凝土拌合物由软状变成硬状,且强度越来越高。
水泥水化要用掉一部分拌合用水,而大部分水将挥发掉,这一过程简称为失水,失水将引起混凝土体积收缩。
水化热和失水是混凝土施工期引起变形的主要因素。
混凝土施工期初期变形呈2种状态同时进行——升温引起的膨胀和降温加失水引起的收缩。此时混凝土强度增长较快,放出的水化热也多,但等到水化热基本释放完后,就只剩下散热降温和失水引起的体积收缩。
体积收缩的速度与降温和失水的速度有主要关系,而降温和失水的速度又与混凝土的外界条件有关。
通常,自由状态下体积变形不会引起混凝土的裂缝,问题是约束的存在。
约束存在于物体间的接触,使被约束物体的变形受到约束,也就是被约束物体将发生约束变形,从而产生约束应力,约束应力超过混凝土的强度导致裂缝产生。
约束有外部物体对混凝土的约束,如地基对基础的约束和混凝土内部相互约束。
约束变形发生在于混凝土与约束物之间的变形差(自由状态下两物体的变形差)。
因减少了变形差也就减少了约束变形及约束应力,约束应力小于当时的混凝土强度裂缝就不会发生。
在施工期间,混凝土在水化热和失水作用下会发生大的体积变化,或膨胀或收缩,因此要控制体积变化的量和速度以减小变形差。
二、一般性认识
1.温差
共时温差——同一时间结构内任意两点的温度差值。
历时温差——同一结构任意2个时间的温度差值。
2.变形
膨胀——由水化热或气温升温引起的混凝土体积变化。
收缩——由散热降温和失水引起的混凝土体积变化。
位移——由膨胀或收缩引起构件端部或附着其上的构件的移动。
3.变形因素
基本因素——混凝土浇筑后水泥水化产生的热,拌合用水的散失和气温变化。
影响因素——混凝土原料和配合比、生产方式、养护条件、建筑物或构件尺度、环境温度和湿度、风雨骤冷、阳光照射、使用条件等。
4.约束
混凝土各部分间的约束——混凝土内任何部位对相邻部位的约束。
混凝土各构件间的约束——混凝土结构构件对相邻构件的约束。
非混凝土体构成的约束——非混凝土体对相邻混凝土体的约束。
5.约束形式
约束形式按约束位置类型分顶端式、侧边式、混合式;按约束作用类型分端承作用、摩擦作用、胶结作用。
约束形式举例:
顶端式——框架柱对框架梁的约束、基础嵌入地基部位侧边受地基侧边的约束;
侧边式——地基对基础的约束、地下室底板对后浇筑的混凝土墙体的约束;
混合式——厚体混凝土内部对外部的约束;
端承作用——顶端位置的约束对混凝土体产生的约束作用;
摩擦作用——地基对基础的约束作用;
胶结作用——先浇筑的混凝土对后浇筑混凝土的约束作用 。
三、结构变形裂缝的认识
1.混凝土结构构件体态
厚体混凝土——厚度较大的混凝土构件,如大块的独立基础。
长体混凝土——除了厚度,其他2个尺寸(长或宽)较长的混凝土构件,如垫层、条形基础、框架梁、混凝土墙。
厚长体混凝土——厚度较大的长体混凝土构件,如较厚的地下室底板或筏形基础、大型条形基础、大型框架梁。
2.混凝土变形裂缝
厚体混凝土裂缝——水化热引起混凝土体内部较大升温及体积处于较大膨胀态,而表面降温过快使外部收缩,内部混凝土对外部混凝土收缩变形形成约束导致混凝土表面产生裂缝,这种裂缝为表面深裂缝。
长体混凝土裂缝——水化热使混凝土体升温,之后受降温和失水共同作用,混凝土的体积产生大的收缩变形,此时与混凝土体接触的物体将对其收缩变形形成约束从而导致出现断裂裂缝。
厚长体混凝土裂缝——厚体混凝土裂缝和长体混凝土裂缝同时发生在厚长体混凝土构件上。
四、施工期变形裂缝控制
1.厚体混凝土
根据经验,当内外温差不大于25℃时,混凝土构件不会产生表面深裂缝。因此,间接指标内外温差可用作控制裂缝不出现的标准。内外温差属于共时温差。减少温差应从两方面着手:控制最高温升(选用水化热少的水泥,减少水泥用量,掺加减水剂)和控制降温速度(切实采取保温措施、适当加热)。
2.长体混凝土
长体混凝土裂缝是由历时温差、混凝土失水(拌合用水)和约束等因素综合造成的。其裂缝控制应以使约束应力小于混凝土强度为出发点,采取一系列措施才能控制裂缝出现。通过控制约束应力,减少约束应变。措施如下:减小构件长度(设后浇带、分段浇筑),改变约束条件(视结构情况定),减少历时温差量和速度(同内外温差控制);减少失水量和速度(减少用水量、掺减水剂,采取保水措施);变形补偿(加微膨胀剂)。
五、188金宝博平台举例——天津周大福金融中心钢筋混凝土劲性柱裂缝
该188金宝博平台为天津周大福金融中心,100层, 高530. m。混凝土裂缝结构类型为钢筋混凝土劲性柱裂缝,裂缝位置位于52层外围框架柱;裂缝主要出现在混凝土框架柱的下部,大致呈水平状态。
裂缝产生相关因素分析如下。
(1)混凝土施工期柱结构变形特点:混凝土浇筑后,柱外围的混凝土会产生较大变形,而柱内部的钢骨柱不会发生变形。
(2) 混凝土施工期柱结构约束特点:钢骨柱约束柱外围的混凝土的变形。
(3) 钢骨柱对外围的混凝土产生约束的约束体:侧向钢板,钢栓钉。
(4) 约束的形式 :侧向钢板——侧边式、摩擦作用或胶结作用;钢栓钉——顶端式、端承作用。
(5) 裂缝产生过程:钢骨柱约束柱外围的混凝土的变形在混凝土中产生应力(图2)。
(6) 影响混凝土变形的一个重要特点:风大(高空)。
(7) 风大导致:混凝土降温和失水加剧→变形量加大,变形速度加快→增大约束应力。
(8)外围混凝土约束应力特征:钢柱约束混凝土产生的应力,沿混凝土柱向下叠加,即越向下越大。
(9)裂缝出现:当混凝土某部位(一般是下部)约束应力超过混凝土强度,裂缝出现。