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混凝土开裂现象研究进展回顾

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建 筑 技 术 第45卷第1期2014年1月 ・32・ Architecture Technolo ̄ ̄ Vo1.45 No.1 Jan.2014 混凝土开裂现象研究进展回顾 丁明浩 ,焦楚杰 ,-,张亚芳 ,黄 瑞 ,罗 乾 (1.广州大学土木工程学院,510006,广州;2.广州市建筑集团有限公司,510030,广州) 摘 要:针对混凝土结构的承载能力、耐久性及防水性能等多方面的要求,从材料种类、工程实效及操作方 法等方面介绍了混凝土裂缝研究在国内外的进展,分析裂缝产生的原因及推荐相应修补措施,并提出了预防混 凝土产生开裂的对策,为相关科研和工程技术人员提供了参考意见。 关键词:混凝土;裂缝;修补;预防 中图分类号:TU 755 文献标识码:A 文章编号:1000—4726(2014)01—0032—04 REVIEW ON RESEARCH OF CONCRETE CRACKING PROBLEM DING Ming—hao ,JIAO Chu-jie --,ZHANG Ya-fang ,HUANG Rui ,LUO Qian (1.School of Civil Engineering of Guangzhou University,510006,Guangzhou,China; 2.Guangzhou Municipal Construction Group Co.,Ltd.,510030,Guangzhou,China) Abstract:Considering the requi rements on bearing capacity,durability and waterproof quality of concrete structure,domestic and foreign development of concrete crack research is introduced on the aspects of material category,engineering performance and construction method,reasons for concrete cracking are analyzed and relevant repair measures are recommended.Countermeasures are put forward for prevention of concrete crack, providing references for scientific researchers and engineering technicians. Key words:concrete;crack;repair;prevention 混凝土在使用过程中受土壤、水及空气侵蚀,或混 剥落等现象,也会进一步加剧其他病害的发生与发展。 凝土材料本身有害成分的物理化学作用,会出现开裂、 延缓、减少混凝土的开裂现象对混凝土结构的安全性、 适用性、耐久性非常重要。混凝土结构的过早开裂与破 坏是资源和能源的巨大浪费,因此,国内外众多专家、 收稿日期:2013—08—16 基金项目:国家自然科学基金项目(51278135,50708022);广东省高等 学者和工程技术人员都非常重视该问题。 学校高层次人才项目(2050205);住建部科研开发项目(10一K3—27、 10一K4—18);广州市属高校“羊城学者”科研项目(10A043G);广州市 1 国外对混凝土裂缝及其性能的研究 博士后研究项目;2012年度国家级大学生创新训练项目 (20121 1078033) 由于混凝土种类和性能的多样性,并且在工程各 作者简介:丁明浩(1988一),男,江苏扬州人,硕士,主要研究方向为高强 领域所发挥的作用大不相同,故对混凝土各方面裂缝 高性能混凝土.e—mail:1505083430@qq.com. 研究可谓百家争鸣。 表4经济配筋率对应的内力臂系数 (1)当采用C30混凝土、HRB400强度等级钢筋 及弯矩(c30,HRB 400) 时。进行混凝土梁受弯承载力简化计算时的内力臂系 p M 数可取0.80; O.6O% O.92 M=2.Obhg (2)当采用C35混凝土、HRB 400强度等级钢筋 1.5O% O.81 M=4.4bhg 时.进行混凝土梁受弯承载力简化计算时的内力臂系 表5经济配筋率对应的内力臂系数 数可取0.85。 参考文献 及弯矩(c35,HRB 400) [1]GB 50010--2010,混凝土结构设计规范[S]. p M [2]梁兴文,王社良,李晓文,等.混凝土结构设计原理[M].第2版.北 0.60% 0.94 M=2.Obh] 京:科学出版社。2007. 1.5O% 0.84 M=4.4bhg [3]范家骥,高莲娣,喻永言.钢筋混凝土结构[M].北京:中国建筑工业 出版社,1998. 土梁配筋率不大于1.6%时,基于目前我国梁纵向受拉 [4]赵国藩.高等钢筋混凝土结构学[M].北京:机械工业出版社,2005. [5]沈蒲生,梁兴文.混凝土结构设计[M].北京:高等教育出版社, 钢筋大量采用HRB 400强度等级钢筋,混凝土强度等 2003 级多为C30或C35的现状,提出如下建议: 2014年1月 丁明浩。等:混凝土开裂现象研究进展回顾 ・33・ 英国利兹大学J J Brooks ̄13X Jiang(1997)提出: 由于某种形式.干燥收缩实际上是混凝土内在开 究。刚度退化主要原因是混凝土中软化开裂的应力应 变关系发生变化。提出了一个刚度退化因子模型. 利用计算出的系数估测基于能量原理的最大混凝 土裂缝,从而得出混凝土结构的刚度退化量。 美国奥本大学Beniamin E Byard和Anton K 裂。对于相对较厚的混凝土,从干燥收缩和内部约束的 差别可得出表面裂缝是由于拉应力引起。如果不在试 验室测量,可能还取决于拉伸变形、拉伸强度和拉伸应 变能力等性能。 加拿大戴尔豪斯大学John Newhook,Amin Ghali Schindler等(2011)分析认为桥面板早期开裂是一个严 重问题,可能降低使用性能,缩短使用寿命。使用轻细 骨料对混凝土桥梁桥面开裂进行评价.采用cracking— frame ̄I]试技术。试验认为混凝土内部固化是由于轻骨 等(2002)采用纤维增强复合材料(玻璃钢)作为钢筋混 凝土的受弯部分,有效了裂缝宽度,使其在拉应力 的范围内有一定的抗拉强度。研究表明,当使用玻璃钢 加固的梁具有一定的允许应变范围.相对于矩形和T形 截面而言是一个很大的突破。 加拿大新宾士威克大学Peter H Bischoff和 Richard Paixao(2004)对纤维增强复合材料进行更深 入的研究,将玻璃纤维增强塑料(玻璃钢)的收缩列入 分析对象。结果表明,刚度较低的玻璃钢混凝土具有更 大的张力,相对于普通钢筋混凝土有较为复杂的轴向 应变。混凝土横向开裂是由于玻璃钢混凝土的不稳定 性所造成,而纵向劈裂裂缝相对稳定。 英属哥伦比亚大学N Banthia ̄HR Gupta(2006)对 塑性收缩开裂进行了有价值的研究,塑性收缩试验使 用聚丙烯完全封闭覆盖技术,该技术在干燥环境下进 行,并且充分考虑了开裂的覆盖监测时间和特点。结果 表明,聚丙烯有效控制了混凝土塑性收缩裂缝。此外, 纤维颤动(活性纤维)似乎是非常有效的控制塑性开 裂,关于该方面有待进行更加深入的研究。 2007年加拿大的建筑行业竞争性考试主题是提高 土木工程基础设施建设,即创新技术和结构健康监测 (系统)。第一现场是在新斯科舍的鲑鱼河大桥,该桥是 应用无钢混凝土桥面板技术,虽然这座桥在交通荷载 下继续履行了安全功能,但仍出现不少裂缝。John Newhook等人经过研究,建立一个监测模型来监测裂 缝的变化.创新的提出了利用矩阵和负载变化值分布 确定抗裂指数,可用于监测结构。 法国巴黎东方大学C Boulay,S Dal Pont ̄P Be. 1in(2009)提出饱和混凝土实时之间的关系演变,即电 阻和裂缝宽度。经试验加强和调整,使监测单裂纹 状态和电阻关系成为可能。试验结果表明,只有当电阻 达到负荷峰值时裂纹才开始出现,电导模拟同时,也会 考虑到(简体)形态的裂纹和假设恒定值的电解质电导 率,电导模型和试验已被证明电阻和裂缝存在一定关 系。 美国特拉华大学Paolo Gardoni和David Rosowsky (2010)对锈胀裂缝中钢筋混凝土结构刚度退化进行研 料(陶粒)的混合物吸收水分所造成。陶粒吸收水分过 程出现在水化早期,释放内部固化水增加胶凝材料水 化程度,以此衡量裂缝发展的应力和自收缩影响,从开 始设置到出现开裂,约束混凝土试件在温度条件相符 的桥面和等温固化条件下,确定应力发展是由于自收 缩引起的。陶粒内部固化增加了初始开裂时间,减小了 自收缩应力发展,并增加了桥面混凝土水化程度。 曼哈顿大学G Nossoni和密歇根州立大学R S Harichandran(2011)利用电化学机理模型检测钢筋混 凝土腐蚀开裂,模型使用扩散的氧气和水分通入混凝 土和锈层,致使锈由于禁闭而流到混凝土孔隙内.发展 成内部压力。利用有限元软件分析裂缝模型参数,结果 表明,裂缝的主要控制因素是电流腐蚀时间,边界条件 和混凝土覆盖面的水灰比。 2国内对混凝土裂缝及其性能的研究 天津大学王铁成、杨建江和方凡(1997)应用分形 (fracta1)理论研究混凝土结构几何损伤形态,分析了 其适用条件,对混凝土结构损伤开裂形态、裂缝覆盖 率、总延长和分歧延伸作了定量化解析,讨论了分形特 征值和混凝土强度、裂缝宽度的关系,为混凝土结构损 伤几何形态及耐久性定量评价提供了新的解析手段。 陈翠红、王元等(2002)通过对大流态混凝土早期 裂缝产生的原因及主要影响因素进行分析。提出了采 用化学减缩剂对早期裂缝进行控制的方法,所研制的 化学减缩剂可控制早期裂缝高达80%以上。 哈尔滨工业大学巴恒静、高小建(2002)和武汉理 工大学的查进及周明凯等(2007)先后对高性能混凝土 产生早期裂缝的原因进行分析,得出温度收缩是造成 高性能混凝土早期裂缝的主要原因,其次是混凝土自 收缩。而干缩对高性能混凝土早期裂缝的影响可忽略 不计.在此基础上提出了降低混凝土温度收缩和自收 缩的防裂措施。 清华大学土木工程系陆新征,江见鲸(2004)利用 无网格方法调整节点分布,通过增加裂缝节点和裂面 ・34・ 建筑技术 第45卷第1期 边界的方法加以模拟,并给出了宏观裂缝产生,扩展的 具体模拟方法。通过算例表明:利用提出的方法,可较 准确地分析混凝土宏观裂缝产生、扩展及裂缝宽度变 化。得到传统有限元方法难以得到的计算结果。 对裂缝进行防水处理最简单有效的方法是进行表面 防水处理。(2)填充法:用修补材料直接填充裂缝,一 般用于修补较宽的裂缝(0.3 mm),作业简单,费用低; 宽度小于0.3 mm、深度较浅的裂缝或是裂缝中有充填 物。用灌浆法很难达到效果的裂缝,以及小规模裂缝 的简易处理可采取开V形槽,然后填充处理。(3)灌浆 法:此法应用范围广,从细微裂缝到大裂缝均可适用, 处理效果好;一般不承受较大荷载的结构可使用纯水 泥浆,而对于梁板等承受较大荷载的结构,使用水泥: 沈阳建筑大学唐明、傅柏权(2006)采用平板约束 法对不同水灰比的混凝土早期开裂进行测试,并应用 分形理论测量并计算不同水灰比混凝土裂缝的分形维 数。水灰比从0.44减小到0.28,6 h裂缝总长度增加2.1 倍,最大裂缝宽度增加了5.9倍,分形维数从0.95增加到 1.14。研究表明:水灰比减小加剧了混凝土塑性开裂, 应用分形理论定量描述混凝土早期裂缝的分布规律十 分有效,为评价早期开裂提供了有力工具。 南京工业大学刘加平等(2011)研究了体表比对混 凝土干燥收缩的影响以及混凝土轴向抗拉强度和弹性 模量与龄期的关系,建立了混凝土收缩预测公式,计算 了混凝土内部收缩应力,评价了体表比对混凝土开裂 风险的影响。结果表明:混凝土轴向抗拉强度和弹性模 量与龄期均成双曲线关系,且相关性较高。随着试件体 表比降低,混凝土的干燥收缩值增加,内部收缩应力增 大,其开裂风险提高。 浙江大学蒋梅玲、金贤玉等(2011)依据宏观断裂 力学和微观损伤理论,研究混凝土断裂过程对断裂韧 度的影响。数值模拟结果表明:应力强度因子和裂缝尖 端位移均随着龄期增加而增加。但在同一龄期,初始缝 高比对应力强度因子和裂缝尖端位移的影响并不明 显。采用改进模型进行的数值模拟结果与实验结果吻 合良好,表明该开裂模型能准确描述混凝土的临界开 裂,可作为评价混凝土开裂与否的理论判据。 3混凝土结构裂缝的调查、诊断与修补 对裂缝的调查,其对象不仅为开裂现象,同时也须 考虑开裂原因。混凝土开裂的常见原因有:收缩、温度、 钢筋锈蚀、材料性能不良、荷载、碱一骨料反应和环境因 素等。为此,调查裂缝前须掌握以下有关事项:(1)设计 图纸;(2)施工记录;(3)建筑物的履历;(4)混凝土的 状态等。 裂缝的修补应根据裂缝收缩产生的危害以及裂缝 的宽度来决定,裂缝修补并非为了短时间的性能恢复, 而是以由于裂缝损伤的建筑物性能恢复到原有状态为 目的。为此,修补材料、修补工法的耐久性在设计阶段 须进行充分研究。 混凝土裂缝的处理主要有以下几种方法。(1)表 面处理法(表面涂抹或表面铺贴):该方法针对结构未 造成影响的微小且不活动裂缝,主要为防水防渗漏, 膨胀剂为9:1搅拌成水泥浆在裂缝处搓抹。(4)结构补 强法:因超荷载产生的裂缝、裂缝长时间不处理导致 的混凝土耐久性降低、火灾造成的裂缝等影响结构强 度的问题可采取结构补强法,包括截面补强法、锚固 补强法及预应力法等。 4预防混凝土结构开裂对策 4.1预防收缩引起混凝土开裂对策 (1)在浇筑混凝土后应及时覆盖养护,增加环境 湿度。 (2)夏季施工时,要按时浇水养护,以防温差过大 引起裂缝。 (3)预拌混凝土在满足可泵性、和易性的前提下 应尽量减小出机坍落度,降低砂率,严格控制骨料的含 泥量。 4.2预防温度引起混凝土开裂的对策 预防因温度引起混凝土结构开裂的措施主要有以 下几点。 (1)采用改善骨料级配,添加掺合料,加引气剂、 塑化剂等措施以减小水泥用量。 (2)在拌和混凝土时可在水中加冰块,或将碎石 冷却后再拌和,以降低浇筑温度。 (3)热天浇筑混凝土时应减小浇筑厚度,利用浇 筑层面散热,可在混凝土中埋人冷却管,通入冷水降 温。 (4)当气温降低幅度大时应进行表面保温,防止 混凝土内外温差过大。 4.3预防钢筋锈蚀引起混凝土开裂的对策 (1)合理的结构设计:结构设计应符合《混凝土结 构设计规范》(GB 50010--2010)中混凝土的耐久性规 定要求。 (2)保证有足够的混凝土保护层厚度,适当加大 保护层厚度是提高混凝土结构耐久性,延长混凝土结 构使用寿命的重要措施。 (3)提高混凝土的密实度,降低混凝土的孔隙率, 2014年1月 丁明浩,等:混凝土开裂现象研究进展回顾 ・35・ 阻止有害物质侵入混凝土内。 4.8预防基础不均匀沉降引起混凝土开裂的对策 (4)选用性能良好的外加剂,如减水剂、弓1气剂和 阻锈剂等。 (5)氯盐含量,氯盐污染是诱发钢筋腐蚀的 重要因素。 对于因沉降而造成的混凝土结构开裂,在动工前 应准确查清地质情况,采用可靠的基础方案,保证基 础、基础梁及上部结构的刚度。体形复杂的要适当设置 沉降缝,并做好防水处理。 (6)采用阴极防腐法。 4.4预防材料性能不良引起混凝土开裂的对策 5结语 混凝土因其抗拉强度较低、脆性大、极易开裂,在 (1)在选择水泥、砂、石等材料时,应根据结构的 要求选择符合规范要求的材料。 (2)积极应用补偿收缩混凝土技术,在混凝土中 加入一定量的膨胀剂补偿混凝土收缩是解决混凝土由 于收缩而产生裂缝的有效措施。 (3)确定合理适用的配合比和坍落度等指标。 4.5预防荷载引起混凝土开裂的对策 荷载型裂缝的分布具有很强的规律性,荷载型裂 缝通常严格执行设计、施工和验收规范,及正确选材, 采取得当构造措施是可以防止裂缝出现或出现裂缝而 不超限值,否则会可能导致出现超出规范的可见 裂缝。 4.6预防碱一骨料反应引起混凝土开裂的对策 预防碱骨料反应最直接、最有效的技术措施就是 降低混凝土内部碱含量。混凝土中的碱源于两方面: 一方面是配制混凝土时形成的碱,包括水泥、掺合料、 外加剂和混凝土拌合用水中的碱;另一方面是混凝土 结构物在使用过程中从周围环境中侵入的碱,如海 水、融雪剂等所含的碱。因此在降低混凝土内部碱含 量时。不仅要水泥的碱含量,还要控制混凝土的 总含碱量。 4.7预防环境因素引起混凝土开裂的对策 4.7.1预防硫酸盐腐蚀引起混凝土开裂的对策 (1)混凝土结构中使用的水泥是决定该构件抗硫 酸盐腐蚀的关键,因此要选用抗硫酸盐水泥。 (2)选用抗硫酸盐矿物质掺合料,如硅粉、粉煤灰 及复合超细粉等。 (3)降低混凝土的水灰比,低水灰比的混凝土具 有较高的抗渗性和耐久性。 4.7.2预防风蚀、冻害引起混凝土开裂的对策 风蚀只会对混凝土表面产生影响,因此,可增加混 凝土保护层厚度,或采取表面覆盖、涂抹抗风涂料等方 法。 要提高混凝土的抗冻耐久性,首先要选择合适的 水灰比和水泥的最低用量;选择抗冻性较好的骨料;保 证混凝土有必要的含气量。另外,还要保证混凝土达到 抗冻害的有关规定。 许多工程中暴露出诸多弊端,给建筑物带来了严重危 害。混凝土裂缝是影响混凝土结构安全性、适用性和耐 久性的重要方面之一,而混凝土往往由于各种不同的 因素致使其出现裂缝,这些因素并不是孤立的,而是相 互联系、相互制约的,须加以全面、系统的考虑。同时, 对于钢筋混凝土裂缝的研究和基于这些研究之上的创 新理念和实践,还需国际与国内土木工程研究者们深 入分析与探讨,加强合作与交流,以取得更大突破。 参考文献 [11张克强,卫军,徐港.锈蚀钢筋混凝土小偏心受压构件承载力评估 【J].华中科技大学学报(自然科学版),2008,36(4):107—110. 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