地下結構裂縫產生的原因分析

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結構裂縫產生的原因很復雜，根據國內外的調查資料，引起裂縫有兩大類原因，一種由外荷載（如靜、動荷載）的直接應力和結構次應力引起的裂縫，其機率約20%；一種是結構因溫度、膨脹、收縮、徐變和不均勻沉降等因素由變形變化引起的裂縫，其機率約80%。裂縫發(fā)生與材料、設計、施工和維護有關，現作以下分析。

　　1 材料缺陷

　　在變形裂縫中收縮裂縫占有80%的比例，從砼的性質來說大概有：

　　1.1 干燥收縮

　　研究表明，水泥加水后變成水泥硬化體，其絕對體積減小。每100克水泥水化后的化學減縮值為7～9ml，如砼水泥用量為350kg/m³，則形成孔縫體積約25～30L/m³之巨。這是砼抗拉強度低和極限拉伸變形小的根本原因。研究表明，每100克水泥漿體可蒸發(fā)水約6ml，如砼水泥用量為350kg/m³，當砼在干燥條件下，則蒸發(fā)水量達21L/m³。毛細孔縫中水逸出產生毛細壓力，使砼產生“毛細收縮”。由此引起水泥砂漿的干縮值為0.1%～0.2%；砼的干縮值為0.04%～0.06%。而砼的極限拉伸值只有0.01%～0.02%，故易引起干縮裂縫。

　　1.2 溫差收縮

　　水泥水化是個放熱過程，其水化熱為165～250J/g，隨砼水泥用量提高，其絕熱溫升可達50～80℃。研究表明，當砼內外溫差10℃時，產生的冷縮值εc=△T/α=10/110-5=0.01%，如溫差為20～30℃時，其冷縮值為0.02%～0.03％，當其大于砼的極限拉伸值時，則引起結構開裂。

　　1.3 塑性收縮

　　砼初凝之前出現泌水和水份急劇蒸發(fā)，引起失水收縮，此時骨料與水泥之間也產生不均勻的沉縮變形，它發(fā)生在砼終凝之前的塑性階段，故稱為塑性收縮。其收縮量可達1％左右。在砼表面上，特別在抹壓不及時和養(yǎng)護不良的部位出現龜裂，寬度達1～2mm，屬表面裂縫。水灰比過大，水泥用量大，外加劑保水性差，粗骨料少，振搗不良，環(huán)境溫度高，表面失水大等都能導致砼塑性收縮而發(fā)生表面開裂現象。

　　1.4 自生收縮

　　密封的砼內部相對濕度隨水泥水化的進展而降低，稱為自干燥。自干燥造成毛細孔中的水分不飽和而產生負壓，因而引起砼的自生收縮。高水灰比的普通砼（OPC）由于毛細孔隙中貯存大量水分，自干燥引起的收縮壓力較小，所以自生收縮值較低而不被注意。但是，低水灰比的高性能砼（HPC）則不同，早期強度較高的發(fā)展率會使自由水消耗較快，以至使孔體系中的相對濕度低于80%。而HPC結構致密，外界水泥很難滲入補充，在這種條件下開始產生自干收縮。研究表明，齡期2個月水膠比為0.4的HPC，自干收縮率為0.01%，水膠比為0.3的HPC，自干收縮率為0.02%。HPC的總收縮中干縮和自收縮幾乎相等，水膠比越小自收縮所占比例越大。由此可知，HPC的收縮性與OPC完全不同，OPC以干縮為主，而HPC以自干收縮為主。問題的要害是：HPC自收縮過程開始于水化速率處于高潮階段的頭幾天，濕度梯度首先引發(fā)表面裂縫，隨后引發(fā)內部微裂縫，若砼變形受到約束，則進一步產生收縮裂縫。這是高標號砼容易開裂的主要原因之一。

　　1.5 減水劑的影響

　　人們發(fā)現，自二十世紀八十年代中期推廣商品（泵送）砼以來，結構裂縫普遍增多，這是為什么呢？除了與砼的水泥用量和砂率提高有關外，人們忽視了減水劑引起的負面影響。例如過去干硬性及預制砼的收縮變形約為4～6×10-4，而現在泵送砼收縮變形約為6～8×10－4，使得砼裂縫控制的技術難度大大增加。研究表明，在砼配合比相同情況下，摻入減水劑的坍落度可增加100～150mm，但是它與基準砼的收縮值相比，卻增加120%～130%。所以，在《砼減水劑》規(guī)范GB138076-97中規(guī)定摻減水劑的砼與基準砼的收縮比≤135%。研究表明，摻入不同類型的減水劑砼的收縮比是不相同的，一般是：木鈣減水劑>萘磺酸鹽減水劑>三聚氰胺減水劑>氨基磺酸減水劑>聚丙烯酸減水劑。這說明商品砼澆筑的結構開裂機率大與減水劑帶來負面影響有關。其機理尚不清楚。

　　以上是從水泥砼物理化學特性分析其各種收縮現象，早期塑性收縮會導致結構出現表面裂縫，砼進入硬化階段后，砼水化熱使結構產生溫差收縮和干燥收縮（包括自干收縮），這是誘發(fā)裂縫的主要原因。近十年大量使用商品砼開裂增加，除與單方砼水泥和摻合料用量增加外，減水劑增加砼收縮值變形的負面影響也是一個重要因素。

　　2 設計問題

　　鋼筋砼結構是由砼和鋼筋共同承擔極限狀態(tài)的承載力，結構設計師根據地基情況，靜、動荷載、環(huán)境因素、結構耐久性等控制荷載裂縫。這里不作討論。從國內外有關規(guī)范可知，對結構變形作用引起的裂縫問題，客觀上存在兩類學派：

　　第一類，設計規(guī)范規(guī)定很靈活，沒有驗算裂縫的明確規(guī)定，設計方法留給設計人員自由處理。基本上采取“裂了就堵、堵不住就排”的實際處理手法。

　　第二類，設計規(guī)范有明確規(guī)定，對于荷載裂縫有計算公式并有嚴格的允許寬度限制。對于變形裂縫沒有計算規(guī)定，只按規(guī)范留伸縮縫，即留縫就不裂的設計原則。

　　大量工程實踐證明，留縫與否，并不是決定結構變形開裂與否的唯一條件，留縫不一定不裂，不留縫不一定裂，是否開裂與許多因素有關?？刂屏芽p應該防患于未然，首先盡量預防有害裂縫，重點在防。我國結構工程向長大化、復雜化發(fā)展，砼設計強度等級向C40～C60發(fā)展，設計師多注重結構安全，而對變形裂縫控制考慮不周，這也是結構裂縫發(fā)生增多的原因之一。

　　3 施工管理問題

　　砼配合比設計是否科學合理，水泥與外加劑是否相適應，砂石級配及其含泥量是否符合規(guī)范要求，砼坍落度控制是否合理，這些都影響到砼的質量及其收縮變形。

　　砼澆筑震搗不均勻密實，施工縫和細部處理馬虎，會帶來結構開裂的后患；過震則使浮漿過厚，抹壓又不及時，則砼表面出現塑性裂縫，十分難看。

　　邊墻拆模板過早（1～3d），砼水化熱正處于高峰，內外溫差最大；砼易“感冒”開裂。

　　砼養(yǎng)護十分重要，但許多施工單位忽視這一環(huán)節(jié)，尤其是墻體和柱梁的保溫保濕養(yǎng)護不到位，容易產生收縮裂縫。某些露天構筑物盡管當地濕度很大，但由于吹風影響，加速了砼水分蒸發(fā)速度，亦即增加干縮速度，容易引起早期表面裂縫。這也許是夏季比秋冬季，南方比北方出現結構裂縫較多的原因。

　　從已建工程調查中發(fā)現，底板養(yǎng)護較好，出現裂縫概率較低，而底板上外墻裂縫概率很高約占80％，這與保溫保濕養(yǎng)護不足有很大關系。

　　除上述技術因素外，施工管理不嚴，趕進度，偷工減料，工人素質差，施工馬虎等也是造成結構裂縫的人為因素。

　　4 對維護缺乏認識

　　我們發(fā)現不少結構是在澆筑完3～6個月，甚至在1～2年內出現裂縫。除荷載問題外，主要是環(huán)境溫度和風速引起的收縮變形所致。有些地下室不及時復土；上部結構不及時做好封閉；出入口長期敞開，屋面防水層破壞不及時修補等。這些與施工和業(yè)主對結構維護缺乏認識有關。鋼筋砼結構與其他物件一樣都存在“熱脹冷縮”的特征，尤其超長結構更為明顯，所以，應重視已澆結構的保溫保濕維護工作。