建筑工程师评职论文浅析混凝土裂缝产生原因

　　城市建设高速发展今天，高层建筑工程不断的涌现在各大中城市中。筏板基础的应用越来越广泛，但筏板基础混凝土体积大，混凝土在浇筑和硬化过程中释放的水化热会产生较大的温度应力和收缩应力，导致混凝土出现裂缝，不仅有损外观形象，还会造成钢筋外露、腐蚀并减小建筑结构抵抗荷载的能力，降低建筑结构的整体性和刚度，成为结构的隐患。

　　一 筏板基础混凝土温度裂缝机理分析

　　(一)水泥水化放热产生的温度收缩

　　水泥水化放热是筏板基础大体积混凝土产生裂缝的主要原因。水泥水化时会产生大量的热量，而大体积混凝土结构物的断面一般较厚，热量聚集在结构物内部不易散热，混凝土会因受热而产生较大的体积膨胀。在此后的降温阶段，混凝土体积会因自身温度不断降低而逐渐收缩。此时，筏板受到地基或其他结构物件的约束，这样就会在混凝土筏板内部产生很大的温度收缩应力。一旦混凝土筏板中的温度收缩应力超过了混凝土当时龄期的拉应力强度，就会在混凝土中产生贯串整个截面的裂缝，使结构的抗渗性、整体性、耐久性等性能严重降低，带来严重后果。另外，筏板基础混凝土还会因为内部散热慢而温度较高，表面部分散热快而温度低，使混凝土内部与表面之间收缩值相差过大，产生过大的表面拉应力，从而使混凝土表面产生裂缝。

　　(二)外界气温变化的影响

　　(1)温度

　　大体积混凝土施工阶段所产生的温度裂缝,是其内部矛盾发展的结果。一方面是混凝土由于内外温差而产生应力与应变,另一方面是混凝土本身的强度和抵抗变形的能力。混凝土内部温度变化产生变形受到混凝土内部和外部的约束后,将产生很大应力。当这种应力超过了混凝土可以承受的抗拉强度时,就会产生裂缝。 外界气温愈高，混凝土的浇注温度也愈高，而外界温度下降，又增加了混凝土的降温幅度，特别是气温骤降，会大大增加外层混凝土与内部混凝土的温度梯度，这对筏板基础大体积混凝土是极为不利的。

　　混凝土内部的温度是水化热的绝热温度，浇注温度和结构物的散热降温导致各种温度的叠加，而温度应力则是由温差所引起的温度变形造成的。温差越大，温度应力也越大。同时，在高温条件下，大体积混凝土不易散热，在这种情况下，研究合理的温度控制措施，防止混凝土内外温差引起的温度应力，就显得更为重要。

　　水泥水化过程是大体积混凝土中的主要温度因素。混凝土在硬结过程中,由于水泥的水化作用,在初始几天产生大量的水化热,混凝土温度升高。而大体积混凝土结构一般较厚,导热不良,相对散热小,所以大量的热量聚集在结构内部。当温度梯度大到一定程度时,表面拉应力超过混凝土的极限抗拉强度时,混凝土表面产生裂缝。在升温阶段,混凝土未充分硬化,弹性模量小,因此拉应力较小,只引起混凝土表面裂缝。

　　(三)施工工艺因素

　　在混凝土结构浇筑、构件制作、起模、运输、堆放、拼装及吊装的过程中,若施工工艺不合理、施工质量低劣,容易产生纵向的、横向的、竖向的、斜向的、水平的、表面的、贯穿的等各种裂缝,特别是细长薄壁结构更容易出现。裂缝出现的部位与走向、裂缝宽度因产生的原因而异,通常有:

　　(1)振捣方式不当引起裂缝

　　不正确的振捣方式会造成混凝土分层离析、表面浮浆而使混凝土面层开裂,或造成混凝土砂浆大量向低处流淌致使混凝土产生不均匀沉降收缩而在结构厚薄交界处出现裂缝。

　　商品混凝土由于采用搅拌车运输、泵送浇筑,混凝土坍落度比较大,凝结时间比较长,一般混凝土初凝时间都在10h以上甚至更长,即使在炎热的夏天,在掺了高效缓凝减水剂后,浇捣好的混凝土表面被太阳暴晒,水分蒸发很快,形成一层几毫米厚的“被子”,看上去混凝土似乎已凝结,实际内部还远未达到初凝,甚至还能流动。曾多次用贯入阻力仪测定掺了高效缓凝减水剂的混凝土砂浆在太阳直晒之下的凝结时间,结果初凝时间都在12～16h。这样的混凝土若不进行二次振捣和多次抹面,混凝土表面不可避免会出现裂缝。

　　(2)养护不当引起混凝土开裂

　　现场养护不当是造成混凝土收缩开裂最主要的原因。混凝土浇筑后,若表面不及时覆盖进行潮湿养护,表面水分迅速蒸发,很容易产生收缩裂缝、特别是在气温高、相对湿度低、风速大的情况下,干缩更容易发生。有资料表明,当风速为16m/s时,混凝土中的水分蒸发速度是无风时的四倍。

　　对于高性能混凝土,由于水灰比小,胶凝材料用量大,混凝土密实性好,泌水少,若保养不好,干缩情况更为严重。对于保湿养护的时间,肯定是越长越好[2]。养护14天的混凝士的收缩比只养护3天的收缩降低约20%。但由于工程工期的制约,绝大多数施工人员做不到,所以混凝土出现干缩裂缝就在所难免了。

　　2 外界环境因素

　　(1)钢筋锈蚀因素

　　由于混凝土质量较差或保护层厚度不足,混凝土保护层受二氧化碳侵蚀炭化至钢筋表面,使钢筋周围混凝土碱度降低,或由于氯化物介入,钢筋周围氯离子含量较高,均可引起钢筋表面氧化膜破坏,钢筋中铁离子与侵入到混凝土中的氧气和水分发生锈蚀反应,其锈蚀物氢氧化铁体积比原来增长了约2～4倍[3],从而对周围混凝土产生膨胀应力,导致保护层混凝土开裂、剥离,沿钢筋纵向产生裂缝,并有锈迹渗到混凝土表面

　　(2) 材料质量因素

　　混凝土是指由水泥、石灰、石膏类无机胶结料和水或沥青、树脂等有机胶结料的胶状物与集料按一定比例拌和,并在一定条件下硬化而成的石材。通常我们所讲的混凝土指的是水泥混凝土,主要由水泥、水、砂石集料组成,其中水泥和水起胶凝作用[4],集料起骨架填充作用,水泥和水发生反应后形成坚硬的水泥石,将集料颗粒牢固地粘结成整体,使混凝土具有一定的强度。

　　但是若组成混凝土所用的材料质量不合格,则会影响混凝土的强度,导致混凝土结构出现裂缝。

　　综合以上分析，我们不难看出，建筑工程筏板混凝土产生裂缝的原因，以温度收缩产生的裂缝为常见，危害也最大。在筏板混凝土施工中，既要防止混凝土的表面裂缝，又要防止混凝土的收缩裂缝。所以，基于这几方面的原因，我们可以从下方面的力学分析中得出控制预防的方法。

　　二 筏板基础混凝土表面裂缝控制的力学分析

　　混凝土浇筑初期，水泥水化产生大量的水化热，使筏板混凝土的温度上升很快。但由于混凝土表面散热条件较好，热量可向大气中散发，所以其表面温度上升较少;而其内部由于散热条件较差，热量散发少，这样其内部温度上升较多。内外部由此形成了温度梯度，结果在筏板混凝土内部产生压应力，面层上产生拉应力，当该拉应力超过混凝土的抗拉强度时，在筏板混凝土的表面就会产生裂缝。

　　产生裂缝的温度应力包括两个主要组成部分：升温阶段，由混凝土中心温度与混凝土表面温度之差产生的相对变形受到约束引起的温度应力;降温阶段，由混凝土内部从高温降至环境温度时产生收缩变形受到外约束而引起的温度应力。所以，我们控制筏板混凝土裂缝的一项关键因素是将筏板混凝土表面温差控制在一定范围内，使其由于此原因产生的温度应力小于同龄期混凝土的抗拉强度。根据现阶段的工程实践及理论研究，我国《混凝土外加剂应用技术规范》把温差限值确定为25℃。

　　三 筏板基础混凝土收缩裂缝控制的力学分析

　　筏板基础混凝土收缩裂缝产生在混凝土的降温阶段，即当混凝土降温时，由于逐渐散热而产生收缩，再加上混凝土硬化过程中，由于混凝土内部拌和的水化和蒸发，以及胶质体的胶凝作用，促使混凝土硬化时收缩。这两种收缩由于受到基底或结构本身的约束，会产生很大的收缩应力(拉应力)，如果产生的收缩应力超过当时龄期的混凝土极限抗拉强度，就会在混凝土中产生收缩裂缝，它会贯穿全断面，成为结构性裂缝，给住宅工程带来严重危害。

　　建筑工程筏板基础的厚度(高度)远远小于其他两个方向的尺寸。当底板厚度与长度之比小于或等于0.2时，底板在温度收缩变形变化作用下，离开端部区域，靠近中部全截面受力较均匀。所以对于这种原因引起的裂缝，我们在工程实践和理论研究中得出了一些经验公式控制温度收缩应力，把温度收缩应力控制在小于龄期混凝土的抗拉强度。具体的各经验公式要根据具体的工程尺度，混凝土龄期来定。

　　四 结论

　　在建筑工程筏板基础混凝土施工中，温度与温度应力的发展规律对混凝土的裂缝控制是至关重要的。温度应力的计算要充分考虑施工条件、环境温度、混凝土弹性模量、徐变、干缩及应力松弛的影响。

　　影响筏板基础混凝土结构的温度应力因素很多，其中混凝土的配合比、浇注环境及边界散热条件是主要因素，所以基于前文分析论证，在今后的工程实践中应从以下几个方面入手来控制温度裂缝。

　　(一) 改进混凝土配合比，在混凝土中掺入混合材料(如减水剂和粉煤灰等)，降低水泥水化热，减少单位体积水泥用量。

　　(二) 在混凝土中加入一定的膨胀剂，利用混凝土的补偿收缩原理提高混凝土的抗裂性，这种已“抗”为主，“抗”与“放”相结合的方法能较好的解决筏板基础混凝土的裂缝控制问题。

　　(三) 降低混凝土的浇注温度，可以降低混凝土的最高温度，从而可减少基础温度和内外温差。控制浇注温度应尽量避免在高温季节施工或采用与骨料预冷等办法降低入模温度。

　　(四) 改善边界散热条件和约束条件，采取保温保湿的养护措施，不使表面混凝土散热太快，使混凝土表面保持较高的温度，降低混凝土的内外温差。

　　综上所述，建筑工程混凝土筏板基础裂缝主要是前述两方面的原因，我们在今后的工程实践中严格按规范规程以及分析总结的方法做，就一定能将这种问题消除，从而使我们的工程质量得到保证，使我们的经济效益、社会效益、环境效益提高。