高层建筑混凝土基础温度裂缝控制探讨

2022-10-23

1 高层建筑混凝土裂缝的种类

现代混凝土研究已经完全证实, 在尚未受荷的混凝土和钢筋混凝土结构中存在着肉眼不可见的微观裂缝。一般认为, 混凝土的微裂缝主要有以下三种。

(1) 粘着裂缝, 是指粗骨料和水泥石粘接面上的裂缝, 主要沿着粗骨料周围出现。

(2) 水泥石裂缝, 是指在水泥石中产生的裂缝, 出现在骨料与骨料之间。

(3) 骨料裂缝, 是指粗骨料自身的裂缝。

在这3种裂缝中, 前两种裂缝出现的比较多, 第三种裂缝出现的比较少。所以, 混凝土的微裂缝主要指粘着裂缝和水泥石裂缝。

微裂缝的存在, 对混凝土的一些基本性质, 比如弹塑性、徐变、各种强度、变形、泊松比、结构刚度、化学反应等产生重要影响。荷载试验表明, 当混凝土受压, 荷载在30%极限强度相应的荷载以下时, 由于微裂缝的分布是不规则的, 而且微裂缝沿着截面是非贯穿的, 所以有着微裂缝的混凝土是可以承受拉力的, 微裂缝几乎不产生变化。

微裂缝产生的原因是因为组成混凝土的骨料、水泥石、水分、气体等材料属于非匀质材料, 这些材料在温度、湿度等条件的变化下以及混凝土在硬化的过程中, 所产生的体积变形是不均匀的:水泥石收缩较大, 骨料收缩较小, 因为两者产生的变形不一致, 导致产生相互约束应力, 这种约束应力可引起粘着裂缝和水泥石裂缝。

2 高层建筑混凝土裂缝的危害

2.1 裂缝影响结构的整体性

当结构出现贯穿性裂缝以后, 要恢复结构的整体性是很困难的。裂缝开展得很宽将预示着结构临近破坏, 并且可能伴随着混凝土剥落。剪切裂缝多产生于靠近支座或大的集中荷载附近, 早期的温度裂缝直接影响到钢筋混凝土构件的完整性。

当裂缝影响了剪应力的传递时, 它会影响到结构的安全。大多数裂缝并不会危及结构的安全, 但它们可能发展, 并引起严重的后果。

2.2 裂缝影响建筑结构的使用功能

高层建筑混凝土结构多为地下连续墙、筏板、箱型基础等, 所以开裂后的主要问题之一就是地下室的渗漏问题, 这个问题往往又不容易处理, 给结构物的使用带来一些附加影响, 比如结构的修补堵漏, 不但处理困难、花费巨大, 而且延长了工程的交付使用时间, 降低了结构的使用功能。有时甚至会因为在结构物的使用过程中多次堵漏, 出现堵漏成本高于土建成本的现象。

2.3 降低了建筑结构的刚度

裂缝尤其是贯穿性裂缝的出现会使结构 (比如基础筏板) 的刚度降低, 从而影响到结构物功能的正常发挥。

2.4 影响混凝土的耐久性

裂缝的出现使侵蚀性介质容易进入混凝土内部, 使钢筋锈蚀, 混凝上腐蚀、碳化, 损坏混凝土的表面, 使混凝土的强度降低, 进而影响混凝土的耐久性。

在较宽的裂缝处, 如果有水和氧气侵入, 钢筋首先发生个别点的坑蚀, 继而逐渐形成“环蚀”。同时向缝两侧扩展, 形成锈蚀面。钢筋表面生锈时, 其体积要膨胀, 在膨胀压力作用下混凝土保护层会因挤压而剥落, 特别是预应力混凝土结构, 局部锈蚀具有很高的危害性。因为单根钢丝断面小, 高应力及高强钢材的变形性能较差, 很可能发生突然断裂。钢筋全面锈蚀引起混凝土结构的顺筋向开裂对结构的危害性更大, 是目前影响结构耐久性的主要危险。

2.5 裂缝影响建筑物的美观

裂缝过多或过宽, 常给人以不安全感和危险感, 造成不良的视觉冲击力, 影响了人们的感观舒适度, 影响建筑物的美观形象, 破坏了建筑物、构筑物的美感效果。在不仅追求混凝土内在质量好, 而且外观质量也倍受关注的今天, 混凝土结构裂缝成了影响建筑物美观的疑难杂症。

3 混凝土温度裂缝控制的综合措施

3.1 合理布置分布钢筋, 尽量采用小直径、密间距

混凝土是以水泥为主要胶结材料, 拌合一定比例的粗、细骨料和水, 一般还加入少量的各种添加剂, 经过搅拌、注模、振捣、养护等工序, 逐渐凝固硬化而成的人工混合材料。各种组成材料的成分、性质和相互比例, 以及设备和硬化过程中的各种条件和环境因素, 都会对混凝土的力学性能产生不同程度的影响。由于组成混凝土材料的非均匀性以及一些施工和环境因素而引起混凝土的非均匀性和不等向性, 而且混凝土一直被认为是“脆性”材料, 当混凝土变形不均而产生拉应力时, 受拉的混凝上截面上的各点的受力是很不均匀的, 应力会在混凝土的薄弱环节集中, 当应力集中点的应力引起的变形超过混凝上的极限拉伸时, 便在应力集中处出现裂缝。如进行适当的配筋, 虽然适当的配筋不能有效的阻止裂缝的产生, 但适当的配筋可以约束混凝土的塑性变形, 从而分担混凝土的内应力, 加强结构的整体性和减小温度裂缝的宽度, 同时也提高了混凝土的极限拉伸。

3.2 避免采用高强混凝土

高强混凝土的划分范围, 国内外没有一个确定的标准。从我国现今的结构设计和施工技术水平出发, 也考虑到混凝土材性的变化, 一般认为将强度等级>=C50的混凝土称为高强混凝土。这一划分范围, 大致与模式规范CEB-FIPMC90、美国ACI、日本等国的标准一致。

采用高强混凝土虽然可以提高混凝土的抗压强度, 但是混凝土的抗拉强度随着抗压强度增长缓慢, 而且高强混凝土的明显呈现出“脆性”, 极限应变变小, 更容易产生裂缝。采用高强混凝土必然要提高水泥的标号、减小水灰比或者使用各种聚合物作为胶结材料来代替水泥, 这不仅使施工过程和施工质量难以保证, 并且提高了工程造价。所以, 基础混凝土宜选用中低强度混凝土, 强度等级宜在C20~C35的范围内选用, 利用后期强度R60。

3.3 控制混凝土出机温度和浇筑温度。

为了降低混凝土的总温升, 减少高层建筑工程结构的内外温差, 控制混凝土的出机温度和浇筑温度也是一个重要措施。

对于出机温度和浇筑温度的控制, 世界各国都非常重视, 并有较明确的规定。我国《水工混凝土施工规范》中规定:高温季节施工时, 混凝土最高浇筑温度, 不得超过28℃。为求得统一, 《混凝土结构工程施工及验收规范》也规定了这个温度值。

为了降低混凝土的出机温度和浇筑温度, 最有效的方法是降低原料温度。原材料提前几天进站, 水泥则提前一周进站入罐冷却。混凝土中石子比热较小, 但每m3混凝土中石子所占重量最大, 所以最有效的办法是降低石子温度。在气温较高时, 为了防止太阳直接照射, 可以在砂石堆场搭设简易遮阳棚, 必要时可向集料喷淋雾状水, 或者在使用前用冷水冲洗集料。国外也有的搅拌混凝土时加冰块冷却。除此之外, 搅拌运输车罐体、泵送管道保温、冷却也是必要的措施。

摘要：高层建筑混凝土在施工过程中的一个重要技术课题是混凝土裂缝的控制, 高层建筑混凝上的裂缝控制是关系到结构能否满足正常使用要求的重要研究课题。本文通过分析高层建筑混凝土裂缝的种类及危害性, 提出了混凝土温度裂缝控制的综合措施。

关键词：高层建筑,混凝土,裂缝