屠丹

對(duì)一個(gè)混凝土結(jié)構(gòu)物的安全性，人們往往很注意其結(jié)構(gòu)的受力狀況，并配以足夠的鋼筋，使之能夠保持良好的使用狀態(tài)。但常常是事與愿違地或多或少地出現(xiàn)一些裂縫，這是一個(gè)帶有普遍性的技術(shù)問題。您只要仔細(xì)觀察就不難發(fā)現(xiàn)：幾乎沒有一個(gè)混凝土結(jié)構(gòu)物是沒有裂縫的，如果我們借助儀器，還可以進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，裂縫時(shí)刻都在變化著、活動(dòng)著，甚至還伴隨有聲響。在長期的施工實(shí)踐中，人們不斷地總結(jié)，對(duì)裂縫的認(rèn)識(shí)不斷地深化，措施也不斷地完善。但是，由于建筑物的破壞往往始于裂縫，長期以來人們對(duì)裂縫的產(chǎn)生有一種不情愿看到的現(xiàn)象，甚至有的人一聽到裂縫就產(chǎn)生出恐懼心理，這是一種消極的態(tài)度，是不可取的。正確的辦法是主動(dòng)地做好工作，嚴(yán)格操作規(guī)程，認(rèn)真總結(jié)正反兩個(gè)方面的經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)，使自己的工作和工程質(zhì)量不斷地提高。因此，就黃埔大道隧道工程具體裂縫的產(chǎn)生原因作出如下分析，作為在今后施工時(shí)可以采取的一些措施。

一、 關(guān)于混凝土的收縮和徐變

由于水分蒸發(fā)可以引起混凝土構(gòu)件的體積收縮，增加水分又可以產(chǎn)生膨脹，這種體積變化就稱作“干縮濕脹”。混凝土的干縮會(huì)引起構(gòu)件表面產(chǎn)生不規(guī)則的龜裂裂縫。

另外，構(gòu)件的尺寸對(duì)干縮有頗大的影響。一般是采用水力半徑倒數(shù)作為反映截面在大氣中的暴露程度來表示。所謂水力半徑在水力學(xué)中的概念是河流橫截面積與潤周之比（潤周是水與土基接觸的周邊長度）。相對(duì)于混凝土構(gòu)件的水力半徑倒數(shù)，即構(gòu)件受包圍截面的周長L（與大氣接觸的邊長）與該周邊所包圍的截面面積F之比。例如：一個(gè)截面尺寸為（20×20）cm的棱柱體，其水力半徑的倒數(shù)為

1/r = L/F = （20+20+20+20）/（20×20） = 0.2（cm）-1，

如為相同截面積之薄板，假設(shè)其板厚是2cm，寬為200cm，則水力半徑的倒數(shù)為

1/r = L/F = （2+200+2+200）/（2×200） = 1.01（cm）-1。

從上述計(jì)算結(jié)果可知：截面積相同時(shí)，薄板的水力半徑倒數(shù)是棱柱體的水力半徑倒數(shù)的5倍多，也就是說薄板的干縮能力遠(yuǎn)大于柱體，這正如本工程中的大體積砼底板較易受干縮作用而產(chǎn)生較大拉應(yīng)力甚至出現(xiàn)裂縫的緣故。

為防止和減少由于混凝土的收縮而產(chǎn)生的裂縫，本工程宜采取設(shè)置“后澆帶”的措施，這只是在施工期間保留的臨時(shí)性溫度收縮變形縫，被稱為“后澆帶”，它與溫度收縮應(yīng)力有關(guān)?！昂鬂矌А备鶕?jù)具體的施工情況，保留一定時(shí)間以便混凝土收縮完成一部分后，再用微膨脹混凝土填充封閉。所以，這是一種特殊的施工縫，目的是為取消結(jié)構(gòu)中的永久伸縮縫而設(shè)置的。為此，它既是設(shè)計(jì)中的臨時(shí)性伸縮縫，又是一個(gè)臨時(shí)性的施工縫。也就是說它既是設(shè)計(jì)手段，又是施工措施。

設(shè)置“后澆帶”的間距應(yīng)是最小伸縮縫的間距，一般定為20～30m，本工程砼底板面積較大，故采用30 m為宜?！昂鬂矌А钡谋Ａ魰r(shí)間在正常情況下不能少于40天，最宜是60天。在此期間，“早期溫差”以及至少有30%的收縮都已完成。但這個(gè)保留時(shí)間多長才合理，這就要考慮施工和各種因素，綜合研究比較最后決定。其填充的混凝土均要求比原標(biāo)號(hào)高5～10MPa并摻有微膨脹劑。本工程的“后澆帶”應(yīng)以快硬微膨脹混凝土填充，膨脹率為萬分之三。從以往的使用情況來看，“后澆帶”是一項(xiàng)比較成功和有效的措施，效果顯著，裂縫明顯地減少?！昂鬂矌А钡膬?yōu)點(diǎn)較多又實(shí)用，但因其施工周期長，填縫的工藝要求較高且經(jīng)濟(jì)上有些損耗，所以對(duì)此需綜合考慮，制定出最優(yōu)方案為宜。

二、混凝土的溫度應(yīng)力

混凝土構(gòu)件隨著溫度的變化而發(fā)生體積的膨脹或縮小，而箱體內(nèi)外溫差較大時(shí)就會(huì)出現(xiàn)不均勻變形，這些情況都會(huì)產(chǎn)生溫度應(yīng)力。當(dāng)收縮變形受到約束而產(chǎn)生的溫度應(yīng)力超過混凝土的容許拉應(yīng)力時(shí)，就會(huì)形成裂縫。由于混凝土導(dǎo)熱性能不太好，故溫度是引起混凝土溫度應(yīng)力及其變形乃至構(gòu)件出現(xiàn)裂縫的主要原因之一。

影響混凝土構(gòu)件溫度的因素主要有：水泥用量及其在水化過程中要發(fā)出一定的熱量即水化熱；外界氣溫升降，尤其是氣溫驟升驟降；太陽光的照射；風(fēng)吹雨淋等。這些都會(huì)引起混凝土構(gòu)件不均勻的溫度變化，尤其是構(gòu)件內(nèi)外溫差較大時(shí)而產(chǎn)生的變形變位。

混凝土構(gòu)件內(nèi)部的中心最高溫度一般是由澆筑溫度、水泥水化熱引起的絕熱溫升和混凝土澆筑后的散熱3部分組成。混凝土構(gòu)件內(nèi)部的中心最高溫度可用下式計(jì)算：

Tmax = Tj + T（τ）ξ， （1）

式中：Tj——混凝土的澆筑溫度（℃）；

T（τ）——在齡期為τ時(shí)混凝土的絕熱溫升；

ξ——不同澆筑塊厚度的溫降系數(shù)。

而澆筑溫度的計(jì)算式

Tj = Tc + （Tq一Tc） （A1 + A2 + A3 + … + An）， （2）

式中：，Tc——混凝土的拌和溫度（℃）；

Tq——混凝土運(yùn)輸和澆筑時(shí)的室外氣溫（℃）；

A1，A2，A3，…，An 為溫度損失系數(shù)，其值如下：

·混凝土裝、卸和轉(zhuǎn)運(yùn)，每次A = 0.032。

·混凝土運(yùn)輸時(shí)A =θτ，τ為運(yùn)輸時(shí)間（以min計(jì)），θ值可另見有關(guān)計(jì)算表格。

·澆筑過程中A = 0.003τ，τ為澆搗時(shí)間（以min計(jì)）。

另外，混凝土在澆筑初期，升溫速度快，混凝土內(nèi)部溫升的高峰值一般在3～5d內(nèi)產(chǎn)生，3天之內(nèi)可達(dá)到或接近最大溫升。而混凝土的齡期為τ時(shí)的絕熱溫升T（τ）可按下式計(jì)算：

T（τ） = WQ/cρ （1一e-mτ） （3）

式中：w——每m3混凝土中水泥用量（kg/m3）；

Q——每kg水泥水化熱量（kJ/kg）；

c——混凝土的比熱容，在計(jì)算時(shí)可取0.97（kJ/（kg·K））；

ρ混凝土的容重，取2 400kg/m3。

影響混凝土表面溫度的因素很多，除了混凝土本身的一些性質(zhì)、結(jié)構(gòu)形狀以外，還有養(yǎng)護(hù)方法、氣溫波動(dòng)、太陽輻射等許多因素。另外，混凝土與模板、覆蓋層等之間的熱傳導(dǎo)也影響著混凝土表面溫度。由于混凝土內(nèi)外溫差而產(chǎn)生溫度應(yīng)力，這種應(yīng)力一旦大于混凝土的容許抗拉強(qiáng)度則會(huì)出現(xiàn)裂縫。所以，問題的關(guān)鍵是如何減小內(nèi)外溫差，把它降到最低，使之溫度應(yīng)力最小。從上式可知，主要措施是要減少水化熱和混凝土的澆筑溫度：

①減少水化熱。在本工程中水泥水化熱較高，應(yīng)盡可能地減少水泥用量，同時(shí)選用水化熱較小的水泥，其次在混凝土配比中摻人適量的優(yōu)質(zhì)粉煤灰，這樣既可改善混凝土品質(zhì)又能有效地減小水化熱。另外，在滿足設(shè)計(jì)值的前提下，可以適當(dāng)降低些混凝土標(biāo)號(hào)，減少水泥用量，使起到減小水化熱的作用。事實(shí)上，在廣州市內(nèi)環(huán)路的一些工程中，由于結(jié)構(gòu)形式相近，施工方法也大致差不多，由于在混凝土中摻了粉煤灰，有效地降低了水化熱，其混凝土結(jié)構(gòu)出現(xiàn)裂縫的幾率都大大降低。

②降低混凝土的澆筑溫度。首先，可將砂石料等原材料冷卻，這要求原材料在砼攪拌站時(shí)必須做好相應(yīng)的降溫措施，另外考慮砼摻入冰塊，此項(xiàng)措施要求精確掌握好冰塊融化前后的體積變化造成的配合比誤差，同時(shí)摻入冰塊的時(shí)間何融化時(shí)間也要精確計(jì)算到。此外，施工最好安排在夜間氣溫最低的時(shí)候，同時(shí)還可以分層澆筑混凝土，使其散熱速度加快。另外，可加快澆筑速度使混凝土人模時(shí)的溫度盡可能地低。在本工程中將全部采用商品混凝土，且攪拌站幾乎都設(shè)在郊區(qū)，再加上廣州市區(qū)交通流量相當(dāng)大，因此混凝土的運(yùn)輸頗費(fèi)時(shí)間，這對(duì)混凝土的澆筑溫度影響比較大。根據(jù)上述式（2）可知：如混凝土運(yùn)輸車的運(yùn)輸時(shí)間為60min時(shí)，根據(jù)查閱有關(guān)資料可知它的溫度增加系數(shù)A = 0.25，相應(yīng)增加混凝土的溫度為3.75℃，這樣就增加了混凝土入模時(shí)的澆筑溫度。所以，混凝土運(yùn)輸?shù)臅r(shí)間不宜太長。其次，根據(jù)實(shí)際情況可在混凝土中摻入緩凝劑，尤其是夏季高溫時(shí)更要適當(dāng)摻入緩凝劑，以減緩水泥的硬化速度，延長混凝土的凝結(jié)時(shí)間。再就是要加強(qiáng)混凝土的養(yǎng)生工作，特別是夏天高溫水分極易蒸發(fā)，大風(fēng)干燥之時(shí)表面降溫很快，容易產(chǎn)生裂縫。

總之，可采用的有效措施和方法可以是多種多樣的，但一定要因地因時(shí)制宜，既要有效又要經(jīng)濟(jì)。目的就是要降低混凝土內(nèi)部溫度，縮小內(nèi)外溫差，使溫度應(yīng)力盡可能地小，從而避免裂縫的出現(xiàn)，即使有也要控制在容許范圍之內(nèi)。

三、 合理地布置鋼筋

鋼筋與混凝土共同作用的基礎(chǔ)是這兩者之間的粘結(jié)力。因?yàn)殇摻畹膹椥阅Ａ看蠹s是混凝土彈性模的7～15倍，所以當(dāng)混凝土構(gòu)件開裂時(shí)，鋼筋所承受的應(yīng)力卻很小，大約不超過10～20MPa左右。因此，要想利用鋼筋來防止混凝土的裂縫出現(xiàn)，就很難達(dá)到目的。但是，合理地布置鋼筋，能夠減輕混凝土的收縮程度，并限制裂縫開展寬度。有研究資料表明：合理地配筋可以提高混凝土的極限拉伸值，而且當(dāng)鋼筋的直徑較細(xì)、間距較密時(shí)，對(duì)提高混凝土的抗裂效果較好。一般來說，分布鋼筋的直徑采用聲6～8mm而其間距布置在100mm以下時(shí)，混凝土的裂縫寬度基本上可限制在0.05mm以下。在本工程中設(shè)計(jì)使用的鋼筋一般都較粗大且間距亦大于100mm，所以混凝土構(gòu)件的抗裂性能可能會(huì)受到一定影響，建議設(shè)計(jì)對(duì)分布筋的直徑及其間距適當(dāng)作些調(diào)整。

在工程中混凝土結(jié)構(gòu)產(chǎn)生裂縫的原因是多方面的，一般來說有原材料的，也有施工方案和工藝不當(dāng)?shù)?。如設(shè)計(jì)欠妥，周圍環(huán)境的影響，荷載大幅度增加，甚至不可抗拒的外因等等。因此，很難對(duì)裂縫的產(chǎn)生原因只用一種因素來解釋，要對(duì)不同具體情況分別進(jìn)行具體分析，采取各種經(jīng)濟(jì)實(shí)用的有效措施防止裂縫的發(fā)生，至少使裂縫的寬度嚴(yán)格控制在規(guī)范容許的范圍內(nèi)，確保工程質(zhì)量達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)。