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摘要：鋼筋混凝土的裂縫控制問題是建筑工程中很重要的問題之一，特別是最近20年來，泵送商品混凝土獲得廣泛應用之后，混凝土均質性有了很大改善的同時，裂縫控制技術難度大大增加了，本文是在大量建設實踐和現場實驗研究基礎上，概述了變形作用引起裂縫的原因，約束變形特征，抗與放的設計準則以及綜合技術措施等。

關鍵詞：裂縫收縮徐變松弛

1.概述

20年來，在工民建鋼筋混凝土結構領域，一個相當普遍的質量問題就是結構的裂縫問題，且有日趨增多的趨勢，它已影響到正常的生活和生產，并困擾著大批工程技術人員和管理人員，是一個迫切需要解決的技術難題。

由于結構在外荷載作用下的破壞和倒塌是從裂縫擴展開始的，因此人們對裂縫往往產生一種建筑破壞的恐懼感，是可以理解的。早在1932年，前蘇聯A.флолейт教授的鋼筋混凝土強度理論就指出,如正常配筋受彎構件的破壞狀態是指受拉區鋼筋到達屈服強度，受壓區混凝土到達受彎的抗壓強度，此狀態稱為承載力極限狀態。這一狀態全過程是伴隨著荷載的不斷增加，裂縫出現(鋼筋應力只有40～60MPa)，裂縫擴展，受壓區塑性不斷發展，最后達到完全破壞。此時破壞荷載往往是裂縫出現荷載時的3～5倍，因此，很多大型鋼筋混凝土結構，僅僅自重就超過了極限荷載的30%,在此條件下鋼筋混凝土結構帶有輕微裂紋是完全正常的，結構是安全的，恐懼是不必要的。

國內外關于荷載作用下鋼筋混凝土構件的設計都有自己的經驗公式，并已納入有關規范，盡管計算結果出入較大，但畢竟可以參考應用。

但是近年來大量裂縫的出現，并非與荷載作用有直接關系，通過大量的調查與實測研究證明這種裂縫是由于變形作用引起，包括溫度變形(水泥的水化熱、氣溫變化、環境生產熱)，收縮變形(塑性收縮、干燥收縮、碳化收縮)及地基不均勻沉降(膨脹)變形。由于這些變形受到約束引起的應力超過混凝土的抗拉強度導致裂縫，統稱“變形作用引起的裂縫”。

2.裂縫的直接原因

2.1收縮及水化熱增加

自從70年代末(1978～1979年)我國混凝土施工工藝產生了巨大的進步—泵送商品混凝土工藝。從過去的干硬性，低動性，現場攪拌混凝土轉向集中攪拌，轉向大流動性泵送澆注，水泥用量增加，水灰比增加，砂率增加，骨料粒徑減小，用水量增加等導致收縮及水化熱增加。

2.2混凝土強度等級日趨提高

建筑結構混凝土強度等級日趨提高，但有許多結構不適當的選擇了過高的強度等級。習慣上認為：“強度等級越高安全度越大，就高不就低，提高強度等級沒壞處”。有時遷就施工方便，采用高強混凝土，這是一種誤導，導致水泥標號增加，水泥用量增加，水用量增加，細骨料及粗骨料徑偏小，砂率偏大等都使水化熱及收縮增加。

2.3結構約束應力不斷增大

結構規模日趨增大，結構形式日趨復雜，超長超厚及超靜定結構成為經常采用結構形式并采用現澆施工，這種結構形式有顯著約束作用，對于各種變形作用必然引起較大約束應力。

2.4外加劑的負效應

外加劑及摻合料種類繁多，只有強度指標缺乏對水化熱及收縮變形影響的長期實驗資料(至少一年)，有些試驗資料并不嚴格，有許多外加劑嚴重的增加收縮變形，有的甚至降低耐久性。

2.5忽略結構約束

國內外結構設計中都經常忽略構造鋼筋重要性，因而經常出現構造性裂縫。結構設計中經常忽略結構約束性質，不善于利用“抗與放”的設計原則，缺乏相應的設計施工規范、規程。

2.6養護方法不當

目前在混凝土施工中采用的養護方法基本沿用過去簡易的方法，這種方法已遠不適應泵送混凝土的較大溫度收縮變形的要求。

2.7混凝土抗拉性能不足

這種裂縫在抗力方面都是由于混凝土抗拉性能不足(抗拉強度和極限拉伸)引起的，這方面的材料級配研究很少。

綜合上述，國際公認泵送商品混凝土對混凝土的質量(均質性)有很大的提高，對供應方式有重要的改進，但是對混凝土的裂縫控制的難度大大增加了，因此，這類問題不是我國特有的技術問題，是國際上鋼筋混凝土的共性難題。

3.大體積混凝土的定義

過去大體積混凝土的定義是根據幾何尺寸，主要是根據厚度定義的，國際上一般采用0.8m～1m作為界限。自80年代以后大體積混凝土的定義有了改變，新的定義是：“任意體量的混凝土，其尺寸大到足以必須采取措施減小由于體積變形引起的裂縫，統稱為大體積混凝土”，這是美國混凝土協會的定義。由此可見，在近代泵送商品混凝土獲得廣泛應用的條件下，即便是很薄的結構，雖然水化熱很低，但是其收縮很大，控制收縮裂縫的要求比過去任何時候都顯得非常重要。因此，泵送混凝土的薄壁結構也應當按照大體積混凝土的要求采取措施控制混凝土的收縮裂縫，特別是環境氣溫變化與收縮共同作用對于薄壁結構尤為不利，收縮換算為當量降溫。

4.鋼筋混凝土承受變形應力的特點

4.1“抗與放”設計準則

結構承受的約束作用分內約束(自約束)和外約束兩類。結構的變形如果是完全自由的變形達到最大值，則內應力為零，也就不可能產生任何裂縫。如果變形受到約束，在全約束狀態下則應力達到最大值，而變形為零。在全約束與完全自由狀態的中間過程，即為彈性約束狀態，亦即自由變形分解成為約束變形和顯現變形(實際變形)。實際變形越大，約束應力越小；實際變形越小，約束應力越大，這種約束狀態與荷載作用下的結構受力狀態(虎克定律)有著根本區別。

在約束狀態下，結構首先要求有變形的余地，如結構能滿足此要求，不再產生約束應力。如結構沒有條件滿足此要求，則必然產生約束應力，超過混凝土的抗拉強度，導致開裂。所以，提出了“抗與放”的設計準則，應當在工程設計中，根據結構所處的具體時空條件加以靈活的應用。從結構形式的選擇方面(微動、滑動及設縫措施，提供“放”的條件)及材料性能方面(提高抗拉強度、抗拉變形能力及韌性等提供“抗”的條件)采取綜合措施，如抗放相結合，以抗為主或以放為主的措施。

4.2約束內力與結構剛度的關系

外荷載作用下結構的內力只與荷載及結構幾何尺寸有關，但在變形作用條件下，結構的約束內力不僅與變形作用及結構幾何尺寸有關，尚與結構剛度有關，這是約束內力與荷載內力的重要區別。

例如：一個簡支梁的兩端受到轉動的約束，當梁沿截面高度為h，承受溫差ΔT時(如預制板兩端焊接于屋架上弦)，則梁上的約束力矩M

約束力矩不僅與溫差和截面高度有關，而且與梁的抗彎剛度成正比，剛度越大，約束力矩越大，這適宜于裂縫出現及擴展階段，當然應當考慮鋼筋混凝土的抗彎剛度是變化的。

當溫差不斷增加，鋼筋混凝土構件進入極限狀態時，裂縫充分發展，剛度下降并趨近于零時則力矩也趨近于零。所以，變形力矩不影響結構的極限狀態，這一論斷己為實驗證實。但是裂縫影響使用(滲漏)及耐久性(鋼筋銹蝕)。如果結構的承載力由抗剪、抗沖切作決定，變形作用引起的貫穿性裂縫可能降低承載力。

4.3鋼筋混凝土與素混凝土裂縫控制的區別

任何尚未荷載作用的混凝土，它的組合材料包括水泥、水、砂、石、外加劑及摻合料等組分相互物理化學作用硬化成為一種多空隙復合材料，由于初始溫度收縮應力作用而形成內部許多微觀裂縫，這種裂縫在外力作用下不斷擴展，成為宏觀裂縫，繼續擴展對素混凝土迅速導致破壞。

但是，對于鋼筋混凝土，特別是有充分構造配筋的鋼筋混凝土出現一定程度的裂縫，不會迅速導致破壞，只是限制裂縫寬度問題，使其不達到有害程度。因此，構造配筋顯得十分重要，可以有效地控制裂縫的出現及分散裂縫(用許多微細無害裂縫取代少量粗大的有害裂縫)。

5.混凝土的某些基本物理力學性質

5.1混凝土的收縮及水化熱

在工民建領域，大部分結構構件(板墻梁等構件)均屬薄壁結構，泵送混凝土澆注的構件收縮量很大，因此經常出現收縮裂縫。混凝土的收縮機理至今尚未統一，但大多數的研究成果認為混凝土是具有大量孔隙的

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材料。孔隙的半徑頗不一致，半徑較小的毛細孔，半徑約小于300A(A＝10－10m)。其中水份蒸發引起孔壁壓力的變化，導致混凝土體積的縮小。混凝土內除了少部分水提供水泥水化的需要，其余大部分水分都要蒸發掉，收縮變形同時發生，最終收縮完成的時間大約20年，但其主要部分的收縮是在最早的1～2年內。由于近來水泥活性和強度等級的增加，收縮量顯著增加，并且拖延時間較長。影響收縮的因素很多，如水泥品種采用礦渣水泥比普通硅酸鹽水泥水化熱低了，但其收縮約大25％。遇到超厚的大底板或大塊式基礎，則水化熱起控制作用，宜選用粉煤灰水泥或礦渣水泥，所以，應根據截面的厚度分別選用不同品種的水泥。其次水泥顆粒越細，活性越大，標號越高，用量越多，其收縮越大，因此提高水泥強度的方法不應靠磨細的途徑，而應當依靠改善礦物成分的辦法。

眾所周知，水灰比大，收縮將顯著增加，同時抗拉強度降低。如水灰比為0.6的收縮比水灰比為0.4的收縮增加約40％。有時盡管水灰比不變，增加用水量，同時增加水泥量即水泥漿量，如水泥漿量為0.2(水泥漿占混凝土總重量比例)比0.4時的收縮量增加約45％。減水劑可有效的降低水灰比及用水量，而粉煤灰具有圓珠潤滑效應和火山灰效應，所以“雙摻技術”對泵送混凝土既可提高和易性又可減少收縮。

養護條件對混凝土的收縮影響很大，養護14天的收縮比養護3天的收縮降低約20%。環境的相對濕度越高，收縮越小，許多結構所處的環境濕度波動很大，如最低30％～40％，最高達80％～90％。環境溫度越高，風速越大，收縮越大，高空澆灌容易引起開裂，如高架橋梁及橋墩。

混凝土的配筋對于收縮值起一定的約束作用，但是與配筋率的高低有關，按目前構造配筋率的情況看來，降低收縮的影響是比較小的。根據泵送商品混凝土的收縮試驗，其收縮值約在6～8×10-4，有的試驗還遠遠超過了這個數量，有些大橋的橋墩和高層建筑的厚壁立柱由于施工質量及過大的坍落度，形成了中部骨料多，外部或上表面砂漿厚，從而形成極不均勻的收縮，砂漿和水泥漿的收縮比混凝土的收縮大約增加2～5倍，并由于表面水份蒸發快從而形成大面積的表面裂縫。混凝土粗細骨料的含泥量和粉料含量都增加收縮。

目前建筑市場出現了很多新型的外加劑和摻合料，質量保證主要靠強度試驗的結果，幾乎沒有進行體積變形穩定性方面的試驗，而許多材料都有增加收縮的特點，必須進行長時期準確的收縮試驗，才能得到有利于控制裂縫的材料。

各種水泥的水化熱試驗比較容易，一般水泥廠家都已進行專門的試驗，有資料可查，不在贅述。

5.2混凝土的徐變(蠕變)因素的考慮

混凝土的徐變機理也有許多種，如彈性徐變理論、老化徐變理論、繼效徐變理論等等。作為工程裂縫控制的應用，我們只能應用其中主要的成果，以常系數的形式，考慮在彈性計算的結果中，從而簡化了非線形分析。由于混凝土的徐變作用，給鋼筋混凝土和預應力鋼筋混凝土帶來有利和不利兩方面的影響。從不利方面看來，它可以造成預應力損失，增加撓度，可以降低鋼筋和混凝土的粘著力等。從有利方面看來，它可以使彈性的溫度收縮應力大大的松弛，根據變形速率及混凝土齡期，它對應力降低的程度約0.3～0.8倍，保溫保濕養護越好，降溫越慢，松弛系數越小，具體數字可參考文獻1、2。

5.3混凝土的抗拉強度及極限拉伸

泵送混凝土澆注后，其抗壓強度和抗拉強度都隨著時間而增長，但增長的速率，抗拉滯后于抗壓，水泥標號的提高及水泥用量的增加，對抗壓強度增長較為顯著，而對抗拉強度增長較小。

相對變形約束應力，混凝土的極限拉伸尤為重要，國內外曾進行過一些試驗研究。例如蘇聯布拉茨克和克拉斯諾雅爾斯克水電站的試驗表明混凝土軸向拉伸應變值變化范圍為0.5×10-4～1.0×10-4。法國鮑斯進行的軸向拉伸試驗。在抗拉強度為2.05MPa時，局限拉伸值為0.9×10-4。美國卡普蘭在軸向拉伸試驗中極限拉伸值為0.81×10-4。前蘇聯齊斯克列里提出當軸向抗拉強度為1.2MPa時，極限拉伸為0.7×10-4。我國水工系統(研究單位和工程單位)對混凝土的極限抗拉強度也作過不少研究，并在工程中采用。如丹江工程混凝土極限拉伸值為(0.58～0.8)×10-4，烏江渡工程為(0.6～1.02)×10-4等等，極限拉伸很小，抗裂能力很弱(收縮變形超過極限拉伸5～10倍)。

冶金系統，不少設備基礎，特別是高爐基礎、煉鋼基礎，混凝土的澆注量大多在5000m3以上，軋鋼基礎的混凝土量100000m3～200000m3，厚度2.5m～9.5m，長度由35m～600m，均屬超長超厚的大體積鋼筋混凝土，開裂后可引起鋼筋的銹蝕、降低持久強度、剛度和防水性能、嚴重者影響自動化生產工藝。防止和控制這類基礎的溫度裂縫也是很重要的。為此我們在民用建筑工程中開展了混凝土軸向拉伸強度及變形性能的試驗研究。

通過對雙摻(減水劑及粉煤灰)混凝土的抗拉試驗，發現混凝土隨著荷載速率及養護條件，其極限拉伸和抗拉強度波動很大，在極慢速(接近實際溫度和濕度緩慢變化速度)條件下，其極限拉伸可達(2～3)×10-4，顯然這里包含了徐變變形，這對溫度收縮應力是很有利的(在強度計算中用松弛系數乘以彈性應力與按變形計算增加極限拉伸是等同的)。

特別值得注意的是，混凝土中的較大含泥量及其它雜質可以明顯地降低混凝土的抗拉性能，有的混凝土骨料中混入了有害膨脹物引起混凝土的崩裂，因此要求泵送混凝土必須遵循“精料供應”的原則。

合理的配筋，特別是構造配筋，細一點密一點可以提高混凝土的極限拉伸，推薦齊斯克列里經驗公式。

這是瞬時荷載作用下的公式，如果極慢速約束變形作用考慮徐變作用，至少可以增加一倍。

6.結構設計或施工中近似計算的模型選擇

我國在工民建領域解決變形作用引起裂縫的問題主要是按混凝土設計規范采取設永久性變形縫的辦法，根據現澆、預制、土中、室內、露天等條件，有明確的伸縮縫許可間距規定。該規定自從50年代沿用蘇聯規范規定，我們當時曾多次向蘇聯有關單位和蘇聯專家咨詢有關規定的依據，他們的回答：“全憑經驗”，采取相似規定的還有東歐及其它一些國家。

的確，該法解決了許多工程裂縫問題，其缺點是伸縮縫止水帶經常滲漏并難以維修。更重要的是在實踐中發生了許多反常現象：有的工程尺寸很小，卻出現了嚴重開裂；另外也有的工程超長而未出現明顯開裂，說明設縫與否，不是決定開裂與否的唯一因素。其它如材料級配、結構約束、結構配筋、施工工藝、養護條件以及環境溫濕度氣象條件等綜合因素都影響結構約束內力及裂縫的出現。通過實際工程裂縫反算與現場推力試驗，假定結構相互連續式約束采用水平彈簧模型，彈簧側移剛度由試驗和經驗給出。推導出長墻中部正截面法向拉應力，端部剪應力，伸縮縫許可間距以及一再從中間開裂的機理，見參1.2。在排架及框架約束應力分析中提出了考慮彈性抵抗作用、裝配式系數、徐變影響系數、開裂剛度及利用混凝土后期強度的計算發表于1957～1958年，見參考文獻3、4、5、6。多年來通過裂縫處理實踐近似理論計算進行了反復的校核與補充。

7.裂縫控制設計原則與措施

鋼筋混凝土結構的裂縫是不可避免的，但其有害程度是可以控制的，有害與無害的界限由結構使用功能決定的。裂縫控制的主要方法是通過設計、施工、材料等方面綜合技術措施將裂縫控制在無害范圍內。綜合技術措施包括：合理選擇結構形式，降低結構約束程度，對與水平構件梁、板、墻等采用中低強度級混凝土，加強構造配筋，如板頂部的受壓區連續配筋，板的陽角及陰角配置放射筋，增加梁的腰筋間距200mm。優選有利于抗拉性能的混凝土級配，盡力減小水灰比、減少坍落度、降低砂率增加骨料粒徑，降低含泥量及雜質含量。選用影響收縮和水化熱較小的外加劑和摻合料。采取保溫保濕的養護技術，盡量利用混凝土后期強度(60天)。對于超長結構可采取跳倉澆灌或后澆帶方法施工。對于復雜的結構難免出現少量裂縫影響正常使用和耐久性．裂縫分為表面裂縫，淺層裂縫，縱深裂縫(深層裂縫)，貫穿裂縫等。少量有害裂縫采用近代化學灌漿技術處理，滿足設計使用和耐久性要求，不應因此降低工程質量評定標準。

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