混凝土結(jié)構(gòu)預(yù)應(yīng)力、變形及裂縫的智能控制機(jī)理研究

混凝土結(jié)構(gòu)裂縫原因：地基變形

建筑工程基礎(chǔ)不均勻沉降是造成鋼筋混凝土開裂的主要原因：

①房屋建于土質(zhì)差別較大或軟弱土質(zhì)上。

②建筑物基礎(chǔ)深淺不一。

③房屋相鄰部分的高度、荷重、結(jié)構(gòu)剛度差別較大。

④建筑物平面形狀復(fù)雜、立面變化過大、長度過大等原因造成基礎(chǔ)不均勻沉降。裂縫的大小、形狀、方向與地基變形的情況有關(guān)，由于地基變形的應(yīng)力相對較大，使得裂縫一般是貫穿性的，危害較大。

由于基礎(chǔ)豎向不均勻沉降或水平方向位移，使結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生附加應(yīng)力，超出混凝土結(jié)構(gòu)的抗拉能力，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)開裂?；A(chǔ)不均勻沉降的主要原因有：

1、地質(zhì)勘察精度不夠、試驗(yàn)資料不準(zhǔn)。在沒有充分掌握地質(zhì)情況就設(shè)計、施工，這是造成地基不均勻沉降的主要原因。比如丘陵區(qū)或山嶺區(qū)橋梁，勘察時鉆孔間距太遠(yuǎn)，而地基巖面起伏又大，勘察報告不能充分反映實(shí)際地質(zhì)情況。

2、地基地質(zhì)差異太大。建造在山區(qū)溝谷的橋梁，河溝處的地質(zhì)與山坡處變化較大，河溝中甚至存在軟弱地基，地基土由于不同壓縮性引起不均勻沉降。

3、結(jié)構(gòu)荷載差異太大。在地質(zhì)情況比較一致條件下，各部分基礎(chǔ)荷載差異太大時，有可能引起不均勻沉降，例如高填土箱形涵洞中部比兩邊的荷載要大，中部的沉降就要比兩邊大，箱涵可能開裂。

4、結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)類型差別大。同一聯(lián)橋梁中，混合使用不同基礎(chǔ)如擴(kuò)大基礎(chǔ)和樁基礎(chǔ)，或同時采用樁基礎(chǔ)但樁徑或樁長差別大時，或同時采用擴(kuò)大基礎(chǔ)但基底標(biāo)高差異大時，也可能引起地基不均勻沉降。

5、分期建造的基礎(chǔ)。在原有橋梁基礎(chǔ)附近新建橋梁時，如分期修建的左右半幅橋梁，新建橋梁荷載或基礎(chǔ)處理時引起地基土重新固結(jié)，均可能對原有橋梁基礎(chǔ)造成較大沉降。

6、地基凍脹。在低于零度的條件下含水率較高的地基土因冰凍膨脹；一旦溫度回升，凍土融化，地基下沉。因此地基的冰凍或融化均可造成不均勻沉降。

7、橋梁基礎(chǔ)置于滑坡體、溶洞或活動斷層等不良地質(zhì)時，可能造成不均勻沉降。

8、橋梁建成以后，原有地基條件變化。大多數(shù)天然地基和人工地基浸水后，尤其是素填土、黃土、膨脹土等特殊地基土，土體強(qiáng)度遇水下降，壓縮變形加大。在軟土地基中，因人工抽水或干旱季節(jié)導(dǎo)致地下水位下降，地基土層重新固結(jié)下沉，同時對基礎(chǔ)的上浮力減小，負(fù)摩阻力增加，基礎(chǔ)受荷加大。有些橋梁基礎(chǔ)埋置過淺，受洪水沖刷、淘挖，基礎(chǔ)可能位移。地面荷載條件的變化，如橋梁附近因塌方、山體滑坡等原因堆置大量廢方、砂石等，橋址范圍土層可能受壓縮再次變形。因此，使用期間原有地基條件變化均可能造成不均勻沉降。

對于拱橋等產(chǎn)生水平推力的結(jié)構(gòu)物，對地質(zhì)情況掌握不夠、設(shè)計不合理和施工時破壞了原有地質(zhì)條件是產(chǎn)生水平位移裂縫的主要原因。

日益增加的現(xiàn)澆商品混凝土樓板裂縫，已引起了諸多用戶的不滿。經(jīng)調(diào)查，當(dāng)前現(xiàn)澆混凝土樓板裂縫基本為混凝土收縮變形裂縫。混凝土收縮變形是水泥水化和混凝土強(qiáng)度生成過程中必然的理化反應(yīng)。當(dāng)混凝土的抗拉強(qiáng)度和極限拉伸小于混凝土的收縮變形應(yīng)力和應(yīng)變時，混凝土的收縮變形就會發(fā)展到收縮變形裂縫。

一、現(xiàn)澆混凝土收縮變形裂縫的普遍性

目前可以把現(xiàn)澆混凝土收縮變形裂縫的普遍性歸納成如下五種：

1、早期塑性收縮變形裂縫

在三高一低（高水化熱、高溫度、高風(fēng)速、低相對濕度）的條件下，表層混凝土失水過快，會出現(xiàn)表層混凝土塑性收縮變形裂縫；當(dāng)大流態(tài)混凝土早期沉縮受到表層鋼筋阻礙時，會出現(xiàn)混凝土沉縮變形裂縫；當(dāng)混凝土中的緩凝劑用量過多時，還會出現(xiàn)混凝土緩凝收縮變形裂縫。

2、干縮變形裂縫

混凝土硬化后，在干燥的環(huán)境下，混凝土內(nèi)部的水不斷向外散失，引起混凝土由外向內(nèi)的干縮變形裂縫。干縮濕脹是混凝土的物理特性。

3、冷縮變形裂縫

水泥水化放熱，引起混凝土內(nèi)部溫度升高，水化高峰后，又逐漸降溫，降溫過程伴隨著混凝土體積的收縮。當(dāng)混凝土內(nèi)外溫差超過一定量值時，硬化初期的混凝土抗拉能力極低，抵抗不住溫差產(chǎn)生的拉應(yīng)力而開裂。

4、自收縮變形裂縫

水泥中四種主要的礦物成份（C3S、C2S、C3A、C4AF）完全水化后，絕對體積總是減小。同時，當(dāng)水灰比很小時，混凝土內(nèi)部的水不能滿足未水化水泥繼續(xù)水化用水的需要，就會發(fā)生混凝土內(nèi)部缺水的現(xiàn)象，進(jìn)而導(dǎo)致混凝土內(nèi)部形成由內(nèi)向外的自收縮變形裂縫。

5、碳化收縮變形裂縫

碳化收縮變形裂縫主要是空氣中CO2與混凝土水泥石中的Ca（OH）2反應(yīng)生成碳酸鈣，放出結(jié)合水而使混凝土收縮變形形成的。

二、現(xiàn)澆商品混凝土樓板收縮變形裂縫的特殊性

分析現(xiàn)澆商品混凝土樓板收縮變形裂縫的特殊性，就要分析它對混凝土五種收縮變形裂縫制約能力，是增加還是減少混凝土的收縮變形裂縫？

1、對早期塑性收縮變形裂縫的影響

低質(zhì)量的商品混凝土，具有三大一?。ㄋ嘤昧看?、水用量大、砂子用量大、石子用量?。┑奶攸c(diǎn)，加之商品混凝土的高流態(tài)、大坍落度的共同特點(diǎn)，使商品混凝土的早期塑性收縮變形裂縫形成的可能性增大。具體表現(xiàn)在三高一低的環(huán)境下施工，現(xiàn)澆商品混凝土樓板表面失水快，塑性收縮變形裂縫、沉縮變形裂縫都形成得快。

2、對干縮變形裂縫的影響

混凝土干縮變形，取決于兩個條件，一是混凝土所處的環(huán)境干燥，二是混凝土中的水因毛細(xì)孔大易向外遷移。當(dāng)混凝土用水量大時，多余的水就會在混凝土中形成較大的毛細(xì)孔。商品混凝土如果采用減少率很低的減水劑，為了保證坍落度和可泵性，就會多用水，所以商品混凝土用水量大使混凝土干縮變形的生成更為容易。

3、對冷縮變形裂縫的影響

最近，很多水泥、混凝土專家，都對過分強(qiáng)調(diào)用早強(qiáng)R型水泥和過分強(qiáng)調(diào)混凝土的早強(qiáng)或超早強(qiáng)提出了批評意見。早強(qiáng)的R型水泥和超早強(qiáng)劑合在一起，造成了水泥快速水化，短時間內(nèi)形成了極高的水化熱，使混凝土現(xiàn)澆樓板上面還覆蓋著水，混凝土仍然繼續(xù)開裂。假設(shè)瞬間，混凝土現(xiàn)澆樓板的內(nèi)部的溫度為60℃，覆蓋的水為25℃，相差35℃，這種溫度梯度一定會使混凝土開裂的。

4、對自收縮變形裂縫的影響

混凝土的自收縮變形，是由于水泥水化的化學(xué)變化和混凝土內(nèi)部缺水造成的。商品混凝土的水泥用量大，必然會造成商品混凝土的自收縮變形大，如果現(xiàn)澆商品混凝土樓板很薄，也有被外界高溫干燥環(huán)境干透的現(xiàn)象，這時，混凝土的外部干縮變形和內(nèi)部干縮變形的引起因素是一致的。

5、對碳化收縮變形裂縫的影響

對碳化收縮變形的影響，商品混凝土與其它混凝土是相同的?；炷翗前澹ǔ菝姘逋猓┰谑覂?nèi)，受到碳化影響小，可以忽略。

通過以上分析可以看出，商品混凝土確有增大現(xiàn)澆混凝土收縮變形裂縫的趨勢，其主要內(nèi)因是商品混凝土配合比中的三大一小，主要外因是三高一低的環(huán)境條件。如果能很好的改善三大一小，有利的控制三高一低，那么，現(xiàn)澆商品混凝土樓板收縮變形裂縫，就可以得到較好的控制。

同時，我們也要注意造成混凝土變形裂縫的其他因素。這些因素主要為對幼齡混凝土呵護(hù)不到位，其具體的表現(xiàn)是：

（1）不能合理振搗，不能適時保溫、保濕養(yǎng)護(hù)；

（2）各種擾動加大了混凝土的變形。

三、針對現(xiàn)澆商品混凝土樓板變形裂縫應(yīng)采取的防治措施

預(yù)防現(xiàn)澆商品混凝土樓板變形裂縫的基本原則，就是“抗與放”?？咕褪遣扇∫磺薪Y(jié)構(gòu)的和非結(jié)構(gòu)的措施，控制其裂縫不產(chǎn)生，放就是讓混凝土收縮在預(yù)定的時間內(nèi)基本完成，然后再進(jìn)行后澆帶的處置，或者就是讓裂縫產(chǎn)生，然后再加以填補(bǔ)。

在結(jié)構(gòu)設(shè)計上，要使配筋細(xì)而密，應(yīng)設(shè)置雙層雙向受力鋼筋，對樓板的外墻內(nèi)角應(yīng)設(shè)放射形鋼筋或布鋼筋網(wǎng)，對穿越樓板中PVC塑料管應(yīng)合理布置并附加防裂保護(hù)要求。

在材料及其配合比上，宜使用河中粗砂，砂石含泥不宜大于3%和1%；宜采用含C3A少的中、低熱水泥；宜使用減縮水劑；宜摻入適量的粉煤灰等活性摻合料；應(yīng)高度重視“雙摻技術(shù)”，并通過“雙摻技術(shù)”，改善商品混凝土的三大一小現(xiàn)象；應(yīng)把混凝土用水量控制在170kg/m3以下，優(yōu)質(zhì)商品混凝土控制在150kg/m3以下；宜把砂率控制在40%以下，宜把水灰比控制在0.4－0.5之間，但水膠比可以小到0.25－0.35之間；對于C30及以下強(qiáng)度的混凝土的水泥用量宜控制在350kg/m3以下；應(yīng)盡可能的提高粗骨料的用量，并在較低強(qiáng)度的混凝土中宜選用較大粒徑的石子；應(yīng)根據(jù)不同的混凝土泵送高度選擇適中的混凝土坍落度。

在商品混凝土秤與施工澆筑養(yǎng)護(hù)中，要根據(jù)現(xiàn)場材料的實(shí)際情況，隨時調(diào)整配合比；要及時掌握施工情況，合理選擇混凝土的保塑時間；混凝土澆筑不能過急形成集中堆料，宜采用平板振搗器對混凝土進(jìn)行兩次振搗。在三高一低的條件下，在設(shè)置擋風(fēng)遮陽設(shè)施的同時，應(yīng)在混凝土澆筑面的上空噴霧，當(dāng)混凝土硬化以后，逐漸增水養(yǎng)護(hù)，保濕養(yǎng)護(hù)至少在7天以上；模板支撐要牢固，拆模時混凝土要達(dá)到規(guī)定的強(qiáng)度1.2Mpa。

對于現(xiàn)澆混凝土樓板的變形裂縫補(bǔ)治，可采用環(huán)氧樹脂膠灌縫修補(bǔ)、封縫。在補(bǔ)縫、封縫的過程中，要注意在干濕循環(huán)和冷熱循環(huán)的反復(fù)作用下，變形裂縫在出現(xiàn)－穩(wěn)定－再出現(xiàn)－再穩(wěn)定的特點(diǎn)。除了堵縫外，還要改善混凝土、結(jié)構(gòu)所處的環(huán)境條件。在混凝土硬化后，由于干縮和冷縮等多因素引起的變形裂縫，通常貫通混凝土截面，一般對混凝土結(jié)構(gòu)的極限承載力無影響。變形裂縫包括早期（約30天以內(nèi)）、中期（約6個月以內(nèi)）、后期（一年至數(shù)十年）裂縫。對于這些特點(diǎn)，在補(bǔ)治裂縫時都應(yīng)充分注意到。