高层建筑混凝土转换层结构温度裂缝控制研究

[摘要]叙述高层建筑混凝土转换层结构温度裂缝的具体产生机理，分析影响温度裂缝产生和发展的各种因素及裂缝修补方法。

[关键词]高层建筑 混凝土转换层结构 温度裂缝

中图分类号：TU97文献标识码：A 文章编号：1671－7597 (2008) 0310044－02

一般来说，裂缝是指固体材料中的某种不连续现象，在学术上属于结构材料强度理论范畴。近代科学关于混凝土强度的微观研究以及大量的工作实践所提供的经验表明：裂缝是一种人们可以接受的材料特征。结构物的裂缝是不可避免的。从不同的国家来看，各国的规范对混凝土构筑物的裂缝都有不同的控制范围和要求，要保证混凝土构筑物不出现裂缝可以说是不可能的。在我国，对在不同环境下混凝土构筑物，在不同的介质情况下，所规定的混凝土裂缝宽度也不同。

一、大体积混凝土结构裂缝产生的机理

（一）裂缝种类

混凝土是由水泥浆、沙子和石子组成的水泥浆体和骨料的两相复合型脆性材料。存在着两种裂缝：肉眼看不见的微观裂缝和肉眼看得见的宏观裂缝。微观裂缝是混凝土本身就有的，它的宽度仅2~5um，主要有三种形式的微观缝：粘着裂缝；水泥石裂缝；骨料裂缝。宽度不小于0.05mm的裂缝称为宏观裂缝，宏观裂缝是由微观裂缝扩展而来的。混凝土的宏观裂缝按其成因有荷载裂缝、变形裂缝、施工裂缝、碱骨料反应裂缝。根据它们在结构中的分布区域，一般可分为贯穿裂缝、深层裂缝及表面裂缝三类。

由温度变化产生温度应力从而发生的裂缝有两种，即内约束裂缝和外约束裂缝。

（1）内约束裂缝的产生：浇筑初期的混凝土处于塑性状态，弹性模量低，变形变化产生的应力较小，对混凝土不会引起裂缝破坏。此后由十水化作用减缓，放出的热量少于散失的热量；或受寒冷袭击气温陡降，无适应的保温措施，混凝土表面散热快，造成温度陡降，混凝土内外部温差增大，中部混凝土温度高，发生体积膨胀，外部温度低产生体积收缩，约束了内部膨胀，此时混凝土的抗拉强度很低。当超过该龄期的混凝土的极限抗拉强度与变形极限，便会在混凝土表面产生裂缝。这种因表面与内部温差引起的裂缝，称内约束裂缝。这种裂缝般产生很旱，多呈不规则状态，深度较浅，属表面性质。

（2）外约束裂缝的产生：在混凝土降温阶段，热量逐渐散发，混凝土温度逐渐下降，因降温使混凝土体积逐渐产生收缩；与此同时，混凝土在硬化过程中产生收缩变形；当结构受到地基，垫层或结构边界的外部约束，将产生很大的温度应力拉应力，当两种应力叠加超过混凝土的抗拉极限强度时，则在混凝土的底面交界处附近以至混凝土中产生收缩裂缝，称为外约束裂缝。通常浇筑体的降温差较大，其形成的收缩变形也就很大。这种裂缝特征是由交界面向上延伸，靠近基底最大而在上二部较小，严重的会产生贯穿整个基础全面的裂缝（称贯穿性裂缝）。

（二）高层建筑混凝土转换层结构内部裂缝

高层建筑混凝土转换层结构内出现的裂缝，按其深度一般可分为表面裂缝、深层裂缝和贯穿裂缝三种。贯穿性裂缝切断了结构断面，破坏结构整体性、稳定性等，危害严重。深层裂缝部分切断了断而，也有一定危害性。表而裂缝产生应力集中，能促使裂缝进步开展。

混凝土的裂缝是不可避免的，其微观裂缝是木身物理力学性质决定的，但它的有害程度是可以控制的，有害程度的标准是根据使用条件决定的。从结构耐久性要求、承载力要求及正常使用要求，最严格的允许裂缝宽度为0.1mm，泵送混凝土为0.1mm。

《混凝土结构设计规范》（GB50010-2002）对钢筋混凝土结构的最大允许裂缝宽度有明确规定，室内正常环境下的一般构件中为0.3mm；露天或室内高湿度环境为0.2mm，对于基础、地下或半地下结构，裂缝主要影响其防水性能。当裂缝宽度在0.1mm－0.2mm时，虽然早期有轻微渗水，经过一段时间后一般可以自愈。裂缝宽度如超过0.2mm－0.3mm，其渗水量与裂缝宽度的二次方成正比，渗水量随时裂缝宽度的增加而增大甚快，为此，对于这种裂缝必须进行化学灌浆处理，以满足设计使用要求。

（三）高层建筑混凝土转换层结构施工阶段的温度裂缝

高层建筑混凝土转换层结构施工阶段产生的温度裂缝，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和应变，另一方面是结构的外部结束和混凝土的质点间的约束阻止这种应变。一旦温度应力超过混凝土能承受的抗拉强度时，即会出现裂缝。另外，泵送混凝土山于流动性和和易性的要求，坍落度增加，水灰比增大，水泥强度等级提高，水泥用量、用水量、砂率均增加，骨料粒径减小，减水剂及其外加剂的增加等诸多因素的变化，导致混凝土的收缩及水化热作用都大大增加，收缩时间延长。在裂缝控制中决定混凝土抗力的是抗拉强度。水泥用量及标号的增加，可明显提高抗压强度，但对抗拉强度的提高是较小的。施工一单位委托搅拌站向现场供应商品混凝土时，委托的技术依据只有设计院确定的强度等级，却忽略了工程特点对大体积混凝土性能的要求，这样对控制裂缝不利。施工单位应编制高层建筑混凝土转换层结构浇筑施工方案，并严格执行。

二、高层建筑混凝土转换层结构温度裂缝的产生原因

温度，作为一种变形作用，在混凝土结构中引起的裂缝有表面裂缝和贯穿裂两种。这两种裂缝在不同程度上都属于有害裂缝。由于高层建筑、高耸结构物和大型设备基础的出现，高层建筑混凝土转换层结构也被广泛采用，现将产生裂缝的主要原因分述如下：

（一）水泥水化过程是高层建筑混凝土转换层结构中的主要温度因素

水泥水化过程中要放出一定的热量。而高层建筑混凝土转换层结构一般断面较厚，水泥放出的热量聚集在结构物内部不易散发。通过实测，水泥水化热引起的温升，在水利工程中一般为15－25℃，而在建筑工程中一般为20~30℃，甚至更高。水泥水化热引起的绝热温升，是与混凝土单位体积中水泥用量和水泥品种有关，并随混凝土的龄期（时间）按指数关系增长，一般在10~12天接近于最终绝热温升。但由于结构物有一个自然散热条件，实际上混凝土内部的最高温度，多数发生在混凝土浇筑后的最初3~5天。由于混凝土的导热性能差，浇筑初期混凝土的强度和弹性模量都很低，对水化热引起的急剧温升约束不大，相应的温度应力也较小。随着混凝土龄期的增长，弹性模量的增高，对混凝土内部降温收缩的约束也就愈来愈大，以至产生很大的拉应力。当混凝土的抗拉强度不足以抵抗这种拉应力时，便开始出现温度裂缝。

（二）外界气温变化的影响

高层建筑混凝土转换层结构在施工阶段，外界气温的变化影响是显而易见的，因为外界气温愈高。混凝土的浇筑温度也愈高；而外界温度下降，又增加混凝土的降温幅度，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，这对高层建筑混凝土转换层结构是极为不利的。

（三）约束条件与温度裂缝的关系

各种结构物在变形变化过程中，必然会受到一定的“约束”或“抑制”而阻碍变形，这就是指的约束条件。高层建筑混凝土转换层结构由于温度变化会产生变形，而这种变形又受到约束，便产生了应力，这就是温度变化引起的应力状态。而当应力超过某一数值，便引起裂缝。

（四）混凝土的收缩变形

混凝土的收缩机理比较复杂，其最大的原因，可能是内部孔隙水蒸发变化时引起的毛细管引力。收缩在很大程度上是有可逆现象的。如果混凝土收缩后，再处于水饱和状态，还可以恢复膨胀并几乎达到原有的体积。干湿交替将引起混凝土体积的交替变化，这对混凝土是很不利的。

三、高层建筑混凝土转换层结构温度裂缝的特点

高层建筑混凝土转换层结构温度裂缝属于变形荷载引起的裂缝。此类裂缝区别于外荷载引起的裂缝，有两个显著的特点：（1）温度裂缝的起因是结构首先变形，当变形得不到满足才引起应力，而应力又与结构的刚度大小有关，只有当应力超过一定数值时才引起裂缝。混凝土开裂后，变形得到满足或部分满足，应力就发生松弛现象。如果材料强度不高，但是有较好的韧性，也可以适应变形要求，抗裂性能较高。混凝土虽然属于脆性材料，但是改善配合比，增加密实度，在允许范围内提高混凝土的变形能力也是控制开裂的一种途径。松弛变形是高层建筑混凝土转换层结构温度裂缝区别于荷载产生裂缝的主要特点，计算时应充分考虑。（2）按普通外荷载计算原则，从外荷载作用，结构内力形成，直至裂缝的出现与扩展，似乎都是在一瞬间完成的，是某个“瞬间过程”。但是高层建筑混凝土转换层结构温度变形的作用，从变形的产生到温度变形应力的形成，裂缝的出现、扩展都不是在同一时间瞬时完成的，它有一个“时间过程”，即为“传递过程”，是一个多次产生和发展的过程，这是区别于外荷载裂缝的第二个特点。因此，高层建筑混凝土转换层结构的温度应力应按分段叠加的方法来求得。

四、混凝土结构裂缝的修补

正在施工中出现的裂缝，一般沿裂缝走向铺设钢筋或钢筋网，并应对混凝土结构加强表面保温和养护，对于出现在老混凝土上的深层裂缝应根据建筑物的结构形式、裂缝出现的部位、裂缝发生的原因、性质、宽度，以及结构的受力情况，合理地选择修补材料和方法。

裂缝的一般修补方法有：

（一）表面修补法

主要用于对承载能力无影响的表面裂缝，大面积细裂缝以及防渗补漏的处理。主要有表面涂抹水泥砂浆、表面涂抹环氧胶泥、环氧粘贴玻璃法、表面凿槽嵌补法和表面贴条法等。

（二）内部修补法

主要用于对结构整体性有影响及有防水、防渗要求的深层裂缝及内部缺陷的修补。其最有效的方法是灌浆法，包括水泥灌浆和化学灌浆。

（三）结构加固法

主要用于提高结构的承载力，限制裂缝的发展或将裂缝封闭。包括外包（钢筋）混凝土或钢加固，粘胶、铆接、焊接等外贴加固补强，预应力铆固，喷浆及喷射混凝土等结构加固。

五、结语

总之，大体积混凝土中产生裂缝有多种原因，主要是温度和湿度的变化，混凝土的脆性和不均匀性，以及结构不合理，原材料不合格（如碱骨料反应），模板变形，基础不均匀沉降等。混凝土硬化期间水泥放出大量水化热，内部温度不断仁升，在表面引起拉应力。后期在降温过程中，由于受到基础或老混凝土的约束，又会在混凝土内部出现拉应力。气温的降低也会在混凝土表面引起很大的拉应力。当这些拉应力超出混凝土的抗裂能力时，即会出现裂缝。许多混凝土的内部湿度变化很小或变化较慢，但表面湿度可能变化较大或发生剧烈变化。如养护不周、时干时湿，表而干缩形变受到内部混凝土的约束，也往往导致裂缝。

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