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“建筑工程裂縫機理與防治的研究”簡介

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“建筑工程裂縫機理與防治的研究”簡介

  • 分類:技術知識
  • 作者:
  • 來源:
  • 發布時間:2020-12-11
  • 訪問量:0

【概要描述】本課題為建設部質量安全監督與行業發展司2000年下達的“建筑工程裂縫機理與防治的研究”課題,課題組通過四年緊張的工作,進行了建筑工程裂縫機理的分析……

“建筑工程裂縫機理與防治的研究”簡介

【概要描述】本課題為建設部質量安全監督與行業發展司2000年下達的“建筑工程裂縫機理與防治的研究”課題,課題組通過四年緊張的工作,進行了建筑工程裂縫機理的分析……

  • 分類:技術知識
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  • 來源:
  • 發布時間:2020-12-11
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詳情
本課題為建設部質量安全監督與行業發展司2000年下達的“建筑工程裂縫機理與防治的研究”課題,課題組通過四年緊張的工作,進行了建筑工程裂縫機理的分析、建筑材料抗裂性能的試驗研究、建筑結構縫的設置、建筑地基不均勻沉降裂縫防治措施、建筑施工防治裂縫措施和建筑屋面保溫隔熱措施等方面的研究,在試驗和分析研究的基礎上編寫了《建筑工程裂縫防治指南》,該指南提出了預防為主、采取綜合防治措施的建筑工程裂縫防治原則,較系統規定了建筑結構、基礎設計、建筑材料選擇、建筑工程施工等方面防治裂縫的措施;同時,課題組還進行了工程應用,在實際建筑工程中驗證所提出的防治裂縫措施的有效性。整個課題研究系統,于2004年底全面完成了課題的合同目標。其主要研究成果簡要介紹如下:
  
1.建筑工程裂縫機理的研究
    本課題著重對混凝土結構和砌體結構裂縫的類型、特點和原因進行了分析,通過總結建筑工程裂縫的類型,為正確判斷裂縫的性質、裂縫產生的原因和探討有效防治的措施等均有指導意義。
    1.1砌體結構裂縫機理
    根據對砌體結構裂縫實例的分析,總結出了砌體結構主要裂縫的特點和產生的原因,并提出了相應的控制準則。共分九種類型:   
    (1)干縮裂縫    
    砌體干縮裂縫有兩種類型,一種裂縫多發生在抹灰層內,少數延伸到砌體內部;另一種干縮裂縫呈不規則的龜裂或呈放射狀裂縫,此類裂縫寬度較小,僅發生在抹灰層內。
    (2)地基下沉裂縫
    通常,當地基下沉差異變形值超過砌體抗拉或抗剪極限變形值時,砌體將產生下沉裂縫。因地基下沉引起的裂縫比較復雜,形狀各異,既有一般規律又有特殊情況。
其一般規律為:下層重、上層輕;縱向重、橫向輕;外墻重、內墻輕,且多為斜同裂縫。
    (3)溫度裂縫
    砌體結構在約束的條件下,由于外界溫度變化,屋蓋、樓蓋與砌體互相約束,造成相互間溫度變形不協調,產生溫度應力,當溫度應力超過砌體抗拉或抗剪強度極限值時,砌體將產生溫度裂縫。
    砌體溫度裂縫的特點和規律為:頂層重、下層輕;兩端重、中間輕;向陽重、背陰輕等。
    (4)應力集中裂縫
    此類裂縫多出現車砌體相對薄弱的部位,如門洞口上部、窗洞口上、下部以及混凝土大梁下部的墻體上。其裂縫多為斜向,少部分為豎向和水平方面。
    (5)荷載引起的裂縫
    此類裂縫多出現在軸心或少偏心受壓的磚梁或磚柱上,有時也出現在截面較少的承重窗間墻上,且多呈豎向裂縫,有時呈現棗核形,嚴重處磚塊斷裂,砌體出現剝落現象。
    (6)凍融(漲)裂縫
    此類裂縫多發生在寒冷地區房屋的基礎、檐口、女兒墻或經常受潮濕的廚房、衛生間等的外墻,有時室外踏步也發生此類裂縫。此類裂縫的特點是在裂縫附近砌體或混凝土酥松、剝落,且隨時間推移有逐漸惡化的趨勢。
    (7)兩種結構體系變形不協調裂縫    
    此類裂縫多出現在兩種結構體系收縮、溫度變形不協調的薄弱部位或交界處,例如在砌體結構外側貼建混凝土框架外樓梯的交接處等。
    (8)沉降溫度裂縫
    此類裂縫特點是在房屋上下層皆出現不同程度裂縫。
    (9)溫度、應力集中裂縫
    此類裂縫是由于外界溫度變化和應力集中綜合因素造成的。
    1.2混凝土結構裂縫機理
    混凝土的裂縫可分為“微觀裂縫’’和“宏觀裂縫’’兩大類,這里主要探討“宏觀裂縫”問題,由于混凝土的組成材料、結構體系、結構構造和受力狀態的不同,以及約束條件和所受外界影響的差異,致使混凝土產生裂縫的原因較為復雜,因而對混凝土結構性能的影響也各不相同,但歸納起來,根據混凝土裂縫的特點規律形成的原因大致可分為以下十二種類型。
    (1)塑性塌落裂縫
   一般多在混凝土澆注過程或澆注成型后,在混凝土初凝前發生,由于混凝土拌合物中的骨料在自重作用下緩慢下沉,水向上浮,即所謂的泌水,若是素混凝土,混凝土內部下沉是均勻的,若是鋼筋混凝土,則混凝土沿鋼筋下方繼續下沉,鋼筋上面的混凝土被鋼筋支頂,使混凝土沿鋼筋表面產生順筋裂縫。這種塑性塌落裂縫,對于大流動性混凝土或水灰比較大的混凝土尤為嚴重。
(2)塑性收縮裂縫
一般多在混凝土澆注后,還處于塑性狀態時,由于天氣炎熱、蒸發量大、大風或混凝土本身水化熱高等原因,而產生裂縫。
    (3)干縮裂縫
    一般多在混凝土硬化過程中,由于混凝土失水干燥,引起體積收縮變形,這種體積變形受到約束時,就可能產生干縮裂縫。
    混凝土干縮裂縫,一般有兩種形狀:一種為不規則龜紋狀或放射狀裂縫;另一種為每隔一段距離出現一條裂縫。
    (4)溫度裂縫
    一般是由于外界溫度變化,使混凝土產生脹縮變形,這種變形即為溫度變化,當混凝土構件受到約束時,將在混凝土構件內產生應力,當由此產生的混凝土內部的拉應力超過混凝土抗拉強度極限值時,混凝土便產生溫度裂縫。
    (5)水化熱裂縫
    一般多在大體積混凝土或高強混凝土施工過程中,由于混凝土水化熱很高,致使混凝土內部溫度與混凝土表面溫度以及外部環境溫度相差較大,加之有約束的存在,就會產生水化熱裂縫。
    (6)收縮、溫度裂縫
    一般在混凝土硬化過程中或使用一段時間后產生,這種裂縫是在有約束的條件下,由于混凝土的體積收縮、外界溫度變化導致混凝土產生收縮和溫度應力及變形,當其收縮和溫度應力達到混凝土抗拉強度極限值或混凝土極限變形值時,混凝土即產生收縮溫度裂縫。
    (7)地基沉陷裂縫
一般情況下,當混凝土結構主體和基礎剛度較大時,其抵抗地基沉陷的能力還是較強的。但是地基處理不滿足規范要求時,特別是在嚴重濕陷性黃土、凍脹土、膨脹土、鹽漬土、軟弱土等不良場地,仍時常產生地基沉陷(膨脹)裂縫。
    (8)應力集中裂縫
    一般多在主體結構建成后出現,混凝土結構應力集中裂縫主要分布在門窗洞口、平面或立面突出凹進以及開結構洞口和結構剛度突變及集中荷載等處。對于預應力鋼筋混凝土結構,一般在張拉鋼筋錨固端產生的局部壓應力集中處產生裂縫。
    (9)凍融裂縫
    一般在寒冷或嚴寒地區,由于混凝土受潮并遭受多次凍融,造成混凝土裂縫;也可能是由于土體凍脹,使混凝土產生裂縫。
    (10)鋼筋銹蝕裂縫
    一般是由于在混凝土中使用外加劑不當(如使用了超量氯離子的外加劑)或混凝土結構處于有腐蝕性氣體或液體的環境中,以及施工時控制不嚴,混凝土保護層過薄或露筋,致使混凝土中鋼筋生銹,鐵銹(氧化鐵)體積膨脹,致使混凝土產生裂縫。此外,當混凝土碳化深度超過鋼筋保護層時,也會導致鋼筋銹蝕膨脹,使混凝土產生裂縫。
    (11)堿骨料反應裂縫
    這種裂縫是由于混凝土原材料中的水泥、外加劑、混合材料及水中的堿性物質與骨料中的活性物質發生膨脹性的化學反應。堿骨料反應裂縫通常在混凝土澆注成型若干年后出現,反應生成物吸水膨脹使混凝土產生內部應力而開裂。由于活性骨料一般呈均勻分布,故混凝土發生堿骨料反應后,混凝土各部分均產生膨脹應力和變形,特別是混凝土在遇水的情況下,其體積約膨脹3.4倍,使混凝土產生膨脹性酥松狀裂縫。
    (12)荷載作用裂縫
    一般是由于結構物受到荷載作用,導致混凝土內部產生拉應力超過混凝土的極限抗拉強度,致使混凝土產生裂縫。
  2.建筑工程裂縫防治的研究
    建筑工程裂縫產生的因素是多方面的,因此,對建筑工程裂縫的防治應采取綜合措施,包括建筑材料的抗裂性能、建筑結構防治裂縫的設計、建筑工程施工防治裂縫的措施、建筑保溫隔熱性能及地基基礎防治可均勻沉降的措施等。本課題著重對混凝土及原材料的抗裂性能、混凝土結構中構造縫的設計,現澆混凝土樓板裂縫防治、地基不均勻沉降裂縫防治、多層砌體房屋溫度裂縫機理與防治措施,溫度裂縫與外墻屋面保溫等方面進行了研究。
    2.1混凝土及其原材料的抗裂性能
    對混凝土及其原材料抗裂性能的研究,中國建筑科學研究院國家建筑工程質量監督檢驗中心、同濟大學及上海市建筑科學研究院、廣西大學、天津市建筑科學研究院等單位根據課題的分工及要求采用不同的方法對混凝土及其原材料的抗裂性能及評價方法進行了研究,具體為:
    (1)中國建筑科學研究院國家建筑工程質量監督檢驗中心對混凝土膠凝材料體系的抗裂性能進行了系列的試驗研究,抗裂性能的評價主要采用凈漿圓環開裂試驗。對膠凝材料體系主要研究了水泥的開裂性能以及水灰比、外加劑、粉煤灰摻合料、礦渣摻合料等對水泥開裂性的影響。研究表明:(1)水泥的開裂性能受水泥強度、生產廠家(主要是水泥成分)和水泥堿含量等多種因素的影響。并且在堿含量和強度等級的影響中,強度等級的影響比較顯著。(2)在一定水灰比范圍內(一般0.3~0.5),隨著水灰比的增加,水泥的開裂時間有較大的增長;當水灰比超過一定范圍后(一般0.50)隨著水灰比的增大,水泥的開裂時間基本不再延長,甚至有時出現了縮短。(3)高效減水劑的加入一般會使水泥的開裂時間縮短,但其在水泥中存在一飽和摻量,當摻量達到飽和摻量前,隨著摻量的增加,水泥的開裂時間縮短,當達到飽和摻量后,在一定摻量范圍內高效減水劑摻量的增多對開裂性能影響不大。(4)摻入適量的I級和II級粉煤灰可以有效改善水泥的抗裂性能,并且摻A I級灰的水泥抗裂性能優于摻II級灰。I級和1I級粉煤灰的適量摻入可以完全彌補高效減水劑的摻入帶來的對水泥抗裂性的不利影響,粉煤灰和高效減水劑的雙摻既能改善和易性又可以改善水泥的抗裂性能。粉煤灰的適宜摻量為20~30%。(5)礦渣粉對水泥開裂性能的影響不能一概而論,只能根據實際中所使用的礦渣粉的情況,根據試驗確定。在試驗中還發現,環開裂的時間對溫度及濕度、操作過程等都比較敏感,試驗條件越嚴酷(環境溫度越高,濕度越?。?,開裂敏感性越大,即受偶然因素的影響越大。目前圓環開裂試驗只適用于對材料抗裂性能的相對評定。
(2)同濟大學和上海市建筑科學研究院等單位進行了“混凝土的組成材料與配合比對混凝土收縮性能的影響規律”以及“養護方法對混凝土早期塑性裂縫和后期收縮影響”的研究。
    對混凝土收縮性能的研究表明:(1)在膠凝材料漿體組成一定時,骨料體積含量越大,混凝土的收縮值越小。骨料體積在68~70%范圍內變化時,對收縮的影響最為敏感。從減少混凝土收縮的角度看,當骨料體積含量大于70%時,最為有效。(2)以粉煤灰等量替代水泥通常會導致混凝土收縮的增大,早期增大10~30%,后期增大10%左右。質量替代率小于20%,收縮增幅較大;20~30%左右,混凝土收縮基本不變或略有減??;大于30%,則收縮增幅較小。(3)礦粉等量替代水泥會導致混凝土收縮的增大,摻量小于15%時,對收縮影響較小,對控制收縮有利。(4)膠凝材料漿體組成和含量不變時,砂率不會對混凝土的收縮產生大的影響。(5)骨料體積含量一定時,存在使混凝土收縮變形小的膠凝材料漿體組成,此時0.50~0.60為較佳水灰比(水膠比)范圍,在較佳水灰比(水膠比)下,單位用水量的變化對混凝土收縮變形的影響并不顯著。(6)避免使用粒徑分布集中、中間粒級顆粒少的的粗骨料,采用少量瓜子片調整級配,使粗骨料級配曲線接近級配要求范圍下限,且含有一定量的2.5~l0mm骨料時(即級配曲線小于l0mm部分接近級配要求下限),可在一定程度上減少混凝土的干燥收縮。(7)含泥量對收縮是絕對有害的,骨料中的含泥量應盡可能降低。
    通過平板試驗和收縮試驗對養護方法對混凝土早期塑性裂縫和后期收縮影響的研究表明:在正常施工環境下,采用噴灑養護劑的方法,能減少混凝土的塑性裂縫,對提高混凝土的抗裂性能具有一定效果。
    (3)廣西大學對砌體結構現澆樓板裂縫進行了研究。其中對材料的研究主要采用了水泥砂漿平板開裂試驗和水泥凈漿圓環開裂試驗。平板試驗主要研究了不同水泥品種和水灰比對水泥砂漿塑性開裂的影響程度,研究表明,不同的水泥,其開裂時間不同;對同一種水泥,水灰比由0.3增加到0.4時,塑性收縮產生的裂縫的面積率也增大。圓環開裂試驗主要研究了水灰比、養護方式和聚丙烯纖維對開裂性能的影響。研究表明,當水灰比從0.30~0.60變化時,水灰比越大,水泥石越不容易開裂。水泥石失水速度越快,開裂時間越早。加入聚丙烯纖維后可起到分散裂縫、減少裂縫寬度的作用。
    (4)天津建筑科學研究院主要進行了化學減縮劑對混凝土裂縫的影響。研究表明,摻入減縮劑可以不同程度地降低混凝土的干縮率,早期減縮率可達30%~75%,后期減縮率達20%~40%。平板開裂試驗和環開裂試驗均證實,減縮劑可以延緩混凝土的開裂時間,減少裂縫面積及發展速度。
    幾個科研單位通過不同的角度、不同的方法對混凝土及其原材料的抗裂性能進行了系列的研究,得出的結論基本上是一致的。主要有:(1)在一定范圍內,隨著水灰比的增加,水泥石和混凝土的開裂時間延長。要想混凝土有較好的抗裂性能,混凝土水灰比宜為0.4~0.55。(2)加入一定量的I級或II級粉煤灰對提高混凝土的開裂性能是有好處的,其適宜摻量為20%~30%。尤其在摻加高效減水劑時,更宜同時摻用粉煤灰。(3)將粗骨料級配控制在接近級配曲線的下限或調配達到最大緊密密度將有利于提高混凝土的抗開裂性能。(4)采用減縮劑可以在一定程度上減少混凝土的收縮,提高混凝土的抗開裂性能。(5)注意混凝土的養護,降低混凝土的失水速率也是提高混凝土開裂性能的方法之一。(6)在混凝土中摻入適量聚丙烯纖維,能有效減輕混凝土塑性收縮裂縫的發展,降低裂縫的寬度和長度。
    在上述研究的基礎上,各單位還根據具體工程,結合工程試點進行了原材料的選擇及混凝土的配合比優化,取得了良好的效果。
    2.2混凝土結構中構造縫的設計
    課題組對混凝土結構中構造縫的設計進行了專門的研究。
    現代建筑物的體型和功能復雜多樣,體量也越來越大。出于建筑和結構功能以及施工的需要,須將其用“結構縫”劃分為若干部分,這就引起了結構中縫的設置問題。結構縫是一個綜合概念,可分為永久性的構造縫和臨時性的施工縫。
    在建筑結構的適當部位設置各種類型的構造縫,可在滿足結構體系傳力功能要求的條件下,盡量減小約束應力的積聚,以達到控制裂縫的目的。
    (1)構造縫的類型
    在混凝土結構中設置構造縫的目的是容納結構的各部分之間在各種作用下可能產生的變形和位移,減小約束應力的積聚,避免產生間接裂縫。設計規范中規定的“伸縮縫”,就是構造縫的一種類型。實際上,混凝土結構中設置構造縫的意義遠不止“伸”和“縮”,就其功能而言,大體可分為以下幾類:
①膨脹縫(伸縫):由于混凝土結構中某些部分體積膨脹,與其余部分造成變形差。為防止變形差積累過大,設置縫而加以隔離。常見的膨脹縫多位于因日曬和炎熱氣候而體積變化的屋蓋或山墻部位,與其保溫隔熱措施有關。
②固收縮縫(縮縫):為減小混凝土在凝固過程中體積減小或溫度下降而造成的約束應力,可設置收縮縫。由于混凝土的凝固收縮有時間性,相對已基本完成收縮的預制構件或疊合結構,收縮縫的要求可適當降低。
③沉降縫:地基或荷載不均勻造成結構沉降差異難以避免,在沉降差異較大處設沉降縫可以減小因此而引起的約束內力及沉降裂縫。由于基礎沉降的時間性,隨著沉降漸趨穩定,沉降縫的作用也逐漸減小。
④抗震縫:為避免建筑物各部分之間在地震作用時互相碰撞而設置的隔離縫,與結構體型、高度、地震烈度等因素有關。
⑤體型縫:結構體量龐大且形狀復雜時,采用體型縫將其分割為形狀相對簡單、尺度不大的若干區段,以防止在剛度變化較大處引起內力和變形的不協調而產生裂縫。
⑥局部縫:在形狀突變處或結構的凹角部位,往往因應力集中而引起局部裂縫。主動在此開槽設縫,可以消除裂縫對觀感或使用功能的影響。
⑦控制縫(引導縫):采用一定的手段(預埋隔離片或削弱截面),引導間接裂V縫在預定位置出現,并事先采取措施消除對觀感和使用功能的影響,可避免無規則開裂引起的不良后果。
⑧拼接縫:在裝配式結構中,預制構件之間或預制構件與支承結構之間,需設置拼接縫并采取有效措施解決結構傳力的連續性及整體性問題,并避免裂縫。
    (2)構造縫的設計原則
    考慮到現代建筑體量龐大、形態復雜、混凝土溫度收縮變形大等特點,設計時應合理布置構造縫,防止約束應力積聚過大;
    在施工過程中合理設置施工縫和后澆帶,減少和避免早期收縮的影響;
    根據各類構造縫的功能和特點,應盡量將其合并,做到一縫多能,并采用有效的構造措施,以保證其應有的功能;
    同時提出了構造縫的做法和要求。
    控制裂縫的方法可分為“堵”“補”和“導”。構造縫的設計屬于“導”的范疇,但其涵義比現行規范中的“伸縮縫”要廣泛和深刻得多。結構設計時除了應采取適當配筋和構造措施外,還可通過構造縫的合理設置來控制可見裂縫。設計人員應從狹義的“伸縮縫”的概念中擴大對結構設縫的理解,并力求擺脫傳統設計理念。改進關于縫的設計理念,采用新的結構形式來消除產生裂縫的因素,為解決我國目前的普遍存在的裂縫問題作出努力。

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