屈文俊 秦怡惟 朱 鵬 侯克亮

(同濟(jì)大學(xué)建筑工程系，上海200092)

1 引言

2013年筆者在華東地區(qū)檢測(cè)到了施工期間現(xiàn)澆樓板沿鋼筋方向出現(xiàn)貫穿裂縫的三個(gè)工程案例。在這些工程實(shí)例中，產(chǎn)生了順筋裂縫，即在混凝土板中沿混凝土與兩個(gè)方向正交鋼筋的接觸面產(chǎn)生裂縫，而其他部位沒(méi)有產(chǎn)生裂縫，裂縫形態(tài)如圖1、圖2所示。順筋裂縫產(chǎn)生的原因可能是混凝土早期抗拉強(qiáng)度低，而水化熱過(guò)大，其產(chǎn)生的溫度應(yīng)力大于對(duì)應(yīng)的早期抗拉強(qiáng)度。

按以上分析，順筋裂縫的產(chǎn)生需要滿足兩個(gè)條件:①溫差本身不會(huì)在具有基本抗拉強(qiáng)度的混凝土中產(chǎn)生裂縫;②早期混凝土與鋼筋之間的線膨脹系數(shù)差產(chǎn)生的溫度應(yīng)力足夠大，與溫差疊加產(chǎn)生裂縫;或者(也可同時(shí)滿足)混凝土與鋼筋接觸面的抗拉強(qiáng)度并沒(méi)有達(dá)到基本抗拉強(qiáng)度，在接觸面出現(xiàn)裂縫。

本文主要從以上兩個(gè)方面分析裂縫成因，首先分析早期混凝土的基本力學(xué)性能，包括抗拉強(qiáng)度和彈性模量，進(jìn)行溫度應(yīng)力計(jì)算，再利用試驗(yàn)探究鋼筋混凝土接觸面的早期抗拉強(qiáng)度是否小于混凝土自身抗拉強(qiáng)度。

圖1 上海橫沙漁港核心功能區(qū)建設(shè)項(xiàng)目一期預(yù)加工車間板底順筋裂縫Fig.1 Cracks along steel in cast-in-place concrete slab in a factory in Shanghai

圖2 杭州市連城國(guó)際花園1號(hào)樓第一層樓蓋結(jié)構(gòu)板底順筋裂縫Fig.2 Cracks along steel in cast-in-place concrete slabs in a residential building in Hangzhou

2 早期混凝土的力學(xué)性能

2.1 抗拉強(qiáng)度

抗拉強(qiáng)度是混凝土的重要力學(xué)性能。混凝土的早期抗拉強(qiáng)度與多種因素相關(guān)，包括所用的水泥強(qiáng)度等級(jí)及礦物成分、水灰比、外加劑種類及摻量、粗骨料強(qiáng)度及表面粗造程度等[1]。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者的試驗(yàn)研究表明，抗拉強(qiáng)度隨著齡期的增長(zhǎng)而增長(zhǎng)，文獻(xiàn)[1]、[2]表明，早期抗拉強(qiáng)度增長(zhǎng)速度較快，以后增長(zhǎng)速度較緩慢[2]。

2.2 彈性模量

彈性模量反映了混凝土所受應(yīng)力與產(chǎn)生應(yīng)變的關(guān)系，是混凝土重要的力學(xué)性能。隨著水化作用的進(jìn)行，混凝土彈性模量單調(diào)增長(zhǎng)，但增長(zhǎng)速度漸減并趨向收斂[3]，最后趨向于一個(gè)穩(wěn)定值。

2.3 早期抗拉強(qiáng)度與彈性模量對(duì)比

為了分析早期裂縫產(chǎn)生的原因，進(jìn)行早期混凝土抗拉強(qiáng)度和彈性模量的對(duì)比。

以Boulay等[4]采用BTJASPE試驗(yàn)裝置測(cè)得的數(shù)據(jù)(水灰比0.54)為例，得到的彈性模量曲線和抗拉強(qiáng)度曲線分別如圖3、圖4所示。

由圖可見(jiàn)，彈性模量的增長(zhǎng)速度與抗拉強(qiáng)度的增長(zhǎng)速度不同步。在2 d齡期之前彈性模量比抗拉強(qiáng)度增長(zhǎng)快，更容易出現(xiàn)由收縮變形受約束產(chǎn)生的拉應(yīng)力大于抗拉強(qiáng)度的情況，也即更容易出現(xiàn)裂縫。

圖3 文獻(xiàn)4中所研究混凝土的抗拉強(qiáng)度曲線Fig.3 The tensile strength curve in reference 4

圖4 文獻(xiàn)4中所研究混凝土的抗拉強(qiáng)度曲線Fig.4 The young's modulus curve in reference 4

3 早期順筋裂縫分析

根據(jù)分析，混凝土板產(chǎn)生早期順筋裂縫的元兇是水化熱過(guò)大，最可能的直接原因有兩點(diǎn):

(1)溫度應(yīng)力，包括混凝土凝結(jié)過(guò)程中水化熱造成的溫差產(chǎn)生的溫度應(yīng)力——溫差應(yīng)力，以及早期混凝土與鋼筋的線膨脹系數(shù)差導(dǎo)致的溫度應(yīng)力——線差應(yīng)力。如果截面配筋率大，則在溫差過(guò)大時(shí)容易出現(xiàn)由線差導(dǎo)致的沿鋼筋方向的裂縫[5]。

(2)早期混凝土與鋼筋表面的抗拉強(qiáng)度低于同齡期的混凝土抗拉強(qiáng)度。

本節(jié)對(duì)以上兩點(diǎn)原因進(jìn)行具體分析，首先進(jìn)行溫度應(yīng)力計(jì)算，再用試驗(yàn)驗(yàn)證鋼筋混凝土接觸面的早期抗拉強(qiáng)度是否小于混凝土自身抗拉強(qiáng)度。

3.1 溫度應(yīng)力計(jì)算

3.1.1 相關(guān)參數(shù)說(shuō)明

為計(jì)算溫度應(yīng)力，需要彈性模量曲線、抗拉強(qiáng)度曲線、混凝土線膨脹系數(shù)曲線、水化熱引起的混凝土溫升曲線。利用相關(guān)文獻(xiàn)中的曲線來(lái)說(shuō)明。

1)彈性模量和抗拉強(qiáng)度

采用 Boulay C等[4]測(cè)得的早期混凝土性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)，其抗拉強(qiáng)度和彈性模量曲線分別見(jiàn)圖3、圖4。

2)熱膨脹系數(shù)

龍炳煌等[5]總結(jié)前人研究成果得出，鋼筋的線膨脹系數(shù)大約為12×10-6℃。

混凝土的熱膨脹系數(shù)利用相關(guān)文獻(xiàn)中曲線來(lái)說(shuō)明。Laplante P等[6]所采用混凝土與文獻(xiàn)[4]的試驗(yàn)中混凝土配合比相近，其配合比見(jiàn)表1，得到的混凝土熱膨脹系數(shù)隨混凝土成熟程度的關(guān)系見(jiàn)圖5。

表1 文獻(xiàn)[6]中所研究混凝土的配比Table 1 The concrete proportioning in reference 6

圖5 文獻(xiàn)[6]中混凝土的線膨脹系數(shù)曲線Fig.5 The thermal expansion coefficient curve of concrete in reference 6

3)混凝土溫度歷史曲線

混凝土凝結(jié)時(shí)溫度變化同樣采用文獻(xiàn)[6]中的曲線，見(jiàn)圖6。采用的是16 cm×32 cm圓柱形試件，在絕熱條件下混凝土凝結(jié)時(shí)有15℃的溫差，置于室溫20℃下混凝土溫差4℃。

3.2.2 計(jì)算溫度應(yīng)力

計(jì)算溫度應(yīng)力時(shí)，簡(jiǎn)化約束條件(樓板約束系數(shù)為1)，忽略自收縮和徐變，假設(shè)混凝土外表面和內(nèi)表面不存在溫度差，不考慮鋼筋混凝土接觸面粘結(jié)力的損傷。

利用接觸面上混凝土應(yīng)力與鋼筋應(yīng)力互相平衡計(jì)算線差應(yīng)力，公式如下。

圖6 文獻(xiàn)[6]中混凝土的溫度曲線Fig.6 The temperature curves of concrete in reference 6

式中，Es，Ec分別為鋼筋和混凝土的彈性模量(MPa);αs，αc分別為鋼筋和混凝土的線膨脹系數(shù);As，Ac分別為鋼筋面積和混凝土面積(mm2);ε為溫度應(yīng)變;△T為溫差(℃);σs，σc分別為鋼筋應(yīng)力和混凝土應(yīng)力(MPa);ρ為配筋率(%)。

線差應(yīng)力隨配筋率增大而增大。下面計(jì)算的線差應(yīng)力是當(dāng)配筋率從1%到3%變化時(shí)的應(yīng)力。利用MATLAB編程分別計(jì)算絕熱條件和非絕熱條件下的溫差應(yīng)力和線差應(yīng)力，再將兩者疊加后與混凝土抗拉強(qiáng)度對(duì)比。絕熱條件下，溫差引起的混凝土溫度變形和溫度應(yīng)力、線差引起的混凝土溫度變形和溫度應(yīng)力、混凝土溫度應(yīng)力與抗拉強(qiáng)度對(duì)比結(jié)果見(jiàn)圖7—圖9;非絕熱條件下，溫差引起的混凝土溫度變形和溫度應(yīng)力、線差引起的混凝土溫度變形和溫度應(yīng)力、混凝土溫度應(yīng)力與抗拉強(qiáng)度對(duì)比結(jié)果見(jiàn)圖10—圖12。

圖9 絕熱狀態(tài)下混凝土溫度應(yīng)力與混凝土抗拉強(qiáng)度對(duì)比Fig.9 The contrast of temperature stress and tensile strength of concrete under adiabatic condition

圖7 絕熱狀態(tài)下溫差引起的混凝土溫度變形和溫度應(yīng)力Fig.7 The temperature deformation and stress of concrete caused by temperature difference under adiabatic condition

圖8 絕熱狀態(tài)下線差引起的混凝土應(yīng)力和鋼筋應(yīng)力Fig.8 The temperature deformation and stress of concrete caused by difference in linear expansion coefficients under adiabatic condition

從圖7—圖9可見(jiàn)，在絕熱條件下，3 d齡期時(shí)溫差應(yīng)力達(dá)到了3 MPa，超過(guò)了抗拉強(qiáng)度，相比之下線差應(yīng)力很小，在配筋率為3%時(shí)只有0.038 MPa，是溫差應(yīng)力的1.2%。從圖10—圖12可見(jiàn)，在非絕熱狀態(tài)下，2 d齡期時(shí)溫差應(yīng)力為1.15 MPa，線差應(yīng)力為 0.015 MPa，約為溫差應(yīng)力的1.3%，兩者疊加的溫度應(yīng)力并未超過(guò)混凝土抗拉強(qiáng)度。

圖10 非絕熱狀態(tài)下溫差引起的混凝土溫度變形和溫度應(yīng)力Fig.10 The temperature deformation and stress of concrete caused by temperature difference under non-adiabatic condition

圖11 非絕熱狀態(tài)下線差引起的混凝土應(yīng)力和鋼筋應(yīng)力Fig.11 The temperature deformation and stress of concrete caused by difference in linear expansion coefficients under non-adiabatic condition

類比到工程中的混凝土，雖然施工中的溫度差不會(huì)像絕熱條件這么極端，但確實(shí)會(huì)存在某個(gè)溫度歷史，使其產(chǎn)生的溫度應(yīng)力大于混凝土抗拉強(qiáng)度。但是，由于線差與溫差相比帶來(lái)的影響太小，很難保證鋼筋混凝土接觸面產(chǎn)生裂縫而混凝土自身不產(chǎn)生裂縫。因此把焦點(diǎn)轉(zhuǎn)移到鋼筋混凝土接觸面早期強(qiáng)度上。

圖12 非絕熱狀態(tài)下混凝土溫度應(yīng)力與混凝土抗拉強(qiáng)度對(duì)比Fig.12 The contrast of temperature stress and tensile strength of concrete under non-adiabatic condition

3.2 鋼筋與混凝土接觸面早期強(qiáng)度

鋼筋混凝土粘結(jié)界面是由鋼筋和混凝土形成的一種傳遞二者之間作用力，使鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)能夠共同承受荷載的極為重要而又十分特殊的界面材料。相對(duì)混凝土而言，鋼筋材料可以認(rèn)為是損傷很小而忽略不計(jì)。而混凝土是一種多相復(fù)合材料，其成型硬化的過(guò)程中，由于骨料下沉、水分蒸發(fā)等因素，在粗骨料和砂漿之間會(huì)由于沉降和干縮造成微量的界面裂縫，也就是初始損傷。鋼筋埋置在混凝土中，相當(dāng)于混凝土中又摻加了一種材料，與上述相同的原因，在粘結(jié)界面上必然會(huì)出現(xiàn)微量的界面裂縫即初始損傷，從宏觀上看，主要是鋼筋與混凝土界面上的微裂隙;從細(xì)觀量級(jí)上看，主要是砂漿中由于收縮不均勻造成的砂漿裂紋。

另外，在混凝土界面過(guò)渡區(qū)，也就是水泥漿體和集料接觸面，早期強(qiáng)度要比同期的水泥漿體低[7]。

為研究鋼筋混凝土接觸面的抗拉強(qiáng)度，按照GB/T 17671—199水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法(ISO法)[8]對(duì)水泥膠砂試件進(jìn)行抗折試驗(yàn)。

1)所需儀器

萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)(量程5 000 N，精度0.01 N)。支撐原柱之間距離100 mm。

2)所需材料

20 mm×40 mm×6 mm鋼板12塊，鋼板表面未特別進(jìn)行拉毛，入模前用酒精進(jìn)行清洗以去除鋼板加工過(guò)程中可能加入的潤(rùn)滑油。40 mm×40 mm×160 mm模具24個(gè)。水泥膠砂的質(zhì)量配合比見(jiàn)表2。

表2 膠砂配合比Table 2 The ratio of cement and sand

3)試驗(yàn)方法

澆筑40 mm×40 mm×160 mm棱柱體試件共24塊，分為4組，每組6個(gè)試塊，其中3個(gè)為純水泥膠砂試件，另外3個(gè)為中間嵌鋼板的水泥膠砂試件(見(jiàn)圖13，澆筑時(shí)鋼板靠模具側(cè)面，試驗(yàn)時(shí)將此側(cè)面作為底面)。

用萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)以1 mm/min的速度進(jìn)行加載。GB/T 17671—1999中加載速度為50 N/s，考慮到試驗(yàn)中水泥膠砂齡期很小，并且內(nèi)嵌鋼板的試件可能抗折強(qiáng)度更小，若采用50 N/s的加載速度，可能幾秒之內(nèi)就破壞。故用位移來(lái)控制加載速度，采用1 mm/min進(jìn)行加載。

在室溫14.5℃、濕度為60%的條件下進(jìn)行養(yǎng)護(hù)后拆模，各組的加載齡期見(jiàn)表3。

圖13 內(nèi)嵌鋼板的水泥膠砂試件Fig.13 The mortar specimens with steel plates

表3 各組試件加載齡期表Table 3 The loading ages of specimens

4)試驗(yàn)結(jié)果

對(duì)于內(nèi)嵌鋼板的試件，第2組、3組、4組試件澆筑好第一批時(shí)未即時(shí)確認(rèn)鋼板位置，加載后發(fā)現(xiàn)只有第2組(20 h齡期)的2個(gè)試件是有效的。因此，對(duì)這三組試件進(jìn)行第二次澆筑，同時(shí)對(duì)第1組試件進(jìn)行第一次澆筑，并確認(rèn)好鋼板位置，其中第2組試件中的一個(gè)試件在拆模時(shí)就沿鋼板斷裂，為無(wú)效試件。總結(jié)下來(lái)，第1組、2組、3組、4組組試件的有效試件個(gè)數(shù)為3組、2組、5組、3組。

內(nèi)嵌鋼板的試件由于澆筑時(shí)鋼板位置不好掌握，容易出現(xiàn)鋼板偏移中心位置或者鋼板傾斜;在拆模時(shí)輕微的震動(dòng)也可能使鋼筋與混凝土接觸面間的損傷增大，導(dǎo)致這些試件得到的抗折強(qiáng)度較為不穩(wěn)定，見(jiàn)圖14。

試驗(yàn)結(jié)果中得到的抗折強(qiáng)度按GB/T 17671—1999中式(5)計(jì)算得到:

式中，F(xiàn)f為折斷時(shí)施加于棱柱體中部的荷載(N);L為支撐圓柱之間的距離(mm);b為棱柱體正方形截面的邊長(zhǎng)(mm)。

圖14 內(nèi)嵌鋼板的水泥砂漿試件抗折強(qiáng)度Fig.14 The bending strength of mortar specimens with steel plates

觀察到內(nèi)嵌鋼板的水泥砂漿試件抗折強(qiáng)度的整體趨勢(shì)是沿齡期上升的，并且最大強(qiáng)度仍小于同期水泥砂漿試件的抗折強(qiáng)度。根據(jù)GB/T 17671—1999，需要對(duì)與平均值相差超過(guò)15%的數(shù)據(jù)進(jìn)行剔除，但各個(gè)齡期的數(shù)據(jù)都太過(guò)分散，因此不進(jìn)行數(shù)據(jù)剔除，內(nèi)嵌鋼板的抗折強(qiáng)度按平均值表示。不帶鋼板的水泥砂漿強(qiáng)度按GB/T 17671—1999表示，結(jié)果見(jiàn)圖15。水泥砂漿的抗折強(qiáng)度要比帶鋼板的水泥砂漿試件的抗折強(qiáng)度大。

5)抗拉強(qiáng)度對(duì)比結(jié)論

抗折試驗(yàn)中，試件下部邊緣纖維達(dá)到抗拉強(qiáng)度時(shí)即在試件下部出現(xiàn)裂縫，在加載過(guò)程中水泥砂漿的拉和壓都可以看作是在線彈性范圍內(nèi)，因此可以用折斷時(shí)施加于棱柱體中部的荷載Ff來(lái)表示材料的抗拉強(qiáng)度。

式中，σf為抗折強(qiáng)度(MPa)，其余符號(hào)含義同式(5)。

圖15 內(nèi)嵌鋼板與不帶鋼板的水泥砂漿抗折強(qiáng)度Fig.15 The bending strength of mortar specimens with and without steel plates

可以看出，式(6)與式(5)中的抗折強(qiáng)度表示形式一致。因此試驗(yàn)中的抗折強(qiáng)度可以代表水泥膠砂的抗拉強(qiáng)度，說(shuō)明水泥膠砂(混凝土)與鋼板(鋼筋)之間的垂直抗拉強(qiáng)度比同齡期水泥膠砂(混凝土)要弱。

4 防治措施

(1)對(duì)于現(xiàn)澆混凝土板，應(yīng)科學(xué)地選擇原材料，采用低水化熱的水泥并摻入適當(dāng)?shù)膿胶狭?，減小水膠比，從而降低水化熱。

(2)合理地選擇早期養(yǎng)護(hù)方法，如蒸汽養(yǎng)護(hù)或高壓蒸汽養(yǎng)護(hù)，有利于保證水泥水化的濕度和溫度，使水化熱盡量擴(kuò)散。張波等[9]指出，在混凝土振搗、抹面完成后且初凝之前，可在混凝土板面上覆蓋一層塑料薄膜保濕養(yǎng)護(hù)，在一定時(shí)間內(nèi)確保混凝土板面不上人及吊放物體，使混凝土與鋼筋接觸面能有足夠時(shí)間產(chǎn)生抵抗混凝土變形的早期強(qiáng)度。

5 結(jié)論

(1)早期混凝土中水化熱產(chǎn)生的溫度差引起拉應(yīng)力，但是由于線差與溫差相比帶來(lái)的影響太小，很難保證鋼筋混凝土接觸面產(chǎn)生裂縫而混凝土自身不產(chǎn)生裂縫，所以這并不是產(chǎn)生順筋裂縫的主要原因;

(2)由于早期混凝土與鋼接觸面垂直抗拉強(qiáng)度相對(duì)較弱，導(dǎo)致混凝土板早期產(chǎn)生順筋裂縫。由于早期混凝土的收縮相對(duì)較大，使順筋裂縫貫穿樓板。這種順筋貫穿性裂縫不僅造成板面滲水，而且可導(dǎo)致內(nèi)部鋼筋的銹蝕，最終將對(duì)混凝土耐久性造成嚴(yán)重影響[9]。

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