【摘要】通過分析混凝土水化過程特點、脹縮裂縫形成機制，總結(jié)混凝土結(jié)構(gòu)超長設計時可采取的措施以避免混凝土開裂。

【關鍵詞】混凝土超長結(jié)構(gòu);結(jié)構(gòu)設計措施

近年來，隨著經(jīng)濟的發(fā)展，混凝土結(jié)構(gòu)超過混凝土結(jié)構(gòu)設計規(guī)范規(guī)定的伸縮縫最大間距的結(jié)構(gòu)越來越多。在許多公共建筑如辦公、商業(yè)等，多有采用，如有的多層框架結(jié)構(gòu)，已做到了100多米甚至200多米未設伸縮縫。

超長結(jié)構(gòu)的好處，是減去了伸縮縫的處理，以及結(jié)構(gòu)上不再要設雙梁雙柱等，但問題是要解決施工期間以及使用期間混凝土的開裂。

混凝土的重要組成部分是水泥和水，通過水泥和水的水化作用，形成膠接材料，將松散的砂石骨料膠合成為人工石。混凝土中含有大量空隙、粗孔及毛細孔，這些孔隙中存在水分，水分的活動影響到混凝土的一系列性質(zhì)，特別是產(chǎn)生溫度變形對裂縫控制有重要作用，混凝土中的水分有化學結(jié)合水、物理化學結(jié)合水和物理力學結(jié)合水?；瘜W結(jié)合水是以嚴格的定量參加水泥水化的水，它使水泥漿形成結(jié)晶固體，它不參與混凝土與外界溫度交換作用，不引起收縮與膨脹變形。物理化學結(jié)合水在混凝土中以不嚴格的定量存在，它在混凝土中起擴散及溶解水泥顆粒的作用，是一種吸附水，容易受到水分蒸發(fā)，積極地參與混凝土與環(huán)境的溫度交換作用。物理力學結(jié)合水是混凝土中各晶格間及粗、細毛細孔中的自由水，也即游離水，含量不穩(wěn)定，結(jié)合強度很低，極容易受水分蒸發(fā)影響而破壞結(jié)合，它是積極參與 外界進行溫度交換的水。

水泥漿的水化過程是一種物理化學過程，化學結(jié)合水與水泥一起在早期硬化過程中產(chǎn)生少量的收縮，即是硬化收縮。這種收縮與外界溫度變化無關。這種收縮可能是縮小的正變形，也可能是膨脹的負變形，普通硅酸鹽水泥混凝土的硬化收縮是縮小變形，而礦碴水泥混凝土的硬化收縮是膨脹變形，摻用粉煤灰的硬化收縮也是膨脹變形。

混凝土干燥時，首先是大空隙及粗毛細孔中的自由水分因物理力學結(jié)合受到破壞而蒸發(fā)，這種失水不會引起收縮。環(huán)境的干燥作用使得細孔及微毛細孔中的水產(chǎn)生毛細壓力，水泥石承受這種壓力后產(chǎn)生壓縮變形而收縮，這種收縮也叫毛細收縮，是混凝土收縮變形的一部分。待毛細水蒸發(fā)以后，開始進一步蒸發(fā)物理化學結(jié)合的吸附水，首先蒸發(fā)晶格間水分，其次蒸發(fā)分子層中的吸附水，這些水分的蒸發(fā)引起顯著的水泥石壓縮，產(chǎn)生吸附收縮，是收縮變形的主要部分。工程中最常見的混凝土收縮變形引起裂縫是與溫度變化有關的毛細收縮及吸附收縮。此外，由于混凝土的水分蒸發(fā)及含濕量的不均勻分布，形成濕度變化梯度，引起收縮應力，這也是引起混凝土表面開裂的最常見原因之一。

混凝土澆筑后4～15小時左右，水泥水化反應激烈，分子鏈逐漸形成，出現(xiàn)泌水和水分急劇蒸發(fā)現(xiàn)象，引起失水收縮，這在初凝過程中發(fā)生，此時骨料與膠合料之間也產(chǎn)生不均勻的沉縮變形，這都是發(fā)生在混凝土終凝之前，稱為塑性收縮。這種收縮量大，在混凝土表面上特別是在養(yǎng)護不良的部位，出現(xiàn)龜裂，裂縫無規(guī)則，即寬又密。由于沉縮作用，這些裂縫往往沿鋼筋分布。水灰比大，水泥用量多，外摻劑保水性差，粗骨料少，振搗不良，環(huán)境溫度高，表面失水大等等都會導致塑性收縮表面開裂。

混凝土所處的大氣環(huán)境，如溫度、溫度、風速等都對收縮有影響，例如風速的影響不可忽視，風速增大則加速了混凝土水分蒸發(fā)速度，也即增加了干縮速度，容易收起早期表面裂縫。

熱脹冷縮也是影響之一。建筑物的環(huán)境溫度由空氣溫度和太陽熱輻射在建筑物表面產(chǎn)生的日照溫度組成。溫度對結(jié)構(gòu)的作用，當結(jié)構(gòu)或構(gòu)件變形受約束時將引起應力。結(jié)構(gòu)混凝土開裂不僅因為混凝土抗拉強度不足，更重要是變形超過了極限拉伸。鋼筋混凝土構(gòu)件在一般配筋率情況下能夠提高混凝土的極限拉伸，當配筋率過大時，由于引起過大自約束應力而導致開裂。

超長結(jié)構(gòu)設計，主要也就是要解決由變形而引起的裂縫?，F(xiàn)在在超長結(jié)構(gòu)設計中，主要采取以下幾方面的措施來解決此問題。

1、混凝土強度等級不能過高，在滿足承載力等要求的情況下，不宜超過C35.混凝土強度高，則水泥用量也就多，在硬化過程中水化熱也就高，從而收縮大而引起裂縫的產(chǎn)生。

2、水泥優(yōu)選水化熱低的品種，如礦碴硅酸鹽水泥，嚴格控制砂石骨料的含泥量和級配?？刂扑療岬纳郎?，混凝土構(gòu)件中心與外表的最大溫差不大于25度，以及控制降溫速度?；炷翝仓螅皶r采取措施進行養(yǎng)護。

3、采用粉煤灰，改善混凝土的粘塑性，并可取代部分水泥，減少混凝土的用水量和水泥用量，從而減少水化熱，還可以減少混凝土中的孔隙，提高密實性和強度，提高抗裂性。粉煤灰的摻量一般為水泥量的15%～30%。

4、設置后澆帶，減少混凝土硬化過程中的收縮應力?；炷翝仓?，于24～30小時達到最高溫度，最高水化熱引起的溫度比入模溫度高約30～35度，然后根據(jù)不同的速度降溫，經(jīng)10～30天降至周圍氣溫，在此期間大約有15%～25%的收縮，此后到3～6個月收縮完成60～80%，一年左右，收縮完成95%。故施工一年后，除維護不好、惡劣環(huán)境條件等引起激烈溫差而導致開裂外，一般結(jié)構(gòu)已處于穩(wěn)定狀態(tài)。

5、采用補償收縮混凝土，樓板配筋原則為細而密，小直徑、小間距，對屋面等直接暴露于日照下的板，可考慮雙層配筋或采用小直徑鋼筋作構(gòu)造于未配筋表面連接受力鋼筋。樓板厚度大于160mm時，跨中上部宜將支座縱筋的50%拉通，或用小直徑鋼筋連接，并與支座縱向鋼筋按搭接長度連接。梁則加大腰筋直徑，減小間距，并將腰筋按受拉錨固和搭接。梁每側(cè)腰筋截面面積不應小于扣除板厚度后的截面面積的0.1%，腰筋間距不宜大于200mm。

6、屋面采用輕質(zhì)高效吸水率低的材料作好保溫隔熱。

7、外露的挑檐、陽臺、鋼筋混凝土女兒墻等，每隔12m左右設置伸縮縫，寬度10mm，采用防水膠嵌縫。

1.在混凝土中摻加纖維，可更好地控制裂縫的發(fā)生與開展。

2.按結(jié)構(gòu)使用期可能遭遇的溫差，進行結(jié)構(gòu)溫度應力分析，找到受應力集中影響敏感的位置及溫度應力較大的位置，加強其配筋。

另外，地下室多數(shù)情況下，其長度是超過混凝土規(guī)范設伸縮縫的結(jié)構(gòu)長度的。經(jīng)常在地下室側(cè)墻發(fā)現(xiàn)裂縫。

為控制地下室鋼筋混凝土側(cè)墻的裂縫，可采取以下措施：

（1）采用較低的混凝土強度等級，如不高于C35。有些工程地下室外墻與上部高層轉(zhuǎn)換柱或落地剪力墻相連，為施工方便，常常一體采用較高的混凝土強度等級，是不利于控制裂縫的。

（2）由于墻體受施工和環(huán)境溫度、濕度等因素的影響，容易出現(xiàn)縱向收縮裂縫?；炷翉姸鹊燃壴礁撸_裂的可能性也越高。所以墻體的水平構(gòu)造鋼筋的配筋率宜控制在0.4～0.6%，水平鋼筋的間距小于150mm，同樣配筋應是細而密。

（3）對于墻體與柱相連的，因墻與柱的配筋率相差較大，混凝土脹縮變形與限制條件有關，由于應力集中的原因，在離柱1至2米的墻體上容易出現(xiàn)縱向收縮裂縫。在墻柱連接處設水平附加鋼筋，其長度1500～2000mm，伸入柱內(nèi)200～300mm，伸入墻內(nèi)1200～1600mm，此處配筋率提高10～15%，則利于分散墻柱間的應力集中，避免縱向裂縫的發(fā)生。

總之，混凝土結(jié)構(gòu)規(guī)范對結(jié)構(gòu)長度做出的要求，也說明了采取可靠措施或確有把握時，可適當放寬設縱距離。

作者簡介：

吳正華，性別：男，出生年月：1969年3月26日，民族：漢，籍貫（如貴州貴陽人），學歷：研究生，現(xiàn)任職稱（如工程師）：高級工程師，主要從事：建筑結(jié)構(gòu)設計、巖土工程設計。