砼工程裂缝控制

监理工作作业指导书系列 砼工程裂缝控制（理论版）1.目的为逐步实现监理作业指导书标准化。从知识、理论上对砼工程结构裂缝控制方面的监理作业提供指导。有效防止或减少砼工程、特别是大体积砼和平面尺寸较大的砼现浇结构出现有害裂缝，有助于受监项目现浇砼结构的各项性能达到设计和规范要求。2.使用范围本作业指导书适用于各项目监理部和有关部门在从事涉及上述砼现浇结构进行咨询、讨论和审批施工组织设计、施工方案以及巡视、旁站等监理工作。本版为内部文件。是本作业指导书操作版的说明性、支持性文件。3.依据文件3.1 混凝土外加剂GB80761997；3.2 混凝土外加剂应用技术规程GBJ11988；3.3 混凝土设计规范GBJ10893.4 粉煤灰混凝土应用技术规范GBJ14690；3.5 砼膨胀剂JC4762001；3.6 普通砼配合比设计规程JGJ552000，J642000；3.7 混凝土中掺用粉煤灰的技术规程DBJ1093；3.8 北京市建委“关于加强砼膨胀剂在工程建设中应用管理的有关问题的通知”（京建科2001363号）；3.9 有关杂志文章、论文等。4.工程结构裂缝概念4.1“建筑物裂缝控制”的概念结构物在建设过程和使用过程中出现了不同程度、不同形式的裂缝，这是一个相当普遍的现象。它是长期困扰着建筑工程技术人员的技术难题。关于砼强度的微观研究以及大量工程实践所提供的经验都说明：结构物的裂缝是不可避免的，裂缝是一种人们应该接受的材料特征。如对建筑物抗裂要求过严，必将付出巨大的经济代价；科学的要求应是将其有害程度控制在允许范围内。这些关于裂缝的预测、预防和处理工作，通称之为“建筑物裂缝控制”。4.2裂缝的分类4.2.1按作用分：荷载作用下的裂缝；变形作用下的裂缝：A.地基不均匀沉降；B.湿度及温度变化。4.2.2 按宏观、微观分：RC的裂缝是绝对的，无裂缝是相对的；裂缝宽度W0.020.05（视力好的可视裂缝宽度达0.02），为肉眼可见裂缝（宏观裂缝）；W0.020.05为肉眼不可见裂缝（微观裂缝）的结构被认为无裂缝结构。这样定义，则存在有裂缝及无裂缝结构。微观裂缝主要有3种：（1）粘着裂缝骨料与水泥石的粘结面上的裂缝。沿骨料周围出现；（2）水泥石裂缝水泥浆中的裂缝。出现在骨料与骨料之间；（3）骨料裂缝 骨料本身的裂缝。微观裂缝的存在是材料本身固有的物理性质。一般微观裂缝对使用无危险性。所谓结构的抗裂质量只是把裂缝控制在一定的范围内而已。4.2.3按结果影响分：有害裂缝与无害裂缝裂缝按其形状分为表面的，贯串的，纵向的和横向的，等等。裂缝形状与受力状态有直接关系。裂缝分为愈合、闭合、运动、稳定的及不稳定的等。例如宽度0.10.2裂缝，开始有些渗漏，水通过裂缝同水泥结合，形成氢氧化钙和C-S-H凝胶，经一段时间裂缝自愈不渗了。有的裂缝在压应力作用下闭合了。有的裂缝在周期性温差和周期性反复荷载作用下产生周期性的扩展和闭合，称为裂缝的运动，但这是稳定的运动。有些裂缝产生不稳定的扩展，视其扩展部位，应考虑加固措施。根据国内外设计规范及有关试验资料，砼最大裂缝宽度的控制标准大致如下表：综合各国规定允许裂缝宽度表所处环境及要求允许裂缝宽度（）有严重侵蚀介质、有防渗要求0.10.2轻微侵蚀、无防渗要求0.20.3无侵蚀介质、无防渗要求0.30.4中国允许无害裂缝宽度0.3判断裂缝有害还是无害，首先视它是否有害安全和耐久性；其次是否影响使用功能（如防水，防潮）。例如地下和水工工程，小于0.10.2裂缝视为无害裂缝，作简单表面封闭即可；再作柔性防水层就更保险了。楼面裂缝0.30.4，对结构是安全，视为无害裂缝，可不作处理。对于受力的梁、柱，涉及结构安全，裂缝要妥善处理。既使变形裂缝一般不影响承载力，但它的防水问题就值得研究了。根据工程调查，由裂缝引起的各种不利后果中，渗漏水占60。水分子的直径约为0.3106，可穿过任何肉眼可见的裂缝。从理论上讲防水结构物是不允许裂缝的。但实际情况不是这样。工程实践表明，裂缝宽度0.2，开始漏水量5L/h，一年后只有10mL/h，这说明裂缝逐渐自愈。当然，对有渗水裂缝要及时处理。5.裂缝形成原因结构裂缝产生的原因很复杂。大体上是两大原因：一种是外荷载的直接应力和结构次应力引起的裂缝（受力裂缝），其机率约20；一种是结构因温度、膨胀、收缩、徐变和不均匀沉降等因素产生变形变化引起的裂缝（变形裂缝），其机率约80。裂缝发生与材料。设计。施工和维护等有关。5.1材料缺陷 在变形裂缝中收缩裂缝占有80的比例。从砼的性质来说大概有：5.1.1 塑性收缩 砼浇筑212 h内，水泥水化反应激烈，分子链逐渐形成，出现泌水和水分急剧蒸发，引起失水收缩。这是在初凝之前和初凝过程中发生的收缩。此时骨料与胶合料之间产生不均匀的沉缩变形，也发生在终凝之前的塑性阶段。故称塑性收缩。塑性收缩最大可达1左右。所以在浇筑大体积砼后212 h内，在表面上，特别在养护不良的部位出现龟裂，裂缝无规则，即宽（12）又密（间距510），属表面裂缝。由于沉缩的作用，这些裂缝往往延钢筋分布。水灰比过大，水泥用量大，外渗剂保水性差，粗骨料少，用水量大，振捣不良，环境气温高，表面失水大（养护不良及吸水砖模）等都能导致塑性收缩表面开裂。对于地下室外墙，由于厚度较薄，必须采取足够的、有效的施工措施（从材料、浇捣至养护等），否则塑性收缩对于薄墙来说引起裂缝的可能性是很大的。5.1.2 自生收缩 密封的砼内部相对湿度随水泥水化的进展而降低，称为自干燥。自干燥造成毛细孔中水分不饱和而产生负压，因而引起砼的自生收缩。高水灰比的普通砼（OPC）由于毛细孔隙中贮存大量水分，自干燥引起的收缩压力较小，所以自生收缩值较低而不被注意。但是低水灰比的高性能砼（HPC）则不同，早期强度较高的发展率会使自由水消耗较快，以至使孔体系中的相对湿度低于80。而HPC结构致密，外界水分很难渗入补充，在这种条件下开始产生自干收缩。研究表明，龄期2个月水胶比为0.4的HPC，自干收缩率为0.01，水胶比为0.3的水胶比，自干收缩率为0.02。HPC的总收缩中干缩和自收缩几乎相等，水胶比越小自收缩所占比例越大。由此可知，HPC的收缩性与OPC完全不同，OPC以干缩为主；而HPC以自生收缩为主。问题的要害是：HPC自收缩过程开始于水化速率处于高潮阶段的头几天，湿度剃度首先引发表面裂缝，随后引发内部裂缝。若砼变形受到约束，则进一步产生收缩裂缝。这是高强度砼容易开裂的主要原因之一。另据王铁梦研究表明，普通硅酸盐水泥及大坝水泥砼的自生收缩是正的，即收缩变形；而矿渣水泥砼的自生收缩是负的，即膨胀变形；掺用粉煤灰砼的自生收缩也是膨胀变形。尽管自生收缩的变形不大（0.41041.0104），但是对砼的抗裂性是有益的。由水泥中的C2S及C3A含量决定；C3S影响较小，CaO和MgO可能引起膨胀变形。5.1.3 炭化收缩 大气中CO2与水泥水化反应（CaOCO2CaCO3）引起的收缩变形称为炭化收缩。收缩量取决于水化物碱度、结晶水分子数量等。炭化作用只有在适中的湿度，约50左右才发生。炭化速度随CO2的增加而加快。炭化收缩与干燥收缩共同作用导致表面开裂和面层炭化。干湿交替CO2使炭化收缩更显著。炭化收缩是不可逆的。炭化后PH值由13降到6，即由碱性转化为酸性。5.1.4 干缩（失水收缩） 水泥石在干燥和水湿的环境中要产生干缩和膨胀现象，最大的收缩是发生在第一次干缩之后，收缩和膨胀变形是部分可逆的。砼结构的干缩是非常复杂的变形过程，影响砼收缩的因素很多，诸如水泥强度、用量、细度、骨料种类、水灰比、含泥量、砼振捣状况、构件表面系数、养护方法、配筋数量和经历时间等。干缩是最重要的收缩。是通过水份降低，毛细孔缩小（奈磺酸盐减水剂三聚氰胺减水剂氨基磺酸减水剂聚丙烯酸减水剂。这说明商品砼浇筑的结构开裂机率大与减水剂带来负面影响有关。其机理尚不清楚。以上是从水泥砼物理化学特性分析其各种收缩现象。早期塑性收缩会导致结构出现表面裂缝。砼进入硬化阶段后，水化热使结构产生温差收缩和干燥收缩（包括自干收缩），这是诱发裂缝的主要原因。5.1.7 砼后期膨胀出现裂缝 主要是：1）水泥中游离CaO过高，Ca(OH)2体积膨胀所致；2）水泥中 MgO过高， Mg(OH)2体积膨胀所致；3）水泥和外加剂碱含量过高，与集料中活性硅等发生碱集料反应所致；4）有害离子 CI-、 SO42-、 Mg2等侵入砼内部，导致钢筋锈蚀或形成二次钙矾石膨胀破坏所致。图1 掺加减水剂对砼收缩的影响5.1.8 徐变影响结构物在任何内应力作用下，除瞬间弹性变形外，其变形值随时间的延长而增加的现象称为徐变变形。砼拉徐变对抗裂有利，一般可以提高钢筋砼极限拉伸值50左右。而砼压徐变很小。一般把收缩变形与徐变变形的计算一并加以考虑。变形作用都具有时间特征，被称为“时变结构”。说明做工程要考虑后期作用，就是要考虑时间特征。5.1.9结构裂缝原因小结结构裂缝原因归纳表序号原因产生时间裂缝主要原因备注1塑性收缩终凝前泌水和水份急剧蒸发表面，1，即宽（12）又密（间距510）2干缩3d前最大水份降低，毛细孔缩小部分可逆历时长因素多；0.143冷缩水化热降温时温差T引起C0.001T4自缩终凝后硬化期毛细孔负压引起水胶比越小越明显，内外均匀；HPC：0.010.025炭化收缩硬化后期湿度50；干湿交替CO2表面开裂；不可逆；炭化后PH由13降到65.2 工程设计问题 钢筋混凝土结构是由砼和钢筋共同承担极限状态承载力，结构设计师根据地基情况，动、静荷载，环境因素，结构耐久性等控制荷载裂缝。从国内外有关规范可知，对结构变形作用引起的裂缝问题，客观上存在两类学派：第一类设计规范规定很灵活，没有验算裂缝的明确规定，设计人员留给设计人员自由处理。基本上采取“裂了就堵，堵不住就排”的实际处理手法。第二类设计规范有明确规定，对于荷载裂缝有计算公式并有严格的允许宽度限制。对于变形裂缝没有计算规定，只按规范留伸缩缝，即留缝就不裂的设计原则。大量工程实践证明，留缝与否并不是决定结构变形开裂与否的唯一条件。留缝不一定不裂，不留缝不一定裂。与否开裂与许多因素有关。控制裂缝应防患于未然。首先尽量预防有害裂缝，重点在防。我国结构工程向长大化、复杂化发展；砼设计强度等级向C40C60发展。设计师多注重结构安全；而对变形裂缝控制考虑不周。这也是结构裂缝发生增多的原因之一。5.3 施工管理问题配合比设计是否科学合理，水泥与外加剂是否相适应，沙石级配及含泥量是否符合2规范要求，砼坍落度控制是否合理，这些都影响到砼的质量及其收缩变形。砼浇筑振捣不均匀密实，施工缝和细部处理马虎，会带来结构开裂的后患；过震则使浮浆过厚。抹压不及时不充分，则砼表面出现塑性裂缝。边墙拆模过早（1d3d），砼水化热正处于高峰，内外温差最大；砼易“感冒”开裂。砼养护十分重要。但是许多施工单位忽视这一环节，尤其是墙体和柱梁的保温保湿养护不到位，容易产生收缩裂缝。某些露天构筑物尽管当地湿度很大，但由于吹风影响，加速了砼水份蒸发速度，亦即增加干缩速度，容易引起早期表面裂缝。风速对水份蒸发速度的影响见下表。这也许是夏季比冬季，南方比北方出现结构裂缝较多的原因。风速对砼水份蒸发的影响风速（m/s）水份蒸发速度Kg/(m2h)风速m/s水份蒸发速度Kg/(m2h)00.07424（8级）0.4178（4级）0.186320.53916（7级）0.304400.662注：风速增加水份蒸发速度，增加收缩速度，但不改变总收缩值，设计中不进行定量计算。施工技术措施及裂缝分析中应根据具体条件加以考虑。从已建工程调查中发现，底板养护较好，出现裂缝概率较低。而底板上外墙裂缝概率很高约占80。这与保温保湿养护不足有很大关系。除上述技术因素外，施工管理不严，赶进度，偷工减料，工人素质差，施工马虎等也是造成结构裂缝的人为因素。5.4 对维护缺乏认识不少结构是在浇筑完36个月，甚至在12年内出现裂缝。除荷载问题外，主要是环境温度和风速引起的收缩变形所致。有些地下室不及时覆土；上部结构不及时做封闭；出入口长期敞开；屋面防水层破坏不及时修补等。这些与施工和建设单位对结构维护缺乏认识有关。钢筋混凝土与其它物件一样都存在“热胀冷缩”的物性，尤其超长结构更为明显。所以，应重视已浇结构的保温保湿及维护工作。监理在这方面应及时提醒、管理和监控。6. 收缩规律及影响收缩的主要因素1）混凝土在水中永远呈微膨胀变形；在空气中永远呈收缩变形。2）水泥用量越大，含水量越高，表现为水泥浆量越大。因此一般高强度砼比低强度砼收缩大。3）水灰比越大，收缩越大；坍落度越大，收缩越大。因此避免雨中浇筑混凝土。4）暴露越大，包罗面积越小，收缩越大。与水力半径倒数rL/F成正比。注：水力半径的概念是河流面积与其润周之比（润周是水与土基接触的周边长度）。相对于砼构件的水力半径倒数，即构件受包围截面的周长L（与大气接触的边长）与该周边所包围的截面面积F之比。例如：一个截面2020的棱柱体，其水力半径倒数为：rL/F420/（2020）80/4000.21。如为相同面积之薄板，取2厚，200宽，则受力半径倒数为：rL/F2（2200）/（2200）404/4001.01薄板的水力半径倒数比棱柱体大5倍。薄板的收缩大于同面积的棱柱体。5）矿渣水泥收缩比普通水泥收缩大。粉煤灰水泥及矾土水泥收缩较小。快干水泥收缩较大。矿渣水泥及粉煤灰水泥的水化热比普通水泥低。故应根据厚度选择水泥品种。6）砂岩作骨料收缩大幅度增加。粗细骨料中含泥量越大收缩越大。7）早期养护时间越长，收缩越小。保湿养护避免剧烈干燥，能有效地降低收缩应力。8）环境湿度越大，收缩越小；越干燥收缩越大。9）骨料粒径越粗，收缩越小；骨料粒径越细，砂率越高，收缩越大。10）水泥活性越高，颗粒越细，比表面积越大，收缩越大。11）配筋率越大，收缩越小。但配筋过大则会增加混凝土拉应力。12）风速越大，收缩越大。注意高空现浇混凝土。13）外加剂及掺和料选择不当，严重增加收缩。选择适宜可减少收缩。14）环境及混凝土温度越高，收缩越大。停工暴露时间长，收缩越大。15）收缩和环境降温同时发生，对工程更为不利。16）尽早回填土；尽早封闭房屋和装修对减少收缩有利。17）泌水量大，表面含水量高，表面早期收缩大。18）用量较少的中低强度、水灰比较低水泥的混凝土，大部分收缩完成时间约一年。用量较多的高强度水泥混凝土约为二、三年或更长。7.控制裂缝的有关计算7.1 收缩值r(t)的计算砼收缩经验公式很多，一般采用如下任意时间收缩计算公式：r(t)3.24104（1e-bt）)M1M2M3Mn (1)式中：r(t)任意时间的收缩。t（时间d）； b 经验系数，一般取0.01；养护较差时取0.03； M1M2M3Mn 考虑各种非标准条件的修正系数。由表1表7查出。砼材料组成对于标准状态下砼极限收缩与徐变度的修正系数 表1水泥品种M1K1水泥强度等级K2水泥细度M2矿渣水泥1.0032.50.9040001.13普通水泥1.001.0042.50.8950001.35火山灰水泥1.000.9052.50.8760001.68抗硫酸盐水泥0.780.8862.50.8670002.05矾土水泥0.520.7672.50.8580002.42砼材料组成对于标准状态下砼极限收缩与徐变度的修正系数 表2骨料M3K3水/灰M4K4水泥浆量（）M5K5砂岩1.902.200.20.650.48150.900.85砾砂1.001.100.30.850.70201.001.00无粗骨料1.000.41.001.00251.201.25玄武岩1.001.000.51.211.50301.451.50花岗岩1.001.000.61.422.10351.751.70石灰岩1.000.890.71.622.80402.101.95白云岩0.950.81.803.60452.552.15石英岩0.520.91503.032.35初期养护时间与加荷龄期修正系数 表3WM6WM6K6K611.11/1140.93/0.8412.75/-201.1/1.0221.11/1200.93/0.8421.85/-281/131.09/0.98280.93/0.8431.65/-400.855/0.8541.07/0.96400.93/0.8451.45/1.2600.75/0.7551.04/0.94600.93/0.8471.35/1.15900.65/0.6571/0.9900.93/0.84101.25/1.11800.6/0.5100.96/0.891800.93/0.84141.15/1.053600.4/0.4注：分子是自然状态硬化；分母是蒸养状态下硬化。使用环境湿度状态与尺寸对极限收缩与徐变度的修正系数 表4W(%)M7K7rM8K8应力比K9251.251.1400.54/0.210.68/0.820.10.855301.181.130.10.76/0.780.82/0.930.20.855401.101.070.21/11/10.30.92501.001.000.31.03/1.031.12/1.020.40.99600.880.920.41.2/1.051.14/1.030.51700.770.820.51.31/-1.34/1.03-800.700.700.61.4/-1.41/1.03-900.540.540.71.43/-1.42/1.03-1000.81.44/-1.42/1.03-注：分子是自然状态硬化；分母是蒸养状态下硬化。应力比是使用应力与设计强度之比值。不同操作条件的修正系数 表5操作方法M9K10操作方法M9K10机械振捣1.001.00蒸汽养护0.850.85手工振捣1.101.30高压釜处理0.54不同配筋率（包括不同模量比）的修正系数 表6EgAg/EsAs0.000.050.100.150.200.25M101.000.860.760.680.610.55标准极限徐变度 表7砼强度等级（MPa）C010-6砼强度等级（MPa）C010-6砼强度等级（MPa）C010-6C108.84C307.40C60C906.03C158.28C407.40C1006.03C208.04C506.447.2 收缩应力及徐变应力的计算从工程实践可知，砼底板的水平收缩应力X是设计主要控制应力，是经常引起垂直裂缝的主要应力，其最大值在底板长度的中点X0处。此处剪应力0。即最大主应力： X0； chX1； XmaxET1-1/ chL/2 (2)在该值上应力松弛系数得徐变应力：XmaxET1-1/ chL/2H(t, 1) （3）式中： 砼的线胀系数； T温差； Cx比例系数（地基水平阻力系数，引起单位位移之剪应力N/3； 负号表示剪应力方向永远与位移相反。Cx取值：软粘土13102 N/3 ； 一般砂质粘土36102 N/3 特别坚硬粘土610102 N/3 ； 风化岩、低强度等级素砼60100102 N/3 配筋砼100150102 N/3H底板厚度； E砼计算时的弹性模量；注：砼计算时的弹性模量可按下式计算：Ee0.0337te0.00837c104(依据工程结构裂缝控制3.2，P45；混凝土结构设计规范3.11表2.1.5，经回归而得)。例如：龄期t=7d,砼强度C30；代入上式得：E1.63104Mpa； f1=0.263e0.049te0.0164cH(t, 1)松弛应力与弹性应力的比值； H(t, 1)*X(t, 1)/X（1）H(t, 1)按理论求解积分方程十分复杂。现给出一般常遇条件下的应力松弛系数表。一般条件下应力松弛系数表 表81 =21 =51 =101 =20tH(t, 1)tH(t, 1)tH(t, 1)tH(t, 1)21511012012.250.4265.250.5110.250.55120.250.5922.50.3425.50.44310.50.49920.50.5492.750.3045.750.41010.750.47620.750.53430.27860.383110.457210.52140.22570.296120.392220.47350.19980.262140.306250.367100.187100.228180.251300.301200.186200.215200.238400.253300.186300.208300.214500.2520.1860.2000.2100.251注：表中1表示产生约束应力时的龄期；t表示约束应力延续时间。忽略砼龄期影响的松弛系数表 表9t1天00.250.50.7513102040H(t)10.6670.6260.6170.6110.5700.4620.3470.3060.283注：本表可在简化计算中应用。7.3 配筋对砼极限拉伸影响的计算经验公式 Pa=0.5Rf(1+p/d)10-4 (4)式中：Pa配筋后的砼极限拉伸； Rf砼抗裂设计强度（Mpa）； p截面配筋率100。例如：0.2；0.5，则p0.2；0.5； d钢筋直径（），（如钢筋d1.2，则 d1.2）。上述经验公式，各参数无量纲代入。根据近年来国外某些经验，对于薄壁结构，较细较密的配筋可以提高抗裂能力的论断是肯定的。极慢速荷载条件下，砼和钢筋砼的最终极限拉伸由两部分组成：弹性极限拉伸和徐变拉伸。0PaPan() (5)式中：n()0 n()K1K2Kn0 n()C0 Rf/2 ； K1、K2、Kn及C0 查表1表7；设计中无法预知的条件取修正系数为1.0。7.4 伸缩缝最大间距的计算（用极限变形控制伸缩缝间距裂缝间距的推导）为了进一步说明伸缩缝的作用，并且兼顾施工中“后浇缝”的设置理论依据，用极限变形概念研究伸缩缝作用，并作为一种实用计算方法推导出具体公式。根据试验，砼构件承受拉应力作用时，其应力应变关系直至破坏都接近线性关系。当水平应力达到抗拉极限强度时，砼的拉伸变形即达到极限拉伸变形：xmax=R, =p, R=Ep (6)此状态下提取L即为伸缩缝最大间距。xmax= Ep=-ET+ET+ ET/chL/2 chL/2= ET/( ET+ Ep)L/2=1/arcchT/(T+p )最大伸缩缝间距以Lxmax表示（也是不留伸缩缝的裂缝间距）；Lxmax2 arcchT/(T+p ) (7)式中 arcch双曲余选弦的反函数。公式中的分数部分，如T为正值（升温）。极限应变为负值（压应变）；如T为负值（降温或收缩），极限变形为正值（拉伸）。分母两项永远异号。为便于表示和应用，以绝对值表示：Lmax= 2 arcchT/Tp （8）该式建立在最大应力刚达到抗拉强度xmax=Rf 尚未开裂的依据之上。如稍超过则开裂，间距较少一半，得最小间距Lmin=Lmax /2 。因此最后得平均伸缩缝间距的公式：L=1.5 arcchT/Tp （9）在该式中砼极限拉伸p 值可考虑配筋影响及徐变影响。应用这一公式，注意温差T中包括水化热温差、气温差、收缩当量温差T=T1+T2+T3 (10)式中 T1 水化热温差（壁厚500）； T2 气温差； T3 y/ (y 收缩变形；10106 )； p 极限拉伸。当材质不佳，养护不良时，为0.51040.8104； 当材质优选，养护优良，降温缓慢时，21040.8104； 中间状态，11041.5104。如果结构物的长度小于L或偏于安全地取Lmin，则结构物可不设置温度伸缩缝；这是取消伸缩缝的条件。在缓慢变形条件下，考虑徐变，在考虑构造配筋，极限拉伸可能超过2104。由上式可看出：地基对底板的阻力系数Cx变化时，伸缩缝间距也随着变化。当Cx0时，即地基对底板几乎不产生阻力，底板接近自由变形时，伸缩缝间距可任意长；即取消伸缩缝。一些工程在底板与垫层之间设滑动层，如铺两层油毡、施沥青涂层以及用其它当地可用的垫层。相反，如果在坚硬地基（如岩石、旧砼）上做许多键槽，高度变化频繁，则大大增加Cx值，增加水平应力，减少伸缩缝间距。嵌入底板的桩基也会引起相同结果，伸缩缝间距宜减小。从公式（8）还可看出，温差或收缩相对变形与结构材料的极限拉伸之间的关系（T和p之间关系）很重要。一般总是T大于p，故分数永远是正的。它们的差别越大，伸缩缝间距越小；差别越小，伸缩缝间距越大。如果采取措施使p值趋近于T，arcch趋近于，则完全无需伸缩缝。这就需要降低温差或收缩，提高砼的极限拉伸。这种可能性是存在地，特别是在地下工程中，其可能性更大。因为这里所处的经常温差波动不大，而且又能对砼起良好作用。当然p大于T，数学上无解，但是物理概念上伸缩缝尽可取消。在工程实践中，遇到形状复杂，结构变化多端，其受力状态难以严格求解，则可采用温差（包括收缩）变形小于或等于极限拉伸的原则控制裂缝：Tp 。即所谓“抗”的原则。8.补偿收缩措施由以上分析可知，砼裂缝产生主要是由于砼干缩、冷缩和徐变引起的，这与砼的物理化学性质有关。所以我们通过水泥化学的研究，改善砼的应变应力状态和孔结构分布状态是有可能使砼的裂缝控制在无害裂缝的允许范围内。砼自由收缩是不会产生裂缝的。当砼受到钢筋和邻位约束时，这种限制收缩才可能产生裂缝。变形与限制这一对矛盾贯穿着收缩变形的全部过程。解决这对矛盾的正确理论应是以砼的限制膨胀补偿限制收缩。补偿收缩砼是一种适度膨胀的砼。原理：当砼膨胀时，砼中的钢筋对它的膨胀产生限制作用，钢筋本身也因与砼一起膨胀而产生拉应力s ，同时砼中就产生相应的压应力c ，即在钢筋中：Fs=AsEs2 ,在砼中： FcAcc , Fs= Fc AsEs2 = Acc 设：As/Ac 则 c Es2 式中：c 膨胀砼产生的预应力（MPa）; 砼的配筋率（） Es 钢筋的弹性模量（MPa）; 2 砼的限制膨胀率（）按国内外补偿收缩砼的技术要求，砼在湿养期间，在配筋率0.8试验条件下，它产生的限制膨胀率2 应大于0.015；一般为0.020.03。在砼中建立的预压应力c 为0.20.7 MPa。这一预压应力能够抵消导致砼开裂的全部或大部分应力。与此同时，推迟了砼收缩的产生过程。抗拉强度在此期间能获得较大幅度的增长。当砼收缩开始时，其抗拉力已经增长到足以抵抗收缩应力，从而防止和减少收缩裂缝的出现。这就是补偿收缩砼的抗裂原理。而普通砼不具有膨胀作用。当其收缩超过极限拉伸变形值p 时，便会开裂（见图2） 天 图2 补偿收缩砼的涨缩变形曲线 9.膨胀剂9.1 怎样选择膨胀剂： 膨胀剂种类：明矾石膨胀剂（EA-L）、U型砼膨胀剂（UEA）、复合膨胀剂（CEA）和铝酸钙膨胀剂（AEA）等十多个品种。这些膨胀剂是以不同矿物组成的膨胀熟料与石膏等粉磨而成。有关数据如下表：我国膨胀剂主要品种 表10膨胀剂名称膨胀源碱含量（）标准掺量（）单位掺量（）UEA普通膨胀剂钙矾石0.50-0.701245UEA高效膨胀剂钙矾石0.30-0.50830低碱低掺高效UEAR钙矾石0.20-0.50624AEA膨胀剂钙矾石0.50-0.701038CEA膨胀剂钙矾石Ca(OH)20.40-0.601038膨胀剂主要功能是补偿砼硬化过程中的干缩和冷缩。选用膨胀剂时，首先检验它是否达到（砼膨胀剂）建材行业JC4762001标准。主要看三项：一是碱含量0.75；二是水中7d限制膨胀率0.025；三是掺量12（北京市建委规定掺量8才能入市）。现在膨胀剂牌号近30个。同一品牌如UEA，全国有25个厂生产。因此必须通过复检，合格才能使用。我国膨胀剂有三种类型：硫铝酸钙类（UEA、AEA、PNC、FS、PPT等）；氧化钙硫铝酸钙类（CEA）和氧化钙类。由于钙矾石（C3A3CaSO432H2O）的化学稳定性和耐水性优良，国内外绝大多数厂家生产硫铝酸钙类膨胀剂。CaO水化生成Ca(OH)2可以产生膨胀；但Ca(OH)2在压力水下易溶解，所以GBJ119规范中规定：含CaO膨胀剂不得使用在地下、海工等工程中。目前只有北京市有两家生产CEA。根据GBJ119规范，掺膨胀剂的补偿收缩砼的特性指标是：水中养护14d的限制膨胀率0.015（相当在结构中建立的预应力大于0.2 MPa）。测定方法是用100100300试件（见图3），中间预埋入10限制钢筋骨架。10钢筋 1000.79 100 300 图3 限制膨胀率标准试件示意图注2：JC4762001规定做砼膨胀剂的限制膨胀率水泥胶砂试体尺寸为4040140 GBJ119规范中还规定：空气中28d 2 0.03（收缩）；底板：2 0.015； 边墙：2 0.025； 后浇缝：2 0.035；对强度的影响：17d 占7080（膨胀量）； 7d 自由强度下降10；28d持平；限制膨胀率比自由膨胀强度提高1015。掺量与膨胀率：图4 掺量与膨胀率选择示意图 施工单位或砼搅拌站应根据设计要求确定膨胀剂的最佳掺量。在满足砼强度和抗渗要求下，同时要达到补偿收缩砼的限制膨胀率，才能获得控制结构有害裂缝的效果。墙体易出现纵向收缩裂缝，强度越高，开裂机率越高。实践表明，墙体水平构造筋的配筋率宜在040.6 （0.5），间距应小于150。p 0.5RL(1+/ d)10-4 (6) d钢筋直径（）； RL 砼早期计算抗拉强度（MPa）。 由于墙体受底板和楼板的约束较大，砼收缩不一致，宜在墙体中部或端部设一道间距为100、高1m的 “水平暗梁”，水平构造筋宜放在竖向受力筋的外侧。墙与柱相连的结构，由于其配筋率相差较大，在离柱子12m的墙体上易出现纵向收缩裂缝。应在墙柱连接处设水平附加筋，长度15002000，插入柱子200300，该处配筋率提高1015。结构开口部和突出部位应适当增加附加筋，以增强其抗裂能力。延长搅拌时间：现场30S；商品砼10S。楼板等上表面：终凝前多次抹压。边墙：分层浇筑；砼浇筑12d后松动模板；从上部浇水养护；拆模后浇水养护14d；日照墙面，里包塑料。结构性防水UEA补偿砼防水工程方法YJGF2292，补偿砼结构防水工法YJGF22-2001已列入地下工程防水技术规范。9.2 如何确定补偿收缩砼的配合比按GBJ119规定膨胀剂掺量是按等量取代胶凝材料的内掺法。具体算法如下：（1）不掺掺和料时： EC0K CC0E（2）掺掺和料时： 膨胀剂应分别取代水泥和粉煤灰，即：E(C0FA0)K FFA0(1K) CC0(1K)式中：E膨胀剂掺量（/m3）； K膨胀剂掺率（）；C水泥用量（/m3）； C0基准砼水泥用量（/m3）；FA0粉煤灰等掺和料用量（/m3）；在配制抗渗砼时，按规范规定，水泥用量不得小于300/m3。如掺入粉煤灰等，则水泥用量不得小于280/m3。以此为基准设计掺膨胀剂的混凝土配合比（设计时应注意北京市对膨胀剂掺率8的限制要求。应选用高效膨胀剂，详见表10）。10. 大体积砼结构裂缝控制方法大体积砼工程因散热降温引起的冷缩比干缩更容易引起开裂。吴中伟提出：采用低水化热的补偿收缩砼；同时加以适当的温度控制，能有效地解决大体积砼的开裂问题。当：(2S2t)S1=0 或不超过极限拉伸p，就能达到控制裂缝的目的。式中：2限制膨胀率； S2 干缩值；t 湿养膨胀率；S1最大冷缩值； S1T；T最大降温值；砼的线性膨胀系数，取1105/“三掺”技术，即掺膨胀剂、缓凝高效减水剂和粉煤灰或矿渣粉。在降低水化热的同时，通过膨胀剂产生的前期膨胀以补偿砼的冷缩；后期（1460d）微膨胀以补偿干缩。这种“抗”的方法较好地解决了大体积砼的裂缝控制问题。10.1 结构设计措施（1）掺膨胀剂的补偿收缩混凝土大多应用于控制有害裂缝的钢筋混凝土结构工程。混凝土的膨胀只有在限制条件下才能产生预压应力。所以，构造（温度）钢筋设计对有效的利用混凝土膨胀能和分散收缩应力集中起着重要作用。结构设计者必须根据不同的结构部位，采取相应的合理配筋和分缝。设计者应提出对混凝土的限制膨胀率的具体要求。根据GBJ119规范要求，掺膨胀剂的补偿收缩混凝土水中养护14d的限制膨胀率0.015，相当在结构中建立的预应力大于0.2MPa。实际上，混凝土的膨胀率最好控制在0.020.03，填充用膨胀混凝土的膨胀率应在0.0350.045。施工单位或砼搅拌站应根据设计的要求，确定膨胀剂的最佳掺量，在满足砼强度和抗渗要求下，同时要达到补偿收缩混凝土的限制膨胀率。只有这样，才能获得控制结构有害裂缝的效果。所以，当采用膨胀剂时，在设计图纸上或通过洽商确定：“采用掺膨胀剂的补偿收缩混凝土，强度等级，抗渗标号，水中养护14 d的限制膨胀率0.015（或更高些）”。（2）由于墙体受施工和环境温湿度等因素影响较大，容易出现纵向收缩裂缝，砼强度等级越高，开裂机率越多。实践表明，墙体的水平构造（温度）钢筋的配筋率宜在0.40.6之间；水平筋的间距应小于150，采取细而密的配筋原则。由于墙体受底板或楼板的约束较大，混凝土收缩不一致，宜在墙体中部设一道间距为100，高1m的“水平暗梁”，水平构造筋宜放在竖向受力筋的外侧。这样，有利于控制墙体有害裂缝的出现。（3）对于墙体与柱子相连的结构，由于墙与柱的配筋率相差较大，混凝土膨胀变形与限制条件有关。由于应力集中原因，在离柱子12m的墙体上易出现纵向收缩裂缝。应在墙柱连接处设水平附加筋。附加筋的长度为15002000，插入柱子中200300；插入墙体中12001600。该处配筋率提高1015。这样，有利于分散墙柱间的应力集中，避免纵向裂缝的出现。（4）结构开口部和突出部位因收缩应力集中尾于开裂，与室外相连的出入口受温差影响大也易开裂。这些部位应适当增加附加筋，以增强其抗裂能力。（5）对于超长结构楼板，鉴于泵送混凝土的收缩值比现浇混凝土大2030，为减少有害裂缝，可采用补偿收缩混凝土浇筑。但是设计上要求采用细而密的双向配筋，构造筋间距小于150，配筋率在0.6左右。对于现浇混凝土防水屋面，应配双层钢筋网，钢筋间距小于150，配筋率在0.5左右。楼面和屋面受大气温差影响较大，其厚浇缝最大间距不宜超过50m。（6）由于地下室长期处于潮湿状态，温差变化不大，最宜用补偿收缩混凝土做结构自防水。底板和边墙后浇缝最大间距可延长至60m；必要时可以膨胀加强带代替后浇缝，可连续（或间隙）浇筑底板或楼板120m不留缝。但是边墙仍需以加强带间距后浇缝，28d后以大膨胀砼补缝。10.2 施工措施（1）在应用JC4762001混凝土膨胀剂标准时应注意北京市有关规定文件的规定。工措施、平面尺寸、与沉降结合等）由设计、施工、监理和建设等单位共同研究确定。一般做法如下：（1）每3040m设一后浇缝，4060d后再用膨胀砼（强度高一级、膨胀剂掺量稍高）填缝；（2）另一种是无缝施工。措施是用加强带代替后浇缝（沉降缝除外）。该方法原理：结构收缩应力最大处给予较大的膨胀应力。具体做法：加强带一般设在后浇缝处。带宽2m；带的两侧分别架设密孔钢丝网，先浇带外普通膨胀砼；浇到加强带是，改用大膨胀砼。如此连续交替浇筑下去，实现无缝施工。11. 约束与温度应力的概念11.1 约束大致可分为外约束和内约束两大类。（1）外约束一个物体的变形受到其它物体的阻碍；一个结构的变形受到另一个结构的阻碍，这种阻碍和相互牵制作用称为外约束。无约束（自由体）所谓自由体是指一构件的约束，呈完全自由的变形，即无约束力0。1）弹性约束是指构件的变形不是完全自由的，而是受到其它构件部分约束。如框架梁受到柱子的约束等；2）全约束（嵌固体）是指构件的变形受到其它构件完全约束，以致变形体完全不能变形，该构件（物体）即称为嵌固体。外约束根据约束的形式，又分为集中式和连续式约束两种。通过若干节点集中地传递约束作用，称为集中式约束。例如框架结构的横梁变形通过许多柱头（结点）受到立柱的约束即属此例。若通过无穷多节点传递约束作用，则称为连续性约束。如长墙受到地基地约束。根据不同的约束程度，采用结构的约束系数和自由度系数如下：12 式中：无约束条件的自由变形；1实际变形；2约束变形；约束系数R2/； 自由度系数1/；R1 （2）内约束（自约束）构件本身各质点之间的相互约束作用称为内约束或自约束。例如大体积砼非均匀温差或收缩将产生内约束力。11.2 温度应力与约束单向约束，即一维问题：（1）自由变形：LTL；L/L；0。即无应力。式中：线膨胀系数（1/0C）；T温差（0C）；L悬臂梁的跨度（）；相对变形。 LTL L 图5（2）全约束：在外力P作用下，将自由变形梁压缩到原位，产生的应力即位变形约束应力。根据外力P的作用，位移LPL/EF，PLEF/L，则将自由变位L压回原位的压应力即约束应力（全约束）为：-P/F-LEF/LF-TLEF/LF-ET (5)实际L0，0 1 2 TL L 图6 全约束作用梁示意 图7 弹性约束作用梁示意（3）弹性约束：梁的自由变位即弹簧自由长度LTL受到了弹性约束，只获得了部分变位1，而其余部分2L1 是被弹簧压缩的变位，该变位是约束变位，其相对值为22/L，同时产生相应当约束应力2E2 。自由变位直观上为梁端实际变位1与约束变位2之和，即 L12其相对变形为： 12T2/ET以上计算归纳如下：（1）弹性约束条件下 /ET（2）全自由条件下 无约束应力，有最大变形：0； T（3）全约束条件下 无变形，有最大约束应力：max- ET； 0平面问题，即双向约束问题：（1）弹性约束条件下： x 1/E(xy)Ty 1/E(yx)T xy 1/(2G)xy=1/2xy（2）全自由条件下 无约束应力，有最大变形： xxmaxT（3）全约束条件下 无变形，有最大约束应力：maxxy- ET/(1) xy=0; xy0; xy 1/2xy0；以上计算，不论一维或二维状态，结构物的最大应力均与长度无关。12. 普通砼强度与龄期及早期养护温度的关系除湿度对砼强度影响较大外，养护温度对砼强度影响同样不容忽视。养护温度的升高加速了水化反应。因此对砼早期强度产生有力影响，对后期强度亦无不利影响。可是若浇筑和凝结期间的温度较高，虽然使早期的强度得以提高，但从约7d以后对强度就有不利影响。其原因在于初期的快速