2、非结构性裂缝
混凝土的非结构性裂缝,根据其形成的时间可分为:混凝土硬化前裂缝、硬化过程裂缝和完全硬化后裂缝。非结构性裂缝的产生,多是受混凝土材料组成、浇筑方法、养护条件和使用环境等多种因素影响所致。
(1)收缩裂缝
在混凝土凝固过程中,混凝土中多余水分蒸发,引起的体积缩小称为干燥收缩或干缩。而在水泥和水发生水化作用,逐渐硬化而形成的水泥骨架不断紧密、体积缩小,称为塑性收缩(凝缩)。混凝土的收缩以干缩为主,约占总收缩量的80%~90%。
①塑性收缩裂缝
塑性收缩裂缝是指混凝土浇筑后,在硬化前由于塑性收缩导致的裂缝(图1-10)。由于混凝土表面干燥速度远大于内部,面层混凝土迅速失水结硬,收缩变形受到内部混凝土约束产生拉应力,从而导致混凝土开裂。因此,塑性收缩裂缝均在表面出现,裂缝形状不规则,多为横向,长度在50~1000mm,间距50~90mm,宽度约在0.5~2mm,细而多且互不贯通。
体表比小的板式结构,混凝土塑性收缩裂缝最为普遍。天气炎热、蒸发量大、大风或混凝土本身水化热过高,都是产生塑性裂缝的直接原因。实测结果表明,当混凝土拌和物表面失水速度大于0.5kg/(m3·h)时,极易产生塑性收缩裂缝。实际施工中,加强覆盖、及时酒水养护,都可有效减少塑性收缩裂缝的产生。采取二次搓毛、压平措施,可对已形成的塑性收缩裂缝起到有效愈合作用。
②干燥收缩裂缝
干燥收缩裂缝是指混凝土干燥收缩变形导致的裂缝(图1-11)。干燥收缩变形是混凝土凝结硬化后由于含水孔隙失水导致的体积收缩。混凝土成形后,表面水分蒸发,截面上形成湿度梯度,内外干缩量不一样,当混凝土表面收缩变形受到混凝土内部约束或其他约束限制时,即在混凝土中产生拉应力,当拉应力达到混凝土的极限抗拉强度时,即出现干燥收缩裂缝。
普通混凝土干燥收缩,随时间发展存在一定规律,通常半个月可完成收缩终值的10%~25%;3个月完成50%~60%;1年完成75%~80%。因此,混凝土结构的干燥收缩裂缝,通常约在1年后开始出现,而且总是在拉应力集中部位或结构最薄弱部位首先出现,并与拉应力聚集的方向垂直。视结构约束条件及配筋形式的不同,裂缝一般有两种形状:一种为不规则龟纹状或放射状裂缝;另一种为每隔段距离出现1条的裂缝。其中以后者居多,多为枣核形,最初表现为不贯穿的表面裂缝,随后大部分裂缝都将逐渐演化为贯穿型裂缝,其宽度通常在0.1~0.5mm,严重时可达0.5~1.5mm。在实际工程中,这种干燥收缩裂缝多出现在纵向长度较大,或体积表面积比较大的结构。
工程实例:深圳泥岗立交匝道桥,系现场整体浇筑的钢筋混凝土连续箱梁桥2004 年发现箱梁腹板出现大量的竖向裂缝,裂缝间距约为0.5~1.5m,跨中部位分布较密,支点范围较稀;裂缝在顶板根部和底板上方逐渐消失,个别裂缝宽度已超过0.2mm。从裂缝特征分析,这是典型的干燥收缩裂缝。就本例而言,发现如此严重的收缩裂缝,应从设计、施工等多方面查找原因。由于箱梁顶板和底板嵌固约束,腹板混凝土收缩变形将受到限制,若腹板内设置的水平防收缩钢筋间距过大,或拌和混凝土中水泥用量过大,初期养护不当,都可能造成腹板出现收缩裂缝(图1-12)。
(2)温度裂缝
钢筋混凝土结构随着温度变化将产生热胀冷缩变形,这种温度变形受到约束时,在混凝土内部就会产生拉应力,当其达到混凝土的抗拉强度极限值时,混凝土会出现裂缝,这种裂缝称为温度裂缝。按结构的温度场、温度变形、温度应力不同可分为以下3种类型:
①截面均匀温差裂缝(整体升、降温)
桥梁结构为细长的杆件体系,遇到温度变化时,构件截面受到均匀温差的作用,可忽略横截面两个方向的变形,只考虑沿长度方向温度变形。一旦这种变形受到约束,在混凝土内部就产生拉应力,在达到抗拉强度极限值时,就会出现裂缝(图1-13)。
另外,实际工程中由于连续梁预留伸缩缝的伸缩量过小,或有施工散落的混凝土碎块等杂物嵌入其内,或堆集于支座处的杂物没有及时清理,使伸缩缝和支座失灵等,当遇到温度急剧变化时,结构伸长受到约束,在两侧台就会出现这种截面均匀温差裂缝,严重者造成墩台破坏的实例是屡见不鲜的。
②截面上、下温差裂缝(梯度升、降温)
以桥梁结构中大量采用的箱形梁为例,由于外界温度骤然变化,就会造成箱内外的温度差。考虑到桥体为长细结构,可以认为在沿梁长方向箱内外的温差是一致的沿横向也没有温差,这样可以将三维热传问题简化为沿梁竖向温度梯度来处理,一般假设沿梁截面高度方温差呈线性变化。在这种温差作用下,梁不但有轴向变形,还伴随产生弯曲变形。在超静定结构中,梁的弯曲变形,不但引起结构位移,而且因多余约束存在,还会产生结构内部温度应力。当上、下温差变形产生的应力达到强度极限值时,混凝土就出现裂缝,这种裂缝称为截面上、下温差裂缝(图1-14)。