关于钢筋混凝土裂纹的思考

【摘 要】实验和研究表明：钢筋混凝土结构的使用性能和适用性能与裂纹及其发展有着直接关系，裂纹的存在会影响材料的力学性能，比如锈蚀钢筋、降低混凝土材料强度，而且对混凝土结构的宏观力学性能也有不利影响。

【关键词】钢筋混凝土；裂纹；强度

钢筋混凝土（Reinforced Concrete），工程上常被称为砼，是指通过在混凝土中加入钢筋与之共同工作来改善混凝土力学性质的一种组合材料。广泛应用于房屋建筑工程、交通土建工程、水利工程和其他工程。

一、钢筋混凝土的发展

钢筋混凝土结构的发展，大体上分为三个阶段。

第一阶段是从钢筋混凝土发明到二十世纪初。这一阶段采用的钢筋混凝土的强度都比较低，混凝土结构主要用来建造中小型楼板、梁、拱和基础等构件。计算理论主要是弹性理论，设计方法采用容许应力法。

第二阶段是从二十世纪初到第二次世界大战前后。这一阶段混凝土和钢筋的强度有所提高，预应力混凝土结构的发明和应用使钢筋混凝土被用于建造大跨度的空间结构。在计算理论上开始考虑材料的塑形，开始按破损阶段计算结构的破坏承载力。

第三阶段是从二战以后至今。随着高强混凝土和高强钢筋的出现，预制装配式混凝土结构、高效预应力混凝土结构、泵送商品混凝土以及各种新的施工技术等开始广泛地应用于各类工程，如超高层建筑、大跨度桥梁、高速铁路、地铁工程、跨海隧道和高耸结构等。在计算理论上已过渡到充分考虑混凝土和钢筋苏醒的极限状态设计理论，在设计方法上已经过渡到以概率论为基础的多系数表达的设计。

钢筋混凝土虽然已经应用于各种领域，虽然已经成为现代最主要的工程材料之一，但是混凝土也有其缺陷性。混凝土结构内部裂纹的形成和发展，会对钢筋混凝土材料的强度、耐久性产生重要影响，也会影响构件的刚度和抗剪能力，会降低构件的承载能力。但是大多数的钢筋混凝土结构和构件都是处于带裂纹工作的阶段，不带裂纹工作的构件是很少的。这就需要工程技术人员和研究人员研究如何最小程度的减小和减少裂纹，甚至消除构件中的裂纹，从而提高混凝土的工作性能，使工程结构更加安全可靠。

二、钢筋混凝土结构裂纹形成的原因

混凝土产生裂纹的原因很复杂，主要有非荷载因素引起的裂纹和荷载作用引起的裂纹。

混凝土从浇制完成起就具有初始微裂纹。初始微裂纹是导致钢筋混凝土结构破坏的潜在原因，并且由于混凝土的抗拉强度很低，即使在应力水平很低的情况下混凝土也会开裂，随着荷载的增加，结构中的裂纹数量将会越来越多。在混凝土制作时期，水泥石与骨料之间存在许多微观裂纹，包括水泥石与骨料粘结界面上出现的裂纹、水泥石内部裂纹以及骨料内部裂纹等。同时由于水泥的水化产生并释放大量的水化热，造成混凝土构件内外部温差较大，膨胀不一致，混凝土表面产生拉应力，内部产生压应力，当这种拉应力超过了混凝土抗应力时便产生的裂缝。

在水泥结硬过程中由于材料之间，主要是水泥石和粗骨料之间体积变化存在差异（水泥石收缩变化程度大于骨料）以及热膨胀系数的不同，混凝土在空气中结硬时体积要缩小，产生收缩变形，导致混凝土中水泥石与骨料间出现错动，从而形成微裂纹。另外，在混凝土制作过程中，振捣不充分导致混凝土内天然存在气孔，也容易使水泥石在结硬过程中出现水泥石内部裂纹。因此裂纹对于混凝土而言是与生俱来不可避免的。当混凝土结构受外荷载作用时，受拉区混凝土中相对薄弱位置的微观裂纹受到拉力后开始发展，慢慢地多条微观裂纹汇集后便发展成宏观裂纹（通常被认为是大于等于0.05mm的裂纹），人们通过肉眼可以观察到宏观裂纹。

影响混凝土裂缝的因素除上述的外，其他影响因素主要还有水泥品种、水泥用量、单位用水量、粗骨料和细骨料质量等。

三、钢筋混凝土结构裂纹的防治措施

1、裂纹控制方法--施预加应力

混凝土是一种受压材料，它的抗拉强度要比抗压强度低很多，这就使得普通钢筋混凝土梁很容易过早开裂。同时，梁内的裂纹宽度大体上与受拉钢筋的应力成正比，由于这一原因，钢筋应力必须限制在一定范围之内。普通钢筋混凝土结构由于有效利用了钢筋和混凝土两种材料的不同受力性能，因此广泛应用于土木工程中，但是普通钢筋混凝土结构或构件在使用中仍然面临两个主要问题：由于混凝土的极限拉应变很小，在正常使用条件下，构件受拉区裂缝的存在不仅导致了受拉去混凝土的浪费，还使得构件刚度降低，变形增大；考虑到结构的耐久性和适用性，必须控制构件的裂缝宽度和变形。

现代工程师们为了解决混凝土过早开裂的问题，提高钢筋混凝土结构的使用性能，做出了不懈地努力。1911年，法国著名的工程师欧仁.弗莱西奈首先认识到预加应力可以使混凝土结构的工作性能得到引人注目的改善，通过初始应力很高的钢筋来对混凝土施加预应力。1928年，他又指出预应力混凝土必须采用高强钢筋和高强混凝土，弗氏这一论断是预应力混凝土在理论上的关键性突破。1938年，德国的霍友研究成功靠高强细钢丝和混凝土之间的粘结力而不靠锚头传力的先张法。1939年弗莱西奈成功研制出弗氏锚具及其配套的双作用千斤顶。1940年，比利时的麦尼尔又成功研制出一次可以张拉两根钢丝的麦氏锲块锚。这些成就为推广预应力混凝土提供了切实可行的生产工艺。同时控制了混凝土结构裂纹的发展，提高了构架的承载能力和安全可靠性能。

2、预应力混凝土构件的要求

2.1 钢筋

预应力混凝土构件从制作到破坏整个过程中，预应力筋始终处于高应力状态，故对钢筋有较高的质量要求。

高强度：预应力混凝土构件在制作及使用过程中将出现各种预应力损失，因此，必须采用高强度钢材作为预应力筋。与混凝土间的粘结强度：在先张法构件中，由于在受力传递长度内钢筋与混凝土间的粘结力是建立有效预压应力的前提，故必须保证两者间有足够的粘结强度。良好的加工性能：预应力钢筋应具有良好的可焊性。具有一定的塑形：为避免构件发生脆性破坏，要求预应力筋在拉断前有一定的延性，特别是在当构件处于低温或冲击环境以及在抗震结构在尤为重要。

2.2 混凝土

高强度：预应力混凝土必须具有较高的抗压强度，这样才能承受较大的预应力，有效地减小构件的截面尺寸，减轻构件自重，故预应力混凝土结构的混凝土强度等级不宜低于C40，且不应低于C30。收缩与徐变小：这样可以减少由于混凝土收缩、徐变引起的预应力损失。快硬、早强：这样可以提前施加预应力，加快施工进度，降低管理费用。

2.2 张拉控制应力

设计预应力混凝土构件时，为了充分发挥预应力的优点，张拉控制应力宜尽可能定得高一点，以便使混凝土获得较高的预压应力。但是张拉应力并非越高越好，当要求提高构件在施工阶段的抗裂性能而在使用阶段受压区内设置的预应力筋，当要求部分抵消由于应力松弛、摩擦、钢筋分批张拉以及预应力钢筋与张拉台座之间的温差等因素产生的预应力损失时应将张拉控制应力限值提高5%。

四、总结：

研究人员通过对钢筋混凝土结构的裂纹的深入研究，使我们更深刻地认识了钢筋混凝土结构。钢筋混凝土中裂缝的产生，使结构和构件的性能发生改变，降低了构件的承载力、刚度，使构件较容易发生破坏。预应力钢筋混凝土结构的使用改善了结构的使用功能，减小了构件截面尺寸和自重，充分利用了高强度钢筋，具有良好的裂缝闭合能力，提高抗疲劳强度，具有良好的经济性。

参考文献：

[1]孙才志.FRP复合钢筋混凝土结构裂纹发展规律研究[D].重庆.重庆交通大学

[2]吕奖国.钢筋混凝土结构的裂纹控制思想与结构设计新方法[D].重庆.重庆交通大学

[3]混凝土结构原理[M]/刘立新，叶燕华主编.武汉：武汉理工大学出版社，2012.7

作者简介：

葛元飞（1992—），男，郑州大学 土木工程学院 2010级土木工程专业 四班。

许晶翠，女，郑州大学 土木工程学院 2010级建筑环境与设备工程专业。

张毅鹏，男，郑州大学 土木工程学院 2010级土木工程专业 四班。