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空心砌块房屋建筑变形裂缝产生的成因与防治措施分析探讨

0102建筑材料2021-07-18 12:03:38


 1前言

  混凝土小型空心砌块是一种新型的建筑材料,它的出现给古老的砌体结构注入了新的生命力。由于它的诸多优点,已经成为替代传统的黏土砖最有竞争力的墙体材料。
  在竖向孔洞配筋,灌注细石混凝土形成配筋的组合墙体,可以大大改善砌体原有的脆性和不均匀性,从而使之具有良好的抗弯、抗剪能力。适当布置的配筋芯柱,可提高砌块墙体的抗震性能,而且配筋灵活,可以根据受力和构造需要灵活变化以适应不同层数、不同抗震设防烈度、不同部位构造的要求。但是,根据调查发现,小型砌块房屋的裂缝比砖砌体房屋多而且更为普遍,引起了工程界的重视
  砌块房屋建成和使用之后,由于种种原因可能出现各种各样的墙体裂缝。从大的方面来说墙体裂缝可分为受力裂缝和非受力裂缝两大类。各种荷载直接作用下墙体产生的相应形式的裂缝称为受力裂缝。而砌体收缩、温湿度变化、地基沉降不均匀等引起的裂缝是为非受力裂缝,又称变形裂缝。本文着重讨论温度和收缩裂缝的成因和表现形式。小型砌块砌体与砖砌体相比,力学性能有着明显的差异。在相同的块体和砂浆强度等级下,小型砌块砌体的抗压强度比砖砌体高许多。这是因为砌块高度比砖大3倍,不像砖砌体那样受到块材抗折指标的制约。但是,相同砂浆强度等级下抗拉、抗剪强度小砌块砌体却比砖砌体小了很多,沿齿缝截面弯拉强度仅为砖砌体的30%,沿通缝弯拉仅为砖砌体的45%~50%,抗剪强度仅为砖砌体的50%~55%。因此,在相同受力状态下,小型砌块砌体抵抗拉力和剪力的能力要比砖砌体小很多,所以更容易开裂。这个特点往往没有被人重视。此外,小型砌块砌体的竖缝比砖砌体大3倍,加大了其薄弱环节更容易产生应力集中。
2砌块房屋的温度变形分析
  混凝土小型砌块砌体的线胀系数为10×10-6/℃,比砖砌体的大一倍,因此,小型砌块砌体对温度的敏感性比砖砌体高,更容易因温度变形引起裂缝。由于温度变形引起的墙体裂缝的形状和部位砌块房屋和砖砌体房屋是相类似的,只是带有砌块的特点而已。
  多层砌块房屋的顶层墙体和砖砌体房屋一样是最容易出现温度裂缝的。尽管混凝土砌体墙体的线胀系数与顶盖混凝土板的线胀系数没有差别,但在夏季阳光照射下两者之间还是存在一定的温差。夏季在阳光照射下,屋面上表面最高温度可达40℃~50℃,而顶层外墙平均最高温度约为30℃~35℃。屋顶和顶层外墙存在10℃~15℃的温差。在冰冷地区,屋盖结构层上面依次设有隔气层、保温层、找平层和防水层。顶盖结构有保温层的保护,它与外墙的温差按理应有所减少。但是,可能保温层不够厚,或防水层渗漏,保温层浸水,降低了保温隔热效果,这时两者温差还是有可能引起墙体的开裂。
  在实际工程中大家发现,单是保温层上的水泥砂浆找平层(厚20mm,实际施工时往往超厚)在外界温度变化下的伸缩变形也能将外墙推裂。因为按现有的建筑构造定型节点图,砂浆找平层一直铺到女儿墙根部,不但不断开不留空隙而且在边端还要加厚,堆成三角形(便于做泛水)。找平层虽薄但在平面内还是有相当大的刚度,其上面的卷材防水层是没有隔热效果的,夏季阳光直接照射下找平层伸缩导致墙体开裂就不足为奇了。在顶盖与外墙存在一定温差下,导致两者温度变形不协调,产生墙体裂缝。当外界温度升高时,混凝土顶盖变形大,墙体变形相对较小,使屋盖受压,墙体受拉、受剪。在房屋顶层两端受力最大,往往沿窗口对角线方向呈现八字裂缝,还会在顶盖标高处墙体产生水平裂缝(顶盖板推外墙),有女儿墙时,还会使女儿墙开裂或外倾。  这种温度裂缝是有明显的规律性:两端重中间轻,顶层重入下轻,阳面重阴面轻。由于顶盖的温度伸缩也会引起与外纵墙相连的顶层横墙的开裂,一般位于大棚下靠近外墙处出现斜向裂缝。顶层墙体开裂裂缝形态与圈梁设置方法有明显的关系,但仅靠圈梁的设置并不能阻止墙体裂缝的产生。顶层圈梁上直接铺设屋面板时,当屋面板坐浆与圈梁结合较好时,圈梁下仍可能出现斜裂缝。如果结合较差,有可能产生水平裂缝。
3砌块房屋的收缩变形分析
  黏土砖是烧结而成的,成品干缩性极小,所以砖砌体房屋的收缩问题一般可不予考虑。
  小型空心砌块则是混凝土拌合物经浇筑、振捣养生而成的。混凝土在硬化过程中逐渐失水而干缩,其干缩量因材料和成型质量而异,并随时间增长而逐渐减小。以普通混凝土砌块为例,在自然养护条件下,成型28d后,收缩趋于稳定,其干缩率为0.03%~0.035%,含水率在50%~60%左右,砌成砌体后,在正常使用条件下,含水率继续下降,可达10%左右,其干缩率为0.018%~0.07%左右,干缩率的大小与砌块上墙时含水率有关,也与
  对于干缩已趋稳定的普通混凝土砌块砌体,如再次被浸湿后,会再次发生干缩,通常称为第二干缩。普通混凝土砌块在含水饱和后的第二干缩,其稳定时间比成型硬化过程的第一干缩时间要短,一般为15d左右。第二干缩的收缩率给为第一干缩的80%左右。
  砌块上墙后的干缩,引起砌体干缩,而在砌体内部产生一定的收缩应力,当砌体的抗拉、抗剪强度不足以抵抗收缩应力时,就会产生裂缝。
  因砌块干缩而引起墙体裂缝,这在小型砌块房屋是比较普遍的。在内外墙、在房屋各层均可能出现。干缩裂缝形态一般有几种,其一是在墙体中部出现的阶梯形裂缝,其二是环块材周边灰缝的裂缝,其三在外墙多反映在窗下墙,出现竖向均匀裂缝,其四在山墙等大墙面由于收缩还会出现竖向、有的是水平向裂缝。收缩裂缝一般多表现在下部几层,这是由于墙面的收缩变形受基础及横墙的约束所致。有的砌块房屋山墙大墙面中间部位,出现了由底层一直伸到3、4层的竖向裂缝。
  冬天冰冷的地区砌块房屋为达到保温要求,往往采用复合墙的形式修建外墙,即190mm厚的内叶承重墙,外加保温层(苯板、珍珠岩或岩棉),再加90mm厚外叶保护层。这种复合墙能一步到位达到冰冷地区墙体的节能保温要求。从结构上看就是一种空腔墙。外叶墙由90mm厚砌块砌成,内、外叶墙之间采用钢筋拉接。从防止温度裂缝和收缩裂缝角度来看外叶墙的处理更为不利,所以往往开裂比较严重。
  由于砌筑砂浆的强度等级不高,灰缝不饱满,干缩引起的裂缝往往呈发丝状而分散在灰缝隙中,清水墙时不易被发现,当有粉刷抹面时便显露出来。干缩引起的裂缝宽度不大,且裂缝宽度较均匀。
  砌块上墙时含水率较大,经过一段时间后,砌体含水率降低,便可能出现干缩裂缝。即使已砌筑完工的砌体无干缩裂缝,但当砌块因某种原因再次被水浸湿后,出现第二干缩,砌体仍可能产生裂缝。
砌块的含湿量是影响干缩裂缝的主要因素,所以国外对砌块的含湿率(指与最大总吸水量的百分比)有较严格的规定。日本要求各种砌块的含水率均不超过40%。美国和加拿大等国,则根据使用砌块地区的温度环境和砌块线收缩系数≤0.03%时,对于高温环境允许的砌块含水率为45%,中湿为40%,干燥环境时要求含水率不大于35%。
  美国试验和材料学会(ASTM)和加拿大标准协会(CSA)的标准,把砌块分为控制含水量砌块和不控制含水量砌块两大类,对于应用于建筑工程中砌筑用的砌块在上墙前必须保持干燥。
4砌块房屋温度、收缩应力计算
  4.1温度应力计算
  砌体结构温度应力按弹性理论分析比较复杂,应用方便,文献提出一种近似计算方法。根据结构物相互约束的假定,砌体剪应力与相对位移有以下关系:式中:——水平阻力系数,混凝土板与砌块墙体 =0.3MPa/mm~0.6MPa/mm。
  在房屋顶层分割出与相应外纵墙共同工作的顶板宽度b(图1),顶板厚度为h,墙体厚度为t。把墙体视为半限弹性体,在上端有厚为h宽为b的钢筋混凝土板条,由于顶板与墙体的温差,产生温度变形不协调,使顶板受压,接触面上产生剪应力。当顶板与墙顶的自由差异变形较大时,通过摩擦阻力使墙内主拉应力达到一定数值之后,便引起主拉应力斜裂缝或剪应力水平裂缝。
混凝土小型空心砌块砌筑的混合结构房屋虽然墙体的线胀系数与顶板混凝土一样,均为10×10-6/℃,但前已述及,砌块砌体的抗拉、抗剪强度要比砖砌体低很多,所以温度裂缝更是不可忽视。
以外纵墙的温度应力计算不例,假定屋面板与砌块墙体的温差为10℃,则T=10×10-6×10=10×10-5。墙厚t=190mm,顶板宽度取b=2.55m(进深5.1m)。
   =1.047×10-4
  在端部处砌体最大剪应力为:
砌块砌体如使用M5砂浆砌筑,其抗拉强度仅有0.07MPa,抗剪强度仅有0.06MPa,所以它比砖砌体更容易开裂。
  4.2砌块房屋墙体收缩引起的应力计算
  砌体结构收缩引起的应力尚无较好的近似计算方法,本文用Super91有限元程序对砌体墙片的收缩应力进行了弹性范围内的计算。由于基础的约束比较强,故收缩应力在底层比较大,本文所取的算例都取底下两层为计算模型。底边假设为固接,其余三边设为自由边。因是平面墙片,所以用二维平面应力元进行计算。收缩变形在有限元计算中不能直接作为荷载加在结构上,但可根据收缩应变与温度应变相等,把收缩变形换算成温度变形:
Ey干缩率按上节所述取0.03%,则△T为-27℃,可见干缩应力比温度应力要大,这也可从下面算例得到验证。
  房屋山墙长度取房屋宽度L=9.2m,与横墙共同工作的C20混凝土板宽度取开间尺寸的一半b=1.65m,墙厚t=190mm,砌块强度为MU10,砂浆为M5,为考虑纵墙对横墙的约束作用,把纵墙取为横墙的翼缘,尺寸取为6倍墙厚。得到的主拉应力等应力线。可见最大主拉应力出现在墙的下边缘边,而由于纵墙和混凝土楼板的约束作用,每个墙片的中心处为高应力区。σmax=0.913MPa,已远远地超出了砌体的抗拉强度,所以山墙中部易出现竖向的干缩裂缝。
  外纵墙取一个单元进行计算,L=31.8m,t=0.19m,b=2.4m(进深为4.8m),为简化计算这里没有考虑横墙的影响。得到的σmax=1.569 MPa,出现在一层门洞口的下角处,且每个门窗洞口的角上都是高应力区,这就说明了为什么窗角处易出现裂缝。
5砌块房屋变形裂缝的防治措施
  砌块房屋温度、收缩裂缝的产生涉及砌块生产、房屋设计、施工质量等诸多方面,因此裂缝的防治也应从各个方面、诸多环节采取措施才能见效。从房屋设计方面来说,除了应遵循《混凝土小型空心砌块建筑技术规程》JGJ/T12004墙体防裂的主要措施条款外,还可根据实际情况采用以下砌块房屋变形裂缝的防治措施:
  5.1鉴于混凝土砌块砌体的线胀系数比砖砌体大一倍,因此砌块房屋温度伸缩缝的最大间距应该比砖砌体房屋短,砌体结构设计规范修订组已拟出修改方案,即将规范中伸缩缝的最大间距表数值乘以0.75后采用,例如砖砌体的间距为50m,砌块房屋的伸缩缝间距则为37m左右,有的地区拟改为35m,因为恰好相当于住宅楼两个单元的长度,处理方便一些。
  5.2温差产生裂缝主要在房屋顶层,前面温度应力计算表明,采用再高的砂浆强度也难以抵抗温差产生的拉、剪应力。所以考虑降低温差的措施和采取“抗”、“放”结合的策略才是较好的方案。增加房屋盖保温性能,防止屋面渗漏,这是建筑节能的需要,同时也可达到降低屋盖结构层温差的目的。增加顶层圈梁的平面布置密度,加强顶层内外纵墙端开间门窗洞口周边的抗力(门窗洞边设钢筋混凝土芯柱,设钢筋混凝土窗台梁)。一句话:用配筋的方法来抵抗温度应里。在屋盖承重板的适当位置设滑动支座,则是“放”的有效措施。但应考虑抗震构造允许的范围内。例如,做成允许微动而不滑走的构造,滑动支座纵横向错开,或只设两端部开间屋面板的滑动屋,削弱屋面板与圈梁的连结等等。 5.3改变屋顶建筑构造定型图的做法,将砂浆找平层与周边女儿墙断开留出溜槽,用松软防水材料填塞,找平层本身宜分割成4m×6m左右的分格块,这种措施不影响房屋使用功能,而至少能缓解顶层温度变形的危害。
  5.4作为顶层砌体墙体,最好考虑设间距为两、三个开间的局部墙面控制缝,此时顶盖的构件和圈梁可连通,虽然不如国外每开间设缝的效果,但必能大大缓解温差作用。
  5.5砌块墙体收缩引起的裂缝主要表现在底部1、2层,因为基础的约束比较强。砌块墙体的收缩应力相当于温差30℃左右的温度应力,所以收缩裂缝开展比温差变形还要严重。除了增强底层砂浆强度、用芯柱加强洞口边、窗下墙带配水平钢筋网片、灌实砌块孔洞等之外,也宜考虑设置墙面的控制缝。
6结语
  综上所述,砌块房屋裂缝问题涉及因素很多,比较复杂,需要开展更深入的试验研究,研究裂缝产生的机理,影响因素,探索具体薄弱部位,采取更为有效而又经济的防治措施以及对已出现裂缝的修复方案等等。

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