Виды трещин в свежем и затвердевшем бетоне, их причины и борьба с ними

Существуют различные причины возникновения трещин в бетонных конструкциях. Рассматриваются такие трещины, как трещины пластической усадки, трещины оседания, различные виды трещин в свежем и затвердевшем бетоне и методы борьбы с ними.

Виды трещин в свежем и затвердевшем бетоне

Растрескивание в свежем или пластичном бетоне

1. Трещины при пластической усадке

Пластическое усадочное растрескивание (рис.1) возникает при очень быстрой потере влаги, вызванной комбинацией факторов, включающих температуру воздуха и бетона, относительную влажность и скорость ветра на поверхности бетона.
Эти факторы в совокупности могут вызвать высокую скорость испарения влаги с поверхности в жаркую или холодную погоду”. Когда влага испаряется с поверхности свежеуложенного бетона быстрее, чем заменяется отработанной водой, происходит усадка бетона на поверхности.
Поскольку растрескивание при пластической усадке происходит из-за дифференциального изменения объема пластичного бетона, для успешного контроля необходимо уменьшить относительное изменение объема между поверхностью и другими частями бетона.
Эти меры включают использование туманных форсунок для насыщения воздуха над поверхностью и использование пластиковой пленки для покрытия поверхности между отделочными операциями.

Типичные трещины пластической усадки в бетоне

2. Осадочные трещины в бетоне

После первоначальной укладки, вибрирования и отделки бетон имеет тенденцию к дальнейшему уплотнению. В этот период пластичный бетон может быть локально сдержан арматурой, предыдущей укладкой бетона или опалубкой. Это местное ограничение может привести к образованию пустот и/или трещин рядом с ограничивающим элементом (рис.2).

При наличии арматурной стали трещины в осадке увеличиваются с увеличением размера стержня, увеличением просадки и уменьшением покрытия (Dakhil et al. 1975). Использование как можно более низкого уровня просадки и увеличение покрытия бетона уменьшит образование трещин.

Осадочные трещины в бетоне

Трещины в затвердевшем бетоне

1. Трещины от усадки при высыхании

Распространенной причиной образования трещин в бетоне является сдерживаемая сухая усадка. Сушильная усадка вызвана потерей влаги из цементной пасты, которая может уменьшиться на 1 процент. К счастью, заполнитель обеспечивает внутреннее сдерживание, которое уменьшает величину этого изменения объема примерно до 0,06%. При смачивании бетон имеет тенденцию к расширению. Эти вызванные влагой изменения объема являются характерной особенностью бетона.
Если бы усадка бетона могла происходить без ограничений, бетон не растрескивался бы. Чем выше содержание воды, тем больше усадка при высыхании (U.S. Bureau of Reclamation 1975). Сушильная усадка может быть уменьшена за счет увеличения количества заполнителя и снижения содержания воды.

2. Трещины из-за термических напряжений

Разница температур внутри бетонной конструкции может быть вызвана тем, что части конструкции теряют тепло гидратации с разной скоростью или погодные условия охлаждают или нагревают одну часть конструкции в другой степени или с другой скоростью, чем другую часть конструкции. Эти температурные различия приводят к дифференциальному изменению объема.
Когда растягивающие напряжения, вызванные дифференциальным изменением объема, превышают способность бетона к растяжению, в нем появляются трещины. Растрескивание в массовом бетоне может произойти в результате более высокой температуры внутри, чем снаружи.
Процедуры, помогающие уменьшить термически вызванное растрескивание, включают снижение максимальной внутренней температуры, задержку начала охлаждения, контроль скорости охлаждения бетона и увеличение прочности бетона на растяжение.

3. Трещины, вызванные химическими реакциями

Отрицательные химические реакции могут вызвать растрескивание бетона. Эти реакции могут быть вызваны материалами, используемыми для изготовления бетона, или материалами, которые вступают в контакт с бетоном после его затвердевания. Здесь представлены некоторые общие концепции по снижению негативных химических реакций, но только предварительное тестирование смеси или длительный опыт работы в полевых условиях определят эффективность конкретной меры.
Со временем бетон может растрескиваться в результате медленно развивающейся реакции расширения между заполнителем, содержащим активный кремнезем, и щелочами, полученными в результате гидратации цемента, добавок или из внешних источников (например, вода для твердения, грунтовые воды, щелочные растворы, хранящиеся или используемые в готовой конструкции).
В результате реакции щелочи с кремнеземом образуется набухающий гель, который стремится вытянуть воду из других частей бетона. Это вызывает местное расширение и сопутствующие растягивающие напряжения, что в конечном итоге может привести к полному разрушению конструкции.

4. Трещины от выветривания

Процессы выветривания, которые могут вызвать трещины, включают замораживание и оттаивание, увлажнение, высыхание, нагревание и охлаждение. Трещины в бетоне, вызванные естественным выветриванием, обычно заметны, и это может создать впечатление, что бетон находится на грани разрушения, даже если разрушение, возможно, не продвинулось далеко под поверхность.
Повреждения от замораживания и оттаивания являются наиболее распространенным физическим износом, связанным с погодными условиями. Бетон лучше всего защищается от замерзания и оттаивания путем использования самого низкого практического водоцементного отношения и общего содержания воды, прочного заполнителя и достаточного воздухововлечения.
Также важно обеспечить надлежащее твердение до воздействия мороза. Предоставление конструкции возможности высохнуть после затвердевания повышает ее прочность при замораживании и оттаивании. Другими процессами выветривания, которые могут вызвать растрескивание бетона, являются попеременное увлажнение и высыхание, а также нагревание и охлаждение.
Оба процесса приводят к изменению объема, что может вызвать растрескивание. Если изменения объема чрезмерны, могут возникнуть трещины.

5. Коррозия арматуры

Коррозия металла – это электрохимический процесс, который требует наличия окислителя, влаги и потока электронов внутри металла; ряд химических реакций происходит на поверхности металла и рядом с ней (ACI 201.2R).
Ключ к защите металла от коррозии – остановить или обратить вспять химические реакции. Это может быть сделано путем прекращения подачи кислорода или влаги или путем подачи избыточных электронов на аноды, чтобы предотвратить образование ионов металла (катодная защита).
Арматурная сталь обычно не корродирует в бетоне, поскольку в высокощелочной среде образуется плотно прилегающее защитное оксидное покрытие. Это известно как пассивная защита. Однако арматурная сталь может корродировать, если щелочность бетона снижается в результате карбонизации или если пассивность этой стали разрушается агрессивными ионами (обычно хлоридами).
Коррозия стали приводит к образованию оксидов и гидроксидов железа, объем которых значительно превышает объем исходного металлического железа (Verbeck 1975). Такое увеличение объема вызывает высокие радиальные разрывные напряжения вокруг арматурных стержней и приводит к образованию местных радиальных трещин. Эти трещины могут распространяться вдоль стержня, приводя к образованию продольных трещин (т.е. параллельных стержню) или отколу бетона.
Широкая трещина может также образоваться в плоскости брусьев, параллельной поверхности бетона, что приводит к расслоению, хорошо известной проблеме в настилах мостов.
Трещины обеспечивают легкий доступ кислорода, влаги и хлоридов, поэтому незначительные трещины могут создать условия, при которых коррозия и растрескивание ускоряются. Трещины, расположенные поперек арматуры, обычно не вызывают продолжения коррозии арматуры, если бетон имеет низкую проницаемость. Это связано с тем, что открытая часть прутка в месте трещины действует как анод.
В раннем возрасте, чем шире трещина, тем сильнее коррозия, просто потому, что большая часть бруса потеряла пассивную защиту. Однако для продолжения коррозии необходимо, чтобы кислород и влага поступали к другим частям того же бруса или бруса, которые электрически соединены прямым контактом или через аппаратные средства, такие как опоры для стульев.
Если комбинация плотности и толщины покрытия достаточна для ограничения потока кислорода и влаги, то процесс коррозии самогерметизируется (Verbeck 1975). Коррозия может продолжаться, если параллельно арматуре образуется продольная трещина, поскольку пассивность теряется во многих местах, а кислород и влага легко доступны по всей длине трещины.
Другие причины продольного растрескивания, такие как высокие напряжения связи, поперечное напряжение (например, вдоль стяжек или вдоль плит с двусторонним напряжением), усадка и оседание, могут инициировать коррозию.
При общем строительстве из бетона наилучшей защитой от коррозионного расслоения является использование бетона с низкой проницаемостью и достаточным покрытием. Увеличение бетонного покрытия над арматурой эффективно задерживает процесс коррозии, а также противостоит раскалыванию и сколам, вызванным коррозией или поперечным растяжением (Gergely 1981; Beeby 1983).
В случае больших стержней и толстых покрытий может потребоваться добавление небольшой поперечной арматуры (при сохранении минимальных требований к покрытию) для ограничения раскалывания и уменьшения ширины поверхностных трещин (ACI 345R).
В очень тяжелых условиях воздействия могут потребоваться дополнительные меры защиты. Имеется ряд вариантов, таких как арматура с покрытием, герметики или накладки на бетон, добавки, препятствующие коррозии, и катодная защита (NCHRP Synthesis 57).
Любая процедура, которая эффективно предотвращает доступ кислорода и влаги к поверхности стали или обращает вспять поток электронов на аноде, защищает сталь. В большинстве случаев бетону необходимо дать возможность дышать, то есть любая обработка поверхности бетона должна позволить воде испаряться из бетона.

6. Плохая строительная практика

К образованию трещин в бетонных конструкциях может привести широкий спектр некачественных методов строительства. Прежде всего, это распространенная практика добавления воды в бетон для улучшения обрабатываемости. Добавление воды приводит к снижению прочности, увеличению осадки и увеличению усадки при высыхании.
При увеличении содержания цемента для компенсации снижения прочности, увеличение содержания воды также означает увеличение разницы температур между внутренней и наружной частями конструкции, что приводит к увеличению тепловых напряжений и возможному растрескиванию. При добавлении цемента, даже если водоцементное отношение остается постоянным, произойдет большая усадка, так как относительный объем пасты увеличится.
Недостаточное твердение увеличивает степень растрескивания бетонной конструкции. Раннее окончание твердения позволяет увеличить усадку в то время, когда бетон имеет низкую прочность. Отсутствие гидратации цемента вследствие высыхания приведет не только к снижению долговременной прочности, но и к снижению долговечности конструкции.
Другими строительными проблемами, которые могут привести к образованию трещин, являются недостаточная поддержка опалубки, недостаточное уплотнение и размещение строительных швов в местах повышенного напряжения.
Отсутствие опор для опалубки или недостаточное уплотнение может привести к оседанию и растрескиванию бетона до того, как он наберет достаточную прочность, чтобы выдержать собственный вес, а неправильное расположение строительных швов может привести к их раскрытию в точках повышенного напряжения.
Методы предотвращения растрескивания вследствие этих и других некачественных строительных процедур хорошо известны (см. ACI 224R, ACI 302.1R, ACI 304R, ACI 305R, ACI 308, ACI 309R, ACI 345R и ACI 347R), но требуют особого внимания во время строительства для обеспечения их надлежащего выполнения.

7. Строительные перегрузки

Нагрузки, возникающие во время строительства, часто могут быть гораздо более серьезными, чем те, которые возникают в процессе эксплуатации. К сожалению, эти условия могут возникнуть в раннем возрасте, когда бетон наиболее восприимчив к повреждениям, и они часто приводят к образованию постоянных трещин.
Чаще всего этому подвергаются сборные конструкции, такие как балки и панели, но может пострадать и монолитный бетон. Распространенная ошибка возникает, когда сборные элементы не поддерживаются должным образом во время транспортировки и монтажа. Использование произвольных или удобных точек подъема может привести к серьезным повреждениям.
Подъемные проушины, штыри и другие приспособления должны быть подробно описаны или утверждены проектировщиком. Если подъемные штыри непрактичны, необходимо обеспечить доступ к нижней части элемента, чтобы можно было использовать ремень.
Сайт Комитет PCI по критериям эффективности контроля качества (1985, 1987) предоставляет дополнительную информацию о причинах, предотвращении и ремонте трещин, связанных с изготовлением и отгрузкой сборных или предварительно напряженных балок, колонн, пустотных плит и двойных тройников.
Операторы подъемных устройств должны соблюдать осторожность и знать, что даже при использовании надлежащих подъемных приспособлений может быть нанесен ущерб. Крупная балка или панель, опущенная слишком быстро и внезапно остановленная, приводит к ударной нагрузке, которая может в несколько раз превышать собственный вес элемента.
Еще одна распространенная строительная ошибка, которой следует избегать, – это отжимание одного угла панели, чтобы поднять ее со своего ложа или “выбить”. При рассмотрении вопроса о поддержке элемента при транспортировке проектировщик должен знать о нагрузках, которые могут возникнуть во время транспортировки.
Некоторые примеры, возникающие при транспортировке крупных сборных элементов с помощью тягача и прицепа, – это перепрыгивание через бордюры или крутые повороты шоссе, скручивание из-за разницы в высоте дорожного полотна между прицепом и тягачом, а также разное ускорение прицепа и тягача.
Предварительно натянутые балки могут представлять уникальные проблемы с растрескиванием в момент снятия напряжения – обычно, когда балкам менее одного дня. Несколько прядей должны быть сняты по определенной схеме, чтобы не создавать недопустимых эксцентрических нагрузок на конструкцию.
Если все пряди с одной стороны балки будут отпущены, в то время как пряди с другой стороны все еще находятся под напряжением, на стороне с неосвобожденными прядями могут возникнуть трещины. Эти трещины нежелательны, но они должны закрыться после освобождения остатка прядей.
В случае тавровой балки с сильно усиленным фланцем и сильно преднапряженным тонким полотном, в месте соединения полотна с фланцем могут образоваться трещины. Еще одна практика, которая может привести к образованию трещин вблизи концов балки, – прихватка сваркой закладных несущих плит к станине для удержания их на месте во время укладки бетона. Прихваточные сварные швы разрываются только после того, как в процессе передачи напряжения возникает достаточное предварительное напряжение для их разрушения. До этого момента нижняя часть балки остается сдержанной, в то время как остальная часть балки сжимается.
Если сварные швы слишком прочные, возле опорных пластин образуются трещины. Тепловой удар может вызвать растрескивание бетона, затвердевшего под воздействием пара, если его неправильно обработать. Максимальная скорость охлаждения, которая часто используется, составляет 70 F (40 C) в час (ACI 517.2R; Verbeck 1958; Shideler and Toennies 1963; Kirkbride 1971b).
Если используется хрупкий заполнитель и деформационная способность низкая, скорость охлаждения следует уменьшить. Даже при соблюдении этой практики часто возникают термически индуцированные трещины. Температурные ограничения должны распространяться на всю балку, а не только на те места, где температура контролируется.
Если защитные брезенты, используемые для удержания тепла, отодвинуты для доступа к концам балки при резке прядей, и если температура окружающей среды низкая, может произойти тепловой удар. Регистраторы температуры редко располагаются в этих критических зонах. Аналогичные условия и возможность образования трещин существуют для сборных блоков, бордюров и оконных панелей, когда происходит быстрое падение температуры поверхности.
Многие считают (ACI 517.2R; Mansfield 1948; Nurse 1949; Higginson 1961; Jastnebski 1961; Butt et al. 1969; Kirkbride 1971a; Concrete Institute of Australia 1972; PCI Energy Committee 1981), что быстрое охлаждение может вызвать растрескивание только в поверхностных слоях очень толстых блоков и что быстрое охлаждение не наносит ущерба прочности или долговечности стандартных сборных изделий (PCI Energy Committee 1981).
Исключением является поперечное растрескивание, наблюдаемое в предварительно напряженных балках, подвергнутых охлаждению перед снятием напряжения. По этой причине предварительно напряженные балки следует напрягать сразу после прекращения парового твердения (Энергетический комитет PCI 1981).
Залитый бетон может неосознанно подвергаться строительным нагрузкам в холодном климате, когда для обеспечения повышенной рабочей температуры внутри конструкции используются обогреватели. Обычно брезент используется для закрытия оконных и дверных проемов, а внутри закрытой зоны работают мощные нагреватели. Если нагреватели расположены вблизи наружных бетонных конструкций, особенно тонких стен, внутри них может возникнуть неприемлемо высокий тепловой градиент. Внутренняя часть стены будет расширяться по отношению к наружной.
Для минимизации этого эффекта нагреватели следует располагать подальше от наружных стен. Передовая практика также требует, чтобы это было сделано во избежание локальной усадки при сушке и карбонизационного растрескивания. Хранение материалов и эксплуатация оборудования могут легко привести к тому, что нагрузка во время строительства будет намного сильнее, чем та, на которую рассчитана конструкция.
Во избежание перегрузок необходимо обеспечить жесткий контроль. Ущерб от непреднамеренных перегрузок конструкции можно предотвратить только в том случае, если проектировщики предоставят информацию об ограничениях нагрузки на конструкцию и если строительный персонал будет соблюдать эти ограничения.

8. Ошибки в проектировании и деталировке

Последствия неправильного проектирования и/или разработки деталей варьируются от плохого внешнего вида, недостаточной работоспособности до катастрофического разрушения. Эти проблемы могут быть сведены к минимуму только благодаря глубокому пониманию поведения конструкции (здесь имеется в виду в самом широком смысле).
Ошибки в проектировании и деталировке, которые могут привести к недопустимому растрескиванию, включают использование плохо проработанных углов в стенах, сборных элементах и перекрытиях, неправильный выбор и/или деталировка арматуры, ограничение элементов, подверженных изменениям объема, вызванным колебаниями температуры и влажности, отсутствие адекватных сужающих швов, а также неправильное проектирование фундаментов, приводящее к дифференциальному движению внутри конструкции.
Примеры таких проблем представлены в работах Kaminetzky (1981) и Price (1982). Ребристые грани являются местом концентрации напряжений и, следовательно, основным местом для возникновения трещин. Независимо от того, являются ли высокие напряжения результатом изменения объема, плоскостных нагрузок или изгиба, проектировщик должен понимать, что напряжения всегда высоки в углах с обратным углом. Хорошо известными примерами являются оконные и дверные проемы в бетонных стенах и концевые балки, как показано на рис. 4 и 5.
Требуется дополнительное правильно закрепленное диагональное армирование, чтобы удержать неизбежные трещины в узких местах и предотвратить их распространение. Использование недостаточного количества арматуры может привести к чрезмерному растрескиванию. Типичной ошибкой является слабое армирование элемента, поскольку он является “неконструктивным элементом”.
Однако элемент (например, стена) может быть связан с остальной частью конструкции таким образом, что ему придется нести большую часть нагрузки, когда конструкция начнет деформироваться. Тогда “неструктурный элемент” начинает нести нагрузку пропорционально своей жесткости. Поскольку этот элемент не должен действовать структурно, могут появиться неприглядные трещины, даже если безопасность конструкции не ставится под сомнение.
Сдерживание элементов, подверженных изменениям объема, часто приводит к появлению трещин. Напряжения, которые могут возникать в бетоне из-за сдерживаемой ползучести, перепада температур и усадки при высыхании, могут во много раз превышать напряжения, возникающие под действием нагрузки.
Плита, стена или балка, сдерживаемая от укорачивания, даже если она предварительно напряжена, может легко развивать растягивающие напряжения, достаточные для образования трещин. Правильно спроектированные стены должны иметь сужающие швы, расположенные на расстоянии от одного до трех раз больше высоты стены. Балки должны иметь возможность двигаться.
Литые постнапряженные конструкции, не допускающие укорачивания предварительно напряженного элемента, подвержены растрескиванию как в самом элементе, так и в несущей конструкции (Libby 1977). Проблема с удержанием элементов конструкции особенно серьезна для предварительно напряженных и сборных элементов, которые могут быть приварены к опорам с обоих концов. В сочетании с другими проблемными деталями (такими как ретирада) результаты могут быть катастрофическими (Kaminetzky 1981; Mast 1981).
Неправильное проектирование фундамента может привести к чрезмерным дифференциальным перемещениям внутри конструкции. Если дифференциальное движение относительно небольшое, проблемы с трещинами могут быть только визуальными. Однако при значительной дифференциальной осадке конструкция может оказаться не в состоянии достаточно быстро перераспределить нагрузки, и может произойти разрушение.
Одним из преимуществ железобетона является то, что если движение происходит в течение достаточно длительного периода времени, то ползучесть позволит хотя бы немного перераспределить нагрузку.
Важность правильного проектирования и детализации зависит от конкретной конструкции и нагрузки. Особое внимание следует уделять проектированию и детализации конструкций, в которых трещины могут вызвать серьезные проблемы с эксплуатацией. Эти конструкции также требуют постоянного контроля на всех этапах строительства в дополнение к тщательному проектированию и детализации.

Трещины в бетоне на углах ограничителей

Трещины в концевых балках с наклонным сечением

9. Внешне приложенные нагрузки

Хорошо известно, что вызванные нагрузкой растягивающие напряжения приводят к образованию трещин в бетонных элементах. Этот факт легко признается и принимается при проектировании бетона. Современные процедуры проектирования (ACI 318 и AASHTO) Стандартные технические условия для автодорожных мостов) используют арматурную сталь не только для того, чтобы нести растягивающие усилия, но и для получения адекватного распределения трещин и разумного ограничения ширины трещин.
Современные знания об изгибаемых элементах дают основание для следующих общих выводов о переменных, которые контролируют растрескивание: Ширина трещины увеличивается с увеличением напряжения стали, толщины покрытия и площади бетона, окружающего каждый арматурный стержень. Из них напряжение стали является наиболее важной переменной. Диаметр стержня не имеет большого значения.
Ширина нижней трещины увеличивается с увеличением градиента деформации между сталью и напряженной поверхностью балки. Уравнение, которое лучше всего предсказывает наиболее вероятную максимальную ширину поверхностной трещины при изгибе, было разработано Gergely и Lutz (1968).
Упрощенная версия этого уравнения имеет вид:
Модификация этого уравнения используется в стандарте ACI 318, который фактически ограничивает ширину трещин до 0,016 дюйма (0,41 мм) для внутреннего воздействия и 0,013 дюйма (0,33 мм) для наружного воздействия. Однако существует слабая корреляция между шириной поверхностных трещин для трещин, расположенных поперек стержней, и коррозией арматуры, поэтому эти ограничения не оправданы с точки зрения контроля коррозии.
Было разработано несколько уравнений для предварительно напряженных бетонных элементов (ACI 224R), но ни один метод не получил общего признания. Максимальная ширина трещины в напряженных элементах больше, чем та, которая предсказывается выражением для изгибаемых элементов (Broms 1965; Broms and Lutz 1965).
Отсутствие градиента деформации и зоны сжатия в растянутых элементах является вероятной причиной большей ширины трещин. На основе ограниченных данных было предложено следующее выражение для оценки максимальной ширины трещины при прямом растяжении (ACI 224R): w = 0,10 fs (dc A)0,33 x 10-3 (2) Дополнительная информация о растрескивании бетона при прямом растяжении представлена в ACI 224.2R. Можно ожидать, что ширина трещин при изгибе и растяжении будет увеличиваться со временем для элементов, подвергающихся как длительной, так и повторяющейся нагрузке.
Хотя в имеющихся данных заметен большой разброс, можно ожидать удвоения ширины трещин со временем (Abeles и др. 1968; Bennett и Dave 1969; Illston и Stevens 1972; Holmberg 1973; Rehm и Eligehausen 1977). Хотя еще предстоит проделать большую работу, основные принципы борьбы с трещинами, вызванными нагрузкой, хорошо изучены.
Хорошо распределенное армирование обеспечивает наилучшую защиту от нежелательного растрескивания. Снижение напряжения в стали, полученное за счет использования большего количества стали, также уменьшит количество трещин. Хотя уменьшение покрытия уменьшит ширину поверхностной трещины, проектировщики должны помнить, что трещины (и, следовательно, ширина трещин), перпендикулярные арматурной стали, не оказывают существенного влияния на коррозию стали, в то время как уменьшение покрытия будет вредно для защиты арматуры от коррозии.

• Коррозия стальной арматуры в бетоне – причины и защита.
• Виды усадки бетона и ее предотвращение.
• Ошибки при цепной съемке – виды и причины.
• Как уменьшить усадку бетона на строительной площадке? [PDF].
• Причины и способы устранения трещин в бетонных зданиях.
• Строительство из бетона, компенсирующего усадку, для наземных плит перекрытия.
• Какие существуют методы ремонта трещин в бетоне?.