摘 要:針對混凝土開裂對建筑物的危害性,分析了大體積混凝土材料型裂縫產生的成因,從設計、材料、施工三方面介紹了裂縫綜合性能預防控制措施,以保證建筑物的安全使用。
關鍵詞:大體積混凝土,溫度裂縫,收縮裂縫,配合比設計
中圖分類號: TU755. 7 文獻標識碼:A
混凝土開裂是工程建設中帶有一定普遍性的技術問題,大體積混凝土由于本身特點更易出現裂縫。如果貫穿裂縫出現在重要的結構部位,危害極大,它會降低結構的耐久性,削弱構件的承載力,危害到建筑物的安全使用。從裂縫的形成過程看,混凝土之所以開裂,主要是因為混凝土所承受的拉應力超過混凝土本身的抗拉強度。混凝土裂縫按成因基本可歸結為兩類:外荷引起的結構性裂縫和非受力變形引起的材料型裂縫。結構性裂縫包括外荷引起的常規結構計算中的主要應力以及其他的結構次應力造成的受力裂縫;材料型裂縫包括因溫度及混凝土的沉降收縮等非受力變形引起的裂縫。對于控制裂縫可以從兩方面著手:一是提高混凝土本身抗拉強度,二是降低拉應力。而通過降低拉應力減少溫度應力和收縮應力來控制溫度裂縫和收縮裂縫,是控制混凝土裂縫的有效途徑。
1 大體積混凝土材料型裂縫成因分析
1. 1 溫度裂縫
1) 由于溫差較大引起的內約束裂縫。混凝土結構在硬化期間水泥放出大量水化熱,因混凝土是熱的不良導體,使聚集在內部的水泥水化熱不容易散發,內部溫度不斷上升,而混凝土表面土則散熱較快,使混凝土表面和內部產生較大溫差,此時混凝土表面將受到很大的拉應力,表面拉應力超過混凝土抗拉強度,因而出現裂縫。這種溫差一般僅在表面處較大,離開表面就很快減弱,因此裂縫只在接近表面的范圍內發生,危害也較小。
2) 由結構溫差較大,受到外界的約束引起的外約束裂縫。當大體積混凝土澆筑在約束地基上,又沒有采取特殊措施降低、放松或取消約束,超過混凝土的抗拉極限強度時,在混凝土中產生裂縫。裂縫一般較深,嚴重的甚至成為貫穿裂縫,影響正常使用。
1. 2 收縮裂縫
混凝土的逐漸散熱和硬化過程引起的收縮,會產生很大的收縮應力,如果產生的收縮應力超過當時的混凝土極限抗拉強度,就會在混凝土中產生收縮裂縫。混凝土的收縮有好多種,包括干燥收縮、自身收縮、塑性收縮、碳化收縮等。
1. 2. 1 干燥收縮
混凝土硬化后,在干燥的環境下,內部水分不斷向外散失,混凝土產生的收縮變形。干燥收縮大,可使混凝土產生由表及里的干縮變形裂縫。
1. 2. 2 自身收縮
自身收縮與干燥收縮一樣,是由于水的遷移而引起。但它不是由于水向外蒸發散失,而是因為混凝土硬化過程中,水泥水化消耗水分造成凝膠孔的液面下降,形成彎月面,使混凝土體的相對濕度降低,體積減小,從而引起收縮。
自身收縮通常發生于混凝土拌和后的初齡期,因為在這以后,隨著體內的自干燥作用,相對濕度降低,水化就基本上終止了。也即在模板拆除之前,混凝土的自身收縮大部分已經產生,
甚至已經完成。
1. 2. 3 塑性收縮
在混凝土初凝之前,由于激烈的水泥水化反應,導致出現泌水及水分急劇蒸發,表面蒸發的水分不能及時得到補充,引起失水收縮。這時混凝土尚處于塑性狀態,塑性收縮大,易引起表面裂縫。出現裂縫以后,混凝土體內的水分蒸發進一步加快,于是裂縫迅速擴展。
1. 2. 4 碳化收縮
大氣中的二氧化碳與水泥的水化物發生化學反應而引起的收縮。該反應需要特定的濕度及環境條件,而且主要發生在混凝土面層。收縮裂縫在大體積混凝土施工中也是非常多見的。主要原因有振搗不密實、骨料下沉、表層浮漿過多、表面覆蓋不及時、表面水分散失過快等。因混凝土早期強度低,不能抵抗這種變形產生的拉應力而導致開裂。混凝土收縮的主要影響因素是混凝土中的用水量和水泥用量。混凝土中的用水量和水泥用量越高,混凝土的收縮就越大。此外水泥品種、混凝土密實度、外加劑、骨料配比等均對收縮均有影響。
2 大體積混凝土材料型裂縫預防控制措施
2. 1 設計措施
1) 在設計中應處理好結構中“抗”與“放”的關系。“抗”就是處于約束狀態下的結構,沒有足夠的變形余地時,為防止裂縫所采取的措施;而所謂“放”就是結構完全處于自由變形無約束狀態下,有足夠變形余地時所采取的措施。靈活運用“抗—放”結合,或以“抗”為主,或以“放”為主的設計原則來選擇結構方案和使用的材料,降低拉應力,預防裂縫產生。2) 設計中應盡量避免結構斷面突變帶來的應力集中。如因結構或造型方面原因等而不得已時,在易產生應力集中的薄弱環節采取加強措施。3) 配設構造鋼筋提高抗裂性能,配筋應采用小直徑、小間距。4) 積極采用補償收縮混凝土技術,在混凝土中摻用膨脹劑來補償混凝土的收縮,對防止由于收縮而產生的裂縫,效果較好。
2. 2 配合比及原材料控制措施
1) 優化混凝土配合比設計,在保證混凝土強度及工作性能的情況下,應盡可能的降低混凝土的用水量和水泥用量,降低水灰比,并在混凝土中摻加粉煤灰和外加劑等,減少水化熱和收縮,預防混凝土的開裂。2) 選用低水化熱的水泥品種,是控制混凝土內部溫升的最基本方法。一般要選用中低水化熱品種水泥配制混凝土,如礦渣硅酸鹽水泥、粉煤灰硅酸鹽水泥、火山灰質硅酸鹽水泥等。為在混凝土降溫收縮時產生膨脹,補償收縮,防止裂縫,可使用微膨脹水泥。盡量避免使用早強高的水泥。3) 骨料宜選用級配良好的砂石原料,嚴格控制砂石質量,要符合規范要求。粗骨料應選連續級配、粒徑較大的。細骨料應采用級配良好的中砂和中粗砂,最好使用中粗砂。骨料的含泥量必須嚴格控制,不得混有有機質等雜物,不得使用海砂,嚴格控制砂率,否則對防止開裂不利。4) 外摻料粉煤灰。粉煤灰的主要作用:a. 粉煤灰中含有大量硅、鋁氧化物,其中二氧化硅含量約占40 %～60 % ,三氧化二鋁含量約占17 %～35 % ,這些硅鋁氧化物能夠與水泥的水化物進行二次反應,是其活性的來源,可以取代部分水泥,從而減少水泥用量,降低混凝土的熱脹;b. 粉煤灰顆粒較細,能夠參加二次反應的界面相應增加,在混凝土中分散更加均勻;c. 粉煤灰的火山灰活性效應和滾球效應,進一步改善了混凝土內部的孔隙結構,使混凝土中總的孔隙率降低,分布更加合理,使硬化后的混凝土更加致密,相應收縮值也減小。d. 粉煤灰能抑制堿—骨料反應并防止因此產生的裂縫。由于粉煤灰的比重較水泥小,混凝土振搗時比重小的粉煤灰容易浮在混凝土的表面,使上部混凝土中的摻合料較多,強度較低,表面容易產生塑性收縮裂縫。因此,粉煤灰的摻量不宜過多,在工程中應根據具體情況確定粉煤灰的摻量。5) 外加劑的使用。摻加具有減水、增塑、緩凝、引氣、膨脹的外加劑,可以改善混凝土拌合物的流動性、粘聚性和保水性,在減少用水量和提高強度的同時,降低水化熱及放熱峰值,減少裂縫出現。外加劑的使用應經試驗確定,不能盲目使用。
2. 3 施工措施
1) 合理采用施工方法。根據季節不同選用保溫法或降溫法。夏季主要采用降溫法施工,冬季主要采用保溫法施工,按冬季施工方法進行。2) 混凝土拌和的質量控制。在混凝土的拌制過程中,要嚴格控制原材料計量準確,嚴格控制攪拌時間和出機時的坍落度。對于原材料,可搭設防曬棚,加強通風,降低溫度。對于拌合物出機溫度,一般控制在6 ℃左右,可采取送冷風對拌合物冷卻或加冰拌和等措施進行降溫。3) 混凝土澆筑質量控制。要選擇較適宜的氣溫澆筑大體積混凝土,盡量避開炎熱天氣,應選擇較低的室外溫度下進行,一般室外溫度宜在5 ℃～28 ℃間,濕度以保持混凝土表面潮濕為宜,可采用稻草或麻袋澆水養護。混凝土入模時,要加強入模的通風,加快模內熱量散發。加強對混凝土振搗控制,振搗時間要合適,以表面泛漿為宜;振搗間距要均勻,以振搗力波及范圍重疊1/ 2 為宜;澆筑完畢后,表面要壓實、抹平,以防止表面裂縫。分層澆筑的混凝土,要保證上層混凝土在下層初凝前完成振搗。拆模后,要做好混凝土表面隔熱防護工作,防止表面降溫過大,降低內外溫差。4) 采用分塊、分期澆筑或者在適當位置設置施工后澆帶,既可以減輕約束作用,縮小約束范圍,又可利用空余面層進行散熱,減少溫度及收縮應力的作用。5) 加強混凝土澆筑后的養護。混凝土澆筑后,應及時灑水養護以保持表面經常濕潤,這樣既可減少外界高溫倒灌,又能防止干縮裂縫的產生,使混凝土強度穩定增長。一般澆筑完后12 h～18 h內開始養護,養護時間不少于28 d 或設計齡期。達到可以回填土的條件時應盡快回填土,如采用蓄水法保溫養護,在混凝土施工期間可通入冷卻循環水,以便加快混凝土內部熱量的散發。若采用內散外蓄綜合養護措施,可有效降低混凝土的溫升值,且可大大縮短養護周期,對于超厚大體積混凝土施工尤其適用。6) 加強混凝土的溫度測控。為及時掌握混凝土內部溫升與表面溫度的變化值,在有代表性的部位設溫度監測裝置,定期進行跟蹤監測,及時調整保溫及養護措施,使溫度梯度與濕度不致過大,內外溫差保持在25 ℃內。7) 做好施工組織安排。采用切實可行的施工工藝,科學合理組織施工,根據設計強度及施工中混凝土的坍落度要求,經試驗確定混凝土的配合比。在施工過程中精心安排混凝土施工時間,新舊混凝土澆筑間隔時間為5 d～7 d。8) 加強技術管理工作。根據規范與圖紙,嚴格按照施工方案及交底要求組織施工。加強對原材料的檢驗、試驗工作和計量監測工作,定時檢查并做好記錄,明確分工,責任到人。9) 其他輔助措施。泵送工藝澆筑大體積混凝土,常會發生輸送管堵塞故障,因此提高混凝土的可泵性十分重要。另外要合理選擇泵送壓力、泵管直徑、輸送管線布置,泵管上須遮蓋濕麻袋,并經常淋水散熱。
3 結語
通過以上的分析可知,大體積混凝土的材料型裂縫主要是由溫度應力和收縮應力引起的。為預防控制裂縫的出現,必須采取一系列綜合有效措施。這些措施相互聯系、相互制約,結合工程實際情況使用,便能起到良好效果。
參考文獻:
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