[摘 要] 從混凝土裂縫產生的機理出發,分析了材料、施工方法對混凝土裂縫的影響,并提出了混凝土避免產生裂縫的各種方法和措施。
[關鍵詞] 大體積混凝土;裂縫;材料;施工
[中圖分類號] TU528 [文獻標識碼] A
1 引 言
混凝土凝結硬化是水泥水化放熱的過程。在一般的梁板柱的澆筑中,由于其尺寸較小,構件內的水化熱不宜聚集,所以內外溫差較小,產生的溫度應力也小于混凝土的抗拉應力,不會使構件開裂。而對一些利用混凝土作基礎的大型設備、高層建筑以及水利工程設施出現大體積混凝土的機會就很多。由于混凝土體積大,水泥水化時放出的熱量不易快速釋放,因而內部產生較高的溫度。當水泥硬化后,混凝土內部溫度也隨之降低,加之游離水的蒸發導致混凝土收縮。當收縮應力大于混凝土的抗拉應力時,即產生裂縫,內部甚至產生斷裂。外界腐蝕性介質會經由裂縫不斷銹蝕鋼筋,影響結構的耐久性,甚至使結構發生滲漏,嚴重時使結構解體。因此,在大體積混凝土施工時,如何選擇材料和施工方法相當重要。本文就混凝土裂縫的特性以及材料、施工等對混凝土裂縫的影響進行闡述。
2 混凝土裂縫種類和產生機理
2.1 混凝土裂縫種類
混凝土裂縫按寬度的大小,可分為微觀裂縫和宏觀裂縫。
(1) 混凝土的微觀裂縫主要有三種。一是粘著裂縫,主要沿著骨料周圍出現;二是水泥石裂縫,出現在骨料與骨料之間;三是骨料裂縫,即骨料本身的裂縫。混凝土的微觀裂縫主要是前兩者。
(2) 宏觀裂縫是微裂縫擴展的結果。一般情況下, ≥0105mm 的裂縫稱為宏觀裂縫。
2.2 混凝土裂縫收縮種類
通常導致混凝土裂縫產生的主要收縮種類有三種:
(1) 化學收縮是水泥水化后,固相體積增加,但水泥2水體系的絕對體積則減小。
(2) 塑性收縮發生在硬化前的塑性階段,是在塑性階段混凝土由于表面失水而產生的收縮。如養護不足,表面失水速率超過內部水向表面遷移的速率時,則會使毛細管中產生負壓,使漿體產生塑性收縮。影響塑性收縮開裂的外部因素是風速、環境溫度和相對濕度,內部因素是水灰比、細摻料、漿集比、混凝土的溫度和凝結時間。
(3) 溫度收縮主要是混凝土內部溫度因水泥水化而升高,最后又冷卻到環境溫度時產生的收縮。其大小主要與混凝土的內部最高溫度、降溫速率和材料熱膨脹系數等因素有關。
3 材料對裂縫的影響
3.1 鋼筋
混凝土的收縮與其長度成正比關系,故混凝土的縱向收縮大于橫向收縮,產生裂縫一般呈垂直縱向分布。鋼筋在此方向一般布置分布筋。而分布筋在設計時,一般按構造配筋,很少考慮其抗裂的作用。然而分布筋在對混凝土、鋼筋起到拉結作用的同時,阻止裂縫生成和擴展的作用同樣不容忽視。
經驗公式:
為截面配筋率;d為鋼筋直徑。由該式可知,采用細而間距小的布筋方式,可提高混凝土的抗裂性能,特別是大體混凝土在布置分布鋼筋時,應保證配筋率015 %～018 % ,鋼筋直徑12～16mm ,間距100～150mm。水泥水化熱是混凝土產生溫度應力的內在因素,然而水泥水化又是混凝土生成的必要條件,為避免水化熱的集中釋放和溫度的過度上升,在水泥選用上宜選擇水化熱較低,水化速度較慢的礦渣或粉煤灰等低水化熱水泥,不宜采用高強度等級或早強型水泥。有時也可用混凝土60d 或90d 抗壓強度代替28d 強度,或適當降低混凝土強度等級,減少水泥用量,以達到減小溫度應力的目的。通常在其他條件相同情況下,水泥品種按快硬水泥、低熱水泥、普通水泥、礬土水泥,其收縮性依次減小;水泥強度等級高、水泥細度和水泥用量越大,收縮越大。
3.3 石子
石子作為混凝土中的粗骨料,具有穩定的體積。在滿足泵送要求和鋼筋布置間距條件下,盡量選用較大的粒徑,加大粗骨料所占的體積,以盡量減少混凝土的體積收縮。在石子外形上,因碎石的不規則和粗糙的外表面可增加對水泥凝膠體的拉結作用,減少微裂縫的生成。所以,以碎石最佳。試驗表明:玄武巖、花崗巖、石灰巖、白云巖、石英巖對混凝土收縮依次減小。
3.4 砂子
砂子應保證良好的級配和含泥量小于1.5 %。混凝土施工一般要摻加粉煤灰,其細度小于砂子,并有取代了水泥和砂的雙重作用,故在砂子細度選擇上,也要考慮與粉煤灰的顆粒搭配,宜選用細度模量為2.6～3.0 的中粗砂,砂率在40 %左右。
3.5 粉煤灰
粉煤灰作為礦物細摻料用以改善混凝土的性能是由于粉煤灰在混凝土中的三種效應。一是微集料效應造成致密勢能;二是火山灰活性效應產生活化勢能;三是顆粒形態效應產生的減水勢能。因此,粉煤灰可使混凝土產生致密的結構、提高混凝土的后期強度和提高流動度。另外,粉煤灰的摻入可減少水泥的用量,降低水化熱的產生和集中釋放。由于粉煤灰具有較慢的化學活性,當水泥水化后,粉煤灰才開始激活水化。所以對混凝土的早期強度影響不大,但可對其后期強度的提高和水化熱的降低產生明顯作用。
目前使用較多的是Ⅱ級以上粉煤灰,未進行深加工。從其物化角度來看,加大磨細粉煤灰的使用,進一步加強其化學活性,提高摻量,減少水泥用量和水化熱的集中釋放,降低混凝土最高溫度,以減少裂縫產生的可能是今后的發展方向。
3.6 水
水在混凝土形成方面起著重要作用,一方面參與水泥水化反應,另一方面對物料起潤滑作用。通常使水泥完全水化并具有最低毛細空隙率的水灰比為0.437 ,但在無外加劑的情況下,水灰比要大于0.5 才能使混凝土具有可施工的流動性。用水量的加大會使混凝土的后期收縮增大,容易產生裂縫。因此,在滿足施工要求條件下,應盡量減小水灰比。
3.7 外加劑
減少用水量和保證流動性是一個矛盾的兩個方面。解決這一矛盾應合理的使用外加劑來提高混凝土的流動性和保水性。主要使用的外加劑有減水劑和泵送劑,其主要作用是在水灰比不變的情況下,可減水、增塑、緩凝、引氣,保證潤滑,提高流動性和保水性。因此,在大體積混凝土施工中常需要使用減水劑或泵送劑。另外,為彌補混凝土的收縮也可摻入一定的膨脹劑,改變混凝土水化的物化機理,使水泥的自身收縮減小。隨著技術的發展,外加劑已由過去的單劑型向復合型的方向發展。
4 施工對裂縫的影響
4.1 混凝土施工技術
大體積混凝土在澆筑時,需要較高的澆筑強度單位時間澆筑混凝土的量) 。人工攪拌和澆筑已無法滿足施工的要求,隨之由混凝土集中攪拌站和泵送技術逐步代替。泵送混凝土的主要技術要求,應采用較小粒徑的粗骨料和較大的水灰比,以減少在泵送過程中的阻力。這些技術要求對混凝土的抗裂不利,并會影響混凝土的強度和抗滲性能。為了解決這一矛盾除摻加適當的外加劑、粉煤灰外,在施工時采用大管徑輸送管,簡化輸送線路,減小輸送距離等措施,盡量使用低水灰比的混凝土來滿足泵送要求。
在澆筑時,可根據情況采用分區“跳倉交叉作業”的方法,使混凝土內部產生的溫度應力大部分釋放,以減少裂縫的產生可能。另外,混凝土的振搗對其強度和抗滲等方面的影響也是至關重要的,振搗方法和效果越差,混凝土收縮越大,應在施工中加以重視,避免因振搗不實而產生裂縫。
4.2 養護與溫度監測
為保證混凝土在養護階段產生的溫度應力小于相應齡期的混凝土抗拉強度,除了與普通混凝土一樣應保證其養護用水要求外,還要采取措施保證混凝土內部最高溫度小于70 ℃;同時還應保證內外表面最大溫差小于25～30 ℃,而且降溫速度不宜大于1～3 ℃Pd。內部最高溫度可用下面公式計算:
式中,W 為1m3 每混凝土中含水泥量kg/m3 ;
為水泥水化熱J/kg ; C 為混凝土熱比J／kg·℃;
γ為混凝土重度kg／m3 。
在實際操作時通常是在各測試點安放溫度探測設備進行監測,因而公式的計算值常與實際測值有出入。一旦預測溫度超過最高溫度限制時,可采取以下措施進行物理降溫:
(1) 在混凝土攪拌時預先用冷水對石子噴淋降溫,加入一定的冰屑代替水,以減少混凝土的起始溫度。這種方法在三峽大壩的混凝土澆筑中廣為采用,并且效果明顯。
(2) 在混凝土內預埋鋼管,通循環冷水進行降溫,養護完畢后,鋼管壓入混凝土封閉。這在許多大體積的基礎養護中使用也是可行的。例如,洛陽市某通訊信息指揮中心大樓2.5m 厚的混凝土筏板基礎,采用了此降溫措施后,有效的控制了混凝土內部最高溫度。減少內部溫度的主要目的在于阻止最高溫度產生,同時縮小內外溫差,使外部保溫的措施也易于實現。目前外部保溫措施主要有:
(1) 利用草簾加水進行保溫保濕。有時還可根據氣溫、氣候和季節等變化增減覆蓋層數,使用時還能與養護面密貼,確證保溫保濕效果。加之草簾成本低,因而被廣泛采用。
(2) 利用塑料薄膜進行保溫保濕,但成本較高。
(3) 利用地下結構的特殊形式,采用蓄水養護。
(4) 外部加熱法。即采用碘鎢燈等加熱設備提高外部溫度,減少內外溫差。但該方法耗電量較大,并會引起表面水分的蒸發,所以一般用于冬季或春秋季夜間,或作為一種輔助方法和其他保濕效果好的養護方法同時使用。
5 結束語
從以上分析可看出:混凝土裂縫產生的影響因素比較復雜,也比較多。目前還沒有精確的公式可以事先準確計算,加之施工中有很多不確定因素,對裂縫的控制仍處于半經驗半理論的階段。因此,可以通過逐一分析各影響因素,調整混凝土的內部和外部條件,盡可能的減小混凝土的收縮量和收縮速度,避免裂縫的產生和擴展。
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