摘 要:針對(duì)混凝土開裂對(duì)建筑物的危害性,分析了大體積混凝土材料型裂縫產(chǎn)生的成因,從設(shè)計(jì)、材料、施工三方面介紹了裂縫綜合性能預(yù)防控制措施,以保證建筑物的安全使用。
關(guān)鍵詞:大體積混凝土,溫度裂縫,收縮裂縫,配合比設(shè)計(jì)
中圖分類號(hào): TU755. 7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A
混凝土開裂是工程建設(shè)中帶有一定普遍性的技術(shù)問題,大體積混凝土由于本身特點(diǎn)更易出現(xiàn)裂縫。如果貫穿裂縫出現(xiàn)在重要的結(jié)構(gòu)部位,危害極大,它會(huì)降低結(jié)構(gòu)的耐久性,削弱構(gòu)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?yàn)榛炷了惺艿睦瓚?yīng)力超過混凝土本身的抗拉強(qiáng)度?；炷亮芽p按成因基本可歸結(jié)為兩類:外荷引起的結(jié)構(gòu)性裂縫和非受力變形引起的材料型裂縫。結(jié)構(gòu)性裂縫包括外荷引起的常規(guī)結(jié)構(gòu)計(jì)算中的主要應(yīng)力以及其他的結(jié)構(gòu)次應(yīng)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(duì)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(qiáng)度,二是降低拉應(yīng)力。而通過降低拉應(yīng)力減少溫度應(yīng)力和收縮應(yīng)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(nèi)約束裂縫。混凝土結(jié)構(gòu)在硬化期間水泥放出大量水化熱,因混凝土是熱的不良導(dǎo)體,使聚集在內(nèi)部的水泥水化熱不容易散發(fā),內(nèi)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(nèi)部產(chǎn)生較大溫差,此時(shí)混凝土表面將受到很大的拉應(yīng)力,表面拉應(yīng)力超過混凝土抗拉強(qiáng)度,因而出現(xiàn)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(nèi)發(fā)生,危害也較小。
2) 由結(jié)構(gòu)溫差較大,受到外界的約束引起的外約束裂縫。當(dāng)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(qiáng)度時(shí),在混凝土中產(chǎn)生裂縫。裂縫一般較深,嚴(yán)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(huì)產(chǎn)生很大的收縮應(yīng)力,如果產(chǎn)生的收縮應(yīng)力超過當(dāng)時(shí)的混凝土極限抗拉強(qiáng)度,就會(huì)在混凝土中產(chǎn)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(huán)境下,內(nèi)部水分不斷向外散失,混凝土產(chǎn)生的收縮變形。干燥收縮大,可使混凝土產(chǎn)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(fā)散失,而是因?yàn)榛炷劣不^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(duì)濕度降低,體積減小,從而引起收縮。
自身收縮通常發(fā)生于混凝土拌和后的初齡期,因?yàn)樵谶@以后,隨著體內(nèi)的自干燥作用,相對(duì)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(jīng)產(chǎn)生,
甚至已經(jīng)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(yīng),導(dǎo)致出現(xiàn)泌水及水分急劇蒸發(fā),表面蒸發(fā)的水分不能及時(shí)得到補(bǔ)充,引起失水收縮。這時(shí)混凝土尚處于塑性狀態(tài),塑性收縮大,易引起表面裂縫。出現(xiàn)裂縫以后,混凝土體內(nèi)的水分蒸發(fā)進(jìn)一步加快,于是裂縫迅速擴(kuò)展。
1. 2. 4 碳化收縮
大氣中的二氧化碳與水泥的水化物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而引起的收縮。該反應(yīng)需要特定的濕度及環(huán)境條件,而且主要發(fā)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(shí)、骨料下沉、表層浮漿過多、表面覆蓋不及時(shí)、表面水分散失過快等。因混凝土早期強(qiáng)度低,不能抵抗這種變形產(chǎn)生的拉應(yīng)力而導(dǎo)致開裂?；炷潦湛s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(shí)度、外加劑、骨料配比等均對(duì)收縮均有影響。
2 大體積混凝土材料型裂縫預(yù)防控制措施
2. 1 設(shè)計(jì)措施
1) 在設(shè)計(jì)中應(yīng)處理好結(jié)構(gòu)中“抗”與“放”的關(guān)系?！翱埂本褪翘幱诩s束狀態(tài)下的結(jié)構(gòu),沒有足夠的變形余地時(shí),為防止裂縫所采取的措施;而所謂“放”就是結(jié)構(gòu)完全處于自由變形無約束狀態(tài)下,有足夠變形余地時(shí)所采取的措施。靈活運(yùn)用“抗—放”結(jié)合,或以“抗”為主,或以“放”為主的設(shè)計(jì)原則來選擇結(jié)構(gòu)方案和使用的材料,降低拉應(yīng)力,預(yù)防裂縫產(chǎn)生。2) 設(shè)計(jì)中應(yīng)盡量避免結(jié)構(gòu)斷面突變帶來的應(yīng)力集中。如因結(jié)構(gòu)或造型方面原因等而不得已時(shí),在易產(chǎn)生應(yīng)力集中的薄弱環(huán)節(jié)采取加強(qiáng)措施。3) 配設(shè)構(gòu)造鋼筋提高抗裂性能,配筋應(yīng)采用小直徑、小間距。4) 積極采用補(bǔ)償收縮混凝土技術(shù),在混凝土中摻用膨脹劑來補(bǔ)償混凝土的收縮,對(duì)防止由于收縮而產(chǎn)生的裂縫,效果較好。
2. 2 配合比及原材料控制措施
1) 優(yōu)化混凝土配合比設(shè)計(jì),在保證混凝土強(qiáng)度及工作性能的情況下,應(yīng)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(yù)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(nèi)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(zhì)硅酸鹽水泥等。為在混凝土降溫收縮時(shí)產(chǎn)生膨脹,補(bǔ)償收縮,防止裂縫,可使用微膨脹水泥。盡量避免使用早強(qiáng)高的水泥。3) 骨料宜選用級(jí)配良好的砂石原料,嚴(yán)格控制砂石質(zhì)量,要符合規(guī)范要求。粗骨料應(yīng)選連續(xù)級(jí)配、粒徑較大的。細(xì)骨料應(yīng)采用級(jí)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(yán)格控制,不得混有有機(jī)質(zhì)等雜物,不得使用海砂,嚴(yán)格控制砂率,否則對(duì)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(jìn)行二次反應(yīng),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(xì),能夠參加二次反應(yīng)的界面相應(yīng)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(yīng)和滾球效應(yīng),進(jìn)一步改善了混凝土內(nèi)部的孔隙結(jié)構(gòu),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(yīng)收縮值也減小。d. 粉煤灰能抑制堿—骨料反應(yīng)并防止因此產(chǎn)生的裂縫。由于粉煤灰的比重較水泥小,混凝土振搗時(shí)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(qiáng)度較低,表面容易產(chǎn)生塑性收縮裂縫。因此,粉煤灰的摻量不宜過多,在工程中應(yīng)根據(jù)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(dòng)性、粘聚性和保水性,在減少用水量和提高強(qiáng)度的同時(shí),降低水化熱及放熱峰值,減少裂縫出現(xiàn)。外加劑的使用應(yīng)經(jīng)試驗(yàn)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(jù)季節(jié)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(jìn)行。2) 混凝土拌和的質(zhì)量控制。在混凝土的拌制過程中,要嚴(yán)格控制原材料計(jì)量準(zhǔn)確,嚴(yán)格控制攪拌時(shí)間和出機(jī)時(shí)的坍落度。對(duì)于原材料,可搭設(shè)防曬棚,加強(qiáng)通風(fēng),降低溫度。對(duì)于拌合物出機(jī)溫度,一般控制在6 ℃左右,可采取送冷風(fēng)對(duì)拌合物冷卻或加冰拌和等措施進(jìn)行降溫。3) 混凝土澆筑質(zhì)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(yīng)選擇較低的室外溫度下進(jìn)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(yǎng)護(hù)?；炷寥肽r(shí),要加強(qiáng)入模的通風(fēng),加快模內(nèi)熱量散發(fā)。加強(qiáng)對(duì)混凝土振搗控制,振搗時(shí)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(shí)、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(hù)工作,防止表面降溫過大,降低內(nèi)外溫差。4) 采用分塊、分期澆筑或者在適當(dāng)位置設(shè)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(jìn)行散熱,減少溫度及收縮應(yīng)力的作用。5) 加強(qiáng)混凝土澆筑后的養(yǎng)護(hù)?；炷翝仓?應(yīng)及時(shí)灑水養(yǎng)護(hù)以保持表面經(jīng)常濕潤(rùn),這樣既可減少外界高溫倒灌,又能防止干縮裂縫的產(chǎn)生,使混凝土強(qiáng)度穩(wěn)定增長(zhǎng)。一般澆筑完后12 h～18 h內(nèi)開始養(yǎng)護(hù),養(yǎng)護(hù)時(shí)間不少于28 d 或設(shè)計(jì)齡期。達(dá)到可以回填土的條件時(shí)應(yīng)盡快回填土,如采用蓄水法保溫養(yǎng)護(hù),在混凝土施工期間可通入冷卻循環(huán)水,以便加快混凝土內(nèi)部熱量的散發(fā)。若采用內(nèi)散外蓄綜合養(yǎng)護(hù)措施,可有效降低混凝土的溫升值,且可大大縮短養(yǎng)護(hù)周期,對(duì)于超厚大體積混凝土施工尤其適用。6) 加強(qiáng)混凝土的溫度測(cè)控。為及時(shí)掌握混凝土內(nèi)部溫升與表面溫度的變化值,在有代表性的部位設(shè)溫度監(jiān)測(cè)裝置,定期進(jìn)行跟蹤監(jiān)測(cè),及時(shí)調(diào)整保溫及養(yǎng)護(hù)措施,使溫度梯度與濕度不致過大,內(nèi)外溫差保持在25 ℃內(nèi)。7) 做好施工組織安排。采用切實(shí)可行的施工工藝,科學(xué)合理組織施工,根據(jù)設(shè)計(jì)強(qiáng)度及施工中混凝土的坍落度要求,經(jīng)試驗(yàn)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(shí)間,新舊混凝土澆筑間隔時(shí)間為5 d～7 d。8) 加強(qiáng)技術(shù)管理工作。根據(jù)規(guī)范與圖紙,嚴(yán)格按照施工方案及交底要求組織施工。加強(qiáng)對(duì)原材料的檢驗(yàn)、試驗(yàn)工作和計(jì)量監(jiān)測(cè)工作,定時(shí)檢查并做好記錄,明確分工,責(zé)任到人。9) 其他輔助措施。泵送工藝澆筑大體積混凝土,常會(huì)發(fā)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(jīng)常淋水散熱。
3 結(jié)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(yīng)力和收縮應(yīng)力引起的。為預(yù)防控制裂縫的出現(xiàn),必須采取一系列綜合有效措施。這些措施相互聯(lián)系、相互制約,結(jié)合工程實(shí)際情況使用,便能起到良好效果。
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