摘 要:针对混凝土开裂对建筑物的危害性,分析了大体积混凝土材料型裂缝产生的成因,从设计、材料、施工三方面介绍了裂缝综合性能预防控制措施,以保证建筑物的安全使用。
关键词:大体积混凝土,温度裂缝,收缩裂缝,配合比设计
中图分类号: TU755. 7 文献标识码:A
混凝土开裂是工程建设中带有一定普遍性的技术问题,大体积混凝土由于本身特点更易出现裂缝。如果贯穿裂缝出现在重要的结构部位,危害极大,它会降低结构的耐久性,削弱构件的承载力,危害到建筑物的安全使用。从裂缝的形成过程看,混凝土之所以开裂,主要是因为混凝土所承受的拉应力超过混凝土本身的抗拉强度。混凝土裂缝按成因基本可归结为两类:外荷引起的结构性裂缝和非受力变形引起的材料型裂缝。结构性裂缝包括外荷引起的常规结构计算中的主要应力以及其他的结构次应力造成的受力裂缝;材料型裂缝包括因温度及混凝土的沉降收缩等非受力变形引起的裂缝。对于控制裂缝可以从两方面着手:一是提高混凝土本身抗拉强度,二是降低拉应力。而通过降低拉应力减少温度应力和收缩应力来控制温度裂缝和收缩裂缝,是控制混凝土裂缝的有效途径。
1 大体积混凝土材料型裂缝成因分析
1. 1 温度裂缝
1) 由于温差较大引起的内约束裂缝。混凝土结构在硬化期间水泥放出大量水化热,因混凝土是热的不良导体,使聚集在内部的水泥水化热不容易散发,内部温度不断上升,而混凝土表面土则散热较快,使混凝土表面和内部产生较大温差,此时混凝土表面将受到很大的拉应力,表面拉应力超过混凝土抗拉强度,因而出现裂缝。这种温差一般仅在表面处较大,离开表面就很快减弱,因此裂缝只在接近表面的范围内发生,危害也较小。
2) 由结构温差较大,受到外界的约束引起的外约束裂缝。当大体积混凝土浇筑在约束地基上,又没有采取特殊措施降低、放松或取消约束,超过混凝土的抗拉极限强度时,在混凝土中产生裂缝。裂缝一般较深,严重的甚至成为贯穿裂缝,影响正常使用。
1. 2 收缩裂缝
混凝土的逐渐散热和硬化过程引起的收缩,会产生很大的收缩应力,如果产生的收缩应力超过当时的混凝土极限抗拉强度,就会在混凝土中产生收缩裂缝。混凝土的收缩有好多种,包括干燥收缩、自身收缩、塑性收缩、碳化收缩等。
1. 2. 1 干燥收缩
混凝土硬化后,在干燥的环境下,内部水分不断向外散失,混凝土产生的收缩变形。干燥收缩大,可使混凝土产生由表及里的干缩变形裂缝。
1. 2. 2 自身收缩
自身收缩与干燥收缩一样,是由于水的迁移而引起。但它不是由于水向外蒸发散失,而是因为混凝土硬化过程中,水泥水化消耗水分造成凝胶孔的液面下降,形成弯月面,使混凝土体的相对湿度降低,体积减小,从而引起收缩。
自身收缩通常发生于混凝土拌和后的初龄期,因为在这以后,随着体内的自干燥作用,相对湿度降低,水化就基本上终止了。也即在模板拆除之前,混凝土的自身收缩大部分已经产生,
甚至已经完成。
1. 2. 3 塑性收缩
在混凝土初凝之前,由于激烈的水泥水化反应,导致出现泌水及水分急剧蒸发,表面蒸发的水分不能及时得到补充,引起失水收缩。这时混凝土尚处于塑性状态,塑性收缩大,易引起表面裂缝。出现裂缝以后,混凝土体内的水分蒸发进一步加快,于是裂缝迅速扩展。
1. 2. 4 碳化收缩
大气中的二氧化碳与水泥的水化物发生化学反应而引起的收缩。该反应需要特定的湿度及环境条件,而且主要发生在混凝土面层。收缩裂缝在大体积混凝土施工中也是非常多见的。主要原因有振捣不密实、骨料下沉、表层浮浆过多、表面覆盖不及时、表面水分散失过快等。因混凝土早期强度低,不能抵抗这种变形产生的拉应力而导致开裂。混凝土收缩的主要影响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,混凝土的收缩就越大。此外水泥品种、混凝土密实度、外加剂、骨料配比等均对收缩均有影响。
2 大体积混凝土材料型裂缝预防控制措施
2. 1 设计措施
1) 在设计中应处理好结构中“抗”与“放”的关系。“抗”就是处于约束状态下的结构,没有足够的变形余地时,为防止裂缝所采取的措施;而所谓“放”就是结构完全处于自由变形无约束状态下,有足够变形余地时所采取的措施。灵活运用“抗—放”结合,或以“抗”为主,或以“放”为主的设计原则来选择结构方案和使用的材料,降低拉应力,预防裂缝产生。2) 设计中应尽量避免结构断面突变带来的应力集中。如因结构或造型方面原因等而不得已时,在易产生应力集中的薄弱环节采取加强措施。3) 配设构造钢筋提高抗裂性能,配筋应采用小直径、小间距。4) 积极采用补偿收缩混凝土技术,在混凝土中掺用膨胀剂来补偿混凝土的收缩,对防止由于收缩而产生的裂缝,效果较好。
2. 2 配合比及原材料控制措施
1) 优化混凝土配合比设计,在保证混凝土强度及工作性能的情况下,应尽可能的降低混凝土的用水量和水泥用量,降低水灰比,并在混凝土中掺加粉煤灰和外加剂等,减少水化热和收缩,预防混凝土的开裂。2) 选用低水化热的水泥品种,是控制混凝土内部温升的最基本方法。一般要选用中低水化热品种水泥配制混凝土,如矿渣硅酸盐水泥、粉煤灰硅酸盐水泥、火山灰质硅酸盐水泥等。为在混凝土降温收缩时产生膨胀,补偿收缩,防止裂缝,可使用微膨胀水泥。尽量避免使用早强高的水泥。3) 骨料宜选用级配良好的砂石原料,严格控制砂石质量,要符合规范要求。粗骨料应选连续级配、粒径较大的。细骨料应采用级配良好的中砂和中粗砂,最好使用中粗砂。骨料的含泥量必须严格控制,不得混有有机质等杂物,不得使用海砂,严格控制砂率,否则对防止开裂不利。4) 外掺料粉煤灰。粉煤灰的主要作用:a. 粉煤灰中含有大量硅、铝氧化物,其中二氧化硅含量约占40 %～60 % ,三氧化二铝含量约占17 %～35 % ,这些硅铝氧化物能够与水泥的水化物进行二次反应,是其活性的来源,可以取代部分水泥,从而减少水泥用量,降低混凝土的热胀;b. 粉煤灰颗粒较细,能够参加二次反应的界面相应增加,在混凝土中分散更加均匀;c. 粉煤灰的火山灰活性效应和滚球效应,进一步改善了混凝土内部的孔隙结构,使混凝土中总的孔隙率降低,分布更加合理,使硬化后的混凝土更加致密,相应收缩值也减小。d. 粉煤灰能抑制碱—骨料反应并防止因此产生的裂缝。由于粉煤灰的比重较水泥小,混凝土振捣时比重小的粉煤灰容易浮在混凝土的表面,使上部混凝土中的掺合料较多,强度较低,表面容易产生塑性收缩裂缝。因此,粉煤灰的掺量不宜过多,在工程中应根据具体情况确定粉煤灰的掺量。5) 外加剂的使用。掺加具有减水、增塑、缓凝、引气、膨胀的外加剂,可以改善混凝土拌合物的流动性、粘聚性和保水性,在减少用水量和提高强度的同时,降低水化热及放热峰值,减少裂缝出现。外加剂的使用应经试验确定,不能盲目使用。
2. 3 施工措施
1) 合理采用施工方法。根据季节不同选用保温法或降温法。夏季主要采用降温法施工,冬季主要采用保温法施工,按冬季施工方法进行。2) 混凝土拌和的质量控制。在混凝土的拌制过程中,要严格控制原材料计量准确,严格控制搅拌时间和出机时的坍落度。对于原材料,可搭设防晒棚,加强通风,降低温度。对于拌合物出机温度,一般控制在6 ℃左右,可采取送冷风对拌合物冷却或加冰拌和等措施进行降温。3) 混凝土浇筑质量控制。要选择较适宜的气温浇筑大体积混凝土,尽量避开炎热天气,应选择较低的室外温度下进行,一般室外温度宜在5 ℃～28 ℃间,湿度以保持混凝土表面潮湿为宜,可采用稻草或麻袋浇水养护。混凝土入模时,要加强入模的通风,加快模内热量散发。加强对混凝土振捣控制,振捣时间要合适,以表面泛浆为宜;振捣间距要均匀,以振捣力波及范围重叠1/ 2 为宜;浇筑完毕后,表面要压实、抹平,以防止表面裂缝。分层浇筑的混凝土,要保证上层混凝土在下层初凝前完成振捣。拆模后,要做好混凝土表面隔热防护工作,防止表面降温过大,降低内外温差。4) 采用分块、分期浇筑或者在适当位置设置施工后浇带,既可以减轻约束作用,缩小约束范围,又可利用空余面层进行散热,减少温度及收缩应力的作用。5) 加强混凝土浇筑后的养护。混凝土浇筑后,应及时洒水养护以保持表面经常湿润,这样既可减少外界高温倒灌,又能防止干缩裂缝的产生,使混凝土强度稳定增长。一般浇筑完后12 h～18 h内开始养护,养护时间不少于28 d 或设计龄期。达到可以回填土的条件时应尽快回填土,如采用蓄水法保温养护,在混凝土施工期间可通入冷却循环水,以便加快混凝土内部热量的散发。若采用内散外蓄综合养护措施,可有效降低混凝土的温升值,且可大大缩短养护周期,对于超厚大体积混凝土施工尤其适用。6) 加强混凝土的温度测控。为及时掌握混凝土内部温升与表面温度的变化值,在有代表性的部位设温度监测装置,定期进行跟踪监测,及时调整保温及养护措施,使温度梯度与湿度不致过大,内外温差保持在25 ℃内。7) 做好施工组织安排。采用切实可行的施工工艺,科学合理组织施工,根据设计强度及施工中混凝土的坍落度要求,经试验确定混凝土的配合比。在施工过程中精心安排混凝土施工时间,新旧混凝土浇筑间隔时间为5 d～7 d。8) 加强技术管理工作。根据规范与图纸,严格按照施工方案及交底要求组织施工。加强对原材料的检验、试验工作和计量监测工作,定时检查并做好记录,明确分工,责任到人。9) 其他辅助措施。泵送工艺浇筑大体积混凝土,常会发生输送管堵塞故障,因此提高混凝土的可泵性十分重要。另外要合理选择泵送压力、泵管直径、输送管线布置,泵管上须遮盖湿麻袋,并经常淋水散热。
3 结语
通过以上的分析可知,大体积混凝土的材料型裂缝主要是由温度应力和收缩应力引起的。为预防控制裂缝的出现,必须采取一系列综合有效措施。这些措施相互联系、相互制约,结合工程实际情况使用,便能起到良好效果。
参考文献:
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