大體積混凝土裂縫原因及預(yù)防措施

周　偉

摘要:混凝土裂縫在施工中的不同階段都不同程度存在,引起裂縫的原因比較復(fù)雜,本文旨在通過(guò)對(duì)裂縫產(chǎn)生的原因進(jìn)行分析探討,提出措施和建議,來(lái)避免大體積混凝土裂縫的發(fā)生。

關(guān)鍵詞:裂縫 養(yǎng)護(hù) 措施 應(yīng)力

0 引言

通過(guò)近幾年來(lái)的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐,及查閱相關(guān)的技術(shù)資料,對(duì)混凝土裂縫產(chǎn)生的原因、現(xiàn)場(chǎng)混凝土溫度的控制和預(yù)防裂縫的措施進(jìn)行簡(jiǎn)要的闡述。

1 裂縫產(chǎn)生的原因分析

混凝土中產(chǎn)生的裂縫有多種原因,主要是溫度和濕度的變化,混凝土的脆性和不均勻性,原材料不合格(如堿骨料反映),模板變形,基礎(chǔ)不均勻沉降等。混凝土硬化期間水泥放出大量水熱化熱,內(nèi)部溫度不斷上升,在表面引起拉應(yīng)力,后期在降溫過(guò)程中,由于受到基礎(chǔ)或老混凝上的約束,又會(huì)在內(nèi)部出現(xiàn)拉應(yīng)力,當(dāng)這些拉應(yīng)力超出混凝土的抗裂能力時(shí),即會(huì)出現(xiàn)裂縫。許多混凝土的內(nèi)部濕度變化很小或變化較慢,但表面濕度可能變化較大或發(fā)生劇烈變化。如養(yǎng)護(hù)不周、時(shí)干時(shí)濕,表面干縮形變受到內(nèi)部混凝土的約束,也往往導(dǎo)致裂縫。混凝土是一種脆性材料,拉抗強(qiáng)度是抗壓強(qiáng)度的1/10左右,短期加荷時(shí)的極限拉伸變形也只有(0.6~1.0)×104,長(zhǎng)期加荷時(shí)的極限拉伸變形也只有(1.2~2.0)×104。由于原材料不均勻,水灰比不穩(wěn)定,及運(yùn)輸和澆注過(guò)程中的離析現(xiàn)象,在同一塊混凝土中其拉強(qiáng)度又是不均勻的,存在著許多抗拉能力很低,易于出現(xiàn)裂縫的薄弱部位。在鋼筋混凝土中,拉應(yīng)力只要是由鋼筋來(lái)承擔(dān),混凝土只是承受壓應(yīng)力。在素混凝土內(nèi)或鋼筋混凝上的邊緣部位如果結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了拉應(yīng)力,則須依靠混凝土自身承擔(dān)。一般設(shè)計(jì)中均要求不出現(xiàn)拉應(yīng)力或者只出現(xiàn)很小的拉應(yīng)力,但是在施工中混凝土由最高溫度冷卻到運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)期的穩(wěn)定溫度,往往在混凝土內(nèi)部引起相當(dāng)大的拉應(yīng)力,因此掌握溫度應(yīng)力的變化規(guī)律對(duì)于進(jìn)行合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和施工極為重要。

2 溫度應(yīng)力的分析

溫度應(yīng)力的形成過(guò)程可分為以下三個(gè)階段:

2.1 早期:自澆筑混凝土開(kāi)始至水泥放熱基本結(jié)束,一般約30天。這個(gè)階段有兩個(gè)特征,一是水泥放出大量的水化熱,二是混凝土上彈性模量的急劇變化,由于彈性模量的變化,這一時(shí)期在混凝土內(nèi)形成殘余應(yīng)力。

2.2 中期:自水泥放熱作用基本結(jié)束時(shí)起至混凝土冷卻到穩(wěn)定溫度時(shí)止,這個(gè)時(shí)期中。溫度應(yīng)力主要是由于混凝土的冷卻及外界氣溫變化所引起,這些應(yīng)力與早期形成的殘余應(yīng)力相疊加,在此期間混凝土上的彈性模量變化不大。

2.3 晚期:混凝土完全冷卻以后的運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)期。溫度應(yīng)力主要是外界氣溫變化所引起,這些應(yīng)力與前兩種的殘余應(yīng)力相疊加。

根據(jù)溫度應(yīng)力引起的原因可分為兩類(lèi):①自生能力:沒(méi)有任何約束或完全靜止的結(jié)構(gòu),如果內(nèi)部溫度是非線(xiàn)性分布的,由于結(jié)構(gòu)本身互相約束而出現(xiàn)的溫度應(yīng)力。②約束能力:結(jié)構(gòu)的全部或部分邊界受到外界的約束,不能自由變形而一起的應(yīng)力,在大多數(shù)情況下,需要依靠模型試驗(yàn)或數(shù)值計(jì)算,混凝土的徐變使溫度應(yīng)力有相當(dāng)大的松弛,計(jì)算溫度應(yīng)力時(shí),必須考慮徐變的影響。

3 溫度的控制和防止裂縫的措施

3.1 為了防止裂縫,可以從控制溫度和改善約束條件兩個(gè)方面著手,現(xiàn)場(chǎng)常用的措施如下:①采用改善骨料級(jí)配,用干硬性混凝土,摻混合料,加引氣劑或塑化劑等措施以減少混凝土中的水泥用量。②攪拌混凝土?xí)r加水或用水將碎石冷卻以降低混凝土的澆筑溫度。③ 熱天澆筑混凝土?xí)r減少澆筑厚度,最好控制在500mm以?xún)?nèi),以便于表面散熱;第二層澆筑必須在第一段砼初凝前澆筑完畢。④根據(jù)混凝土澆注面積,在混凝土上中下部設(shè)置一定數(shù)量測(cè)溫管,定時(shí)測(cè)定內(nèi)外溫度,前4天每2h測(cè)一次,5-7天每4h測(cè)一次,8-15天每天一次,并及時(shí)記錄,確?；炷羶?nèi)外溫差控制在25。以?xún)?nèi),做到及時(shí)觀(guān)察,出現(xiàn)溫度超偏,可通過(guò)調(diào)整養(yǎng)護(hù)方式來(lái)降低溫差。⑤規(guī)定合理的拆模時(shí)間,以免混凝土表面發(fā)生急劇的溫度梯度,加強(qiáng)保溫養(yǎng)護(hù)措施,現(xiàn)場(chǎng)通常采取措施為混凝土澆注后先覆蓋一層塑料薄膜,用麻袋裝鋸末,厚度80～100㎜進(jìn)行中層覆蓋,最后覆蓋1-2層100mm厚巖棉被。⑥夏季施工中長(zhǎng)期暴露的混凝土澆筑塊表面及側(cè)邊,設(shè)置專(zhuān)人撒水養(yǎng)護(hù)時(shí)間不少于14d,有條件的應(yīng)對(duì)基礎(chǔ)側(cè)邊進(jìn)行覆土掩蓋,避免內(nèi)部水分蒸發(fā)過(guò)快,產(chǎn)生裂縫。

3.2 改善約束條件的措施是:①合理地分區(qū)分塊。②避免基礎(chǔ)過(guò)大起伏。③合理的安排施工工序,避免過(guò)大的高差和側(cè)面長(zhǎng)期暴露。

此外,改善混凝土的性能,提高抗裂能力,加強(qiáng)養(yǎng)護(hù),防止表面干縮,特別是保證混凝土的質(zhì)量對(duì)防止裂縫是十分重要,應(yīng)特別注意避免產(chǎn)生貫穿裂縫。

3.3 在混凝土澆筑初期,由于水化熱的散發(fā),表面引起相當(dāng)大的拉應(yīng)力,此時(shí)表面溫度亦較氣溫為高,此時(shí)拆除模板,表面溫度驟降,必然引起溫度梯度,從而在表面附加一拉應(yīng)力,與水化熱應(yīng)力疊加,再加上混凝土干縮,表面拉應(yīng)力達(dá)到很大的數(shù)值,就有導(dǎo)致裂縫的危險(xiǎn)。但如果在拆除模板后及時(shí)在表面覆蓋一些輕型保溫材料,如泡沫海綿等,對(duì)于防止混凝土表面產(chǎn)生過(guò)大的拉應(yīng)力,具有顯著的效果加筋對(duì)大體積混凝土的溫度應(yīng)力影響很小,由于鋼的彈性模量為混凝土彈性模量的7~15倍。另外正確使用外加劑也是減少開(kāi)裂的措施之一,例如使用減水防裂劑,筆者在實(shí)踐中總結(jié)出其主要作用為:①混凝土中存在大量的毛細(xì)孔道,水蒸發(fā)后毛細(xì)管中產(chǎn)生毛細(xì)管張力,使混凝土干縮變形。增大毛細(xì)孔徑可降低毛細(xì)管表面張力,但會(huì)使混凝土強(qiáng)度降低。②水灰比是影響混凝土收縮的重要因素,使用減水防裂劑可使混凝土用水量減少25%。③水泥用量也是混凝土收縮率的重要因素,摻加減水防裂劑的混凝土在保持混凝土強(qiáng)度的條件下可減少15%的水泥用量,其體積用增加骨料用量來(lái)補(bǔ)充。④摻加減水防裂劑可以改善水泥漿的稠度,減少混凝土泌水,減少沉縮變形。⑤外加劑混凝土和易性好,表面易摸平,形成微膜,減少水分蒸發(fā),減 少干燥收縮。

許多外加劑都有緩凝、增加和易性、改善塑性功能,我們?cè)诠こ虒?shí)踐中應(yīng)多進(jìn)性這方面的研究,比單純改善外部條件,可能會(huì)更加簡(jiǎn)潔、經(jīng)濟(jì)。

4 混凝土的早期養(yǎng)護(hù)

實(shí)踐證明,混凝土常見(jiàn)的裂縫,大多數(shù)是不同深度的表面裂縫,其主要原因是溫度梯度造成的,寒冷地區(qū)的溫度驟降也是容易形成裂縫的。因此說(shuō)混凝土的保溫對(duì)防止表面早期裂縫尤其重要;從溫度應(yīng)力觀(guān)點(diǎn)出發(fā),現(xiàn)場(chǎng)保溫應(yīng)達(dá)到下述要求:

4.1 防止混凝土內(nèi)外溫度差及混凝土表面梯度,防止表面裂縫。

4.2 防止混凝土超冷,應(yīng)該盡量設(shè)法使混凝土的施工期最低溫度不低于混凝土的使用期的穩(wěn)定溫度。

4.3 防止老混凝土過(guò)冷,以減少新老混凝土間的約束。

新澆混凝土中所含水分完全可以滿(mǎn)足水泥水化的要求而有余。但由于蒸發(fā)等原因常常引起水分損失,從而推遲或防礙水泥的水化,表面混凝土最容易而且直接受到這種不利影響。因此混凝土澆筑后的最初幾天是養(yǎng)護(hù)的關(guān)鍵時(shí)期,在施工中應(yīng)該切實(shí)重視起來(lái)。

5 結(jié)語(yǔ)

以上對(duì)混凝土的施工溫度與裂縫之間的關(guān)系進(jìn)行了理論和實(shí)踐的初步探討 ,雖然現(xiàn)在對(duì)于混凝土裂縫的成因和計(jì)算方法有不同的理論,但對(duì)于具體的預(yù)防和改善措施意見(jiàn)還是比較統(tǒng)一,同時(shí)在實(shí)踐中的應(yīng)用效果也是比較好的,具體施工中要靠我們多觀(guān)察、多比較,出現(xiàn)問(wèn)題后多分析、多總結(jié),結(jié)合多種預(yù)防處理措施,混凝土的裂縫是完全可以避免的。