大體積混凝土裂縫成因及治理

敬 敏

大量的工程實(shí)踐和理論分析表明,幾乎所有的混凝土構(gòu)件均是帶裂縫工作的,只是有些裂縫很細(xì),甚至肉眼看不見(jiàn)(＜0.05 mm),一般對(duì)結(jié)構(gòu)的使用無(wú)大的危害,可允許其存在;有些裂縫在使用荷載或外界物理、化學(xué)因素的作用下,不斷產(chǎn)生和擴(kuò)展,引起混凝土碳化、保護(hù)層剝落、鋼筋腐蝕,使混凝土的強(qiáng)度和剛度受到削弱,耐久性降低,嚴(yán)重時(shí)甚至發(fā)生垮塌事故,危害結(jié)構(gòu)的正常使用,必須加以控制。

1 工程背景

本文研究的工程背景為某大跨度簡(jiǎn)支箱梁。箱梁全長(zhǎng)32.6 m,寬為13.4 m,梁高3.05 m,頂板最厚處為 0.61 m,底板最厚處為0.7 m,腹板最厚處為1.05 m,合計(jì)每片箱梁需使用C50高性能混凝土327.62 m3。

2 大體積混凝土的裂縫

大體積混凝土內(nèi)出現(xiàn)的裂縫按深度的不同,分為貫穿裂縫、深層裂縫及表面裂縫三種。但出現(xiàn)裂縫并不是絕對(duì)地影響結(jié)構(gòu)安全,它都有一個(gè)最大允許值。處于室內(nèi)正常環(huán)境的一般構(gòu)件最大裂縫寬度不大于0.3 mm;處于露天或室內(nèi)高濕度環(huán)境的構(gòu)件最大裂縫寬度不大于0.2 mm。在地下工程中應(yīng)盡量避免超過(guò)0.3 mm貫穿全斷面的裂縫。如出現(xiàn)這種裂縫,將大大影響結(jié)構(gòu)的使用,必須進(jìn)行化學(xué)灌漿加固處理。

3 產(chǎn)生裂縫的原因

3.1 溫度變化引起的裂縫

混凝土具有熱脹冷縮性質(zhì),當(dāng)外部環(huán)境或結(jié)構(gòu)內(nèi)部溫度發(fā)生變化,混凝土將發(fā)生變形,若變形遭到約束,則在結(jié)構(gòu)內(nèi)將產(chǎn)生應(yīng)力,當(dāng)應(yīng)力超過(guò)混凝土抗拉強(qiáng)度時(shí)即產(chǎn)生溫度裂縫。

3.2 收縮引起的裂縫

混凝土收縮裂縫的特點(diǎn)是大部分屬表面裂縫,裂縫寬度較細(xì),且縱橫交錯(cuò),呈龜裂狀,形狀沒(méi)有任何規(guī)律。

研究表明,影響混凝土收縮裂縫的主要因素有:1)水泥品種、標(biāo)號(hào)及用量。2)骨料品種。3)水灰比。4)外摻劑。5)養(yǎng)護(hù)方法。6)外界環(huán)境。7)振搗方式及時(shí)間。

3.3 鋼筋銹蝕引起的裂縫

由于混凝土質(zhì)量較差或保護(hù)層厚度不足,混凝土保護(hù)層受二氧化碳侵蝕碳化至鋼筋表面,引起鋼筋表面氧化膜破壞,鋼筋中鐵離子與侵入到混凝土中的氧氣和水分發(fā)生銹蝕反應(yīng),其銹蝕物氫氧化鐵體積比原來(lái)增長(zhǎng)約2倍～4倍,從而對(duì)周?chē)炷廉a(chǎn)生膨脹應(yīng)力,導(dǎo)致保護(hù)層混凝土開(kāi)裂、剝離,沿鋼筋縱向產(chǎn)生裂縫,并有銹跡滲到混凝土表面。由于銹蝕,使得鋼筋有效斷面面積減小,鋼筋與混凝土握裹力削弱,結(jié)構(gòu)承載力下降,并將誘發(fā)其他形式的裂縫,加劇鋼筋銹蝕,導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞。

3.4 凍脹引起的裂縫

大氣氣溫低于0℃時(shí),吸水飽和的混凝土出現(xiàn)冰凍,游離的水轉(zhuǎn)變成冰,體積膨脹9%,因而混凝土產(chǎn)生膨脹應(yīng)力;同時(shí)混凝土凝膠孔中的過(guò)冷水(結(jié)冰溫度在-78℃以下)在微觀結(jié)構(gòu)中遷移和重分布引起滲透壓,使混凝土中膨脹力加大,混凝土強(qiáng)度降低,并導(dǎo)致裂縫出現(xiàn)。冬季施工時(shí),采用電氣加熱法、暖棚法、地下蓄熱法、蒸汽加熱法養(yǎng)護(hù)以及在混凝土拌合水中摻入防凍劑(但氯鹽不宜使用),可保證混凝土在低溫或負(fù)溫條件下硬化。

3.5 施工材料質(zhì)量引起的裂縫

1)水泥。a.水泥安定性不合格,水泥中游離的氧化鈣含量超標(biāo)。b.水泥出廠時(shí)強(qiáng)度不足,水泥受潮或過(guò)期,可能使混凝土強(qiáng)度不足,從而導(dǎo)致混凝土開(kāi)裂。c.當(dāng)水泥含堿量較高(例如超過(guò)0.6%),同時(shí)又使用含有堿活性的骨料,可能導(dǎo)致堿骨料反應(yīng)。

2)砂、石骨料。a.砂石的粒徑、級(jí)配、雜質(zhì)含量。砂石粒徑太小、級(jí)配不良、空隙率大,將導(dǎo)致水泥和拌合水用量加大,影響混凝土的強(qiáng)度,使混凝土收縮加大。b.堿骨料反應(yīng)。堿骨料反應(yīng)裂縫的形狀及分布與鋼筋限制有關(guān),當(dāng)限制力小時(shí),常出現(xiàn)地圖狀裂縫,并在縫中有白色或透明的浸出物;當(dāng)限制力強(qiáng)時(shí)則出現(xiàn)順筋裂縫。

3)拌合水及外加劑。拌合水或外加劑中氯化物等雜質(zhì)含量較高時(shí)對(duì)鋼筋銹蝕有較大影響。采用海水或含堿泉水拌制混凝土,或采用含堿的外加劑,可能對(duì)堿骨料反應(yīng)有影響。

3.6 施工工藝質(zhì)量引起的裂縫

1)混凝土保護(hù)層過(guò)厚,或亂踩已綁扎好的上層鋼筋,使承受負(fù)彎矩的受力筋保護(hù)層加厚,導(dǎo)致構(gòu)件的有效高度減小,形成與受力鋼筋垂直方向的裂縫。2)混凝土振搗不密實(shí)、不均勻,出現(xiàn)蜂窩、麻面、空洞,導(dǎo)致鋼筋銹蝕或其他荷載裂縫的起源點(diǎn)。3)混凝土澆筑過(guò)快,混凝土流動(dòng)性較低,在硬化前因混凝土沉實(shí)不足,硬化后沉實(shí)過(guò)大,容易在澆筑數(shù)小時(shí)后發(fā)生裂縫,即塑性收縮裂縫。4)混凝土攪拌、運(yùn)輸時(shí)間過(guò)長(zhǎng),使水分蒸發(fā)過(guò)多,引起混凝土坍落度過(guò)低,使得在混凝土體積上出現(xiàn)不規(guī)則的收縮裂縫。5)混凝土初期養(yǎng)護(hù)時(shí)急劇干燥,使得混凝土與大氣接觸的表面上出現(xiàn)不規(guī)則的收縮裂縫。6)用泵送混凝土施工時(shí),為保證混凝土的流動(dòng)性,增加水和水泥用量,或因其他原因加大了水灰比,導(dǎo)致混凝土凝結(jié)硬化時(shí)收縮量增加,使得混凝土體積上出現(xiàn)不規(guī)則裂縫。7)采用分段現(xiàn)澆時(shí),先澆混凝土接觸面鑿毛、清洗不好,新舊混凝土之間粘結(jié)力小,或后澆混凝土養(yǎng)護(hù)不到位,導(dǎo)致混凝土收縮而引起裂縫。8)混凝土早期受凍,使構(gòu)件表面出現(xiàn)裂紋,或局部剝落,或脫模后出現(xiàn)空鼓現(xiàn)象。9)施工時(shí)模板剛度不足,在澆筑混凝土?xí)r,由于側(cè)向壓力的作用使得模板變形,產(chǎn)生與模板變形一致的裂縫。10)施工時(shí)拆模過(guò)早,混凝土強(qiáng)度不足,使得構(gòu)件在自重或施工荷載作用下產(chǎn)生裂縫。11)施工前對(duì)支架壓實(shí)不足或支架剛度不足,澆筑混凝土后支架不均勻下沉,導(dǎo)致混凝土出現(xiàn)裂縫。12)裝配式結(jié)構(gòu),在構(gòu)件運(yùn)輸、堆放時(shí),支承墊木不在一條垂直線上,或懸臂過(guò)長(zhǎng),或運(yùn)輸過(guò)程中劇烈顛撞;吊裝時(shí)吊點(diǎn)位置不當(dāng),T梁等側(cè)向剛度較小的構(gòu)件,側(cè)向無(wú)可靠的加固措施等,均可能產(chǎn)生裂縫。13)安裝順序不正確,對(duì)產(chǎn)生的后果認(rèn)識(shí)不足,導(dǎo)致產(chǎn)生裂縫。如鋼筋混凝土連續(xù)梁滿(mǎn)堂支架現(xiàn)澆施工時(shí),鋼筋混凝土墻式護(hù)欄若與主梁同時(shí)澆筑,拆架后墻式護(hù)欄往往產(chǎn)生裂縫;拆架后再澆筑護(hù)欄,則裂縫不易出現(xiàn)。14)施工質(zhì)量控制差。任意套用混凝土配合比,水、砂石、水泥材料計(jì)量不準(zhǔn),結(jié)果造成混凝土強(qiáng)度不足和其他性能(和易性、密實(shí)度)下降,導(dǎo)致結(jié)構(gòu)開(kāi)裂。

4 防止裂縫產(chǎn)生的幾種方法

4.1 混凝土的配制

1)粗骨料宜采用連續(xù)級(jí)配,細(xì)骨料宜采用中砂。2)外加劑宜采用緩凝劑、減水劑;摻合料宜采用粉煤灰、礦渣粉等。3)大體積混凝土在保證混凝土強(qiáng)度及坍落度要求的前提下,應(yīng)提高摻合料及骨料的含量,以降低單方混凝土的水泥用量。4)應(yīng)盡量選用水化熱低、凝結(jié)時(shí)間長(zhǎng)的水泥,優(yōu)先采用中熱硅酸鹽水泥、低熱礦渣硅酸鹽水泥、大壩水泥、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。

4.2 混凝土的澆筑

澆筑方案除應(yīng)滿(mǎn)足每一處混凝土在初凝以前就被上一層新混凝土覆蓋并搗實(shí)完畢外,還應(yīng)考慮結(jié)構(gòu)大小、鋼筋疏密、預(yù)埋管道和地腳螺栓的留設(shè)、混凝土供應(yīng)情況以及水化熱等因素的影響,常采用的方法有:1)全面分層。2)分段分層。3)斜面分層。

4.3 混凝土養(yǎng)護(hù)時(shí)的溫度控制

1)混凝土的中心溫度與表面溫度之間、混凝土表面溫度與室外最低氣溫之間的差值均應(yīng)小于20℃;當(dāng)結(jié)構(gòu)混凝土具有足夠的抗裂能力時(shí),不大于25℃～30℃。2)混凝土拆模時(shí),混凝土的溫差不超過(guò)20℃。其溫差應(yīng)包括表面溫度、中心溫度和外界氣溫之間的溫差。3)采用內(nèi)部降溫法來(lái)降低混凝土內(nèi)外溫差。4)保溫法是在結(jié)構(gòu)物外露的混凝土表面以及模板外側(cè)覆蓋保溫材料(如草袋、鋸木、濕砂等),在緩慢的散熱過(guò)程中,使混凝土獲得必要的強(qiáng)度,以控制混凝土的內(nèi)外溫差小于20℃。5)混凝土表層布設(shè)抗裂鋼筋網(wǎng)片,防止混凝土收縮時(shí)產(chǎn)生干裂。

4.4 SY-G膨脹抗裂劑

SY-G膨脹抗裂劑是一種新型混凝土外加劑,主要礦物成分為氧化鋁,三氧化硫,同時(shí)添加一些改性組分及混凝土活性劑。抗裂原理是在弱堿性溶液中水化生成鈣礬石,呈針狀結(jié)晶體,填充了混凝土孔隙,失去了混凝土結(jié)構(gòu)的收縮空間,起到了補(bǔ)償收縮作用,達(dá)到抗裂作用,提高混凝土的密實(shí)度。

SY-G膨脹抗裂劑在現(xiàn)代大型工程建設(shè)中應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛,如體育場(chǎng)看臺(tái)、城市雕塑像、博物館、賓館、高速公路路面、橋梁混凝土面板、涵洞等。

5 結(jié)語(yǔ)

大體積混凝土開(kāi)裂可以說(shuō)是“常發(fā)病”和“多發(fā)病”,經(jīng)常困擾著工程技術(shù)人員。其實(shí),如果采取一定的設(shè)計(jì)和施工措施,很多裂縫是可以克服和控制的。本文盡可能對(duì)混凝土裂縫的種類(lèi)和產(chǎn)生原因作較全面的分析、總結(jié),希望對(duì)設(shè)計(jì)、施工中混凝土裂縫的控制起到參考作用。