大体积混凝土裂缝的成因及预防与控制

高 琛

随着大型现代化工业厂房和现代高层、超高层建筑日益增多,与其相适应的大体积混凝土也得到了广泛应用,但其本身在施工中易产生裂缝却给工程设计和施工人员带来了很大的难题。分析工程实践中结构物的裂缝原因,主要包括干缩裂缝、硬化收缩裂缝、塑性收缩裂缝、温度裂缝、沉缩裂缝等。本文仅分析产生各种裂缝的原因并提出防治裂缝的措施。

1 混凝土常见裂缝的种类及产生原因

1.1 干缩裂缝产生原因

干缩裂缝是水泥浆中水分的蒸发而产生的,这种收缩是不可逆的。当混凝土受外部条件的影响时,表面水分损失过快,变形较大,内部湿度变化较小,较大的表面干缩变形受到混凝土内部约束,产生较大拉应力时,即产生干缩裂缝。相对来讲,湿度越低,水泥浆体干缩越大,干缩裂缝越易产生[1]。干缩裂缝多为表面性的平行线状或网状浅细裂缝,大体积混凝土中平面部位多见。

1.2 硬化收缩裂缝

硬化收缩裂缝是混凝土硬化过程中由于化学作用引起的收缩,是化学结合水与水泥的化合结果,即水泥与水化合作用后生成物体积小于原物料体积,这种收缩与外界湿度无关[2]。

1.3 塑性收缩裂缝产生原因

混凝土收缩裂缝在大体积混凝土(特别是泵送大流态混凝土)施工中也是非常多的。混凝土浇筑成型后,养护工作不到位,没有及时地进行表面覆盖,表面水分散失过快,导致混凝土内部与外部不均匀收缩[3]。另外干缩快慢差形成的混凝土表面拉应力,也是混凝土产生裂缝的重要原因。

1.4 温度裂缝

1)温度裂缝成因机理。混凝土浇筑后,由于水泥的水化热作用,要产生大量的水化热,使混凝土温度升高,因而使混凝土体积膨胀,由于受到桩基的约束,将出现较小的压应力(这是因为浇筑初期混凝土的变形模量小,还处于塑性阶段)产生裂纹[8]。另一方面在混凝土浇筑初期,由于表面温度较低,在混凝土内,待达到最高温度后,随着热量向外部散发混凝土温度逐渐下降,直到温度稳定,混凝土体积发生收缩,但受到桩基的约束将产生很大的拉应力,如其超过材料的抗拉强度时内外形成温差,使其外部混凝土收缩受到内部混凝土约束产生拉应力,当其超过材料的抗拉强度时产生表面裂缝[4]。2)温度裂缝的种类。总体来说温度裂缝有三类[11]:a.混凝土浇筑初期,产生大量的水化热,由于混凝土是热的不良导体,水化热积聚在混凝土内部不易散发,常使混凝土内部温度上升,而混凝土表面温度为室外环境温度,这就形成了内外温差,这种内外温差在混凝土凝结初期产生的拉应力当超过混凝土抗压强度时,就会导致混凝土裂缝;b.在拆模前后,表面温度降低很快,造成了温度陡降,也会导致裂缝的产生;c.当混凝土内部达到最高温度后,热量逐渐散发而达到使用温度或最低温度,它们与最高温度的差值就是内部温差。在这三种温差中,较为主要的是由水化热引起的内外温差。

1.5 碳化收缩裂纹

碳化收缩裂纹是大气中的二氧化碳与水泥的水化物发生化学反应引起的收缩变形,各种水化物的碱度不同,结晶水及水分子数量不等,碳化收缩量也大不相同。碳化作用只有在适度的湿度,约50%才发生,且随二氧化碳浓度增加速度加快,它与干燥收缩一起导致表面开裂和面层碳化[5]。

1.6 沉缩裂缝

混凝土沉缩裂缝在大体积混凝土(特别是泵送大流态混凝土)施工中也是非常多的。主要原因是振捣不密实,沉实不足,或者骨料下沉,表层浮浆过多,混凝土浇筑后,没有及时抹压实(特别是初凝前的二次拌压),且表面覆盖不及时,受风吹日晒,表面水分散失快,产生干缩,混凝土早期强度又低,不能抵抗这种变形而导致开裂[6]。

2 大体积混凝土裂缝的控制与预防

2.1 从原料方面控制

2.1.1 大体积混凝土裂缝控制原料选择原则[7]

首先,选择合适水泥和严格控制水泥用量,选用低热水泥,减少水化热,降低混凝土的温升值,降低混凝土所受的拉应力。

其次,改善骨料级配,尽量扩大骨料粒径[13]。对机械程度不高的少筋混凝土,可埋放块石,减少水泥用量。

2.1.2 大体积混凝土裂缝控制的具体措施

1)原材料的控制,大体积混凝土宜选用水化热低、凝结时间长的水泥,可以优先选用矿渣水泥、粉煤灰水泥、火山灰水泥和复合水泥。2)选用连续级配的骨料,可减少用水量和水泥用量,降低混凝土的收缩和水化热。在施工条件允许的前提下,尽量选用粒径较大、级配良好的粗骨料,其最大粒径不得大于钢筋间最小净距的 3/4。3)加入适量的掺合料,可以改善混凝土的和易性,降低水化热。例如,在混凝土中掺入占水泥质量0.25%的木质素磺酸钙,可减少 10%的拌合水,节约10%的水泥,从而降低水化热[9,10];加入适量的粉煤灰,不仅能起润滑作用,改善混凝土的粘塑性和可泵性,而且还可以降低混凝土的水化热[8]。

2.2 施工过程控制

1)设置滑移层。为了方便混凝土底板热能释放时所产生的平行移动,在浇筑混凝土前宜在基础垫层与混凝土基础之间,设置沥青油毡或其他类似的材料作为滑移层,以减少大体积混凝土底板的内外约束。2)设置缓冲层。为了缓解地基对基础收缩时的侧压力,减少地基的约束作用,可在混凝土基础的某些部位设置缓冲层。3)合理配置钢筋。在容易开裂部位配置一定数量的抗裂钢筋,增大含钢率,增大体积混凝土的抗裂性能。4)设置后浇缝。宜适当设置混凝土的后浇缝,减少外约束力和温度应力,同时也利于散发混凝土内部的热量。后浇缝封闭之前,应将混凝土底板的断面处凿毛,并将钢筋按设计要求连接好,再用补偿收缩混凝土浇灌密实。

2.3 混凝土的后期保温、保湿养护

混凝土保温养护的主要目的是减少混凝土表面的热扩散,降低混凝土结构表面温度梯度,防止产生表面收缩裂纹[11]。

3 结语

大体积混凝土的裂缝严重影响着其使用寿命,所以工程技术人员应根据裂缝的类型制定适宜的控制方案,将不利因素减少到最小,提高混凝土使用寿命,确保工程质量。

[1] 林国辉.现浇混凝土楼屋面裂缝问题分析[J].建材与装饰,2007,11(7):23-24.

[2] 邵明波.混凝土结构工程中常见变形裂缝的防治[J].山西建筑,2007,33(1):163-164.

[3] 王立波.超长结构混凝土无缝浇筑施工与质量控制[J].西部探矿工程,2003,15(10):76-77.

[4] 雷宝珍.大体积混凝土变形裂缝产生机理及计算[J].山西建筑,2008,34(28):183-186.

[5] 李建忠.大体积混凝土冬季施工质量控制[J].山西建筑,2008,34(29):245-246.

[6] 程道广,江薇薇.大体积混凝土内部实际最高温度的计算[J].施工计算,2006,17(22):113-115.

[7] 周阜军,李进东,戴元将.沿海水工建筑物混凝土防腐技术的应用[J].山西建筑,2006,32(12):125-126.

[8] 范秋雨.建筑工地实用技术[M].北京:中国建筑工业出版社,2003.

[9] 刘大荣.大体积混凝土温控技术应用实例[J].广东建材,2008,14(9):76-78.

[10] 董亚红.防止外加剂对混凝土性能的负面影响[J].科技信息,2008,35(26):508.

[11] 郝尚志.混凝土的施工温度与裂缝[J].河南水利与南水北调,2008,17(9):87-89.

[12] 杨丹丹.浅析桥梁裂缝产生原因[J].市政建设,2007,38(26):22-23.

[13] 肖显祥.浅析公路桥涵混凝土中的粗集料[J].建筑与工程,2008,28(9):40-41.