[摘 要] 从混凝土裂缝产生的机理出发,分析了材料、施工方法对混凝土裂缝的影响,并提出了混凝土避免产生裂缝的各种方法和措施。
[关键词] 大体积混凝土;裂缝;材料;施工
[中图分类号] TU528 [文献标识码] A
1 引 言
混凝土凝结硬化是水泥水化放热的过程。在一般的梁板柱的浇筑中,由于其尺寸较小,构件内的水化热不宜聚集,所以内外温差较小,产生的温度应力也小于混凝土的抗拉应力,不会使构件开裂。而对一些利用混凝土作基础的大型设备、高层建筑以及水利工程设施出现大体积混凝土的机会就很多。由于混凝土体积大,水泥水化时放出的热量不易快速释放,因而内部产生较高的温度。当水泥硬化后,混凝土内部温度也随之降低,加之游离水的蒸发导致混凝土收缩。当收缩应力大于混凝土的抗拉应力时,即产生裂缝,内部甚至产生断裂。外界腐蚀性介质会经由裂缝不断锈蚀钢筋,影响结构的耐久性,甚至使结构发生渗漏,严重时使结构解体。因此,在大体积混凝土施工时,如何选择材料和施工方法相当重要。本文就混凝土裂缝的特性以及材料、施工等对混凝土裂缝的影响进行阐述。
2 混凝土裂缝种类和产生机理
2.1 混凝土裂缝种类
混凝土裂缝按宽度的大小,可分为微观裂缝和宏观裂缝。
(1) 混凝土的微观裂缝主要有三种。一是粘着裂缝,主要沿着骨料周围出现;二是水泥石裂缝,出现在骨料与骨料之间;三是骨料裂缝,即骨料本身的裂缝。混凝土的微观裂缝主要是前两者。
(2) 宏观裂缝是微裂缝扩展的结果。一般情况下, ≥0105mm 的裂缝称为宏观裂缝。
2.2 混凝土裂缝收缩种类
通常导致混凝土裂缝产生的主要收缩种类有三种:
(1) 化学收缩是水泥水化后,固相体积增加,但水泥2水体系的绝对体积则减小。
(2) 塑性收缩发生在硬化前的塑性阶段,是在塑性阶段混凝土由于表面失水而产生的收缩。如养护不足,表面失水速率超过内部水向表面迁移的速率时,则会使毛细管中产生负压,使浆体产生塑性收缩。影响塑性收缩开裂的外部因素是风速、环境温度和相对湿度,内部因素是水灰比、细掺料、浆集比、混凝土的温度和凝结时间。
(3) 温度收缩主要是混凝土内部温度因水泥水化而升高,最后又冷却到环境温度时产生的收缩。其大小主要与混凝土的内部最高温度、降温速率和材料热膨胀系数等因素有关。
3 材料对裂缝的影响
3.1 钢筋
混凝土的收缩与其长度成正比关系,故混凝土的纵向收缩大于横向收缩,产生裂缝一般呈垂直纵向分布。钢筋在此方向一般布置分布筋。而分布筋在设计时,一般按构造配筋,很少考虑其抗裂的作用。然而分布筋在对混凝土、钢筋起到拉结作用的同时,阻止裂缝生成和扩展的作用同样不容忽视。
经验公式:
为截面配筋率;d为钢筋直径。由该式可知,采用细而间距小的布筋方式,可提高混凝土的抗裂性能,特别是大体混凝土在布置分布钢筋时,应保证配筋率015 %～018 % ,钢筋直径12～16mm ,间距100～150mm。水泥水化热是混凝土产生温度应力的内在因素,然而水泥水化又是混凝土生成的必要条件,为避免水化热的集中释放和温度的过度上升,在水泥选用上宜选择水化热较低,水化速度较慢的矿渣或粉煤灰等低水化热水泥,不宜采用高强度等级或早强型水泥。有时也可用混凝土60d 或90d 抗压强度代替28d 强度,或适当降低混凝土强度等级,减少水泥用量,以达到减小温度应力的目的。通常在其他条件相同情况下,水泥品种按快硬水泥、低热水泥、普通水泥、矾土水泥,其收缩性依次减小;水泥强度等级高、水泥细度和水泥用量越大,收缩越大。
3.3 石子
石子作为混凝土中的粗骨料,具有稳定的体积。在满足泵送要求和钢筋布置间距条件下,尽量选用较大的粒径,加大粗骨料所占的体积,以尽量减少混凝土的体积收缩。在石子外形上,因碎石的不规则和粗糙的外表面可增加对水泥凝胶体的拉结作用,减少微裂缝的生成。所以,以碎石最佳。试验表明:玄武岩、花岗岩、石灰岩、白云岩、石英岩对混凝土收缩依次减小。
3.4 砂子
砂子应保证良好的级配和含泥量小于1.5 %。混凝土施工一般要掺加粉煤灰,其细度小于砂子,并有取代了水泥和砂的双重作用,故在砂子细度选择上,也要考虑与粉煤灰的颗粒搭配,宜选用细度模量为2.6～3.0 的中粗砂,砂率在40 %左右。
3.5 粉煤灰
粉煤灰作为矿物细掺料用以改善混凝土的性能是由于粉煤灰在混凝土中的三种效应。一是微集料效应造成致密势能;二是火山灰活性效应产生活化势能;三是颗粒形态效应产生的减水势能。因此,粉煤灰可使混凝土产生致密的结构、提高混凝土的后期强度和提高流动度。另外,粉煤灰的掺入可减少水泥的用量,降低水化热的产生和集中释放。由于粉煤灰具有较慢的化学活性,当水泥水化后,粉煤灰才开始激活水化。所以对混凝土的早期强度影响不大,但可对其后期强度的提高和水化热的降低产生明显作用。
目前使用较多的是Ⅱ级以上粉煤灰,未进行深加工。从其物化角度来看,加大磨细粉煤灰的使用,进一步加强其化学活性,提高掺量,减少水泥用量和水化热的集中释放,降低混凝土最高温度,以减少裂缝产生的可能是今后的发展方向。
3.6 水
水在混凝土形成方面起着重要作用,一方面参与水泥水化反应,另一方面对物料起润滑作用。通常使水泥完全水化并具有最低毛细空隙率的水灰比为0.437 ,但在无外加剂的情况下,水灰比要大于0.5 才能使混凝土具有可施工的流动性。用水量的加大会使混凝土的后期收缩增大,容易产生裂缝。因此,在满足施工要求条件下,应尽量减小水灰比。
3.7 外加剂
减少用水量和保证流动性是一个矛盾的两个方面。解决这一矛盾应合理的使用外加剂来提高混凝土的流动性和保水性。主要使用的外加剂有减水剂和泵送剂,其主要作用是在水灰比不变的情况下,可减水、增塑、缓凝、引气,保证润滑,提高流动性和保水性。因此,在大体积混凝土施工中常需要使用减水剂或泵送剂。另外,为弥补混凝土的收缩也可掺入一定的膨胀剂,改变混凝土水化的物化机理,使水泥的自身收缩减小。随着技术的发展,外加剂已由过去的单剂型向复合型的方向发展。
4 施工对裂缝的影响
4.1 混凝土施工技术
大体积混凝土在浇筑时,需要较高的浇筑强度单位时间浇筑混凝土的量) 。人工搅拌和浇筑已无法满足施工的要求,随之由混凝土集中搅拌站和泵送技术逐步代替。泵送混凝土的主要技术要求,应采用较小粒径的粗骨料和较大的水灰比,以减少在泵送过程中的阻力。这些技术要求对混凝土的抗裂不利,并会影响混凝土的强度和抗渗性能。为了解决这一矛盾除掺加适当的外加剂、粉煤灰外,在施工时采用大管径输送管,简化输送线路,减小输送距离等措施,尽量使用低水灰比的混凝土来满足泵送要求。
在浇筑时,可根据情况采用分区“跳仓交叉作业”的方法,使混凝土内部产生的温度应力大部分释放,以减少裂缝的产生可能。另外,混凝土的振捣对其强度和抗渗等方面的影响也是至关重要的,振捣方法和效果越差,混凝土收缩越大,应在施工中加以重视,避免因振捣不实而产生裂缝。
4.2 养护与温度监测
为保证混凝土在养护阶段产生的温度应力小于相应龄期的混凝土抗拉强度,除了与普通混凝土一样应保证其养护用水要求外,还要采取措施保证混凝土内部最高温度小于70 ℃;同时还应保证内外表面最大温差小于25～30 ℃,而且降温速度不宜大于1～3 ℃Pd。内部最高温度可用下面公式计算:
式中,W 为1m3 每混凝土中含水泥量kg/m3 ;
为水泥水化热J/kg ; C 为混凝土热比J／kg·℃;
γ为混凝土重度kg／m3 。
在实际操作时通常是在各测试点安放温度探测设备进行监测,因而公式的计算值常与实际测值有出入。一旦预测温度超过最高温度限制时,可采取以下措施进行物理降温:
(1) 在混凝土搅拌时预先用冷水对石子喷淋降温,加入一定的冰屑代替水,以减少混凝土的起始温度。这种方法在三峡大坝的混凝土浇筑中广为采用,并且效果明显。
(2) 在混凝土内预埋钢管,通循环冷水进行降温,养护完毕后,钢管压入混凝土封闭。这在许多大体积的基础养护中使用也是可行的。例如,洛阳市某通讯信息指挥中心大楼2.5m 厚的混凝土筏板基础,采用了此降温措施后,有效的控制了混凝土内部最高温度。减少内部温度的主要目的在于阻止最高温度产生,同时缩小内外温差,使外部保温的措施也易于实现。目前外部保温措施主要有:
(1) 利用草帘加水进行保温保湿。有时还可根据气温、气候和季节等变化增减覆盖层数,使用时还能与养护面密贴,确证保温保湿效果。加之草帘成本低,因而被广泛采用。
(2) 利用塑料薄膜进行保温保湿,但成本较高。
(3) 利用地下结构的特殊形式,采用蓄水养护。
(4) 外部加热法。即采用碘钨灯等加热设备提高外部温度,减少内外温差。但该方法耗电量较大,并会引起表面水分的蒸发,所以一般用于冬季或春秋季夜间,或作为一种辅助方法和其他保湿效果好的养护方法同时使用。
5 结束语
从以上分析可看出:混凝土裂缝产生的影响因素比较复杂,也比较多。目前还没有精确的公式可以事先准确计算,加之施工中有很多不确定因素,对裂缝的控制仍处于半经验半理论的阶段。因此,可以通过逐一分析各影响因素,调整混凝土的内部和外部条件,尽可能的减小混凝土的收缩量和收缩速度,避免裂缝的产生和扩展。
[参考文献]
[ 1 ] 王铁梦. 工程结构裂缝控制[M] . 北京: 中国建筑出版社,2001.
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