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大体积混凝土施工中的裂缝分析及防控措施
2015-10-30 09:36:26   来源:   评论:0 点击:

在诸如大型商住楼或高架桥、 水利大坝等现代建筑体施工中, 墙体、 路基等混凝土制品出现裂缝是一个带有普遍性的技术问题. 这种裂缝的存在, 往往可能导致混凝土构件渗水, 从而诱发钢筋锈蚀, 削弱构件
在诸如大型商住楼或高架桥、 水利大坝等现代建筑体施工中, 墙体、 路基等混凝土制品出现裂缝是一个带有普遍性的技术问题. 这种裂缝的存在, 往往可能导致混凝土构件渗水, 从而诱发钢筋锈蚀, 削弱构件的承载力, 影响构件的使用寿命, 严重者将会威胁到人们的生命和财产安全, 具有较大的安全隐患. 因此,在土建施工中, 对如何减小大体积混凝土构件出现裂缝以及补救措施的研究是一项重要的课题,虽然大体积混凝土裂缝目前还无法完全避免, 但是施工中若采取科学的施工措施和有效的防控手段, 这种裂缝可以减小到可控范围以内. 本文通过对混凝土构件出现裂缝的原因进行分析, 提出了几种常见的修补方法, 达到防控目.
1  大体积混凝土裂缝产生原因及影响因素
根据我国《 底板大体积混凝土施工工艺标准》 规定, 大体积混凝土构件是指最小断面任何一个方向尺寸大于0 . 8米以上的混凝土结构, 其尺寸已大到必须采取相应的技术措施降低其温差、 控制温度应力与裂缝开展的混凝土 .其构成是以胶凝材料( 水泥) 、 细骨料( 砂) 、 粗骨料( 石子) 为主要原材料, 并辅以外加剂和矿物混合材料, 按照适当比例配合经过均匀搅拌而形成的非均质脆性材料 . 由于混凝土材料配比和本身形变等因素的影响, 硬化成型的混凝土表面存在大量的微孔隙、 气穴和微裂缝, 这些表面裂缝是混凝土构件其他深层次裂缝产生的必备条件. 具体来说, 表面裂缝产生的原因是:
(1)混凝土构件自身的收缩、 变形的不一致;
(2)受到混凝土构件的非线性温度场约束;
(3)外环境气温变化明显, 从而引起构件内外产生较大的温度梯度, 形成温度应力, 当这种应力超过混凝土构件的抗拉强度时, 就产生了表面裂缝 . 一般来说, 这种表面裂缝是一种无害裂缝, 对混凝土构件的承重力、 防渗漏及其他一些使用功能不会产生危害. 但是当温度应力在表面裂缝端形成应力集中, 就会使得表面裂缝进一步向纵深发展, 形成深层裂缝甚至贯穿裂缝, 严重影响混凝土构件的力学结构和耐久性能. 导致大体积混凝土构件出现裂缝的原因有如下几个方面: 一是工程施工中, 构件浇筑温度过高, 再加上水泥水化热释放热量, 使得制品内部生成温度过高, 而在后期冷却过程中产生的温度应力超过一定限度, 从而导致混凝土开裂; 二是对于较薄的混凝土构件, 当施工环境恶劣时, 由于受到气温剧烈升降的影响, 混凝土制品表面裂缝与内部温降产生的应力叠加, 也容易出现深层裂缝和贯穿性裂缝; 三是由于施工过程中, 混凝土的浇筑是分层进行的, 不同层面的荷载, 温差也各异, 因而在新旧界面之间的结合力比较脆弱, 这也是深层裂缝容易出现的地方. 和表面裂缝相比, 深层裂缝和贯穿裂缝对整个混凝土结构的危害比较大, 它使得混凝土结构受力分布不均匀, 甚至可能导致建筑体的垮塌 .
为了确保建筑工程质量, 避免危害性裂缝的形成, 提高大体积混凝土构件抗腐蚀、 抗渗透及制品的承载能力, 必须对裂缝形成的影响因素进行分析研究 . 通过上述的裂缝原因分析并结合大量的混凝土施工工程实践发现, 影响大体积混凝土裂缝产生的因素主要表现在以下几个方面 .
(1)胶凝材料水化过程中释放的热量 . 在混凝土构件成型后, 随着水化过程中的不断进行水泥等胶凝材料继续释放大量的热量, 而混凝土是热的不良导体, 散热的速度比较慢, 从而导致混凝土结构内部温度不断升高, 在此过程中, 由于混凝土材料没有充分硬化, 表面产生的应拉力较小, 容易形成表面裂缝 . 当水泥水化反应减缓及水化热达到最高值以后, 整个混凝土构件处于降温阶段, 由于中心部分与表面冷却速度不一致, 当中心区域产生的拉
应力较大时, 构件就会出现贯穿性裂缝, 而这种裂缝是肉眼看不见的 .
( 2)施工的大气候环境、 气温等外部因素对裂缝的影响 . 如在我国寒区进行的青藏铁路、 大阪山隧道等建筑施工中, 随着外部气温的变化, 建在冻土上的混凝土构件的体积也会发生变化而导致路基出现翻浆, 冒泥等现象, 危害建筑体安全. 因为外部气温过低会导致混凝土构件表面与外部环境、 混凝土内部与表面之间的温度差变大, 相应的温度应力也随之变大, 更容易产生裂缝, 这对混凝土构件十分不利. 因此在特殊地区施工, 要采取合理的温控措施, 防止温度差过大就十分必要 .大量的混凝土工程实践表明, 虽然混凝土构件出现裂缝现象不可避免, 但是施工人员可以采取有效的防范措施将裂缝危害控制在一定的范围之内, 提高工程质量 .
2  大体积混凝土常见裂缝分析及预防措施
大体积混凝土裂缝产生的影响因素是多方面的, 要视具体施工环境条件和材料而定 . 本文针对常见的大体积混凝土裂缝的成因进行分析并提出相应的预防措施.
2 . 1  干缩裂缝  
干缩裂缝的产生的主要原因是混凝土内外水分蒸发程度的不同步而导致混凝土构件出现变形差异的结果. 受外部气候条件因素的影响, 构件表面水分蒸发较快, 变形较大, 而构件内部水分散发较慢, 湿度变化较小. 较大的表面干缩变形受到混凝土内部约束, 产生较大拉应力而产生裂缝. 一般而言,外界相对湿度越低, 混凝土构件收缩越大, 干缩裂缝越容易出现, 表现为构件呈现表面性的平行线状或网状浅细裂缝, 宽度大致在0.05~0.2mm 之间, 这种裂缝一般出现在截面相对薄弱的地方. 对于钢筋混凝土构件, 外界空气、 水分等介质容易通过裂缝渗入内部而锈蚀钢筋, 影响结构安全, 缩短建筑物寿命.
2 . 2  塑性收缩裂缝  
塑性收缩是指混凝土未凝结硬化前, 还处于塑性状态时发生的收缩. 塑性收缩的主要原因是由于水分从混凝土表面蒸发损失, 导致构件体积收缩, 由塑性收缩引起裂缝称为塑性收缩裂缝.一般出现在混凝土构件暴露表面, 裂缝深度不大, 在干热或大风天气容易出现, 其呈现为中间宽、 两端细且长短不一、 互不连贯的状态, 长度约为20~30cm , 宽1~5mm. 由于新拌混凝土处在沥水过程中或者沥水后的柔软塑性状态时, 混凝土构件几乎没有强度或强度很小, 受高温或较大风力的影响, 混凝土表面失水过快而导致混凝土收缩, 主要有毛细管压力收缩、 塑性沉降收缩、 早期化学收缩和早期自收缩, 其中以毛细管压力收缩最明显, 而此时混凝土的强度又无法抵抗其本身收缩, 因而形成塑性裂缝 . 只要保持混凝土表面潮湿如覆盖湿布、 喷水, 防止水分从构件表面蒸发, 就可以减少塑性裂缝的产.
2 . 3  温度裂缝  
水泥作为现代所有大型建筑混凝土的最基本材料, 在浇筑过程中会释放出大量的热量,这是导致建筑构件温度发生变化的主要原因 . 施工实践表明, 若水化过程释放热量为 200~400kj/kg , 这些热量可以使得隔热状态下的建筑构件升温 3 0~4 0℃ , 再加上构件本身的温度, 就会使得构件内部温度升得更高. 由于混凝土具有热胀冷缩的性质, 当外部环境与构件内部温度发生变化, 出现较大温差时, 混凝土将发生形变. 这种形变一旦遭遇阻碍, 则在结构内部产生应力, 当应力超过混凝土抗拉强度时就产生了裂缝, 此即为温度裂缝, 和其他裂缝相比, 温度裂缝的特别之处是裂缝会随着温度的变化而扩张或合拢.混凝土构件内部应力随温度变化及应力与抗拉强度的关系如图1 、 图2所示.

2 . 4  沉降裂缝   由于建筑体沉降不均匀而引起纵横向不规则弯曲、 形变, 当基础不足以调整因为沉降而产生的应力时, 就会在混凝土构件内部形成拉应力和剪应力, 当这两种
力量不足以抵抗形变压力时, 就产生了沉降裂缝, 如图3所示 . 这种裂缝的产生主要原因有:
(1)混凝土构件的地基土质分布不匀、 松紧程度不一, 如地基下有深浅不一的软土层、 塘或暗沟;
(2)在软弱基地如淤泥、 杂填土上施工, 即使土层均匀, 若压缩模量较小, 强度较低, 在荷载较大时, 容易产生沉降裂缝;
(3)建筑体地基边坡遭受破坏 . 一些位于陡坡边缘的建筑体, 由于地面高差较大, 加上陡坡的不稳定性, 容易造成建筑墙体开裂 . 沉降裂缝绝大多数为深层裂缝和贯穿性裂缝, 对建筑体危害性较大, 其走向与沉陷情况有关 . 大的沉降裂缝, 往往伴随有一定的墙体错位, 裂缝宽度往往与沉降量成正相关, 沉降量大则裂缝宽度就大, 当地基沉降停止时, 沉降裂缝也基本趋于稳定.
3  大体积混凝土裂缝控制措施由上述裂缝原因分析可知, 裂缝形成的原因主要来自于建筑材料、 配料及施工工艺等方面 . 本文就这几方面入手, 提出相应的裂缝控制措施 .
3 . 1  合理选取建筑材料   原材料是混凝土质量的根本, 对整个工程施工至关重要 . 施工单位应该在项目开工之前, 对供应商的水泥、 砂、 石、 矿粉、 煤灰等原材料进行调研, 选择稳定性高、 质量好的原材料.
(1 )水泥. 由于混凝土构件内外温差主要是由硬化过程产生的水化热产所致, 相关数据资料表明, 水泥用量控制在大约4 0 0k g/ m3时, 每立方米混凝土构件将释放19500~27000kj的热量, 这些热量足以使得建筑体内部温度升至7 0℃左右. 因此减小温差有效方法就要尽量采用低水化热的水泥. 水泥中的矿物质铝酸三钙( C 3 A ) 和硅酸三钙(C 3 S ) 含量越高, 水化过程释放的热量就越大, 因此在施工中一般采用含C 3 A 和C 3 S较低的硅酸盐水泥和低热矿渣水泥. 另外, 水泥本身的细度也是影响水化热的因素, 工程实践表明, 在不影响水泥活性的前提下, 适当减少水泥的细度, 以降低水化热释放的速率.
(2 )骨料. 骨料是混凝土结构的粒状松散材料, 是建筑体的骨架和支撑. 在建筑施工时, 水泥在搅拌过程中如果没有加入骨料, 就无法形成建筑构件, 骨料一般分为粗骨料和细骨料两种. 根据国家标准 G B / T1 4 6 8 5-2 0 0 1 《 建筑用卵石、 碎石》 的技术要求, 粒径大于4 . 7 5mm 的骨料为粗骨料, 又称为石, 而粒径小于4.75mm 的骨料为细骨料, 又称为砂.
 (2-1) 粗骨料. 对于大体积混凝土结构而言, 碎石的粒径不宜过大, 因为粒径越大, 需要粘接的水泥浆就越少, 建筑体构件内部缺陷就越容易遭到破坏. 在大体积混凝土构件中, 一般钢筋分布较密, 粒径过大会影响新拌混凝土的流动. 粒径太小则需要粘接水泥浆体用量就越多, 水泥用
量就大, 水化热就随之增大, 对防止裂缝的产生不利 . 因此, 在配料时, 碎石颗粒的大小与水泥用量之间的
合理配置就至关重要.
 (2-2) 细骨料. 《 水工混凝土施工规范2 0 0 1 》 对细骨料( 人工砂、 天然砂) 要求, 细骨料应该质地坚硬、 清洁、 级配良好. 一般采用中砂和中粗砂, 因其孔隙率小, 总表面积小, 混凝土的用水量和水泥用量就可以减少水化热就低, 可以有效地减少裂缝的产生; 另外, 要控制细骨料中的含泥量, 即骨料中粒径小于 0.075mm 的细尘屑、 淤泥和粘土的含量. 因为含泥量越大, 收缩变形就越大, 裂缝就越严重. 在具体工程实践中一般采用河砂、 湖砂, 因长期受到水流作用, 这种砂颗粒多呈现圆形, 比较洁净, 符合规范要求.
(2-3)外掺料. 大体积混凝土施工中, 在保证工程质量的前提下, 为了降低混凝土水化升温, 防止收缩,在施工中适当掺入适量粉煤灰和减水剂等外加剂, 能够提高混凝土构件的结构强度. 主要原因: 第一, 煤灰中的化学成分中含有大量的S i O 2 和 A l 2 O 3 等氧化物, 这些氧化物与潮湿环境中的 C a ( OH )2 等碱性物质反应, 能够增强混凝土的抗腐蚀能力; 第二, 粉煤灰中含有7 0%以上的玻璃微珠, 质地致密, 在配料过程中能够起到减水、 致密和匀质作用, 具有良好的促进水泥水化和润滑功能; 第三, 煤灰的火山灰反应进一步改善了混凝土内部的孔结构, 使混凝土构件中的孔隙率降低,裂缝收缩值也减小.根据本文提出的方法, 分别选用华新水泥普硅4 2 . 5水泥, 矿渣4 2 . 5水泥和中热5 2 . 5水泥, 掺加不等掺量的粉煤灰、 矿粉、 硅灰, 研究双组份和三组份胶凝材料配制混凝土强度和水化热的变化规律 .在强度相等条件下, 粉煤灰或磨细矿渣的掺入可以减少水泥用量, 从而降低发热量很大的C 3 A 和 C 3 S 的数量, 达到降低凝胶材料水化热的目的 .粉煤灰与磨细矿渣比较, 前者降低水化热效果明显 .
3 . 2  科学进行混凝土配料、 改进搅拌及浇注技术  
(1 )大体积混凝土配合比设计不能简单以水化过程释放热量多少为标准, 也不能像类似普通混凝土以 2 8 天抗压强度为标准 . 而应该将建筑体的耐久性、 绝热升温、 工作性及 2 8 天或 5 6 天的强度四项功能作为一个整体来设计 . 尽量采用“ 三低” 原则, 即低水灰比、 低水泥用量、 低用水量, 投料计量应准确, 搅拌时间应充足 .
(2 ) 合理分层分块浇筑, 振捣应均匀、 适度, 不得随意留置施工缝隙 . 在浇筑过程中, 振捣时间应该均匀一致, 以表面泛浆为宜, 间距要适当, 以振捣力波及范围重叠一半为宜, 浇筑完毕后, 表面要压实、 抹平, 以防止表面裂缝产生. 在分层浇筑时, 要确保上层混凝土在下层初凝前结合紧密, 避免纵向施工缝, 提高结构整体性和抗剪性能. 另外, 还要控制浇筑时间. 尽量避开中午太阳辐射较强, 温度较高的时段浇筑, 能够有效减少裂缝的产生.
3 . 3  制定科学的施工方法  
(1)首先要对施工工地进行仔细检查与勘测, 异常地基上施工必须谨慎, 确保处理后地基的承载力与本工程建筑体承载力相近 .
(2)加强混凝土的早期养护, 浇筑完毕后应该及时洒水养护, 保持表面湿润, 当浇水养护有困难或不能保证其表面湿润时, 应采用覆盖保温材料, 以减少混凝土的收缩变形的发生 .
(3)大体积混凝土施工, 应做好温度测控工作, 采取有效的保温措施, 保证构件内外温差不超过规定 .
(4)在混凝土浇筑进度安排上, 尽量做到薄层、 短间歇均匀, 避免突击浇筑一块混凝土, 然后长期停歇 .
4  结束语
本文对大体积混凝土裂缝原因作了分析、 探究, 对如何控制减少混凝土裂缝的产生提出了一些预防措
施. 由于多种因素的影响, 混凝土温差与应力的关系比较复杂, 不能具体量化, 只能从定性的角度进行说明裂缝的出现不可避免, 但是随着人们对材料、 施工设计和工艺的不断完善, 大体积混凝土裂缝问题会逐步好转.
 
 

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