水泥混凝土裂縫產生的原因與預防措施

張 國

水泥混凝土是現代工程結構的主要材料,在工程建設中占有重要地位。然而,水泥混凝土的裂縫一直較為普遍的存在,特別是大型地下室混凝土、水壩等大體積混凝土的裂縫尤其難以控制。水泥混凝土的裂縫是影響其“生命”的主要因素,我們有必要對其加以研究。

1 水泥混凝土裂縫的分類

我們所說的水泥混凝土的裂縫通常是指宏觀裂縫,根據其產生的原因可以將其分為:溫度裂縫、收縮裂縫和內部缺陷裂縫[1]。其中溫度裂縫和收縮裂縫都是在水泥混凝土澆筑成型初期產生的,我們稱其為“先天裂縫”;而內部缺陷裂縫則是在混凝土成型之后,由于其組成材料的缺陷(如砂子中存在泥塊)和澆筑成型時施工工藝不合理而形成的缺陷(如混凝土表面較深的麻面、漏漿引起的“蜂窩”等),在后期各種因素下形成的裂縫。本文將對其產生的原因與預防控制加以討論。

2 水泥混凝土裂縫產生的原因

2.1 溫度裂縫

水泥混凝土的線膨脹系數σt=1.0×10-5/℃,如果溫差達到30℃,則在混凝土中產生的應變為3×10-4。這個值已經超過一般水泥混凝土的極限拉應變,而且在很多情況下,特別是大體積混凝土,溫差都可能超過此值。

2.2 收縮裂縫

2.2.1 干燥收縮

干縮裂縫多出現在混凝土養護結束后的一段時間或是混凝土澆筑完畢后的一周左右。水泥砂漿中水分的蒸發會產生干縮,且這種收縮是不可逆的。干縮裂縫的產生主要是由于混凝土內外水分蒸發程度不同而導致變形不同的結果。

2.2.2 塑性收縮

塑性收縮是指混凝土在凝結之前,表面因失水較快而產生的收縮。塑性收縮裂縫一般在干熱或大風天氣出現,裂縫多呈中間寬兩端細且長短不一、互不連貫狀態。其產生的主要原因為:混凝土在終凝前幾乎沒有強度或強度很小,或者混凝土剛剛終凝而強度很小時,受高溫或較大風力的影響,混凝土表面失水過快,造成毛細管中產生較大的負壓而使混凝土體積急劇收縮,而此時混凝土的強度又無法抵抗其本身收縮,因此產生龜裂。影響混凝土塑性收縮開裂的主要因素有水灰比、混凝土的凝結時間、環境溫度、風速、相對濕度等等。

2.3 內部缺陷裂縫

一般水泥混凝土所用的原材料都是經過嚴格的試驗檢測,合格后才允許使用的,但是,檢測只是抽樣的檢測,不可能全部檢測。因此,難免會有不合格的材料混進水泥混凝土中,如集料中的軟石、砂子中的泥塊,數量雖然很少,但是在水泥混凝土中產生的破壞卻是致命的。在這些缺陷存在的地方,它們無法真正的與水泥混凝土粘結在一起,而且有強度或粘結力上的差異,所以,在外部荷載的作用下,此處極易產生應力集中,在應力的作用下它們可能轉變為裂紋,并最終發展為裂縫。

另外,在施工工藝不合理時,水泥混凝土表面可能產生麻面,在這些麻面中有些可能較深,在外界環境大氣和水的作用下,它們可能進一步發展,最后發展為裂紋或裂縫。

3 水泥混凝土裂縫的預防措施

3.1 水泥混凝土的原材料選擇

3.1.1 選用合適的水泥種類

由于溫差主要是由水化熱產生的,所以為了減小溫差就要盡量降低水化熱,為了降低水化熱,要盡量采取早期水化熱低的水泥。由于水泥的水化熱是礦物成分與細度的函數,要降低水泥的水化熱,主要是選擇適宜的礦物組成和調整水泥的細度模數,硅酸鹽水泥的礦物組成主要有:C3S,C2S,C3A和C4AF,試驗表明:水泥中鋁酸三鈣(C3A)和硅酸三鈣(C3S)含量高,水化熱較高,所以,為了減少水泥的水化熱,必須降低熟料中C3A和C3S的含量。在施工中一般采用中熱硅酸鹽水泥和低熱礦渣水泥。另外,在不影響水泥活性的情況下,要盡量使水泥的細度適當減小,因為水泥的細度會影響水化熱的放熱速率,試驗表明比表面積每增加100 cm2/g,1 d的水化熱增加 17 J/g～21 J/g,7 d和20 d均增加4 J/g～12 J/g[3]。

3.1.2 選用合適的填料或外加劑

1)摻加粉煤灰,為了減少水泥用量,降低水化熱并提高和易性,我們可以把部分水泥用粉煤灰代替,摻入粉煤灰主要有以下作用:a.由于粉煤灰中含有大量的硅、鋁氧化物,其中二氧化硅含量40%～60%,三氧化二鋁含量17%～35%。這些硅鋁氧化物能夠與水泥的水化產物進行二次反應,是其活性的來源,可以取代部分水泥,從而減少水泥用量,降低混凝土的熱脹;b.由于粉煤灰顆粒較細,能夠參加二次反應的界面相應增加,在混凝土中分散更加均勻;c.同時,粉煤灰的火山灰反應進一步改善了混凝土內部的孔結構,使混凝土中總的孔隙率降低,孔結構進一步的細化,分布更加合理,使硬化后的混凝土更加致密,相應收縮值也減小。

2)摻加減水劑、引氣劑等外加劑,混凝土中摻加一定用量的外加劑,如防水劑、膨脹劑、減水劑、緩凝劑等。外加劑中糖鈣能提高混凝土的和易性,使用水量減少20%左右,水灰比可控制在0.55以下,初凝延長到5 h左右。

3.1.3 選用合適骨料

選用10 mm～40 mm連續級配碎石(其中10 mm～30 mm級配含量 65%左右),細度模數2.80～3.00的中砂(通過 0.315凹篩孔的砂不少于15%,砂率控制在40%～45%)。砂、石含泥量控制在1%以內,并不得混有有機質等雜物,杜絕使用海砂。

3.2 選用恰當的施工工藝

1)水泥混凝土澆筑過程質量控制。澆筑過程中要進行振搗方可密實,振搗時間應均勻一致,以表面泛漿為宜,間距要均勻,以振搗力波及范圍重疊1/2為宜。澆筑完畢后,表面要壓實、抹平,以防止表面裂縫。另外,澆筑混凝土要求分層澆筑,分層流水振搗,同時要保證上層混凝土在下層初凝前結合緊密。避免縱向施工縫、提高結構整體性和抗剪性能。

2)澆筑時間控制。盡量避開在太陽輻射較高的時間澆筑,若由于工程需要在夏季施工,則盡量避開正午高溫時段,澆筑盡量安排在夜間進行,以免形成干縮裂縫。

3)水泥混凝土拆模時間控制。混凝土在實際溫度養護的條件下,強度達到設計強度的75%以上,混凝土中心與表面最低溫度控制在25℃以內,預計拆模后混凝土表面溫降不超過9℃以上允許拆模。氣溫驟降時進行表面保溫,以免混凝土表面發生急劇的溫度梯度。

3.3 養護

混凝土的早期養護,主要目的在于保持適宜的溫濕條件,以達到兩個方面的效果:一方面使混凝土免受不利溫、濕度變形的侵襲,防止有害的冷縮和干縮;另一方面使水泥水化作用順利進行,以期達到設計的強度和抗裂能力。適宜的溫濕度條件是相互關聯的。混凝土的保溫措施常常也有保濕的效果。從理論上分析,新澆混凝土中所含水分完全可以滿足水泥水化的要求而有余。但由于蒸發等原因常引起水分損失,從而推遲或妨礙水泥的水化,表面混凝土最容易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護的關鍵時期,在施工中應切實重視起來。

4 結語

雖然水泥混凝土很容易產生裂縫,但是大量的科學研究以及成功的工程實例都表明:只要我們能夠對其有足夠的認識,在施工工藝、材料選擇以及后期的養護過程中充分考慮各種因素的影響,還是完全可以預防裂縫產生的。

[1] 申勁鑫.建筑工程中常見結構裂縫的類型特征及其分析步驟與處理方案[Z].甘肅省建筑科學研究院,2008.

[2] 劉金橋.大體積混凝土裂縫控制綜述[M].北京:中國建筑工業出版社,2007.

[3] 孫 浩.橋梁工程中大體積混凝土裂縫的原因與控制[N].北京:交通運輸報,2007.

[4] 陳 中,丁永紅.混凝土的施工溫度與裂縫控制[M].北京:科學出版社,2007.