大體積混凝土裂縫的成因及預(yù)防與控制

高 琛

隨著大型現(xiàn)代化工業(yè)廠房和現(xiàn)代高層、超高層建筑日益增多,與其相適應(yīng)的大體積混凝土也得到了廣泛應(yīng)用,但其本身在施工中易產(chǎn)生裂縫卻給工程設(shè)計和施工人員帶來了很大的難題。分析工程實踐中結(jié)構(gòu)物的裂縫原因,主要包括干縮裂縫、硬化收縮裂縫、塑性收縮裂縫、溫度裂縫、沉縮裂縫等。本文僅分析產(chǎn)生各種裂縫的原因并提出防治裂縫的措施。

1 混凝土常見裂縫的種類及產(chǎn)生原因

1.1 干縮裂縫產(chǎn)生原因

干縮裂縫是水泥漿中水分的蒸發(fā)而產(chǎn)生的,這種收縮是不可逆的。當(dāng)混凝土受外部條件的影響時,表面水分損失過快,變形較大,內(nèi)部濕度變化較小,較大的表面干縮變形受到混凝土內(nèi)部約束,產(chǎn)生較大拉應(yīng)力時,即產(chǎn)生干縮裂縫。相對來講,濕度越低,水泥漿體干縮越大,干縮裂縫越易產(chǎn)生[1]。干縮裂縫多為表面性的平行線狀或網(wǎng)狀淺細(xì)裂縫,大體積混凝土中平面部位多見。

1.2 硬化收縮裂縫

硬化收縮裂縫是混凝土硬化過程中由于化學(xué)作用引起的收縮,是化學(xué)結(jié)合水與水泥的化合結(jié)果,即水泥與水化合作用后生成物體積小于原物料體積,這種收縮與外界濕度無關(guān)[2]。

1.3 塑性收縮裂縫產(chǎn)生原因

混凝土收縮裂縫在大體積混凝土(特別是泵送大流態(tài)混凝土)施工中也是非常多的。混凝土澆筑成型后,養(yǎng)護(hù)工作不到位,沒有及時地進(jìn)行表面覆蓋,表面水分散失過快,導(dǎo)致混凝土內(nèi)部與外部不均勻收縮[3]。另外干縮快慢差形成的混凝土表面拉應(yīng)力,也是混凝土產(chǎn)生裂縫的重要原因。

1.4 溫度裂縫

1)溫度裂縫成因機(jī)理。混凝土澆筑后,由于水泥的水化熱作用,要產(chǎn)生大量的水化熱,使混凝土溫度升高,因而使混凝土體積膨脹,由于受到樁基的約束,將出現(xiàn)較小的壓應(yīng)力(這是因為澆筑初期混凝土的變形模量小,還處于塑性階段)產(chǎn)生裂紋[8]。另一方面在混凝土澆筑初期,由于表面溫度較低,在混凝土內(nèi),待達(dá)到最高溫度后,隨著熱量向外部散發(fā)混凝土溫度逐漸下降,直到溫度穩(wěn)定,混凝土體積發(fā)生收縮,但受到樁基的約束將產(chǎn)生很大的拉應(yīng)力,如其超過材料的抗拉強(qiáng)度時內(nèi)外形成溫差,使其外部混凝土收縮受到內(nèi)部混凝土約束產(chǎn)生拉應(yīng)力,當(dāng)其超過材料的抗拉強(qiáng)度時產(chǎn)生表面裂縫[4]。2)溫度裂縫的種類。總體來說溫度裂縫有三類[11]:a.混凝土澆筑初期,產(chǎn)生大量的水化熱,由于混凝土是熱的不良導(dǎo)體,水化熱積聚在混凝土內(nèi)部不易散發(fā),常使混凝土內(nèi)部溫度上升,而混凝土表面溫度為室外環(huán)境溫度,這就形成了內(nèi)外溫差,這種內(nèi)外溫差在混凝土凝結(jié)初期產(chǎn)生的拉應(yīng)力當(dāng)超過混凝土抗壓強(qiáng)度時,就會導(dǎo)致混凝土裂縫;b.在拆模前后,表面溫度降低很快,造成了溫度陡降,也會導(dǎo)致裂縫的產(chǎn)生;c.當(dāng)混凝土內(nèi)部達(dá)到最高溫度后,熱量逐漸散發(fā)而達(dá)到使用溫度或最低溫度,它們與最高溫度的差值就是內(nèi)部溫差。在這三種溫差中,較為主要的是由水化熱引起的內(nèi)外溫差。

1.5 碳化收縮裂紋

碳化收縮裂紋是大氣中的二氧化碳與水泥的水化物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)引起的收縮變形,各種水化物的堿度不同,結(jié)晶水及水分子數(shù)量不等,碳化收縮量也大不相同。碳化作用只有在適度的濕度,約50%才發(fā)生,且隨二氧化碳濃度增加速度加快,它與干燥收縮一起導(dǎo)致表面開裂和面層碳化[5]。

1.6 沉縮裂縫

混凝土沉縮裂縫在大體積混凝土(特別是泵送大流態(tài)混凝土)施工中也是非常多的。主要原因是振搗不密實,沉實不足,或者骨料下沉,表層浮漿過多,混凝土澆筑后,沒有及時抹壓實(特別是初凝前的二次拌壓),且表面覆蓋不及時,受風(fēng)吹日曬,表面水分散失快,產(chǎn)生干縮,混凝土早期強(qiáng)度又低,不能抵抗這種變形而導(dǎo)致開裂[6]。

2 大體積混凝土裂縫的控制與預(yù)防

2.1 從原料方面控制

2.1.1 大體積混凝土裂縫控制原料選擇原則[7]

首先,選擇合適水泥和嚴(yán)格控制水泥用量,選用低熱水泥,減少水化熱,降低混凝土的溫升值,降低混凝土所受的拉應(yīng)力。

其次,改善骨料級配,盡量擴(kuò)大骨料粒徑[13]。對機(jī)械程度不高的少筋混凝土,可埋放塊石,減少水泥用量。

2.1.2 大體積混凝土裂縫控制的具體措施

1)原材料的控制,大體積混凝土宜選用水化熱低、凝結(jié)時間長的水泥,可以優(yōu)先選用礦渣水泥、粉煤灰水泥、火山灰水泥和復(fù)合水泥。2)選用連續(xù)級配的骨料,可減少用水量和水泥用量,降低混凝土的收縮和水化熱。在施工條件允許的前提下,盡量選用粒徑較大、級配良好的粗骨料,其最大粒徑不得大于鋼筋間最小凈距的 3/4。3)加入適量的摻合料,可以改善混凝土的和易性,降低水化熱。例如,在混凝土中摻入占水泥質(zhì)量0.25%的木質(zhì)素磺酸鈣,可減少 10%的拌合水,節(jié)約10%的水泥,從而降低水化熱[9,10];加入適量的粉煤灰,不僅能起潤滑作用,改善混凝土的粘塑性和可泵性,而且還可以降低混凝土的水化熱[8]。

2.2 施工過程控制

1)設(shè)置滑移層。為了方便混凝土底板熱能釋放時所產(chǎn)生的平行移動,在澆筑混凝土前宜在基礎(chǔ)墊層與混凝土基礎(chǔ)之間,設(shè)置瀝青油氈或其他類似的材料作為滑移層,以減少大體積混凝土底板的內(nèi)外約束。2)設(shè)置緩沖層。為了緩解地基對基礎(chǔ)收縮時的側(cè)壓力,減少地基的約束作用,可在混凝土基礎(chǔ)的某些部位設(shè)置緩沖層。3)合理配置鋼筋。在容易開裂部位配置一定數(shù)量的抗裂鋼筋,增大含鋼率,增大體積混凝土的抗裂性能。4)設(shè)置后澆縫。宜適當(dāng)設(shè)置混凝土的后澆縫,減少外約束力和溫度應(yīng)力,同時也利于散發(fā)混凝土內(nèi)部的熱量。后澆縫封閉之前,應(yīng)將混凝土底板的斷面處鑿毛,并將鋼筋按設(shè)計要求連接好,再用補(bǔ)償收縮混凝土澆灌密實。

2.3 混凝土的后期保溫、保濕養(yǎng)護(hù)

混凝土保溫養(yǎng)護(hù)的主要目的是減少混凝土表面的熱擴(kuò)散,降低混凝土結(jié)構(gòu)表面溫度梯度,防止產(chǎn)生表面收縮裂紋[11]。

3 結(jié)語

大體積混凝土的裂縫嚴(yán)重影響著其使用壽命,所以工程技術(shù)人員應(yīng)根據(jù)裂縫的類型制定適宜的控制方案,將不利因素減少到最小,提高混凝土使用壽命,確保工程質(zhì)量。

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