淺談建筑工程中大體積混凝土的裂縫成因與控制

孟劍波

(泰州市天衡建設工程質量檢測有限公司,江蘇泰州 225500)

淺談建筑工程中大體積混凝土的裂縫成因與控制

孟劍波

(泰州市天衡建設工程質量檢測有限公司,江蘇泰州 225500)

本文結合工程管理及試驗檢測工作經歷,從水泥水化熱、混凝土收縮、外界氣溫及濕度變化等方面分析了建筑工程中大體積混凝土產生裂縫的成因,并探討了預防、檢查和處理此類問題的技術措施,有助于大體積混凝土構件裂縫的研究與控制。

建筑工程 大體積混凝土 裂縫 成因 控制

1 引言

近年來,隨著我國改革開放政策的不斷深化,國民經濟得到迅速發展,綜合國力不斷增強,城鄉建設也發生了日新月異的變化,我國在建筑設計、施工技術等方面都有了飛速的發展。大體積混凝土在建筑結構中的應用越來越廣泛,下部結構如大型地下室、橋臺底板、墩身、大型錨錠均屬大體積混凝土。目前國內建設的客運專線鐵路的箱梁體積也很大。在建筑工程建設的飛躍發展過程中,出現了許多嶄新的技術課題亟待解決,大體積混凝土的裂縫控制就是其中之一,已引起廣大工程技術人員的高度重視。

在建筑施工過程中,由于水泥的水化熱作用,混凝土澆筑后需要經歷升溫期、降溫期和穩定期三個階段,在這個過程中,混凝土的體積隨之伸縮、凝固、易出現裂縫。因此,廣大工程建設者都在積極探究裂縫產生的原因,尋求能有效防止裂縫出現的措施和途徑,根據大體積混凝土熱量大、散熱慢等特點,采取相應措施,對施工過程進行控制。

2 大體積混凝土裂縫產生的原因

2.1 水泥水化熱的影響

大量研究結果表明:混凝土屬于脆性材料,其抗拉強度通常只有抗壓強度的1/8～1/10。而其斷面尺寸較大,現階段大量使用泵送混凝土,與以往現場拌制的塑性混凝土相比,泵送混凝土具有坍落度大、砂率大、水泥用量多的特點。隨著水泥標號和強度等級的提高,水泥的水化熱會使混凝土內部溫度急劇上升,在此后的降溫過程中,在一定的約束條件下會產生相當大的拉應力。大體積混凝土構件中通常只在表面配置少量鋼筋,或者不配鋼筋。因此,拉應力要由混凝土本身來承擔。當拉應力超過混凝土的極限抗拉強度時,混凝土表面就會產生裂縫。

2.2 混凝土的收縮

混凝土在空氣中硬結時體積減小的現象稱為混凝土收縮。混凝土在不受外力情況下的這種自發變形,受到外部約束時(支撐條件、鋼筋等),將在混凝土中產生拉應力,使得混凝土開裂。引起混凝土裂縫的主要原因有塑性收縮、干燥收縮和溫度收縮。在硬化初期主要是水泥在水化硬化過程中產生的體積變化,后期主要是混凝土內部自由水分蒸發而引起的干縮變形。

2.3 外界氣溫和濕度變化的影響

在施工期間,外界氣溫的變化對大體積混凝土裂縫的產生有著很大的影響。混凝土內部的溫度是由澆筑溫度、水泥水化熱的絕熱溫升和結構的散熱溫度等各種溫度疊加組成的。澆筑溫度與外界氣溫有著直接的關系,外界氣溫愈高,混凝土的澆筑溫度也就會愈高；如果外界溫度降低,又會增加大體積混凝土的內外溫度梯度。如果外界溫度下降得過快,會造成很大的溫度應力,極易引發混凝土的開裂。混凝土溫度的這種變化可能造成兩種后果:a)在混凝土升溫期,混凝土表面散熱條件好,熱量向大氣散發,溫度上升較少較慢,而內部則散熱少,溫度持續上升,這樣形成的內表溫差(溫度梯度)會在混凝土表層產生較大的拉應力,當該拉應力超過此時混凝土的極限抗拉強度時,混凝土表面就會產生裂縫；b)在混凝土后期降溫過程中,由于溫度下降引起混凝土體積收縮變形,這種變形受到地基及結構邊界約束時也會產生大的拉應力,當該拉應力超出當時混凝土的極限抗拉強度時,混凝土將在約束面開裂,嚴重時形成貫穿裂縫。

另外,外界的濕度對混凝土的裂縫也有很大的影響,外界的濕度降低會加速混凝土的干縮,也會導致混凝土裂縫的產生。

綜上所述,從防止混凝土出現溫度變形裂縫的前提出發,控制溫度變形裂縫的主要途徑有:a)降低混凝土內部最高溫升,減小總降溫差；b)提高混凝土表面溫度,降低混凝土內表溫差,減小溫度梯度；c)延緩混凝土的降溫速率,充分發揮徐變特性。

3 防治大體積混凝土裂縫開展的措施

根據前述分析,可以采取以下幾個方面的措施來控制和減少裂縫的產生。

3.1 優化大體積混凝土的設計

根據當地氣候條件選擇合理的混凝土配合比,除滿足強度、耐久性要求外,還要考慮運送距離、泵送距離,具體施工條件等因素。配合比合理設計,宜減少水泥用量,將水泥用量盡量控制在450kg／m3以下；降低水灰比,一般混凝土的水灰比控制在0．6以下；改善骨料級配,摻加粉煤灰或高效減水劑等來減少水泥用量,降低水化熱；在混凝土中摻加一定量的具有減水、增塑、緩凝等作用的外加劑,改善混凝土拌合物的流動性、保水性,降低水化熱,推遲熱峰的出現時間。總之,在保證強度的前提下,水泥用量不宜過多；在保證澆筑流動性的前提下,坍落度不宜過大。

在易產生裂縫的部位安置一些抗拉鋼筋,混凝土鋼筋保護層的厚度應當盡量取較小值,因為保護層厚度越大越容易產生裂縫。工程實踐表明,在相同的配筋率下,選擇較細的鋼筋,防止混凝土開裂的效果會更好。

在越長越寬的大體積施工圖設計中,設計院設計有變形縫、后澆帶等施工縫,實際上是為防止混凝土結構因溫度變化而必須設置的構造縫,這種方法在施工中常見。它的最大優點是:減少整體結構縱向拉應力過大而產生裂縫,其缺點是設置變形縫、后澆帶給施工帶來諸多麻煩,但總體看來,利大于弊,混凝土裂縫得到有效控制。

3.2 原材料使用方面的措施

為了減少混凝土自身的收縮,首先應從混凝土原材料質量和混凝土配合比設計上抓起,拌制混凝土的原材料質量必須符合國家和行業現行有關標準、規范的要求。

(1)水泥品種及用量。水泥水化熱產生大量熱量,是導致混凝土產生裂縫的主要原因。使用普通硅酸鹽水泥、礦渣酸鹽水泥應符合國家現行標準,水泥越細,標號越高,其活性與強度隨之增高,帶來的副作用是混凝土自身收縮越大。因此,盡量選用低熱或中熱水泥,如礦渣水泥、粉煤灰水泥等。

(2)摻加粉煤灰及外加劑。在大體積混凝土中摻加一定量的粉煤灰后,可以增加混凝土的密實度、提高抗滲能力、改善混凝土的工作度、降低最終收縮值、減少水泥用量,這是防止混凝土開裂的有效方法之一。外加劑可以使用UFA膨脹劑,它可以等量替換水泥,并使混凝土產生適度膨脹,這一方面可保證混凝土的密實度,另一方面可使混凝土內部產生壓力以抵消混凝土中產生的部分拉應力。減水緩凝劑,可保證一定的坍落度,延緩水化熱的峰值,并改善混凝土的和易性,降低水灰比以達到減少水化熱的目的。

(3)細集料、粗骨料的選擇。細集料應級配合理,細度模數在2．1以上,嚴格控制其含泥量在2%以下。盡量采用細度模數在2．6～2．8的中偏粗砂,每立方米混凝土可減少水泥用量30kg左右,減少用水量20～30kg,從而降低水化熱和混凝土的收縮。砂率一般選取范圍為38%～45%。

粗骨料應選擇粒徑大、強度高、級配好的骨料,條件允許時,盡量選用連續級配。控制針片狀含量、含泥量不超標。這樣不僅能提高混凝土可泵性,還可降低砂率,減少細粉料的含量,達成減少混凝土自身收縮的目的。

3.3 施工過程中的措施

混凝土的施工包括混凝土的生產、運輸、澆筑和溫度及表面裂縫控制。養護是防止大體積混凝土產生溫度裂縫的關鍵環節。施工過程中,要避免混凝土攪拌時間過長,避免運輸時間長及顛簸,以防混凝土離析。混凝土要充分振搗,加強模板的施工質量,防止由于模板變形、移位而使混凝土產生裂縫。

在氣溫較高的情況下施工,一定要注意降低混凝土澆筑的溫度。在施工現場不僅要對露天堆放的砂石蓬布加以覆蓋,以減少陽光照射,同時對澆筑前的砂石要用冷水降溫。采取這些措施能夠有效地降低混凝土的入模溫度。攪拌過程中,還應在混凝土內部設立冷卻系統,通入冷卻水進行冷卻,及時降低混凝土的內部溫度。混凝土表面應覆蓋一些織物進行保溫、保濕及護養,并可搭棚遮陽,這樣不僅可以降低混凝土的內外溫差,防止表面開裂,還可以防止混凝土因驟然降溫而產生貫穿裂縫,使之順利水化,防止產生裂縫。

如果是在冬季施工,要防止早期混凝土被凍,要求混凝土澆筑時應達必要的溫度,在澆筑前應對基礎及混凝土接觸的冷壁用蒸汽預熱。對骨料也要適當加溫,用溫水攪拌,另外要注意運輸中的保溫,澆筑過程中注意減少熱量損失以及采用蒸汽養護方法。

在澆筑過程中還應重視采用二次振搗技術。混凝土初凝前在其表面進行二次振搗,消除混凝土沉縮和塑性收縮產生的表面裂縫,增加混凝土內部的密實度。泵送混凝土的表面泥漿較厚,在振搗后要進行工藝處理,一般初前先按設計標高用長刮刀刮平,然后在初凝前用滾筒碾壓數遍,再進行二次抹面,消除收縮裂縫。

4 結語

雖然大體積混凝土易產生溫度裂縫和收縮裂縫,但只要在設計、施工工藝、材料選擇及養護過程中能夠充分考慮多種因素的影響,并及時采取合理的處治措施,就能避免或減少裂縫的出現。當然,在建筑工程施工中,大體積混凝土裂縫的防治是一項綜合技術,仍有待于在實踐中繼續研究與探索。

[1]梁平.大體積混凝土裂縫成因及處理措施[J].技術與市場,2011(7).

[2]王輝.大體積混凝土溫度裂縫的分析與控制[J].陜西建筑,2010(3).

孟劍波(1974—),男,江蘇姜堰人,工程師,多年從事工程質量管理及試驗檢測工作。