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混凝土施工中的裂缝原因与防治
admin在2018-01-08发布 频道:行业资讯 标签:裂缝 混凝土 原因
     

一、概述

    混凝土凝结硬化的过程也是其缺陷形成的过程。在水泥石中间、水泥石和集料的界面中间就已经处处充满了微裂缝,而集料中也可能存在微裂缝,可以说“混凝土有裂缝是绝对的,无裂缝是相对的”。裂缝是固体材料中的某种不连续现象,是材料的一种缺陷,在某种程度上是人们可以接受的一种材料特征。这些在混凝土塑性阶段产生的原生裂缝是混凝土耐久性的隐患。混凝土裂缝问题是混凝土工程中带有一定普遍性的技术问题。不少混凝土整体结构的损坏往往是微观裂缝发展、延伸、贯穿的结果。混凝土裂缝的存在可能使混凝土结构构件承载能力降低,挠度增大,同时它也是侵蚀性介质向混凝土基体渗透,迁移的通道,严重影响混凝土结构的耐久性。因此裂缝形成机理及裂缝防治研究一直以来是混凝土工程领域的重要研究课题。
    商品混凝土系指由水泥、集料、水以及根据需要掺入的外加剂和掺合料等组分按一定的比例,在搅拌站(楼)经计量、拌制后出售的,并采用运输车、在规定时间内运至使用地点的混凝土拌合物,亦称预拌混凝土。随着商品混凝土在建筑工程上的广泛应用,混凝土的开裂问题越来越受到人们的关注。使用单位普遍认为,与现拌混凝土相比,商品混凝土较容易出现裂缝。本节就商品混凝土产生早期裂缝的原因进行分析和探讨,同时建议采取针对性的措施防治和控制混凝土裂缝。
    商品混凝土一般是高流态混凝土,以其快速高效、质量稳定、供应量大和不占用施工现场等特点得到了广泛的应用,但它的高流动性和可泵性也产生了一些负面作用,如:
    (1)胶凝材料用量增加:胶凝材料在凝结硬化过程中体积要缩小,通常收缩率为万分之三。混凝土在硬化过程中的抗拉能力及钢筋与混凝土之间的握裹力均抵抗不了胶凝材料的收缩。所以,胶凝材料用量的增加也增大了裂缝出现的几率;
    (2)砂率增加:一般高流态混凝土的砂率都在40%以上且集料粒径减小,这是混凝土泵送的要求。由于细集料的增多,减弱了混凝土之间的连接,裂缝的机会增多了;
    (3)坍落度大:高流态混凝土的坍落度一般都在180mm 以上,对于许多高层建筑,坍落度甚至要超过 240mm。施工中发现,坍落度大、流动性大的混凝土比坍落度小、流动性小的混凝土更易出现裂缝。
    (4)外加剂:商品混凝土中普遍掺有外加剂(减水剂、缓凝剂、保塑剂、防水剂等)。一般认为在混凝土中掺入适量的外加剂能减少单位用水量、减少水泥用量,使混凝土的收缩值降低,有利于减少裂缝。但最近的研究表明,在水泥用量和坍落度保持不变的前提下,市场上有近一半的外加剂(包括高效减水剂和各种防水剂)所配制混凝土的28d收缩率大于基准混凝土,最大的收缩率已接近于基准混凝土的1.5倍,而且质量波动非常大。外加剂的掺用可能是导致商品混凝土裂缝的重要原因。
    与普通混凝土相比起来,商品混凝土的收缩及水化热增加。当混凝土构件受到外界约束时,就会产生较大的收缩应力,当其超过混凝土抗拉强度时,混凝土就会产生裂缝,尤其是在高层建筑地下室墙板等大体积混凝土构件中,当地下水位较高时,还会引起渗漏等问题。
    由于这些特点,使商品混凝土出现开裂的可能性增大。再加上使用单位没有注意到这些特性变化,仍然以过去的经验来对商品混凝土结构进行配筋、施工和养护,这是商品混凝土普遍产生裂缝的最根本原因。
    商品混凝土裂缝多发生在早期(一般发生在三天以前),这时大多数构筑物还没有承受荷载。商品混凝土成型后出现的早期裂缝,主要是由于混凝土在凝结和硬化过程中产生的收缩变形引起的。其中收缩可分为五大类:塑性收缩、干燥收缩、自收缩、热收缩和碳化收缩。其中前四种收缩对商品混凝土早期裂缝影响较大。
    典型的商品混凝土早期裂缝有:
    (1)大面积楼板产生的裂缝。一般发生在混凝土初凝前后,多发生在梁板交界处、厚度突变处和梁板钢筋上部,春夏和夏秋季节转换时最容易发生;
    (2)大体积混凝土温度裂缝;
    (3)地下室外墙裂缝。裂缝非常有规律,即在墙体长度方向等间距分布的垂直裂缝,裂缝宽度呈现橄榄状(中间宽,两头小)一般为贯穿性裂缝,且大多在拆模前就已形成;
    (4)高速公路路面或高架桥面板成型后出现不规则的表面裂缝(纵向、横向等概率分布)。

二、商品混凝土早期裂缝成因分析

(一)结构设计方面的原因

    商品混凝土在施工中出现开裂,人们往往把责任推向商品混凝土供应商和施工单位,而忽略了设计单位也有可能要负一定的责任。由于安全系数取得过高,而导致配筋过密、过粗,甚至出现结构设计不合理,从而导致混凝土的开裂。因此要避免商品混凝土在施工中出现危害裂缝,需要设计单位、施工单位、商品混凝土供应商三方面共同努力。
1.结构温度伸缩缝间距

    根据《混凝土结构设计规范》(GBJ10),为避免结构由于温度收缩应力引起的开裂,采取永久式伸缩的方法,伸缩缝允许间距为0m~55m(室内或土中长墙、剪力墙结构及框架结构),露天条件下为20m~35m。规范的附注中又明确指出:如有充分依据和可靠措施时,上述规定可以增减。其他有关的规程中还有允许采用“后浇带”取代伸缩缝的办法。
2.构造配筋

    设计时注意构造配筋十分重要,它对结构抗裂影响很大。但目前国内外对此都不够重视。对连续式板不宜采用分离式配筋,应采用上下两层(包括受压区) 连续式配筋;对转角处的楼板(受双向约束较大)宜配上下两层放射筋,孔洞位置配加强筋;对混凝土梁的腰部增配构造钢筋,其直径为8m~14mm,间距约200mm,视情况而定。
3.混凝土结构形式与强度等级

    在水平结构(如梁、板、墙等)中,尽量采用中低强度等级的混凝土 (C25~C35),利用后期强度R60、R90验收。
    泵送混凝土的迅速发展,由于流动性与和易性的要求,坍落度增加,水泥强度等级提高,水泥用量、用水量、砂率均增加,集料粒径减小,减水剂及其他外加剂的增加等诸因素的变化,导致混凝土的收缩及水化热作用都比以往预制装配工程结构和中低强度等级混凝土大量增加,收缩时间延长,已为大量试验所证实。在裂缝控制中决定混凝土抵抗力的是抗拉强度(极限拉伸),水泥用量及强度等级的增加,可明显提高抗压强度,但对抗拉强度(极限拉伸)的提高是较小的。
    同时在结构设计方面,已从过去大量运用简支构件组合的静定体系发展为超静定框架和剪力墙体系,新结构体系的约束度显著增加,约束应力也相应增加。随着建设规模的日趋宏大,超长、超宽、超厚结构日趋增多,对结构的约束应力更是雪上加霜。混凝土高强化,缺乏考虑适用范围就推广到长墙、板梁、箱体等承受水平约束应力很高的结构中,导致过大的约束应力。
    工程结构设计中应当特别注意混合结构的约束状态,尽可能降低结构的约束度(约束变形与自由变形之比)。各种砌块结构的抗裂性能较差,又由于砌体含水量较大导致收缩变形较大,与混凝土共同工作协调性不良,常引起严重开裂(特别在顶层楼板和墙体约束温度应力及填充框架变形裂缝)。在基岩或老混凝土上常采用设滑动层的作法(放的设计原则)和设铰接节点的作法(微动节点)。在约束度很高的结构中,除合理选择材料强度等级外,必须加强构造配筋(抗的设计原则),提高抗裂能力。
    平屋顶结构的设计,应注意加强屋面保温隔热措施,尽可能采用性能较好的保温材料、防水材料,有条件的地区可利用架空隔热板以减少太阳辐射引起的升温。变形作用引起的开裂多发区经常在高层建筑的地下室及地上1、2层(强约束区) 以及顶层(温差及收缩激烈波动区),所以要加强这些区域的构造设计。
    钢筋保护层厚度过薄,对于耐久性不利;过厚会增加开裂宽度和开裂率,所以应根据耐久性要求的最小允许厚度确定,如C25~C35 的混凝土结构,按50年设计寿命考虑,保护层厚度最小应为25mm,混凝土强度等级≤C20 时为35mm,混凝土强度等级≥C35时,取15mm;遇有高湿环境时应加厚保护层;保护层厚度不均匀容易引起裂缝;楼板的二次浇灌层应注意其抗裂性。

(二)施工工艺方面的原因

    混凝土在未凝结前,受到外力,可以有恢复作用;但初凝后,混凝土逐渐失去本身的流动性,出现裂缝恢复较难。
    1.泵送管道支撑对楼板的冲击和振动。楼板面积比较大时,泵送管道通常架设在模板上,由于泵送管道布置弯头较多,使泵送阻力增加,泵管输送混凝土时的来回运动,影响到钢筋的周期振动,对初凝后的混凝土影响很大。长时间作用条件下在混凝土中会形成裂缝,裂缝方向性很强,与钢筋走向相同,呈方格状或等距离分布。
    2.底板模板刚度不足,受力变形亦会造成裂缝。此种情况,常见于胶合板模板,下部支撑杆布置较稀时,未浇筑前上人就可以感到模板刚度不够,脚抬起来模板就反弹。如果浇混凝土之后混凝土虽然凝固,但未能达到足够的强度时,此时上人作抹平、浇水或养护作业时,受上述荷载的作用,就会出现裂缝,此种裂缝呈不规划放射网状,裂缝集中处即是受外力集中的地方。
    3.浇筑混凝土并在混凝土初凝后,模板支撑下沉,多见于挑沿处,作立柱钢管过长,无水平支撑造成模板轻微下沉,混凝土拉裂裂缝多为沿墙方向分布,长度在2m之间。
    4.楼板中的电线穿线管固定不牢,混凝土凝结后即上人操作,使电线穿线管下压;将混凝土压裂,拆摸后可见裂缝走向与穿线管方向相同。

(三)混凝土原材料方面的原因

    泵送商品混凝土对原材料供应有很高的技术要求。混凝土搅拌生产环境是相当恶劣的,处于高温、高湿、高粉尘、高振动的条件下,必须确保设备的稳定运行,称量装置的严格精确度,确保混凝土的质量。
    由于泵送混凝土的流动性要求与抗裂的要求相互矛盾,故选取在满足泵送的坍落度下限的条件下尽可能降低用水量。目前国内搅拌站对砂石集料的含水率控制波动很大,影响了混凝土的用水量计算。利用较精确的含水率测定仪或传感器测出配料过程中的含水率,进行计算机处理,自动调整配料的用水量,对于控制混凝土的收缩和提高抗裂性是必要的。
    砂石的含泥量对于混凝土的抗拉强度与收缩影响很大,我国对含泥量的规定较宽,实际施工中还经常超标。有的搅拌站,虽然检验资料合格,但在浇捣中发现大量泥块和杂质,引起结构严重开裂。砂石集料的粒径应当尽可能大一些,以达到减少收缩的目的。
搅拌站及施工单位都应根据结构强度需要和流动度的要求确定合理的坍落度,根据施工季节及运输距离选择适宜的出厂坍落度和送到浇筑地点的坍落度,并根据现场坍落度信息随时调整搅拌站用水量。

    当单方用水量不变时,水和水泥的用量,即水泥浆量对于泵送状态及收缩都有显著影响。例如单方用水量不变,水泥浆量由20% 增加到25%(水泥浆占混凝土总重量比),混凝土的收缩量增大20%;如果水泥浆增加到30%,则收缩增加45%。因此,在保证可泵性和单方用水量一定的条件下,应尽可能降低水泥浆量。
    砂率过高意味着细集料多,粗集料少,仍然起到增加收缩的作用,对抗裂不利。砂石的吸水率应尽可能小一些,以利于降低收缩。
    大体积混凝土中水泥品种的选择应根据混凝土特点,视其结构特点,以水化热控制或收缩控制。如以水化热控制可选用粉煤灰水泥、矿渣水泥及中热硅酸盐水泥;如以收缩控制,可选用普通硅酸盐水泥及粉煤灰水泥等。不要轻易采用早强水泥。
    水泥的细度越细,混凝土越容易开裂。这是由于:①细度大的水泥水化快,产生较大的水的消耗,易引起混凝土的自干燥收缩。②水泥细度细,则使毛细管细化,较细的毛细管失水时将产生较大的张力。③细颗粒容易水化充分,产生更多的易于干燥收缩的凝胶和其他水化物。粗颗粒的减少,减少了稳定体积的未水化颗料,因而影响到混凝土的长期性能。
    为了降低用水量,保证泵送流动度,应选择对收缩变形有利的减水剂。相对中低强度等级的混凝土可选用普通减水剂,夏季宜选用缓凝型,而冬季可选用普通型。
    粉煤灰是泵送混凝土的重要组成部分。由于粉煤灰的火山灰活性效应及填充效应,具有优良性质的粉煤灰(不低于Ⅱ级),在一定掺量下(水泥重量15%~20%),混凝土强度还有所增加(包括早期强度),密实度增加,收缩变形有所减少,泌水量下降,坍落度损失减少。通常粉煤灰与减水剂共同掺入混凝土称为“双掺技术”。通过合理的配合比设计,减少水泥浆量,提高混凝土可泵性的良好效果,特别是可明显的延缓水化热峰值的出现,降低温度峰值。

(四)环境因素

    混凝土的裂缝与环境条件(施工期和施工后) 有很大关系。施工过程中应注意温湿度的变化,采取有效措施控制高温、低温冲击和激烈干燥冲击,此时,应力状态接近弹性应力状态,混凝土应力松弛效应无法发挥出来,特别注意浇筑后经过一定时期养护的混凝土仍然需要保护(维护),不宜长期裸露。
    注意与气象站的密切联系(降温及降雨预报),不得在雨中浇筑混凝土,否则将严重地改变实际用水量。结构施工后验收投入使用,由于环境变化(如生产使用条件、房屋装修改变条件),承受了新的温度、湿度、振动(包括相邻振动)、化学腐蚀及荷载变化影响等,都可能引起后期开裂。
作者:朱效荣          
信息来源:混凝土第一视频网    
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