[摘 要] 從混凝土裂縫產(chǎn)生的機(jī)理出發(fā),分析了材料、施工方法對(duì)混凝土裂縫的影響,并提出了混凝土避免產(chǎn)生裂縫的各種方法和措施。
[關(guān)鍵詞] 大體積混凝土;裂縫;材料;施工
[中圖分類(lèi)號(hào)] TU528 [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A
1 引 言
混凝土凝結(jié)硬化是水泥水化放熱的過(guò)程。在一般的梁板柱的澆筑中,由于其尺寸較小,構(gòu)件內(nèi)的水化熱不宜聚集,所以?xún)?nèi)外溫差較小,產(chǎn)生的溫度應(yīng)力也小于混凝土的抗拉應(yīng)力,不會(huì)使構(gòu)件開(kāi)裂。而對(duì)一些利用混凝土作基礎(chǔ)的大型設(shè)備、高層建筑以及水利工程設(shè)施出現(xiàn)大體積混凝土的機(jī)會(huì)就很多。由于混凝土體積大,水泥水化時(shí)放出的熱量不易快速釋放,因而內(nèi)部產(chǎn)生較高的溫度。當(dāng)水泥硬化后,混凝土內(nèi)部溫度也隨之降低,加之游離水的蒸發(fā)導(dǎo)致混凝土收縮。當(dāng)收縮應(yīng)力大于混凝土的抗拉應(yīng)力時(shí),即產(chǎn)生裂縫,內(nèi)部甚至產(chǎn)生斷裂。外界腐蝕性介質(zhì)會(huì)經(jīng)由裂縫不斷銹蝕鋼筋,影響結(jié)構(gòu)的耐久性,甚至使結(jié)構(gòu)發(fā)生滲漏,嚴(yán)重時(shí)使結(jié)構(gòu)解體。因此,在大體積混凝土施工時(shí),如何選擇材料和施工方法相當(dāng)重要。本文就混凝土裂縫的特性以及材料、施工等對(duì)混凝土裂縫的影響進(jìn)行闡述。
2 混凝土裂縫種類(lèi)和產(chǎn)生機(jī)理
2.1 混凝土裂縫種類(lèi)
混凝土裂縫按寬度的大小,可分為微觀裂縫和宏觀裂縫。
(1) 混凝土的微觀裂縫主要有三種。一是粘著裂縫,主要沿著骨料周?chē)霈F(xiàn);二是水泥石裂縫,出現(xiàn)在骨料與骨料之間;三是骨料裂縫,即骨料本身的裂縫?；炷恋奈⒂^裂縫主要是前兩者。
(2) 宏觀裂縫是微裂縫擴(kuò)展的結(jié)果。一般情況下, ≥0105mm 的裂縫稱(chēng)為宏觀裂縫。
2.2 混凝土裂縫收縮種類(lèi)
通常導(dǎo)致混凝土裂縫產(chǎn)生的主要收縮種類(lèi)有三種:
(1) 化學(xué)收縮是水泥水化后,固相體積增加,但水泥2水體系的絕對(duì)體積則減小。
(2) 塑性收縮發(fā)生在硬化前的塑性階段,是在塑性階段混凝土由于表面失水而產(chǎn)生的收縮。如養(yǎng)護(hù)不足,表面失水速率超過(guò)內(nèi)部水向表面遷移的速率時(shí),則會(huì)使毛細(xì)管中產(chǎn)生負(fù)壓,使?jié){體產(chǎn)生塑性收縮。影響塑性收縮開(kāi)裂的外部因素是風(fēng)速、環(huán)境溫度和相對(duì)濕度,內(nèi)部因素是水灰比、細(xì)摻料、漿集比、混凝土的溫度和凝結(jié)時(shí)間。
(3) 溫度收縮主要是混凝土內(nèi)部溫度因水泥水化而升高,最后又冷卻到環(huán)境溫度時(shí)產(chǎn)生的收縮。其大小主要與混凝土的內(nèi)部最高溫度、降溫速率和材料熱膨脹系數(shù)等因素有關(guān)。
3 材料對(duì)裂縫的影響
3.1 鋼筋
混凝土的收縮與其長(zhǎng)度成正比關(guān)系,故混凝土的縱向收縮大于橫向收縮,產(chǎn)生裂縫一般呈垂直縱向分布。鋼筋在此方向一般布置分布筋。而分布筋在設(shè)計(jì)時(shí),一般按構(gòu)造配筋,很少考慮其抗裂的作用。然而分布筋在對(duì)混凝土、鋼筋起到拉結(jié)作用的同時(shí),阻止裂縫生成和擴(kuò)展的作用同樣不容忽視。
經(jīng)驗(yàn)公式:
為截面配筋率;d為鋼筋直徑。由該式可知,采用細(xì)而間距小的布筋方式,可提高混凝土的抗裂性能,特別是大體混凝土在布置分布鋼筋時(shí),應(yīng)保證配筋率015 %～018 % ,鋼筋直徑12～16mm ,間距100～150mm。水泥水化熱是混凝土產(chǎn)生溫度應(yīng)力的內(nèi)在因素,然而水泥水化又是混凝土生成的必要條件,為避免水化熱的集中釋放和溫度的過(guò)度上升,在水泥選用上宜選擇水化熱較低,水化速度較慢的礦渣或粉煤灰等低水化熱水泥,不宜采用高強(qiáng)度等級(jí)或早強(qiáng)型水泥。有時(shí)也可用混凝土60d 或90d 抗壓強(qiáng)度代替28d 強(qiáng)度,或適當(dāng)降低混凝土強(qiáng)度等級(jí),減少水泥用量,以達(dá)到減小溫度應(yīng)力的目的。通常在其他條件相同情況下,水泥品種按快硬水泥、低熱水泥、普通水泥、礬土水泥,其收縮性依次減小;水泥強(qiáng)度等級(jí)高、水泥細(xì)度和水泥用量越大,收縮越大。
3.3 石子
石子作為混凝土中的粗骨料,具有穩(wěn)定的體積。在滿(mǎn)足泵送要求和鋼筋布置間距條件下,盡量選用較大的粒徑,加大粗骨料所占的體積,以盡量減少混凝土的體積收縮。在石子外形上,因碎石的不規(guī)則和粗糙的外表面可增加對(duì)水泥凝膠體的拉結(jié)作用,減少微裂縫的生成。所以,以碎石最佳。試驗(yàn)表明:玄武巖、花崗巖、石灰?guī)r、白云巖、石英巖對(duì)混凝土收縮依次減小。
3.4 砂子
砂子應(yīng)保證良好的級(jí)配和含泥量小于1.5 %。混凝土施工一般要摻加粉煤灰,其細(xì)度小于砂子,并有取代了水泥和砂的雙重作用,故在砂子細(xì)度選擇上,也要考慮與粉煤灰的顆粒搭配,宜選用細(xì)度模量為2.6～3.0 的中粗砂,砂率在40 %左右。
3.5 粉煤灰
粉煤灰作為礦物細(xì)摻料用以改善混凝土的性能是由于粉煤灰在混凝土中的三種效應(yīng)。一是微集料效應(yīng)造成致密勢(shì)能;二是火山灰活性效應(yīng)產(chǎn)生活化勢(shì)能;三是顆粒形態(tài)效應(yīng)產(chǎn)生的減水勢(shì)能。因此,粉煤灰可使混凝土產(chǎn)生致密的結(jié)構(gòu)、提高混凝土的后期強(qiáng)度和提高流動(dòng)度。另外,粉煤灰的摻入可減少水泥的用量,降低水化熱的產(chǎn)生和集中釋放。由于粉煤灰具有較慢的化學(xué)活性,當(dāng)水泥水化后,粉煤灰才開(kāi)始激活水化。所以對(duì)混凝土的早期強(qiáng)度影響不大,但可對(duì)其后期強(qiáng)度的提高和水化熱的降低產(chǎn)生明顯作用。
目前使用較多的是Ⅱ級(jí)以上粉煤灰,未進(jìn)行深加工。從其物化角度來(lái)看,加大磨細(xì)粉煤灰的使用,進(jìn)一步加強(qiáng)其化學(xué)活性,提高摻量,減少水泥用量和水化熱的集中釋放,降低混凝土最高溫度,以減少裂縫產(chǎn)生的可能是今后的發(fā)展方向。
3.6 水
水在混凝土形成方面起著重要作用,一方面參與水泥水化反應(yīng),另一方面對(duì)物料起潤(rùn)滑作用。通常使水泥完全水化并具有最低毛細(xì)空隙率的水灰比為0.437 ,但在無(wú)外加劑的情況下,水灰比要大于0.5 才能使混凝土具有可施工的流動(dòng)性。用水量的加大會(huì)使混凝土的后期收縮增大,容易產(chǎn)生裂縫。因此,在滿(mǎn)足施工要求條件下,應(yīng)盡量減小水灰比。
3.7 外加劑
減少用水量和保證流動(dòng)性是一個(gè)矛盾的兩個(gè)方面。解決這一矛盾應(yīng)合理的使用外加劑來(lái)提高混凝土的流動(dòng)性和保水性。主要使用的外加劑有減水劑和泵送劑,其主要作用是在水灰比不變的情況下,可減水、增塑、緩凝、引氣,保證潤(rùn)滑,提高流動(dòng)性和保水性。因此,在大體積混凝土施工中常需要使用減水劑或泵送劑。另外,為彌補(bǔ)混凝土的收縮也可摻入一定的膨脹劑,改變混凝土水化的物化機(jī)理,使水泥的自身收縮減小。隨著技術(shù)的發(fā)展,外加劑已由過(guò)去的單劑型向復(fù)合型的方向發(fā)展。
4 施工對(duì)裂縫的影響
4.1 混凝土施工技術(shù)
大體積混凝土在澆筑時(shí),需要較高的澆筑強(qiáng)度單位時(shí)間澆筑混凝土的量) 。人工攪拌和澆筑已無(wú)法滿(mǎn)足施工的要求,隨之由混凝土集中攪拌站和泵送技術(shù)逐步代替。泵送混凝土的主要技術(shù)要求,應(yīng)采用較小粒徑的粗骨料和較大的水灰比,以減少在泵送過(guò)程中的阻力。這些技術(shù)要求對(duì)混凝土的抗裂不利,并會(huì)影響混凝土的強(qiáng)度和抗?jié)B性能。為了解決這一矛盾除摻加適當(dāng)?shù)耐饧觿⒎勖夯彝?在施工時(shí)采用大管徑輸送管,簡(jiǎn)化輸送線(xiàn)路,減小輸送距離等措施,盡量使用低水灰比的混凝土來(lái)滿(mǎn)足泵送要求。
在澆筑時(shí),可根據(jù)情況采用分區(qū)“跳倉(cāng)交叉作業(yè)”的方法,使混凝土內(nèi)部產(chǎn)生的溫度應(yīng)力大部分釋放,以減少裂縫的產(chǎn)生可能。另外,混凝土的振搗對(duì)其強(qiáng)度和抗?jié)B等方面的影響也是至關(guān)重要的,振搗方法和效果越差,混凝土收縮越大,應(yīng)在施工中加以重視,避免因振搗不實(shí)而產(chǎn)生裂縫。
4.2 養(yǎng)護(hù)與溫度監(jiān)測(cè)
為保證混凝土在養(yǎng)護(hù)階段產(chǎn)生的溫度應(yīng)力小于相應(yīng)齡期的混凝土抗拉強(qiáng)度,除了與普通混凝土一樣應(yīng)保證其養(yǎng)護(hù)用水要求外,還要采取措施保證混凝土內(nèi)部最高溫度小于70 ℃;同時(shí)還應(yīng)保證內(nèi)外表面最大溫差小于25～30 ℃,而且降溫速度不宜大于1～3 ℃Pd。內(nèi)部最高溫度可用下面公式計(jì)算:
式中,W 為1m3 每混凝土中含水泥量kg/m3 ;
為水泥水化熱J/kg ; C 為混凝土熱比J／kg·℃;
γ為混凝土重度kg／m3 。
在實(shí)際操作時(shí)通常是在各測(cè)試點(diǎn)安放溫度探測(cè)設(shè)備進(jìn)行監(jiān)測(cè),因而公式的計(jì)算值常與實(shí)際測(cè)值有出入。一旦預(yù)測(cè)溫度超過(guò)最高溫度限制時(shí),可采取以下措施進(jìn)行物理降溫:
(1) 在混凝土攪拌時(shí)預(yù)先用冷水對(duì)石子噴淋降溫,加入一定的冰屑代替水,以減少混凝土的起始溫度。這種方法在三峽大壩的混凝土澆筑中廣為采用,并且效果明顯。
(2) 在混凝土內(nèi)預(yù)埋鋼管,通循環(huán)冷水進(jìn)行降溫,養(yǎng)護(hù)完畢后,鋼管壓入混凝土封閉。這在許多大體積的基礎(chǔ)養(yǎng)護(hù)中使用也是可行的。例如,洛陽(yáng)市某通訊信息指揮中心大樓2.5m 厚的混凝土筏板基礎(chǔ),采用了此降溫措施后,有效的控制了混凝土內(nèi)部最高溫度。減少內(nèi)部溫度的主要目的在于阻止最高溫度產(chǎn)生,同時(shí)縮小內(nèi)外溫差,使外部保溫的措施也易于實(shí)現(xiàn)。目前外部保溫措施主要有:
(1) 利用草簾加水進(jìn)行保溫保濕。有時(shí)還可根據(jù)氣溫、氣候和季節(jié)等變化增減覆蓋層數(shù),使用時(shí)還能與養(yǎng)護(hù)面密貼,確證保溫保濕效果。加之草簾成本低,因而被廣泛采用。
(2) 利用塑料薄膜進(jìn)行保溫保濕,但成本較高。
(3) 利用地下結(jié)構(gòu)的特殊形式,采用蓄水養(yǎng)護(hù)。
(4) 外部加熱法。即采用碘鎢燈等加熱設(shè)備提高外部溫度,減少內(nèi)外溫差。但該方法耗電量較大,并會(huì)引起表面水分的蒸發(fā),所以一般用于冬季或春秋季夜間,或作為一種輔助方法和其他保濕效果好的養(yǎng)護(hù)方法同時(shí)使用。
5 結(jié)束語(yǔ)
從以上分析可看出:混凝土裂縫產(chǎn)生的影響因素比較復(fù)雜,也比較多。目前還沒(méi)有精確的公式可以事先準(zhǔn)確計(jì)算,加之施工中有很多不確定因素,對(duì)裂縫的控制仍處于半經(jīng)驗(yàn)半理論的階段。因此,可以通過(guò)逐一分析各影響因素,調(diào)整混凝土的內(nèi)部和外部條件,盡可能的減小混凝土的收縮量和收縮速度,避免裂縫的產(chǎn)生和擴(kuò)展。
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