混凝土裂缝产生的原因及防治

摘要:结合多年的实践工作经验,笔者分析了大体积混凝土裂缝产生原因,并且提出了相应的防治措施,可供相关专业技术人员参考。

关键词:大体积混凝土 裂缝 水热比 配合比

0 引言

水泥混凝土是一种有多种脆性材料组成的非匀质人造材料。它虽有抗压强度高与耐久性良好等特性,但也存在着抗拉强度低,抗变形能力差,容易开裂等缺点。大体积混凝土自浇筑开始,就要经受外界环境和其本身各种因素的作用,使混凝土中任一点的位移和变形不断地变化,从而产生了应力。当应力超过了混凝土的极限强度或其应力变形超过了混凝土本身的极限变形值,混凝土结构物就要产生裂缝。

1 大体积混凝土裂缝产生原因

1.1 水泥水化热的影响 由于大体积混凝土截面厚度大,水化热聚集在混凝土内部不易散发,所以会引起混凝土内部温度急剧上升。混凝土结构的厚度愈大,水泥用量愈多,水泥早期强度愈高,混凝土结构内部温度上升愈快。

混凝土的导热性能较差,浇筑初期混凝土的弹性模量和强度都很低,对水泥水化热急剧温升引起的变形约束不大,温度应力自然也比较小,不会产生温度裂缝。随着混凝土龄期的增长,其弹性模量和强度相应不断提高,对混凝土降温收缩变形的约束也越来越强,产生很大的温度应力,当混凝土本身的抗拉强度不足以抵抗此温度应力时,便容易产生温度裂缝。

1.2 混凝土收缩变形的影响 混凝土收缩变形,主要包括塑性变形和体积变形两方面。

1.2.1 混凝土塑性收缩变形 在混凝土硬化之前,混凝土处于塑性状态,它产生主要是上部混凝土的沉降受到钢筋和大的骨料的限制或平面面积较大的混凝土,其水平方向的减缩比垂直方向更难时,就容易形成一些不规则的混凝土塑性收缩性裂缝。这种裂缝通常是互相平行的,且有一定深度。

1.2.2 混凝土的体积变形 混凝土在终凝后体积会产生变化,多数是收缩变形,少数是膨胀变形,随温度变化而变化。混凝土中的水分,80%水分要蒸发,20%水分是水泥水化既混凝土硬化所需。随着水分的不断蒸发就会出现干缩变形,表面干燥收缩较快,内部干燥收缩较慢,表面收缩应力受到内部收缩应力的约束,表面产生拉应力而出现裂缝。混凝土干缩变形机理比较复杂,其主要原因是混凝土内部空隙水蒸发引起的毛细管应力所致。

1.2.3 内外约束条件的影响 大体积混凝土在与地基浇筑在一起时,当结构产生温度变化时,受到地基的约束限制,而产生外部约束应力。当混凝土在早期温度上升时,产生的膨胀变形受到约束面的约束,内部产生压应力,此时混凝土的弹性模量很小,徐变和应力松弛均较大,使混凝土与基层连接不牢固,压应力较小。当温度下降时,则会产生较大的拉应力,若超过混凝土的极限抗拉强度,混凝土就会出现垂直裂缝。此裂缝往往是贯穿性裂缝,将极大影响结构的安全度和使用功能。

内约束指较大断面的结构,由于内部非均匀的温度及收缩分布,各质点变形不均匀而产生的约束。当混凝土内部由于水泥水化热而形成结构中心升温高,热膨胀大,中心产生压应力,表面产生拉应力,当拉应力超过混凝土的抗拉强度和钢筋的约束力,也会产生一定深度裂缝,影响结构的使用年限。

2 大体积混凝土裂缝控制措施

2.1 材料的选用

2.1.1 水泥的选用 对于大体积混凝土,我们一般选用中热或低热和凝结时间长的水泥品种,减少水泥在水化反应中产生的水化热,这是控制混凝土温升的最根本方法。水泥释放热量的多少及速度取决于其矿物成分的不同。水泥矿物中发热速率最快和发热量最大的是酸三钙(C3A),其他成分依次是硅酸三钙(C3S)、硅酸二钙(C2S)和铁酸四钙(C4AF)。此外,水泥越细发热率越快,但不影响最终发热量。因此,在大体积混凝土施工中应尽量使用矿渣硅酸盐水泥、火山灰硅酸盐水泥、粉煤灰硅酸盐水泥。当高强度等级的混凝土,必须采用硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥时,应采取相应措施延缓水化热的释放。

2.1.2 骨料的选用①细骨料的选用 在选用粗骨料粒径时,应尽量选用粒径较大级配较好的石子,这样可以获得较小的空隙率及表面积,从而减少水泥用量,降低水化热,减少干缩,减少混凝土裂缝的产生。选用较大骨料粒径,虽有较大的优越性。但骨料粒径增大后,不易振实,容易引起混凝土的离析,影响混凝土的质量,石子的最大粒径不得超过结构截面最小尺寸的1/4,也不得大于钢筋最小净距的3/4。②细骨料的选用大体积混凝土中的细骨料宜采用粗砂或中砂,细度模数宜在2.6～2.9范围内。根据有关实验资料证明,当采用细度模数为2.79平均粒径为0.381mm的中粗砂时,比采用细度模数为2.12平均粒径为0.336mm的细砂,每立方米混凝土可减少水泥用量28～35kg,减少用水量20～25kg,这样就降低了混凝土的温升和减少了混凝土的收缩。

2.1.3外加料的选用 ①外加剂的选用常用的外加剂主要是木质素磺酸钙(木钙)。木钙属阴离子表面活性剂,它对水泥颗粒有明显的分散效用,并能使水的表面张力降低。因此,在泵送混凝土中掺入水泥质量的0.2%～0.3%,它不仅能使混凝土的和易性有明显的改善,而且可减少10%左右的拌和水,混凝土28d的强度可提高10%～20%;若不减少用水量,塌落度可提高10cm左右;若保持强度不变,可节省水泥10%,从而可降低水化热。②外掺料的选用在大体积混凝土中掺加膨胀剂,可有效的补偿混凝土干缩,并在一定程度上补偿冷缩,改变混凝土分子结构组织,增加密实性,提高抗渗能力。在配制补偿收缩混凝土可降低稳控指标。设混凝土的综合温差T=T1+T2(T1为混凝土中心温度与环境平均温度之差,T2当量温差)。按T2=ε/α,收缩时ε为正,膨胀时ε为负,由此导出补偿收缩混凝土每产生0.01%膨胀时,可降低混凝土中心温度10℃,从而降低混凝土的综合温差,防止开裂。

2.2 混凝土配合比的制定设计混凝土配合比,要根据工程要求原材料的技术性能以及施工条件等,确定出能满足工程所要求的最佳混凝土配合比。采用三低(低砂率、低塌落低、水胶比)二掺(掺高效减水剂和高性能引气剂)的设计准则,生产出高强、高韧性、中弹、低热和高抗拉值的抗裂混凝土。大体积混凝土在保证混凝土强度及塌落度要求的前提下,应尽量提高掺和料及骨料的含量,降低每立方米混凝土的水泥用量,减少水泥发热量,以降低混凝土内部的最高温度。在施工条件许可的范围内,应尽可能减少用水量,水灰比控制在0.6以下。

2.3混凝土生产、施工温度的控制

2.3.1 混凝土的出机温度控制混凝土原材料的预冷却,不仅可以降低混凝土的浇筑温度,而且还可以削减混凝土内部的最高温度,并减少最高温度和稳定温度之间的差值,从而把混凝土内的温度变化控制在允许范围之内,以防裂缝的产生。

在混凝土原材料中,砂石的比热比较小,但占混凝土总质量的85%左右;水的比热较大,但它占混凝土总质量的6%左右。因此,对混凝土出机温度影响最大的是石子的温度,其次是砂的温度,水泥的温度最小。在气温较高时,为了降低混凝土出机温度,最有效的办法就是降低砂石的温度。降低砂石料温度的方法很多,如遮阳、喷水、浸水等。其次,在混凝土搅拌中掺用冷却水或冰屑,也可降低出机温度。

2.3.2 混凝土的浇筑温度控制在有条件的情况下,混凝土的浇筑温度越低,对降低混凝土内外温差约有利。关于混凝土的浇筑温度控制,我国一般规定不得超过25℃,否则必须采取相应的措施。

混凝土施工浇筑中,合理选择浇筑时间及合理安排施工工序,控制混凝土浇筑面在浇筑过程中均匀上升,避免混凝土堆积高差过大。热天浇筑混凝土时,应减少浇筑厚度,利用浇筑面散热。在结构完成后及时回填土,避免侧面长期暴露。在混凝土厚度过大的结构物中埋设水管,通过冷水降温。

2.3.3 混凝土的早期养护大体积混凝土的养护,不仅要满足强度增长的需要,更主要是通过人工的温度控制,防止因温度变形引起混凝土结构物的开裂。混凝土的养护,必须根据工程结构、材料特征、外界气温及施工条件而定。混凝土的中心温度与表面温度之间的差值,以及混凝土表面温度与室外空气中最低温度之间的差值,均应小于20℃,最大也不应大于30℃。

混凝土的拆模时间应考路气温环境等情况,必须有利于强度的增长,既拆模时混凝土的温差不能过大。为防止因拆模而引起的温度冲击,一方面可延迟拆模时间,另一方面可以在拆模后及时在混凝土表面覆盖轻型保温材料,如泡沫海绵、草袋等。

3 结束语

裂缝是混凝土结构中普遍存在的一种现象。混凝土裂缝进行认真研究、区别对待,采用合理的方法进行处理,并在施工中采取各种有效的预防措施来预防裂缝的出现和发展,保证建筑物和构件安全、稳定地工作。

参考文献:

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[4]陈伟.大体积混凝土施工中控制裂缝的探讨[J].广东建材.2006(2).