水泥混凝土裂縫產(chǎn)生的原因與預(yù)防措施

張 國

水泥混凝土是現(xiàn)代工程結(jié)構(gòu)的主要材料,在工程建設(shè)中占有重要地位。然而,水泥混凝土的裂縫一直較為普遍的存在,特別是大型地下室混凝土、水壩等大體積混凝土的裂縫尤其難以控制。水泥混凝土的裂縫是影響其“生命”的主要因素,我們有必要對其加以研究。

1 水泥混凝土裂縫的分類

我們所說的水泥混凝土的裂縫通常是指宏觀裂縫,根據(jù)其產(chǎn)生的原因可以將其分為:溫度裂縫、收縮裂縫和內(nèi)部缺陷裂縫[1]。其中溫度裂縫和收縮裂縫都是在水泥混凝土澆筑成型初期產(chǎn)生的,我們稱其為“先天裂縫”;而內(nèi)部缺陷裂縫則是在混凝土成型之后,由于其組成材料的缺陷(如砂子中存在泥塊)和澆筑成型時(shí)施工工藝不合理而形成的缺陷(如混凝土表面較深的麻面、漏漿引起的“蜂窩”等),在后期各種因素下形成的裂縫。本文將對其產(chǎn)生的原因與預(yù)防控制加以討論。

2 水泥混凝土裂縫產(chǎn)生的原因

2.1 溫度裂縫

水泥混凝土的線膨脹系數(shù)σt=1.0×10-5/℃,如果溫差達(dá)到30℃,則在混凝土中產(chǎn)生的應(yīng)變?yōu)?×10-4。這個(gè)值已經(jīng)超過一般水泥混凝土的極限拉應(yīng)變,而且在很多情況下,特別是大體積混凝土,溫差都可能超過此值。

2.2 收縮裂縫

2.2.1 干燥收縮

干縮裂縫多出現(xiàn)在混凝土養(yǎng)護(hù)結(jié)束后的一段時(shí)間或是混凝土澆筑完畢后的一周左右。水泥砂漿中水分的蒸發(fā)會產(chǎn)生干縮,且這種收縮是不可逆的。干縮裂縫的產(chǎn)生主要是由于混凝土內(nèi)外水分蒸發(fā)程度不同而導(dǎo)致變形不同的結(jié)果。

2.2.2 塑性收縮

塑性收縮是指混凝土在凝結(jié)之前,表面因失水較快而產(chǎn)生的收縮。塑性收縮裂縫一般在干熱或大風(fēng)天氣出現(xiàn),裂縫多呈中間寬兩端細(xì)且長短不一、互不連貫狀態(tài)。其產(chǎn)生的主要原因?yàn)?混凝土在終凝前幾乎沒有強(qiáng)度或強(qiáng)度很小,或者混凝土剛剛終凝而強(qiáng)度很小時(shí),受高溫或較大風(fēng)力的影響,混凝土表面失水過快,造成毛細(xì)管中產(chǎn)生較大的負(fù)壓而使混凝土體積急劇收縮,而此時(shí)混凝土的強(qiáng)度又無法抵抗其本身收縮,因此產(chǎn)生龜裂。影響混凝土塑性收縮開裂的主要因素有水灰比、混凝土的凝結(jié)時(shí)間、環(huán)境溫度、風(fēng)速、相對濕度等等。

2.3 內(nèi)部缺陷裂縫

一般水泥混凝土所用的原材料都是經(jīng)過嚴(yán)格的試驗(yàn)檢測,合格后才允許使用的,但是,檢測只是抽樣的檢測,不可能全部檢測。因此,難免會有不合格的材料混進(jìn)水泥混凝土中,如集料中的軟石、砂子中的泥塊,數(shù)量雖然很少,但是在水泥混凝土中產(chǎn)生的破壞卻是致命的。在這些缺陷存在的地方,它們無法真正的與水泥混凝土粘結(jié)在一起,而且有強(qiáng)度或粘結(jié)力上的差異,所以,在外部荷載的作用下,此處極易產(chǎn)生應(yīng)力集中,在應(yīng)力的作用下它們可能轉(zhuǎn)變?yōu)榱鸭y,并最終發(fā)展為裂縫。

另外,在施工工藝不合理時(shí),水泥混凝土表面可能產(chǎn)生麻面,在這些麻面中有些可能較深,在外界環(huán)境大氣和水的作用下,它們可能進(jìn)一步發(fā)展,最后發(fā)展為裂紋或裂縫。

3 水泥混凝土裂縫的預(yù)防措施

3.1 水泥混凝土的原材料選擇

3.1.1 選用合適的水泥種類

由于溫差主要是由水化熱產(chǎn)生的,所以為了減小溫差就要盡量降低水化熱,為了降低水化熱,要盡量采取早期水化熱低的水泥。由于水泥的水化熱是礦物成分與細(xì)度的函數(shù),要降低水泥的水化熱,主要是選擇適宜的礦物組成和調(diào)整水泥的細(xì)度模數(shù),硅酸鹽水泥的礦物組成主要有:C3S,C2S,C3A和C4AF,試驗(yàn)表明:水泥中鋁酸三鈣(C3A)和硅酸三鈣(C3S)含量高,水化熱較高,所以,為了減少水泥的水化熱,必須降低熟料中C3A和C3S的含量。在施工中一般采用中熱硅酸鹽水泥和低熱礦渣水泥。另外,在不影響水泥活性的情況下,要盡量使水泥的細(xì)度適當(dāng)減小,因?yàn)樗嗟募?xì)度會影響水化熱的放熱速率,試驗(yàn)表明比表面積每增加100 cm2/g,1 d的水化熱增加 17 J/g～21 J/g,7 d和20 d均增加4 J/g～12 J/g[3]。

3.1.2 選用合適的填料或外加劑

1)摻加粉煤灰,為了減少水泥用量,降低水化熱并提高和易性,我們可以把部分水泥用粉煤灰代替,摻入粉煤灰主要有以下作用:a.由于粉煤灰中含有大量的硅、鋁氧化物,其中二氧化硅含量40%～60%,三氧化二鋁含量17%～35%。這些硅鋁氧化物能夠與水泥的水化產(chǎn)物進(jìn)行二次反應(yīng),是其活性的來源,可以取代部分水泥,從而減少水泥用量,降低混凝土的熱脹;b.由于粉煤灰顆粒較細(xì),能夠參加二次反應(yīng)的界面相應(yīng)增加,在混凝土中分散更加均勻;c.同時(shí),粉煤灰的火山灰反應(yīng)進(jìn)一步改善了混凝土內(nèi)部的孔結(jié)構(gòu),使混凝土中總的孔隙率降低,孔結(jié)構(gòu)進(jìn)一步的細(xì)化,分布更加合理,使硬化后的混凝土更加致密,相應(yīng)收縮值也減小。

2)摻加減水劑、引氣劑等外加劑,混凝土中摻加一定用量的外加劑,如防水劑、膨脹劑、減水劑、緩凝劑等。外加劑中糖鈣能提高混凝土的和易性,使用水量減少20%左右,水灰比可控制在0.55以下,初凝延長到5 h左右。

3.1.3 選用合適骨料

選用10 mm～40 mm連續(xù)級配碎石(其中10 mm～30 mm級配含量 65%左右),細(xì)度模數(shù)2.80～3.00的中砂(通過 0.315凹篩孔的砂不少于15%,砂率控制在40%～45%)。砂、石含泥量控制在1%以內(nèi),并不得混有有機(jī)質(zhì)等雜物,杜絕使用海砂。

3.2 選用恰當(dāng)?shù)氖┕すに?/h3>

1)水泥混凝土澆筑過程質(zhì)量控制。澆筑過程中要進(jìn)行振搗方可密實(shí),振搗時(shí)間應(yīng)均勻一致,以表面泛漿為宜,間距要均勻,以振搗力波及范圍重疊1/2為宜。澆筑完畢后,表面要壓實(shí)、抹平,以防止表面裂縫。另外,澆筑混凝土要求分層澆筑,分層流水振搗,同時(shí)要保證上層混凝土在下層初凝前結(jié)合緊密。避免縱向施工縫、提高結(jié)構(gòu)整體性和抗剪性能。

2)澆筑時(shí)間控制。盡量避開在太陽輻射較高的時(shí)間澆筑,若由于工程需要在夏季施工,則盡量避開正午高溫時(shí)段,澆筑盡量安排在夜間進(jìn)行,以免形成干縮裂縫。

3)水泥混凝土拆模時(shí)間控制?；炷猎趯?shí)際溫度養(yǎng)護(hù)的條件下,強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度的75%以上,混凝土中心與表面最低溫度控制在25℃以內(nèi),預(yù)計(jì)拆模后混凝土表面溫降不超過9℃以上允許拆模。氣溫驟降時(shí)進(jìn)行表面保溫,以免混凝土表面發(fā)生急劇的溫度梯度。

3.3 養(yǎng)護(hù)

混凝土的早期養(yǎng)護(hù),主要目的在于保持適宜的溫濕條件,以達(dá)到兩個(gè)方面的效果:一方面使混凝土免受不利溫、濕度變形的侵襲,防止有害的冷縮和干縮;另一方面使水泥水化作用順利進(jìn)行,以期達(dá)到設(shè)計(jì)的強(qiáng)度和抗裂能力。適宜的溫濕度條件是相互關(guān)聯(lián)的?；炷恋谋卮胧┏３Ｒ灿斜竦男Ч睦碚撋戏治?新澆混凝土中所含水分完全可以滿足水泥水化的要求而有余。但由于蒸發(fā)等原因常引起水分損失,從而推遲或妨礙水泥的水化,表面混凝土最容易直接受到這種不利影響。因此混凝土澆筑后的最初幾天是養(yǎng)護(hù)的關(guān)鍵時(shí)期,在施工中應(yīng)切實(shí)重視起來。

4 結(jié)語

雖然水泥混凝土很容易產(chǎn)生裂縫,但是大量的科學(xué)研究以及成功的工程實(shí)例都表明:只要我們能夠?qū)ζ溆凶銐虻恼J(rèn)識,在施工工藝、材料選擇以及后期的養(yǎng)護(hù)過程中充分考慮各種因素的影響,還是完全可以預(yù)防裂縫產(chǎn)生的。

[1] 申勁鑫.建筑工程中常見結(jié)構(gòu)裂縫的類型特征及其分析步驟與處理方案[Z].甘肅省建筑科學(xué)研究院,2008.

[2] 劉金橋.大體積混凝土裂縫控制綜述[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2007.

[3] 孫 浩.橋梁工程中大體積混凝土裂縫的原因與控制[N].北京:交通運(yùn)輸報(bào),2007.

[4] 陳 中,丁永紅.混凝土的施工溫度與裂縫控制[M].北京:科學(xué)出版社,2007.