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(shè)工程質(zhì)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(shè)工程質(zhì)量檢測有限公司,江蘇泰州 225500)

本文結(jié)合工程管理及試驗檢測工作經(jīng)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(chǎn)生裂縫的成因,并探討了預防、檢查和處理此類問題的技術(shù)措施,有助于大體積混凝土構(gòu)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(jīng)濟得到迅速發(fā)展,綜合國力不斷增強,城鄉(xiāng)建設(shè)也發(fā)生了日新月異的變化,我國在建筑設(shè)計、施工技術(shù)等方面都有了飛速的發(fā)展。大體積混凝土在建筑結(jié)構(gòu)中的應用越來越廣泛,下部結(jié)構(gòu)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(nèi)建設(shè)的客運專線鐵路的箱梁體積也很大。在建筑工程建設(shè)的飛躍發(fā)展過程中,出現(xiàn)了許多嶄新的技術(shù)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(shù)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(jīng)歷升溫期、降溫期和穩(wěn)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(xiàn)裂縫。因此,廣大工程建設(shè)者都在積極探究裂縫產(chǎn)生的原因,尋求能有效防止裂縫出現(xiàn)的措施和途徑,根據(jù)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(chǎn)生的原因

2.1 水泥水化熱的影響

大量研究結(jié)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(xiàn)階段大量使用泵送混凝土,與以往現(xiàn)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(nèi)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(chǎn)生相當大的拉應力。大體積混凝土構(gòu)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(chǎn)生裂縫。

2.2 混凝土的收縮

混凝土在空氣中硬結(jié)時體積減小的現(xiàn)象稱為混凝土收縮?；炷猎诓皇芡饬η闆r下的這種自發(fā)變形,受到外部約束時(支撐條件、鋼筋等),將在混凝土中產(chǎn)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(chǎn)生的體積變化,后期主要是混凝土內(nèi)部自由水分蒸發(fā)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(chǎn)生有著很大的影響?；炷羶?nèi)部的溫度是由澆筑溫度、水泥水化熱的絕熱溫升和結(jié)構(gòu)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(guān)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(nèi)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(fā)混凝土的開裂?；炷翜囟鹊倪@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(fā),溫度上升較少較慢,而內(nèi)部則散熱少,溫度持續(xù)上升,這樣形成的內(nèi)表溫差(溫度梯度)會在混凝土表層產(chǎn)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(chǎn)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(jié)構(gòu)邊界約束時也會產(chǎn)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(chǎn)生。

綜上所述,從防止混凝土出現(xiàn)溫度變形裂縫的前提出發(fā),控制溫度變形裂縫的主要途徑有:a)降低混凝土內(nèi)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(nèi)表溫差,減小溫度梯度；c)延緩混凝土的降溫速率,充分發(fā)揮徐變特性。

3 防治大體積混凝土裂縫開展的措施

根據(jù)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(chǎn)生。

3.1 優(yōu)化大體積混凝土的設(shè)計

根據(jù)當?shù)貧夂驐l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(shè)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(xiàn)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(chǎn)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(chǎn)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(shè)計中,設(shè)計院設(shè)計有變形縫、后澆帶等施工縫,實際上是為防止混凝土結(jié)構(gòu)因溫度變化而必須設(shè)置的構(gòu)造縫,這種方法在施工中常見。它的最大優(yōu)點是:減少整體結(jié)構(gòu)縱向拉應力過大而產(chǎn)生裂縫,其缺點是設(shè)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(zhì)量和混凝土配合比設(shè)計上抓起,拌制混凝土的原材料質(zhì)量必須符合國家和行業(yè)現(xiàn)行有關(guān)標準、規(guī)范的要求。

(1)水泥品種及用量。水泥水化熱產(chǎn)生大量熱量,是導致混凝土產(chǎn)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(xiàn)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?jié)B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(chǎn)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(nèi)部產(chǎn)生壓力以抵消混凝土中產(chǎn)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(shù)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(shù)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(xù)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(chǎn)、運輸、澆筑和溫度及表面裂縫控制。養(yǎng)護是防止大體積混凝土產(chǎn)生溫度裂縫的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。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(zhì)量,防止由于模板變形、移位而使混凝土產(chǎn)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(xiàn)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(nèi)部設(shè)立冷卻系統(tǒng),通入冷卻水進行冷卻,及時降低混凝土的內(nèi)部溫度。混凝土表面應覆蓋一些織物進行保溫、保濕及護養(yǎng),并可搭棚遮陽,這樣不僅可以降低混凝土的內(nèi)外溫差,防止表面開裂,還可以防止混凝土因驟然降溫而產(chǎn)生貫穿裂縫,使之順利水化,防止產(chǎn)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(chǔ)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(yǎng)護方法。

在澆筑過程中還應重視采用二次振搗技術(shù)?；炷脸跄霸谄浔砻孢M行二次振搗,消除混凝土沉縮和塑性收縮產(chǎn)生的表面裂縫,增加混凝土內(nèi)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(shè)計標高用長刮刀刮平,然后在初凝前用滾筒碾壓數(shù)遍,再進行二次抹面,消除收縮裂縫。

4 結(jié)語

雖然大體積混凝土易產(chǎn)生溫度裂縫和收縮裂縫,但只要在設(shè)計、施工工藝、材料選擇及養(yǎng)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(xiàn)。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(shù),仍有待于在實踐中繼續(xù)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(shù)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(zhì)量管理及試驗檢測工作。