现浇混凝土裂缝原因和预防措施

【摘 要】 混凝土在现代工程建设中占有重要地位。而在今天,混凝土的裂缝较为普遍,在建筑工程中裂缝几乎无所不在。尽管我们在施工中采取各种措施,小心谨慎,但裂缝仍然时有出现。究其原因,我们对混凝土温度应力的变化注意不够是其中之一。在大体积混凝土中,温度应力及温度控制具有重要意义。这主要是由于两方面的原因。首先,在施工中混凝土常常出现温度裂缝,混凝土内部温度取决于混凝土本身所贮备的热能。在绝热条件下,混凝土内部最高温度为浇筑温度与水泥水化热温度总和。实际施工过程中,由于混凝土内部温度与外界环境温度之间存在温差,并且混凝土四周并不能充分散热,所以新浇筑的混凝土与周围环境之间便会发生热能交换。混凝土模板、外界环境和养护条件等因素都会不断改变混凝土内部所贮备的热能,并促使混凝土内部温度逐渐发生变化,表现为“由低到高,再由高到低”的变化过程,混凝土内部最高温度实际上是入模浇筑温度、水泥水化热引起的绝热升温和混凝土浇筑后的散热温度三者的叠加,影响到结构的整体性和耐久性。其次,在运转过程中,温度变化对结构的应力状态具有显著的不容忽视的影响。我们主要是对施工中混凝土裂缝的成因和处理措施做一探讨。

【关键词】 大体积混凝土;裂缝;原因;防控措施;治理方法

【中图分类号】 TU756 【文献标识码】 B【文章编号】 1727-5123(2010)02-055-04

1绪言

混凝土是具有悠久历史的建筑材料之一。它所以被广泛使用是因为它具有很多优点:能够制成各种形状和尺寸的构件和结构物;同其它材料相比价格较低,原材料广泛,易于就地取材;施工、制作比较容易,不需要特别熟练的工种;抗压强度较高,耐久性、耐火性好,结构物建成后几乎不需要维修费用。因此,至今仍被各国广泛用于水利、河港、桥梁和各种土木工程建筑物。

随着钢筋混凝土和预应力混凝土结构在工程建设中的大量应用,我国在钢筋混凝土和预应力混凝土方面的科学研究工作也有了较大的发展。近年来,在钢筋混凝土基本理论与设计方法、可靠度与荷载分析、单层与多层厂房结构、大板与升板结构、大跨度特种结构、工业化建筑体系、结构抗震;以及有限元方法、电子计算机在钢筋混凝土结构中的应用和现代化测试技术等方面的研究工作都取得了很多新的成果。

通过我们在长期从事建筑工程实践,现浇混凝土梁容易出现的非结构性的裂缝虽然是一种常见的建筑质量通病,但经过分析研究和施工总结,已经积累了比较丰富的防裂经验。

2大体积混凝土裂缝的产生原因

混凝土中产生裂缝有多种原因,主要是温度和湿度的变化,混凝土的脆性和不均匀性,以及结构不合理,原材料不合格(如碱骨料反应),模板变形,基础不均匀沉降等,归纳起来主要有以下几点:

2.1外界气温变化。大体积混凝土在施工阶段,它的浇筑温度随着外界气温变化而变化。特别是气温骤降,会大大增加内外层混凝土温差,这对大体积混凝土是极为不利的。温度应力是由于温差引起温度变形而造成的,温差愈大,温度应力也愈大。同时,在高温条件下,大体积混凝土不易散热,混凝土内部的最高温度一般可达60～65℃,并且有较长的延续时间。因此,应采取温度控制措施,防止混凝土内外温差引起的温度应力。

2.2混凝土的收缩。混凝土中约20%的水分是水泥硬化所必需的,而约80%的水分要蒸发,多余水分的蒸发会引起混凝土体积的收缩。混凝土收缩的主要原因是内部水蒸发引起混凝土收缩。如果混凝土收缩后,再处于水饱和状态,还可以恢复膨胀并几乎达到原有的体积。干湿交替会引起混凝土体积的交替变化,在混凝土内部产生很大的收缩应力,导致混凝土的裂缝。影响混凝土收缩,主要是水泥品种、混凝土配合比、外加剂和掺合料的品种以及施工工艺、养护条件等。

2.3水泥水化热。水泥在水化过程中要释放出一定的热量,而大体积混凝土结构断面较厚,表面系数相对较小,所以水泥产生的热量聚集在结构内部不易散失。这样混凝土内部的水化热无法及时散发出去,以至于越积越高,使内外温差增大,产生温度应力和收缩应力。水化热产生的混凝土内部最高温度,多发生在浇筑后的最初3～5天,以后逐渐降低,这与混凝土单位体积中水泥用量和水泥品种有关。结构裂缝主要是由降温和收缩引起的,前者引起外约束,是导致贯通裂缝的主要原因;后者引起自约束,主要引起表面裂缝。因此在降温阶段,如果温差较大,则早期出现裂缝的可能性较大。

2.4约束条件。大体积混凝土与地基浇在一起,早期混凝土温度上升时,混凝土膨胀受到地基约束会产生压应力;当后期温度下降时,混凝土收缩受到地基约束便会产生拉应力。由于混凝土的抗压性能优于抗拉性能,所以在受压时一般不会出现裂缝,而在受拉时,当拉应力大于混凝土的抗拉强度时,就会在混凝土中出现垂直裂缝。

3大体积混凝土裂缝的防控措施

3.1科学用料、合理调配。控制含泥量。根据结构断面最小尺寸和泵送管道内径,选择合理的最大粒径。选用天然连续级配的粗集料,使混凝土具有较好的可泵性,减少用水量、水泥用量,进而减小水化热,以采用级配良好的中砂为宜,通过试验证明,采用细度模数2.8的中砂比采用细度模数2.3的中砂,可减少用水量20～25kg/m3,可降低水泥用量28～35kg/m3。因而降低了水泥水化热,混凝土温度升高和收缩,选用合理砂率对混凝土的可泵性是有所提高的。

控制水灰比。混凝土中掺入一定数量的优质粉煤灰。不但能代替部分水泥,而且粉煤灰颗粒呈球状具有滚动效应,起到作用,可改善混凝土拌合物的流动性、粘聚性、保水性,并且能够补充泵送混凝土中粒径在0.315mm以下的细集料达到占15%的要求,从而改善了可泵性。掺优质粉煤灰的混凝土后期强度高,在一定范围内60天比28天强度均可增长20%左右。

减少水泥用量。选用水化热较低的32.5号矿渣硅酸盐水泥。其早期的水化与同龄期的普通硅酸盐水泥相比,3天的水化热约低30%。大体积混凝土引起裂缝的主要原因是水泥水化热的大量积聚,使混凝土早期升温和后期降温产生内部和表面温差。合理地选用水泥是控制温度裂缝的有效措施。

3.2优化浇捣方法。大体积混凝土施工段的划分及浇筑顺序应根据具体工程结构确定,通常按该工程项目划分表的单元工程进行划分。混凝土可采用混凝土运输车运到现场,汽车泵或混凝土输送泵运送入仓;如采用非泵送混凝土,可用吊机(车)直接布料或搭设脚手架采用机动车布料。大体积混凝土必须根据当地中长期天气预报,选择最佳天气条件进行浇筑,应尽量安排在低温时段浇筑,以最大限度降低混凝土的初凝温度。在浇筑过程中,应遵循“同时浇捣、分层推进,一次到顶,循序渐进”的成熟工艺。振捣时重点控制两点,即混凝土流淌的最近点和最远点,振动点振动时不能漏振,尽可能采用两次振捣工艺,以提高混凝土的密实度。

3.3加强后期养护。养护是一项十分关键的工作,养护主要是保持适宜的温度和湿度,以便控制混凝土内表温差,促进混凝土强度的正常发展及防止混凝土裂缝的产生和发展。根据工程的具体情况,应尽可能多养护一段时间,拆模后立即回土或覆盖保护,同时预防近期骤冷气候影响,以控制内表温差,防止混凝土早期和中期裂缝。养护用水的温度应与现场测得的混凝土表面温度接近,以免人为造成混凝土表面产生温度梯度,进而出现裂缝。大体积混凝土的养护,不仅要满足强度增长的需要,还应通过温度控制,防止因温度变形引起混凝土的开裂。温度控制就是对混凝土的浇筑温度和混凝土内部的最高温度进行控制。在混凝土养护阶段的温度控制应遵循以下几点:

3.2.1混凝土的中心温度与表面温度之间、混凝土表面温度与室外最低气温之间的差值均应小于20℃;当结构混凝土具有足够的抗裂能力时,不大于25～30℃。

3.2.2混凝土拆模时,混凝土的温差不超过20℃。其温差应包括表面温度、中心温度和外界气温。

3.2.3采用内部降温法来降低混凝土内外温差。

3.2.4保温法是在结构外露的混凝土表面以及模板外侧覆盖保温材料(如草袋、锯木、湿砂等),在缓慢的散热过程中,使混凝土获得必要的强度,以控制混凝土的内外温差小于20℃。

3.2.5混凝土表层布设抗裂钢筋网片,增强混凝土的抗裂性,防止混凝土收缩时产生干裂。

4混凝土建筑施工裂缝分析

对有些结构按其所处条件的不同,允许存在一定宽度的裂缝。但施工中仍尽可能采取有效的技术措施控制裂缝,使结构尽量不出现裂缝,或尽量减少裂缝的数量和宽度,特别是避免有害裂缝的出现,以确保工程质量。

裂缝按产生的原因有:由外荷载(包括施工和使用阶段的静荷载、动荷载)引起的裂缝;由变形(包括温度、湿度变形、不均匀沉降等)引起的裂缝;由施工操作(如制作、脱模、养护、堆放、运输、吊装等)引起的裂缝。

按裂缝的方向、形状有:水平裂缝,垂直裂缝,横向裂缝,纵向裂缝,斜向裂缝以及放射状裂缝等。按裂缝深度有:贯穿裂缝、深层裂缝及表面裂缝。

4.1塑性裂缝。

4.1.1现象:裂缝在结构表面出现,形状很不规则且长短不一,互不连贯,类似干燥的泥浆面。大多在混凝土浇筑初期(一般在浇筑后4小时左右),当混凝土本身与外界气温相差悬殊,或本身温度长时间过高(40℃以上),而气候很干燥的情况下出现。塑性裂缝又称龟裂,属于干缩裂缝,出现普遍。

4.1.2原因分析:①混凝土浇筑后,表面没有及时覆盖,受风吹日晒,表面游离水分蒸发过快,产生急剧的体积收缩,而此时混凝土早期强度很低,不能抵抗这种变形应力而导致开裂。② 使用收缩率较大的水泥,水泥用量过多,或使用过量的粉砂。③混凝土水灰比过大,模板过于干燥。

4.1.3预防措施:①配制混凝土时,应严格控制水灰比和水泥用量,选择级配良好的石子,减小空隙率和砂率;同时,要振捣密实,以减少收缩量,提高混凝土抗裂度。②浇筑混凝土前,将基层和模板浇水湿润。③混凝土浇筑后,对表面应及时用潮湿材料覆盖,认真养护。④在气温高、湿度低或风速大的天气施工,混凝土浇筑后,应及早进行喷水养护,使其保持湿润;大面积混凝土宜浇完一段,养护一段。此外,要加强表面的抹压和养护工作。⑤ 混凝土养护可采用表面喷氯偏乳液养护剂,或覆盖湿草袋、塑料布等 方法 ;当表面发现微细裂缝时,应及时抹压,再覆盖养护。⑥设挡风设施。

4.1.4治理方法:此类裂缝对结构强度影响不大,但传统使钢筋锈蚀,可在表面抹一层薄砂浆进行处理。对于预制构件,可在裂缝表面涂环氧胶泥或粘贴环氧玻璃布进行封闭处理。

4.2干缩裂缝。

4.2.1现象:裂缝为表面性,宽度较细。其走向纵横交错,没有规律 。较薄的梁、板类构件(或桁架杆件),多沿短向分布;整体性结构多发生在结构变截面处;平面裂缝多延伸到变截面部位或块体边缘,大体积混凝土在平面部位较为多见,但侧面也常出现,并随湿度和温度变化而逐渐发展。

4.2.2原因分析:①混凝土成型后,养护不当,受到风吹日晒,表面水分散失快,体积收缩大,而内部湿度变化很小,收缩也小,因而表面收缩变形受到内部混凝土的约束,出现拉应力,引起混凝土表面开裂,或者构件水分蒸发,产生体积收缩受到地基或垫层的约束,而出现干缩裂缝。②混凝土构件长期露天堆放,表面湿度经常发生剧烈变化。③采用含泥量大的粉砂配制混凝土。④混凝土经过度振捣,表面形成水泥含量较多的砂浆层。⑤后张法预应力构件露天生产后长久为张拉等。

4.2.3预防措施:①混凝土水泥用量、水灰比和砂率不能过大;严格控制砂石含泥量,避免使用过量粉砂;混凝土应振捣密实,并注意对板面进行抹压,可在混凝土初凝后、终凝前进行二次抹压,以提高混凝土抗拉强度,减少收缩量。②加强混凝土早期养护,并适当延长养护时间。长期露天堆放的预制构件,可覆盖草帘、草袋,避免曝晒,并定期适当洒水,保持湿润。薄壁构件则应在阴凉地方堆放并覆盖,避免发生过大湿度变化。

4.3表面温度裂缝。

4.3.1现象:表面温度裂缝走向无一定规律性;梁板式或长度尺寸较大的结构,裂缝多平行于短边;大面积结构裂缝常纵横交错。深进的和贯穿的温度裂缝,一般与短边方向平行或接近于平行,裂缝沿全长分段出现,中间较密。裂缝宽度大小不一,一般在0.5mm以下。裂缝宽度沿全长没有太大的变化。温度裂缝多发生在施工期间,缝宽受温度变化影响较明显,冬季较宽,夏季较细。沿断面高度,裂缝大多呈上宽下窗状,但个别也有下宽上窄情况,遇上下边缘区配筋较多的结构,在时也出现中间宽两端窄的梭形裂缝。

4.3.2原因分析:

①表面温度裂缝,多由于温度较大。混凝土结构,特别是大体积混凝土基础浇筑后,在硬化期间放出大量水化热,内部温度不断上升,使混凝土表面和内部温差很大。当温度产生非均匀的降温时(如施工中注意不够,过早拆除模板;冬季施工,过早除掉保温层,或受到寒潮袭击),将导致混凝土表面急剧的温度变化而产生较大的降温收缩,此时表面胺到内部混凝土的约束,将产生很大的拉应力(内部降温慢,受自约束而产生压应力),而混凝土早期抗拉强度和弹性模量很低,因而出现裂缝(这种裂缝又称为内约束裂缝)。但这种温差仅在表面处较大,离开表面就很快减弱。因此,裂缝只在接近表面较浅的范围出现,表面层以下结构仍保持完整。

②深进的和贯穿的浊裂缝多由于结构降温差较大,受到外界的约束而引起的。当大体积混凝土基础、墙体浇灌在坚硬地基(特别是岩石地基)或厚大的老混凝土垫层上时,没有采取隔离层等放松约束的措施,如果混凝土浇灌时温度很高,加上水泥水化热的混凝土冷却收缩,全部或部分地受到地基、混凝土垫层或其他外部结构的约束,将传统在混凝土浇筑后2～3个月或更长时间出现,裂缝较深,有时是贯穿性的,将破坏结构的整体性。基础工程长期不回填,受风吹日晒或寒潮袭击作用;框架结构的梁、墙板、基础梁,由于与刚度较大的柱、基础连接,或预制构件浇筑在台座伸缩缝处,因温度变形受到约束,降温时也常出现这类裂缝。采用蒸气养护的预制构件,混凝土降温制度控制不严,降温过速,或养生窑坑急剧揭盖,使混凝土表面剧烈降温,而受到肋部或胎模的约束,常导致构件表面或肋部出现裂缝。

4.3.3预防措施:①尽量选用低热或中热水泥(如矿渣水泥、粉煤灰水泥)配制混凝土;或混凝土中掺适量粉煤灰;或利用混凝土的后期强度,降低水泥用量,以减少水化热量。②选用良好级配的骨料,并严格控制砂、石子含泥量,降低水灰比,加强振捣,以提高混凝土的密实性和抗拉强度。③在混凝土中掺加缓凝剂,减缓浇筑速度,以利于散热,或掺木钙、减水剂,以改善和易性,减少水泥用量。④避开炎热天气浇筑大体积混凝土;必须在热天浇筑时,可采用冰水或深井凉水拌制混凝土,或设置简易遮阳装置,并对骨料进行喷水预冷却,以降低混凝土搅拌和浇筑的温度。⑤分层浇筑混凝土,每层厚度不大于30cm,以加快热量散发,并使温度分布均匀,同时也便于振捣密实。⑥大体积混凝土适当预留一些孔道,采取通冷水或冷气降温。⑦大型设备基础采取分块分层间隔浇筑(间隔时间5～7天)分块厚度1~1.5m,以利水化热散发和减少约束作用;或每隔20～30m留一条0.5～1.0m宽的临时间断缝,40天后再用干硬性细石混凝土浇筑,以减少温度收缩应力。⑧浇筑混凝土后,表面应及时用草袋、锯末、砂等覆盖,并洒水养生。深搞基础可采取灌水养护(或在混凝土表面四周砌一皮砖进行灌水养护)。夏季应适当延长养护时间,使之缓慢降温。在寒冷季节,混凝土表面应采取保温措施,以防寒潮袭击。拆模时,块体中部和表面温差不宜大于20℃,以防止急剧冷却造成表面裂缝。基础混凝土拆模后要及时回填。⑨在岩石地基或较厚大的混凝土垫层上浇筑大体积混凝土时,可在岩石地基或混凝土垫层上浇沥青胶并撒铺5mm厚或铺二层沥青油毡纸,以消除或减少约束作用。⑩蒸汽养护构件时,控制升温速度不大于25℃/小时,降温速度不大于20℃/小时,并缓慢揭盖,及时脱模,避免引起过大的温度应力。

4.3.4治理方法:温度裂缝对钢筋锈蚀、碳化、抗冻融(有抗冻要求的结构)、抗疲劳(对受动荷载构件)等方面有影响,故应采取措施治理。可以采用涂两遍环氧胶泥或贴环氧玻璃布,以及抹、喷水泥砂浆等方法进行表面封闭处理,对有防水、抗渗要求的结构,缝宽大于0.1mm的深进或贯穿性裂缝,应根据裂缝可灌程度,采用灌水泥浆或化学浆液(环氧、甲凝或丙凝浆液)方法进行裂缝修补,或者灌浆与表面封闭同进采用。宽度不大于0.1mm的裂缝,由于后期水泥生成氢氧化钙、硫酸铝钙等类物质,能使裂缝自行愈合,可不处理或只进行表面处理即可。

4.4不均匀沉陷裂缝。

4.4.1现象:不均匀沉陷裂缝多属贯穿性裂缝,其走向与沉陷情况有关,有的在上部,有的在下部,一般与地面垂直或呈30°～45°角方向发展。较大的不均匀沉陷裂缝,往往上下或左右有一定的差距,裂缝宽度受温度变化影响较小,因荷载大小而异,且与不均匀沉降值成比例。

4.4.2原因分析:①结构、构件下面的地基未经夯实和必要的加固处理,混凝土浇筑后,地基因没水引起不均匀沉降。②平卧生产的预制构件(如屋架、梁等),由于侧向刚度较差,在弦、腹杆件或梁的侧面常出现裂缝。③模板刚度不足,模板支撑间距过大或支撑底部松动,以及过早拆模,也常导致不均匀沉陷裂缝出现。

4.4.3预防措施:①对松软土、填土地基应进行必要的夯实和加固。②避免直接在松软土或填土上制作预制构件,或经压夯实处理后作预制场地。③模板应支撑牢固,保证有足够强度和刚度,并使地基受力均匀。拆模时间不能达早,应按规定执行。④构件制作场地周围应作好排水措施,并注意防止水管漏水或养护水浸泡地基。

4.4.4治理方法:不均匀沉陷裂缝对结构的承载能力和整体性有较大的影响,因此,应根据裂缝的严重程度,会同设计等有关部门对结构进行适当的加固处理(如设钢筋混凝土围套、加钢套箍等)。

5结论

通过以上几章对混凝土的施工温度与裂缝之间的关系进行理论和实践上的初步探讨,虽然学术界对于混凝土裂缝的成因和计算方法有不同的理论,但对于具体的预防和改善措施意见还是比较统一,同时在实践中的应用效果也是比较好的,只要我们加强混凝土梁的施工工艺的管理,严格按照施工规范、规程操作,就能大大减少混凝土梁裂缝的产生,具体施工中还要我们多观察、多比较,出现问题后多分析、多总结,结合多种预防处理措施“对症下药”综合整治。混凝土的裂缝是完全可以避免的,从而保证混凝土施工质量。

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