地下工程混凝土防裂及控制措施探讨

【摘要】近年来，随着国民经济和建筑技术的快速发展，地下混凝土工程在建筑业中的裂缝问题成为普遍的关注问题，本文针对混凝土结构中裂缝产生的原因进行研究，采取合理的、经济的措施控制。

【关键词】混凝土裂缝；影响因素；材料；防裂措施

混凝土裂缝是影响建筑工程观感、使用功能甚至是结构安全的普遍存在一个质量通病,地下工程混凝土的抗裂问题更是影响地下工程防水与结构安全的关键，从大量的混凝土工程实例及近代科学关于混凝土工作的研究表明,混凝土裂缝是无法避免的,这是因为混凝土是多种材料组成的一种混合体,且又是一种脆性材料,在受到温度、压力和外力的作用下,都有出现裂缝的可能性。怎样预防和控制混凝土的裂缝,把混凝土裂缝控制在最小范围内,这对混凝土工程的施工,特别是地下工程中混凝土结构的稳定性以及混凝土的耐久性具有非常重要的意义。

1 影响混凝土抗裂能力的因素

地下工程中浇灌的混凝土大多为大体积混凝土,不仅量大,而且厚度较厚,因结构设计的要求,局部厚度变化较大,对于这样的地下工程来说,影响其混凝土抗裂能力的因素主要有以下几个方面。

1.1 混凝土的抗拉强度

混凝土的抗拉强度是大体积混凝土抗裂性的重要指标,它主要是由水泥浆的抗拉能力及水泥浆与骨料的胶结能力组成,混凝土的抗拉强度越高,其混凝土的抗裂能力越强。

1.2 混凝土的弹性模量

混凝土的弹性模量是指混凝土产生单位变形所需要的应力。混凝土的弹性模量取决于骨料本身的弹性模量及混凝土的灰浆率。混凝土的弹性模量越高,对混凝土的抗裂能力越不利。一般而言,混凝土的拉伸弹性模量比压缩弹性模量略小,使用时可假定两者相同。

1.3 混凝土的徐变

混凝土的徐变对混凝土温度应力有着很大的影响,由于混凝土徐变产生的应力松弛降低了温度应力水平,因此混凝土的徐变增大,其温度应力将减小,这有利于混凝土的抗裂。混凝土徐变与混凝土温度、水泥品种、龄期、粉煤灰掺量及灰浆率有关。混凝土的拉伸徐变一般小于压缩徐变,对于早龄期而言,拉伸徐变为其压缩徐变的0.8左右。

1.4 混凝土的线膨胀系数

混凝土线膨胀系数越小,温度变形越小,所产生的温度应力也越小,抗裂能力越高;相反,则抗裂能力越低。混凝土的线膨胀系数主要取决于骨料的线膨胀系数。骨料的线膨胀系数随岩性而变化:以石英质骨料为最大,其次是砂岩、花岗岩、玄武岩和石灰岩,依次减小。一般而言,水泥净浆的线膨胀系数比骨料的线膨胀系数大,因此,水泥用量多的混凝土线膨胀系数一般较大,反之,骨料用量多的混凝土线膨胀系数一般较小。

1.5 混凝土的水化温升

水化温升高的混凝土,其与稳定温度之差大,产生的温度应力也大,混凝土的抗裂性则差。影响混凝土水化温升的主要因素是水泥矿物成分,混合材的品质与掺量,混凝土的单位用水量与水泥用量。

1.6 混凝土的自身体积变形

混凝土的力学性能,包括强度、弹性模量、徐变等对裂缝产生的影响已为大家共识,自身体积变形对裂缝的影响也越来越受到重视。混凝土的自身体积变形主要取决于水泥中的矿物组成及化学成分,膨胀型自身体积变形有利于防止裂缝,收缩型自身体积变形会给大体积混凝土裂缝带来不利的影响。

2 地下工程混凝土自身结构和材料产生裂缝的预防和控制

2.1 控配筋

通过配置钢筋并限制钢筋拉应力,将由外力或由收缩引发的混凝土裂缝的开展宽度控制在可容许的限度以内,不使混凝土工程结构的使用功能、耐久性以及至外观等因素而受损。混凝土中配筋通常是为了满足结构承载强度需要,但往往也兼起控制裂缝的作用。通过有关参考文献的查阅,得知欧共体EC2-91F规范的混凝土平均裂宽估算式,根据估算式可知,减小钢筋拉应力或增大配筋面积是控制裂宽的重要手段,而采用较小直径并较高粘结力的钢筋也大大有利于裂控。

2.2 控温

2.2.1 控制温差

混凝土的收缩裂缝起因于混凝土自由收缩变形受到抑制和阻碍而产生拉裂,其自由收缩应变的引发因素是温降应变和干缩应变。通过以往有关试验分析知,预防混凝土的收缩裂缝最为现实亦最有效的手段是控制减低混凝土的温降幅度,不使其大到某个程度,而结合具体情况采取措施降低温降应变和干缩应变以及外部约束作用程度的约束度,将可以各自发挥相应的减缩防裂作用。混凝土温降幅度温差是混凝土最高温度与环境温度或混凝土表面温度之差,而最高温度由混凝土浇筑温度决定的,所以混凝土工程温控主要是指减低温降幅度和混凝土浇筑温度。

2.2.2 致裂温度

混凝土工程,特别是地下大体积工程,习惯上多是通过控制混凝土温度来预防裂缝,德国慕尼黑工业大学建材学院通过“裂缝试验框”以模拟厚大混凝土的温升,混凝土温升达峰温后拆模,再按规定速度降温至出现裂缝测得混凝土的致裂温度。致裂温度可综合反映混凝土发热量、热胀系数、有效弹模和抗拉强度等诸多因素的影响,比温差更具有现实意义,所以通过测定各种混凝土的致裂温度,就可以对混凝土的材料水泥、骨料、掺料、配比、浇筑温度等进行优选或加以调整,以获取更好些的防裂效果。

2.3 控干缩

混凝土干缩主要起因于水泥石的脱水收缩,砂石大多不收缩并可抑制水泥石的收缩从而减少混凝土的收缩,所以,凡是能影响水泥石收缩和能影响骨料约束效应的种种因素,也都会影响混凝土的干缩变形。水泥石或混凝土的干燥过程是其所含水的蒸发过程。水泥石内的可蒸发水存在于大孔洞、毛细孔及凝胶孔中。气干进行中,首先是大孔洞里的水蒸发,但这不至于引起收缩,随后是毛细孔水蒸发,由较粗孔到较细孔再到更细孔,脱水量依次减少而收缩量却依次增大。可见,水泥石气干收缩在内部主要受制于细孔含量和孔径分布,而这又受制于加水量水灰比和水化度,在外部主要受制于环境湿度;混凝土气干收缩则除受制于含水量、水灰比、水化度,环境湿度以及骨料的特性与含量等外,还要受以工程结构程度所影响。结合具体工程条件,在确保混凝土浇筑均匀,振捣密实的前提下,采用较少的拌和水量、较小的水灰比、较好的骨料级配以及较小的坍落度、较低的拌和温度等,这些都有助于减低混凝土的干缩性。

2.4 控材料

2.4.1 水泥

低热混凝土--低发热、低温升、低温差混凝土对于某些工程特别是地下大体积工程来说是现实有效的防裂手段,一般是选用低热水泥或掺有粉煤灰的水泥。用高质量的煤灰取代部分水泥,粉煤灰的三种效应（颗粒形态效应、微集料效应、火山灰活性效应）可大大改善新拌混凝土的工作性,良好的工作性可大大改善混凝土的外观质量,同时也是混凝土内在质量的保证。并且大掺量粉煤灰混凝土的良好的工作性能,对于解决目前混凝土存在的许多问题有很重要的作用。如:①干缩性:混凝土的收缩性主要受用水量的影响,掺入粉煤灰可减少混凝土的用水量,抑制混凝土的干缩。试验表明,混凝土的干缩随着粉煤灰的含量提高而降低。②对钢筋锈蚀的影响:粉煤灰能使混凝土的碱度降低,对护筋不利。但粉煤灰中含有K+、Na+离子,即使粉煤灰消耗了不少Ca（OH）2,由于K+、Na+溶于毛细管水中,仍能使pH值保持在11.87～12.04之间,使钢筋得到碱性保护。③碱―骨料反应:粉煤灰中含有的酸性氧化物和水泥水化产生的Ca（OH）2反应,同时高细度的掺合料微粒使K+、Na+、OH-富集在其表面,使骨料周围的碱金属离子及氢氧根离子减少,从而削弱了碱一骨料反应。另外,水胶比的降低对碱―骨料反应也有缓解作用。

2.4.2 骨料

不同岩石的αT值可相差颇大,有资料显示石英岩或硅质岩的偏高,石灰岩的偏低,火山岩居中。T值虽然是决定混凝土热变形的重要因素,其波动幅度相当大,因而选用骨料时,要依据实际,根据试验来选择骨料岩石的性质。同时骨料级配要良好,砂子尤宜分级使用,砂石也要比较干净,这都有助于减少混凝土拌和需水量和保有良好的浇筑适应性。

2.4.3 外加剂

混凝土内适当掺用减水剂、UEA膨胀剂、引气剂、聚丙烯纤维也可有效改善混凝土的抗裂性能。

2.4.4 配比

配制防裂性混凝土,在条件允许的条件下虽宜少用水泥,和少用拌和水,但决不能因为水量、水泥量、坍落度等偏小而影响到混凝土的浇筑适应性包括适泵性、适振性,任何时候都需要把混凝土的浇筑均匀密实放在质量控制的首位。

2.5 控施工

2.5.1 拌和

低温混凝土的优点很多,当然宜于推广使用,特别是对于地下工程大体积混凝土,因为其浇筑温度低,混凝土的致裂温度也相宜较低,这有助于提高混凝土的防裂性能。低温混凝土还有利于混凝土的浇筑振实以及水泥的持续水化反应。经验证明,混凝土浇筑温度降至10℃以下并配合采取其他防裂措施,就不会出现构成问题的温度裂缝。在夏天施工,可以采用掺冰屑的冷水拌和,或向粗骨料堆上喷水,借水蒸发时的强力吸热使骨料降温,或在拌和混凝土直接加入液氮而降温。

2.5.2 浇筑和养护

混凝土施工需要力求浇筑均匀和振捣密实,因为混凝土抗拉伸性的波动性远大于抗压缩的波动性,而是混凝土裂缝又总是发生于抗拉伸的薄弱环节。混凝土浇筑成形之后,既要保持混凝土裸面潮湿,防止水分外散;也要保持混凝土的温度变化适宜,使能符合于强度的发展需要并力求减小内外温差。对于混凝土工程的顶面可覆盖“湿被”保湿,并借助于“湿被”中水的蒸发吸热,又可促进混凝土内热的迅速外散以降低峰温,对于有钢模的侧立面也可喷水或挂湿帘靠水分蒸发吸热。

2.5.3 混凝土工程分段

长大工程结构混凝土往往是按水平方向或竖直方向分段、分层浇筑并设置接缝。长大建筑结构通常是设置“伸缩缝”,分段施工,依序分段浇筑室内伸缩缝的最大间距按规范取30～100m,室外取20～70m。

3 工程实例

现以我市某银行大楼地下室库房混凝土结构的设计和施工来说明地下工程混凝土结构裂缝的预防和控制，本工程地下库房底板厚600mm-1600mm,墙体厚40mm0-600mm，顶板厚200mm,施工过程中我们采用了一系列抗裂措施：(1）本工程将原设计墙体钢筋Ф6@150变更为Ф5@100就是采用了增大配筋面积来达到抗裂的目的；(2)将原混凝土标号由C40（f28）改为C40（f45），充分利用混凝土后期强度，减少水泥用量，降低浇筑后混凝土温度从而达到通过控制温升、缩小温差来控制裂缝的目的；（3）水泥选用收缩小的po42.5,加入15%粉煤灰，优化骨料级配，严格控制骨料的含泥量；(4)外加高效减水剂JRC-2D,地板混凝土加10%UEA膨胀剂，墙体和顶板加入0.8kg聚丙烯纤维；（5）加强混凝土浇捣和早期养护控制，延长拆模时间以减少混凝土内外温差并对混凝土温度进行监控，确保将温差控制在25°以内。（6）设置后浇带，以减少混凝土收缩造成裂缝。

4 结束语

地下工程裂缝产生原因具有多元性和不定性,裂缝形成的机理表现非常复杂,发生部位又随机多变,因而目前对地下工程混凝土变形及产生的原因了解和认识还相当不够。但是随着科技的发展,这一重要课题一定能够得到有效的解决,至少混凝土裂缝问题能够在实践中得到丰富和完善,这对于我国目前日益增多的地下工程来说,有着非常重要的现实意义。