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大體積混凝土的裂縫產(chǎn)生的可能原因與預(yù)防措施

2008-09-18 10:41    【  【打印】【我要糾錯(cuò)】

  摘  要:大體積混凝土開(kāi)裂后,其性能與原狀混凝土性能相差很大,尤其是對(duì)耐久性(滲透性)的影響更大,而混凝土滲透反過(guò)來(lái)又會(huì)加速和促使混凝土的進(jìn)一步惡化,嚴(yán)重影響結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)期安全和耐久運(yùn)行。而裂縫大多又是在早期產(chǎn)生的,因此,探討裂縫產(chǎn)生的原因和防止裂縫的出現(xiàn)就顯得格外重要。通過(guò)對(duì)大體積混凝土裂縫產(chǎn)生的原因和類型的論述,從各個(gè)環(huán)節(jié)提出了預(yù)防裂縫的綜合措施。

  關(guān)鍵詞:大體積混凝土;裂縫;收縮;安定性;裂縫控制

  1.1大體積混凝土裂縫的可能原因

  1.1.1裂縫的類型和形成原因大體積混凝土墩臺(tái)身或基礎(chǔ)等結(jié)構(gòu)裂縫的發(fā)生是由多種因素引起的。各類裂縫產(chǎn)生的主要影響因素如下:

  1.1.1.1收縮裂縫:

  混凝土的收縮引起收縮裂縫。收縮的主要影響因素是混凝土中的用水量和水泥用量,混凝土中的用水量和水泥用量越高,混凝土的收縮就越大。選用水泥品種的不同,干縮、收縮的量也不同。收縮量較小的水泥為中低熱水泥和粉煤灰水泥。

  混凝土的逐漸散熱和硬化過(guò)程引起的收縮,會(huì)產(chǎn)生很大的收縮應(yīng)力,如果產(chǎn)生的收縮應(yīng)力超過(guò)當(dāng)時(shí)的混凝土極限抗拉強(qiáng)度,就會(huì)在混凝土中產(chǎn)生收縮裂縫。

  人們對(duì)收縮給予了很大的關(guān)注,但引人關(guān)注的并不是收縮本身,而是由于它會(huì)引起開(kāi)裂。混凝土的收縮現(xiàn)象有好幾種,比較熟悉的是干燥收縮和溫度收縮,這里著重介紹的是自身收縮,還順便提及塑性收縮問(wèn)題。

  自身收縮與干縮一樣,是由于水的遷移而引起。但它不是由于水向外蒸發(fā)散失,而是因?yàn)樗嗨瘯r(shí)消耗水分造成凝膠孔的液面下降,形成彎月面,產(chǎn)生所謂的自干燥作用,混凝土體的相對(duì)濕度降低,體積減小。水灰比的變化對(duì)干燥收縮和自身收縮的影響正相反,即當(dāng)混凝土的水灰比降低時(shí)干燥收縮減小,而自身收縮增大。如當(dāng)水灰比大于0.5時(shí),其自干燥作用和自身收縮與干縮相比小得可以忽略不計(jì);但是當(dāng)水灰比小于0.35時(shí),體內(nèi)相對(duì)濕度會(huì)很快降低到80%以下,自身收縮與干縮則接近各占一半。

  自身收縮中發(fā)生于混凝土拌合后的初齡期,因?yàn)樵谶@以后,由于體內(nèi)的自干燥作用,相對(duì)濕度降低,水化就基本上終止了。換句話說(shuō),在模板拆除之前,混凝土的自身收縮大部分已經(jīng)產(chǎn)生,甚至已經(jīng)完成,而不像干燥收縮,除了未覆蓋且暴露面很大的地面以外,許多構(gòu)件的干縮都發(fā)生在拆模以后,因此只要覆蓋了表面,就認(rèn)為混凝土不發(fā)生干縮。

  在大體積混凝土里,即使水灰比并不低,自身收縮量值也不大,但是它與溫度收縮疊加到一起,就要使應(yīng)力增大,所以在水工大壩施工時(shí)早就將自身收縮作為一項(xiàng)性能指標(biāo)進(jìn)行測(cè)定和考慮,F(xiàn)今許多斷面尺寸雖不很大,且水灰比也不算小的混凝土,如上所述,已“達(dá)到必須解決水化熱及隨之引起的體積變形問(wèn)題,以最大限度減少開(kāi)裂影響”,因而也需要像大壩一樣,需要考慮將溫度收縮和自身收縮疊加的影響,況且在這些結(jié)構(gòu)里,兩者的發(fā)展速率均要比大壩混凝土中快得多,因此也激烈得多。

  還有塑性收縮,在水泥活性大、混凝土溫度較高,或者水灰比較低的條件下也會(huì)加劇引起開(kāi)裂。因?yàn)檫@時(shí)混凝土的泌水明顯減少,表面蒸發(fā)的水分不能及時(shí)得到補(bǔ)充,這時(shí)混凝土尚處于塑性狀態(tài),稍微受到一點(diǎn)拉力,混凝土的表面就會(huì)出現(xiàn)分布不規(guī)則的裂縫。出現(xiàn)裂縫以后,混凝土體內(nèi)的水分蒸發(fā)進(jìn)一步加快,于是裂縫迅速擴(kuò)展。所以在上述情況下混凝土澆注后需要及早覆蓋。

  1.1.1.2溫差裂縫混凝土內(nèi)部和外部的溫差過(guò)大會(huì)產(chǎn)生裂縫。溫差裂縫的主要影響因素是水泥水化熱引起的混凝土內(nèi)部和混凝土表面的溫差過(guò)大。特別是大體積混凝土更易發(fā)生此類裂縫。

  大體積混凝土結(jié)構(gòu)一般要求一次性整體澆筑,澆筑后,水泥因水化引起水化熱,由于混凝土體積大,聚集在內(nèi)部的水泥水化熱不容易散發(fā),混凝土內(nèi)部溫度將顯著升高,而混凝土表面土則散熱較快,形成了較大的溫度差,使混凝土內(nèi)部產(chǎn)生壓應(yīng)力,表面產(chǎn)生拉應(yīng)力,此時(shí),混凝齡期短,抗拉強(qiáng)度很低。當(dāng)溫差產(chǎn)生的表面抗拉應(yīng)力超過(guò)混凝土極限抗拉強(qiáng)度,則會(huì)在混凝土的表面產(chǎn)生裂縫。

  大體積混凝土施工,由于混凝土內(nèi)部與表面散熱速率不一樣,在其表面形成較大的溫度梯度,從而引起較大的表面拉應(yīng)力。同時(shí),此時(shí)混凝土的齡期很短,抗拉強(qiáng)度很低,溫差產(chǎn)生的表面拉應(yīng)力,超過(guò)此時(shí)的混凝土極限抗拉強(qiáng)度,就會(huì)在混凝土表面產(chǎn)生表面裂縫。此種裂縫一般產(chǎn)生在混凝土澆筑后的第3天(升溫階段)。混凝土降溫階段,由于逐漸降溫而產(chǎn)生收縮,再加上混凝土硬化過(guò)程中,由于混凝土內(nèi)部拌合水的水化和蒸發(fā)以及膠質(zhì)體的膠凝等作用,促使混凝土硬化時(shí)收縮。這兩種收縮由于受到基底或結(jié)構(gòu)本身的約束,也會(huì)產(chǎn)生很大的拉應(yīng)力,直至出現(xiàn)收縮裂縫。

  1.1.1.3安定性裂縫安定性裂縫表現(xiàn)為龜裂,主要是因水泥安定性不合格而引起的。

  2.1裂縫的防治措施

  2.1.1 設(shè)計(jì)措施

  1)精心設(shè)計(jì)混凝土配合比混凝土配合比設(shè)計(jì)時(shí),在保證混凝土具有良好工作性的情況下,應(yīng)盡可能的降低混凝土的單位用水量,采用“三低(低砂率、低坍落度、低水膠比)二摻(摻高效減水劑和高性能引氣劑)一高(高粉煤灰摻量)”的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則,生產(chǎn)出“高強(qiáng)、高韌性、中彈、低熱和高極拉值”的抗裂混凝土。

  2)增配構(gòu)造筋提高抗裂性能,配筋應(yīng)采用小直徑、小間距。全截面的配筋率應(yīng)在0.3~0.5%之間。

  3)避免結(jié)構(gòu)突變產(chǎn)生應(yīng)力集中,在易產(chǎn)生應(yīng)力集中的薄弱環(huán)節(jié)采取加強(qiáng)措施。

  4)在易裂的邊緣部位設(shè)置暗梁,提高該部位的配筋率,提高混凝土的極限拉伸。

  5)在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)充分考慮施工時(shí)的氣候特征,合理設(shè)置后澆縫,在正常施工條件下,后澆縫間距20~30m,保留時(shí)間一般不小于60天。如不能預(yù)測(cè)施工時(shí)的具體條件,也可臨時(shí)根據(jù)具體情況作設(shè)計(jì)變更。

  2.1.2 施工措施

  1)嚴(yán)格控制混凝土原材料的的質(zhì)量和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn),選用低水化熱水泥,粗細(xì)骨料的含泥量應(yīng)盡量減少(1~1.5%以下)……

  優(yōu)選混凝土各種原材料

  在選擇大體積混凝土用水泥時(shí),在條件許可的情況下,應(yīng)優(yōu)先選用收縮性小的或具有微膨脹性的水泥。因?yàn)檫@種水泥在水化膨脹期(1~5d)可產(chǎn)生一定的預(yù)壓應(yīng)力,而在水化后期預(yù)壓應(yīng)力可部分抵消溫度徐變應(yīng)力,減少混凝土內(nèi)的拉應(yīng)力,提高混凝土的抗裂能力。為此,水泥熟料中的堿含量應(yīng)低且適宜「3」,熟料中MgO含量在3.0%~5.0%,石膏與C3A的比值盡量大些,C3A、C3S和C2S含量應(yīng)分別控制在5.0%以內(nèi)、50.0%左右和20.0%左右,這種熟料比例的水泥具有長(zhǎng)期穩(wěn)定的微膨脹抗裂性能「2」。

  骨料在大體積混凝土中所占比例一般為混凝土絕對(duì)體積的80%~83%,因此,在選擇骨料時(shí),應(yīng)選擇線膨脹系數(shù)小、巖石彈模較低、表面清潔無(wú)弱包裹層、級(jí)配良好的骨料。

  砂除滿足骨料規(guī)范要求外,應(yīng)適當(dāng)放寬石粉或細(xì)粉含量,這樣不僅有利于提高混凝土的工作性,而且可提高混凝土的密實(shí)性、耐久性和抗裂性。有研究表明,砂子中石粉比例一般在15%~18%之間為宜。

  粉煤灰只要細(xì)度與水泥顆粒相當(dāng),燒失量小,含硫量和含堿量低,需水量比小,均可摻用在混凝土中使用;炷林袚接梅勖夯液,可提高混凝土的抗?jié)B性、耐久性,減少收縮,降低膠凝材料體系的水化熱,提高混凝土的抗拉強(qiáng)度,抑制堿骨料反應(yīng),減少新拌混凝土的泌水等。這些諸多好處均將有利于提高混凝土的抗裂性能。

  高效減水劑和引氣劑復(fù)合使用對(duì)減少大體積混凝土單位用水量和膠凝材料用量,改善新拌混凝土的工作度,提高硬化混凝土的力學(xué)、熱學(xué)、變形、耐久性等性能起著極為重要的作用,也是混凝土向高性能化發(fā)展的不可或缺的重要組分。

  2)細(xì)致分析混凝土集料的配比,控制混凝土的水灰比,減少混凝土的坍落度,合理?yè)郊铀芑瘎┖蜏p少劑。

  3)采用綜合措施,控制混凝土初始溫度混凝土溫度和溫度變化對(duì)混凝土裂縫是極其敏感的。當(dāng)混凝土從零應(yīng)力溫度T2降低到混凝土開(kāi)裂的溫度Tt時(shí),t時(shí)刻的混凝土拉應(yīng)力σt超過(guò)了t時(shí)刻的混凝土極限拉應(yīng)力σtu.因此,通過(guò)降低混凝土內(nèi)的水化熱溫度(主要通過(guò)摻用高效減水劑減少用水,減少膠凝材料,多摻粉煤灰和礦物摻和料)和混凝土初始溫度(通過(guò)骨料水冷和風(fēng)冷降溫、加冰和加冷卻水拌和、各生產(chǎn)環(huán)節(jié)加強(qiáng)保溫以免冷量損失等措施,降低混凝土初始溫度),減少和避免裂縫風(fēng)險(xiǎn)。

  人工控制混凝土溫度的措施(如:體內(nèi)埋設(shè)冷卻水管和風(fēng)管、表面灑水冷卻、表面保溫材料保護(hù))主要是針對(duì)后期而言,對(duì)早期因熱原因引起的裂縫是無(wú)助的。比如表面保溫材料保護(hù)可以減少內(nèi)外溫差,但不可避免的招致混凝土體內(nèi)溫度T1很高,從受約束而導(dǎo)致貫穿裂縫的角度看,是一個(gè)潛在惡化裂縫的條件。因?yàn)轶w內(nèi)熱量遲早是要散發(fā)掉的。另外人工控制混凝土溫度還需注意的問(wèn)題是防止“過(guò)速冷卻”和“超冷”,過(guò)速冷卻不僅會(huì)使混凝土溫度梯度過(guò)大,而且早期的過(guò)速超冷會(huì)影響水泥—膠體體系的水化程度和早期強(qiáng)度,更易產(chǎn)生早期熱裂縫。超冷會(huì)使混凝土溫差過(guò)大,引起溫差裂縫澆筑時(shí)間盡量安排在夜間,最大限度降低混凝土的初凝溫度。白天施工時(shí)要求在沙、石堆場(chǎng)搭設(shè)簡(jiǎn)易遮陽(yáng)裝置,或用濕麻袋覆蓋,必要時(shí)向骨料噴冷水;炷帘盟蜁r(shí),在水平及垂直泵管上加蓋草袋,并噴冷水。

  4)根據(jù)工程特點(diǎn),可以利用混凝土后期強(qiáng)度,這樣可以減少用水量,減少水化熱和收縮。

  5)加強(qiáng)混凝土的澆灌振搗,提高密實(shí)度。

  6)混凝土盡可能晚拆模,拆模后混凝土表面溫度不應(yīng)下降15℃以上,混凝土的現(xiàn)場(chǎng)試塊強(qiáng)度不低于C5. 7)采用兩次振搗技術(shù),改善混凝土強(qiáng)度,提高抗裂性。

  8)根據(jù)具體工程特點(diǎn),采用UEA補(bǔ)償收縮混凝土技術(shù)。

  9)對(duì)于高強(qiáng)混凝土,應(yīng)盡量使用中熱微膨脹水泥,摻超細(xì)礦粉和膨脹劑,使用高效減水劑。通過(guò)試驗(yàn)摻入粉煤灰,摻量15%~50%.

延伸閱讀:大體積 混凝土 裂縫
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