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大体积混凝土裂缝分析与预防措施
资讯类型:行业新闻 加入时间:2010年7月13日9:33
 

    大体积混凝土裂缝分析与预防措施
    罗 彬
    (天津铁路建设有限公司,天津 300140)
    摘要:根据北京站地下行包库大体积混凝土的施工实践,探讨大体积混凝土施工裂缝产生的原因以及控制和预防裂缝的措施。
    关键词:大体积混凝土 混凝土裂缝 预防措施
    中图分类号:TU528·571 文献标识码:B
    钢筋混凝土的裂缝控制问题是建筑工程中十分重要的课题。特别是最近20年来,泵送商品混凝土获得广泛应用,混凝土的配合比有了较大的改变,裂缝控制的难度也随之增加了。
    1 大体积混凝土的定义
    过去大体积混凝土的定义是根据几何尺寸决定的,其中厚度是主要因素,国际上一般是以0·8~1·0 m为界限。自80年代以后大体积混凝土的定义有了改变,美国混凝土协会的定义是:“任意体量的混凝土,其尺寸大到足以必须采取措施减小由于体积变形引起的裂缝,统称为大体积混凝土”。由此可见,在近代泵送商品混凝土获得广泛应用的条件下,即便是很薄的结构,虽然水化热很低,但是其收缩很大,控制收缩裂缝的要求比过去任何时候都显得重要。因此,泵送混凝土的薄壁结构也应当按照大体积混凝土的要求来采取控制混凝土收缩裂缝的措施,特别是环境气温变化与收缩共同作用对于薄壁结构尤为不利。
    2 产生裂缝的直接原因
    由于结构在外荷载作用下的破坏和倒塌是从裂缝扩展开始的,因此人们对裂缝往往产生一种建筑破坏的恐惧感。近年来大量裂缝的出现,并非与荷载作用有直接关系,而是由于变形所引起,包括温度变形(水泥的水化热、气温变化、环境产生的热)、收缩变形(塑性收缩、干燥收缩、碳化收缩)及地基不均匀沉降(膨胀)变形。由于这些变形受到约束引起的应力超过混凝土的抗拉强度而导致的裂缝统称“变形作用引起的裂缝”。
    2·1 收缩及水化热增加
    商品混凝土大流动性泵送浇筑,水泥用量增加,水灰比增加,砂率增加,骨料粒径减小,用水量增加等均导致混凝土收缩及水化热增加。
    2·2 混凝土强度等级日趋提高
    有许多结构不适当地选择了过高的强度等级,人们习惯上认为:“强度等级越高安全度越大,就高不就低,提高强度等级没坏处”。有时迁就施工方便,采用高强混凝土,这是一种误导,导致水泥标号增加,水泥用量增加,水用量增加,细骨料及粗骨料粒径偏小,砂率偏大等都使水化热及混凝土收缩增加。
    2·3 结构约束应力不断增大
    结构规模日趋增大,结构形式日趋复杂,超长、超厚及超静定结构成为经常采用的结构形式(采用现浇施工),这种结构形式有着显著的约束作用,对于各种变形作用必然产生较大约束应力。
    2·4 外加剂的负效应
    外加剂及掺合料种类繁多,只单纯有强度指标而缺乏对混凝土水化热及收缩变形影响的长期试验资料(至少一年),有些试验资料并不严格,有许多外加剂会严重地增加收缩变形,有的甚至降低了耐久性。
    2·5 忽略结构约束
    国内外结构设计中都经常忽略构造钢筋的重要性,因而经常出现构造性裂缝。结构设计中经常忽略结构约束性质,缺乏相应的设计施工规范、规程。
    2·6 养护方法不当
    目前在混凝土施工中采用的养护方法基本沿用过去简易的方法,这种方法已远不适应泵送混凝土有较大温度收缩变形的要求。
    2·7 混凝土抗拉性能不足
    这种裂缝在抗力方面都是由于混凝土抗拉性能不足(抗拉强度和极限拉伸)引起的,这方面的材料级配研究很少。
    3 混凝土的某些基本物理力学性质
    3·1 混凝土的收缩及水化热
    泵送混凝土浇筑的构件收缩量很大,因此经常出现收缩裂缝。混凝土是具有大量孔隙的材料,其中水分蒸发引起孔壁压力的变化,导致混凝土体积的缩小。混凝土内除了少部分水提供水泥水化的需要,其余大部分水分都要蒸发掉,收缩变形同时发生,最终收缩完成的时间大约20年,但其主要部分的收缩是在最早的1~2年内。由于近来水泥活性和强度等级的增加,收缩量显著增加,并且拖延时间较长。影响收缩的因素很多,例如水泥品种采用矿渣水泥比普通硅酸盐水泥的水化热要低,但其收缩约大25 %。遇到超厚的大底板或大块式基础,则水化热起控制作用,宜选用粉煤灰水泥或矿渣水泥,所以,应根据截面的厚度分别选用不同品种的水泥。其次水泥颗粒越细,活性越大,标号越高,用量越多,其收缩也越大,因此提高水泥强度的方法不应靠磨细的途径,而应当采取依靠改善矿物成分的办法。
    众所周知,水灰比大,收缩将显著增加,同时抗拉强度降低。如水灰比为0·6的收缩比水灰比为0·4的收缩增加约40 %。有时尽管水灰比不变,增加用水量,同时增加水泥量即水泥浆量,如水泥浆量为0·2比0·4时的收缩量增加约45 %。减水剂可有效地降低水灰比及用水量,而粉煤灰具有圆珠润滑效应和火山灰效应,所以“双掺技术”对泵送混凝土既可提高和易性,又可减少收缩。
    养护条件对混凝土的收缩影响很大,养护14 d的收缩比养护3 d的收缩降低约20%。环境的相对湿度越高,收缩越小,许多结构所处的环境湿度波动很大,如最低30 %~40 %,最高达80 %~90 %。环境温度越高,风速越大,收缩越大,高空浇灌易引起开裂。
    3·2 混凝土徐变
    混凝土的徐变作用,给钢筋混凝土和预应力钢筋混凝土带来有利和不利两方面的影响。从不利方面看来,它可以造成预应力损失,增加挠度,可以降低钢筋和混凝土的粘着力等;从有利方面看来,它可以使弹性温度收缩应力大大地松弛,根据变形速率及混凝土龄期,它对应力降低的程度约0·3~0·8倍,保温保湿养护越好,降温越慢,松弛系数越小。
    3·3 混凝土的抗拉强度及极限拉伸
    泵送混凝土浇筑后,其抗压强度和抗拉强度都随着时间而增长,但增长的速率,抗拉滞后于抗压,水泥标号的提高及水泥用量的增加,对抗压强度增长较为显著,而对抗拉强度增长较小,对于相对变形约束应力来说,混凝土的极限拉伸尤为重要。
    通过对双掺(减水剂及粉煤灰)混凝土的抗拉试验,发现混凝土随着荷载速率及养护条件,其极限拉伸和抗拉强度波动很大,在极慢速(接近实际温度和湿度缓慢变化速度)条件下,其极限拉伸相对变形可达(2~3)×10-4,显然这里包含了徐变变形,这对温度收缩应力是很有利的。特别值得注意的是,混凝土中的较大含泥量及其它杂质可以明显地降低混凝土的抗拉性能。
    4 部分裂缝成因与预防措施
    4·1 龟裂
    混凝土龟裂亦称塑性收缩裂缝,是指混凝土浇筑后仍处于塑性状态时,由于表面水分蒸发过快而产生的裂缝。这类裂缝缝隙多在表面出现,表现为长短宽窄不一、呈龟裂状、肉眼可见、深度一般≯50 mm的裂缝。这种裂缝对结构性能影响不大,但影响外观。产生的原因主要是混凝土浇筑完毕后表面没有及时覆盖,特别是在炎热或大风天气混凝土表面水分蒸发过快,或者是由于基础吸水过快造成混凝土急剧收缩而导致开裂。商品混凝土由于为了满足可泵性、流动性,在出机时混凝土的坍落度和砂率比普通混凝土要大很多,如地下行包库防水混凝土施工坍落度规范为(120±20)mm,实际往往为(160±20)mm,甚至更大。尤其是夏季施工,掺缓凝减水剂的混凝土早期强度低,表面容易形成裂缝。
    预防的措施是在浇筑混凝土后要及时覆盖养护,增加环境湿度,特别是夏季施工,应尽量选在下午施工或者夜间施工。商品混凝土要在满足可泵送、和易性、流动性的前提下尽量减少出机坍落度,使用中砂或者粗砂,以降低砂率,严格控制骨料的含泥量,并采取掺加粉煤灰、高效减水剂等措施。如果已出现裂缝,可在混凝土初凝后终凝前进行二次抹光,然后再进行下一道工序并及时覆盖和洒水养护。
    4·2 断板
    断板是指混凝土板面出现横向断开条形裂缝。这种裂缝严重影响结构的使用性能,在施工中要严加禁止,一旦出现,须打掉重新浇筑混凝土。断板的成因主要有两个方面,一是由于混凝土收缩变形引起的,主要是物理收缩即干燥收缩;二是环境温度变化引起的,白昼高温,可使混凝土板体顶面温度高于底面温度,造成板体中间拱起,夜间温度降低,可使混凝土板体顶面温度低于底面温度,造成板体两头翘曲,环境温度变化引432005年第1期大体积混凝土裂缝分析与预防措施      起热胀冷缩,从而产生温度应力,使混凝土被拉裂。这种裂缝常出现在混凝土板块中间、雨水口和检查井等薄弱部位。
    减少混凝土单位用水量,一般砾石≯160 kg/m3,碎石≯170 kg/m3。严格控制混凝土坍落度,商品防水混凝土≯(120±20) mm。严格控制水泥用量,增加骨料含量,水泥用量≮320 kg/m3。使用中砂或粗砂,不宜用细砂。粗骨料级配良好,一般采用连续级配,且石子最大粒径为40 mm。选择好外加剂,一般不宜掺用普通缓凝减水剂,宜掺用高效减水剂或微膨胀剂,冬天可用早强剂。另外需合理选用水泥品种、品牌,一般选用425#、525#普通硅酸盐水泥。精心设计混凝土配合比,注意水灰比≯0·5,砂率也不宜过大。混凝土搅拌均匀不离析、不泌水。施工方面要避免夏天在中午施工,要及耐覆盖并洒水养护。
    4·3 开裂
    开裂是指混凝土板面呈纵向和斜向断开的裂缝。这种裂缝短则几十厘米,长达十几米,该裂缝处理起来比较困难,一般以预防为主,一旦出现,只好打掉重新浇筑混凝土。它的主要成因有两个方面,一是施工工艺引起的,如基层没有压实、接茬不良、没有喷水润湿,混凝土摊铺厚度不均匀,振捣不密实,切缝深度不够,胀缝没处理好等;二是使用不当引起的,混凝土强度未达到设计要求时,就过早开放交通,造成局部集中受力而开裂。另外,还有的混凝土板块边缘没有采取保护措施,汽车横向碾压而开裂。
    施工时要严格按照规范要求进行,确保施工质量,力求做到基层压实、接茬良好、基底保持湿润,混凝土摊铺均匀、振捣密实,养护充分,冬天可采用真空吸水。使用时要使混凝土强度达到设计要求才可承重。
    5 结语
    钢筋混凝土结构的裂缝是不可避免的,但又是可以控制的。北京站地下行包库大体积混凝土施工经过设计、监理以及施工单位的共同努力,混凝土浇筑后表面虽有些裂缝,但都满足施工规范的要求,取得了满意的效果。
文章来自:滑模施工技术网
文章作者:信息一部
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