水泥混凝土裂缝产生的原因与预防措施

2010-08-15张国

山西建筑 2010年4期

张国

水泥混凝土是现代工程结构的主要材料,在工程建设中占有重要地位。然而,水泥混凝土的裂缝一直较为普遍的存在,特别是大型地下室混凝土、水坝等大体积混凝土的裂缝尤其难以控制。水泥混凝土的裂缝是影响其“生命”的主要因素,我们有必要对其加以研究。

1 水泥混凝土裂缝的分类

我们所说的水泥混凝土的裂缝通常是指宏观裂缝,根据其产生的原因可以将其分为:温度裂缝、收缩裂缝和内部缺陷裂缝[1]。其中温度裂缝和收缩裂缝都是在水泥混凝土浇筑成型初期产生的,我们称其为“先天裂缝”;而内部缺陷裂缝则是在混凝土成型之后,由于其组成材料的缺陷(如砂子中存在泥块)和浇筑成型时施工工艺不合理而形成的缺陷(如混凝土表面较深的麻面、漏浆引起的“蜂窝”等),在后期各种因素下形成的裂缝。本文将对其产生的原因与预防控制加以讨论。

2 水泥混凝土裂缝产生的原因

2.1 温度裂缝

水泥混凝土的线膨胀系数σt=1.0×10-5/℃,如果温差达到30℃,则在混凝土中产生的应变为3×10-4。这个值已经超过一般水泥混凝土的极限拉应变,而且在很多情况下,特别是大体积混凝土,温差都可能超过此值。

2.2 收缩裂缝

2.2.1 干燥收缩

干缩裂缝多出现在混凝土养护结束后的一段时间或是混凝土浇筑完毕后的一周左右。水泥砂浆中水分的蒸发会产生干缩,且这种收缩是不可逆的。干缩裂缝的产生主要是由于混凝土内外水分蒸发程度不同而导致变形不同的结果。

2.2.2 塑性收缩

塑性收缩是指混凝土在凝结之前,表面因失水较快而产生的收缩。塑性收缩裂缝一般在干热或大风天气出现,裂缝多呈中间宽两端细且长短不一、互不连贯状态。其产生的主要原因为:混凝土在终凝前几乎没有强度或强度很小,或者混凝土刚刚终凝而强度很小时,受高温或较大风力的影响,混凝土表面失水过快,造成毛细管中产生较大的负压而使混凝土体积急剧收缩,而此时混凝土的强度又无法抵抗其本身收缩,因此产生龟裂。影响混凝土塑性收缩开裂的主要因素有水灰比、混凝土的凝结时间、环境温度、风速、相对湿度等等。

2.3 内部缺陷裂缝

一般水泥混凝土所用的原材料都是经过严格的试验检测,合格后才允许使用的,但是,检测只是抽样的检测,不可能全部检测。因此,难免会有不合格的材料混进水泥混凝土中,如集料中的软石、砂子中的泥块,数量虽然很少,但是在水泥混凝土中产生的破坏却是致命的。在这些缺陷存在的地方,它们无法真正的与水泥混凝土粘结在一起,而且有强度或粘结力上的差异,所以,在外部荷载的作用下,此处极易产生应力集中,在应力的作用下它们可能转变为裂纹,并最终发展为裂缝。

另外,在施工工艺不合理时,水泥混凝土表面可能产生麻面,在这些麻面中有些可能较深,在外界环境大气和水的作用下,它们可能进一步发展,最后发展为裂纹或裂缝。

3 水泥混凝土裂缝的预防措施

3.1 水泥混凝土的原材料选择

3.1.1 选用合适的水泥种类

由于温差主要是由水化热产生的,所以为了减小温差就要尽量降低水化热,为了降低水化热,要尽量采取早期水化热低的水泥。由于水泥的水化热是矿物成分与细度的函数,要降低水泥的水化热,主要是选择适宜的矿物组成和调整水泥的细度模数,硅酸盐水泥的矿物组成主要有:C3S,C2S,C3A和C4AF,试验表明:水泥中铝酸三钙(C3A)和硅酸三钙(C3S)含量高,水化热较高,所以,为了减少水泥的水化热,必须降低熟料中C3A和C3S的含量。在施工中一般采用中热硅酸盐水泥和低热矿渣水泥。另外,在不影响水泥活性的情况下,要尽量使水泥的细度适当减小,因为水泥的细度会影响水化热的放热速率,试验表明比表面积每增加100 cm2/g,1 d的水化热增加 17 J/g～21 J/g,7 d和20 d均增加4 J/g～12 J/g[3]。

3.1.2 选用合适的填料或外加剂

1)掺加粉煤灰,为了减少水泥用量,降低水化热并提高和易性,我们可以把部分水泥用粉煤灰代替,掺入粉煤灰主要有以下作用:a.由于粉煤灰中含有大量的硅、铝氧化物,其中二氧化硅含量40%～60%,三氧化二铝含量17%～35%。这些硅铝氧化物能够与水泥的水化产物进行二次反应,是其活性的来源,可以取代部分水泥,从而减少水泥用量,降低混凝土的热胀;b.由于粉煤灰颗粒较细,能够参加二次反应的界面相应增加,在混凝土中分散更加均匀;c.同时,粉煤灰的火山灰反应进一步改善了混凝土内部的孔结构,使混凝土中总的孔隙率降低,孔结构进一步的细化,分布更加合理,使硬化后的混凝土更加致密,相应收缩值也减小。

2)掺加减水剂、引气剂等外加剂,混凝土中掺加一定用量的外加剂,如防水剂、膨胀剂、减水剂、缓凝剂等。外加剂中糖钙能提高混凝土的和易性,使用水量减少20%左右,水灰比可控制在0.55以下,初凝延长到5 h左右。

3.1.3 选用合适骨料

选用10 mm～40 mm连续级配碎石(其中10 mm～30 mm级配含量 65%左右),细度模数2.80～3.00的中砂(通过 0.315凹筛孔的砂不少于15%,砂率控制在40%～45%)。砂、石含泥量控制在1%以内,并不得混有有机质等杂物,杜绝使用海砂。

3.2 选用恰当的施工工艺

1)水泥混凝土浇筑过程质量控制。浇筑过程中要进行振捣方可密实,振捣时间应均匀一致,以表面泛浆为宜,间距要均匀,以振捣力波及范围重叠1/2为宜。浇筑完毕后,表面要压实、抹平,以防止表面裂缝。另外,浇筑混凝土要求分层浇筑,分层流水振捣,同时要保证上层混凝土在下层初凝前结合紧密。避免纵向施工缝、提高结构整体性和抗剪性能。

2)浇筑时间控制。尽量避开在太阳辐射较高的时间浇筑,若由于工程需要在夏季施工,则尽量避开正午高温时段,浇筑尽量安排在夜间进行,以免形成干缩裂缝。

3)水泥混凝土拆模时间控制。混凝土在实际温度养护的条件下,强度达到设计强度的75%以上,混凝土中心与表面最低温度控制在25℃以内,预计拆模后混凝土表面温降不超过9℃以上允许拆模。气温骤降时进行表面保温,以免混凝土表面发生急剧的温度梯度。

3.3 养护

混凝土的早期养护,主要目的在于保持适宜的温湿条件,以达到两个方面的效果:一方面使混凝土免受不利温、湿度变形的侵袭,防止有害的冷缩和干缩;另一方面使水泥水化作用顺利进行,以期达到设计的强度和抗裂能力。适宜的温湿度条件是相互关联的。混凝土的保温措施常常也有保湿的效果。从理论上分析,新浇混凝土中所含水分完全可以满足水泥水化的要求而有余。但由于蒸发等原因常引起水分损失,从而推迟或妨碍水泥的水化,表面混凝土最容易直接受到这种不利影响。因此混凝土浇筑后的最初几天是养护的关键时期,在施工中应切实重视起来。