浅谈建筑工程中大体积混凝土的裂缝成因与控制

孟剑波

(泰州市天衡建设工程质量检测有限公司,江苏泰州 225500)

浅谈建筑工程中大体积混凝土的裂缝成因与控制

孟剑波

(泰州市天衡建设工程质量检测有限公司,江苏泰州 225500)

本文结合工程管理及试验检测工作经历,从水泥水化热、混凝土收缩、外界气温及湿度变化等方面分析了建筑工程中大体积混凝土产生裂缝的成因,并探讨了预防、检查和处理此类问题的技术措施,有助于大体积混凝土构件裂缝的研究与控制。

建筑工程 大体积混凝土 裂缝 成因 控制

1 引言

近年来,随着我国改革开放政策的不断深化,国民经济得到迅速发展,综合国力不断增强,城乡建设也发生了日新月异的变化,我国在建筑设计、施工技术等方面都有了飞速的发展。大体积混凝土在建筑结构中的应用越来越广泛,下部结构如大型地下室、桥台底板、墩身、大型锚锭均属大体积混凝土。目前国内建设的客运专线铁路的箱梁体积也很大。在建筑工程建设的飞跃发展过程中,出现了许多崭新的技术课题亟待解决,大体积混凝土的裂缝控制就是其中之一,已引起广大工程技术人员的高度重视。

在建筑施工过程中,由于水泥的水化热作用,混凝土浇筑后需要经历升温期、降温期和稳定期三个阶段,在这个过程中,混凝土的体积随之伸缩、凝固、易出现裂缝。因此,广大工程建设者都在积极探究裂缝产生的原因,寻求能有效防止裂缝出现的措施和途径,根据大体积混凝土热量大、散热慢等特点,采取相应措施,对施工过程进行控制。

2 大体积混凝土裂缝产生的原因

2.1 水泥水化热的影响

大量研究结果表明:混凝土属于脆性材料,其抗拉强度通常只有抗压强度的1/8～1/10。而其断面尺寸较大,现阶段大量使用泵送混凝土,与以往现场拌制的塑性混凝土相比,泵送混凝土具有坍落度大、砂率大、水泥用量多的特点。随着水泥标号和强度等级的提高,水泥的水化热会使混凝土内部温度急剧上升,在此后的降温过程中,在一定的约束条件下会产生相当大的拉应力。大体积混凝土构件中通常只在表面配置少量钢筋,或者不配钢筋。因此,拉应力要由混凝土本身来承担。当拉应力超过混凝土的极限抗拉强度时,混凝土表面就会产生裂缝。

2.2 混凝土的收缩

混凝土在空气中硬结时体积减小的现象称为混凝土收缩。混凝土在不受外力情况下的这种自发变形,受到外部约束时(支撑条件、钢筋等),将在混凝土中产生拉应力,使得混凝土开裂。引起混凝土裂缝的主要原因有塑性收缩、干燥收缩和温度收缩。在硬化初期主要是水泥在水化硬化过程中产生的体积变化,后期主要是混凝土内部自由水分蒸发而引起的干缩变形。

2.3 外界气温和湿度变化的影响

在施工期间,外界气温的变化对大体积混凝土裂缝的产生有着很大的影响。混凝土内部的温度是由浇筑温度、水泥水化热的绝热温升和结构的散热温度等各种温度叠加组成的。浇筑温度与外界气温有着直接的关系,外界气温愈高,混凝土的浇筑温度也就会愈高；如果外界温度降低,又会增加大体积混凝土的内外温度梯度。如果外界温度下降得过快,会造成很大的温度应力,极易引发混凝土的开裂。混凝土温度的这种变化可能造成两种后果:a)在混凝土升温期,混凝土表面散热条件好,热量向大气散发,温度上升较少较慢,而内部则散热少,温度持续上升,这样形成的内表温差(温度梯度)会在混凝土表层产生较大的拉应力,当该拉应力超过此时混凝土的极限抗拉强度时,混凝土表面就会产生裂缝；b)在混凝土后期降温过程中,由于温度下降引起混凝土体积收缩变形,这种变形受到地基及结构边界约束时也会产生大的拉应力,当该拉应力超出当时混凝土的极限抗拉强度时,混凝土将在约束面开裂,严重时形成贯穿裂缝。

另外,外界的湿度对混凝土的裂缝也有很大的影响,外界的湿度降低会加速混凝土的干缩,也会导致混凝土裂缝的产生。

综上所述,从防止混凝土出现温度变形裂缝的前提出发,控制温度变形裂缝的主要途径有:a)降低混凝土内部最高温升,减小总降温差；b)提高混凝土表面温度,降低混凝土内表温差,减小温度梯度；c)延缓混凝土的降温速率,充分发挥徐变特性。

3 防治大体积混凝土裂缝开展的措施

根据前述分析,可以采取以下几个方面的措施来控制和减少裂缝的产生。

3.1 优化大体积混凝土的设计

根据当地气候条件选择合理的混凝土配合比,除满足强度、耐久性要求外,还要考虑运送距离、泵送距离,具体施工条件等因素。配合比合理设计,宜减少水泥用量,将水泥用量尽量控制在450kg／m3以下；降低水灰比,一般混凝土的水灰比控制在0．6以下；改善骨料级配,掺加粉煤灰或高效减水剂等来减少水泥用量,降低水化热；在混凝土中掺加一定量的具有减水、增塑、缓凝等作用的外加剂,改善混凝土拌合物的流动性、保水性,降低水化热,推迟热峰的出现时间。总之,在保证强度的前提下,水泥用量不宜过多；在保证浇筑流动性的前提下,坍落度不宜过大。

在易产生裂缝的部位安置一些抗拉钢筋,混凝土钢筋保护层的厚度应当尽量取较小值,因为保护层厚度越大越容易产生裂缝。工程实践表明,在相同的配筋率下,选择较细的钢筋,防止混凝土开裂的效果会更好。

在越长越宽的大体积施工图设计中,设计院设计有变形缝、后浇带等施工缝,实际上是为防止混凝土结构因温度变化而必须设置的构造缝,这种方法在施工中常见。它的最大优点是:减少整体结构纵向拉应力过大而产生裂缝,其缺点是设置变形缝、后浇带给施工带来诸多麻烦,但总体看来,利大于弊,混凝土裂缝得到有效控制。

3.2 原材料使用方面的措施

为了减少混凝土自身的收缩,首先应从混凝土原材料质量和混凝土配合比设计上抓起,拌制混凝土的原材料质量必须符合国家和行业现行有关标准、规范的要求。

(1)水泥品种及用量。水泥水化热产生大量热量,是导致混凝土产生裂缝的主要原因。使用普通硅酸盐水泥、矿渣酸盐水泥应符合国家现行标准,水泥越细,标号越高,其活性与强度随之增高,带来的副作用是混凝土自身收缩越大。因此,尽量选用低热或中热水泥,如矿渣水泥、粉煤灰水泥等。

(2)掺加粉煤灰及外加剂。在大体积混凝土中掺加一定量的粉煤灰后,可以增加混凝土的密实度、提高抗渗能力、改善混凝土的工作度、降低最终收缩值、减少水泥用量,这是防止混凝土开裂的有效方法之一。外加剂可以使用UFA膨胀剂,它可以等量替换水泥,并使混凝土产生适度膨胀,这一方面可保证混凝土的密实度,另一方面可使混凝土内部产生压力以抵消混凝土中产生的部分拉应力。减水缓凝剂,可保证一定的坍落度,延缓水化热的峰值,并改善混凝土的和易性,降低水灰比以达到减少水化热的目的。

(3)细集料、粗骨料的选择。细集料应级配合理,细度模数在2．1以上,严格控制其含泥量在2%以下。尽量采用细度模数在2．6～2．8的中偏粗砂,每立方米混凝土可减少水泥用量30kg左右,减少用水量20～30kg,从而降低水化热和混凝土的收缩。砂率一般选取范围为38%～45%。

粗骨料应选择粒径大、强度高、级配好的骨料,条件允许时,尽量选用连续级配。控制针片状含量、含泥量不超标。这样不仅能提高混凝土可泵性,还可降低砂率,减少细粉料的含量,达成减少混凝土自身收缩的目的。

3.3 施工过程中的措施

混凝土的施工包括混凝土的生产、运输、浇筑和温度及表面裂缝控制。养护是防止大体积混凝土产生温度裂缝的关键环节。施工过程中,要避免混凝土搅拌时间过长,避免运输时间长及颠簸,以防混凝土离析。混凝土要充分振捣,加强模板的施工质量,防止由于模板变形、移位而使混凝土产生裂缝。

在气温较高的情况下施工,一定要注意降低混凝土浇筑的温度。在施工现场不仅要对露天堆放的砂石蓬布加以覆盖,以减少阳光照射,同时对浇筑前的砂石要用冷水降温。采取这些措施能够有效地降低混凝土的入模温度。搅拌过程中,还应在混凝土内部设立冷却系统,通入冷却水进行冷却,及时降低混凝土的内部温度。混凝土表面应覆盖一些织物进行保温、保湿及护养,并可搭棚遮阳,这样不仅可以降低混凝土的内外温差,防止表面开裂,还可以防止混凝土因骤然降温而产生贯穿裂缝,使之顺利水化,防止产生裂缝。

如果是在冬季施工,要防止早期混凝土被冻,要求混凝土浇筑时应达必要的温度,在浇筑前应对基础及混凝土接触的冷壁用蒸汽预热。对骨料也要适当加温,用温水搅拌,另外要注意运输中的保温,浇筑过程中注意减少热量损失以及采用蒸汽养护方法。

在浇筑过程中还应重视采用二次振捣技术。混凝土初凝前在其表面进行二次振捣,消除混凝土沉缩和塑性收缩产生的表面裂缝,增加混凝土内部的密实度。泵送混凝土的表面泥浆较厚,在振捣后要进行工艺处理,一般初前先按设计标高用长刮刀刮平,然后在初凝前用滚筒碾压数遍,再进行二次抹面,消除收缩裂缝。

4 结语

虽然大体积混凝土易产生温度裂缝和收缩裂缝,但只要在设计、施工工艺、材料选择及养护过程中能够充分考虑多种因素的影响,并及时采取合理的处治措施,就能避免或减少裂缝的出现。当然,在建筑工程施工中,大体积混凝土裂缝的防治是一项综合技术,仍有待于在实践中继续研究与探索。

[1]梁平.大体积混凝土裂缝成因及处理措施[J].技术与市场,2011(7).

[2]王辉.大体积混凝土温度裂缝的分析与控制[J].陕西建筑,2010(3).

孟剑波(1974—),男,江苏姜堰人,工程师,多年从事工程质量管理及试验检测工作。