大體積混凝土裂縫成因及治理

敬 敏

大量的工程實踐和理論分析表明,幾乎所有的混凝土構件均是帶裂縫工作的,只是有些裂縫很細,甚至肉眼看不見(＜0.05 mm),一般對結構的使用無大的危害,可允許其存在;有些裂縫在使用荷載或外界物理、化學因素的作用下,不斷產生和擴展,引起混凝土碳化、保護層剝落、鋼筋腐蝕,使混凝土的強度和剛度受到削弱,耐久性降低,嚴重時甚至發生垮塌事故,危害結構的正常使用,必須加以控制。

1 工程背景

本文研究的工程背景為某大跨度簡支箱梁。箱梁全長32.6 m,寬為13.4 m,梁高3.05 m,頂板最厚處為 0.61 m,底板最厚處為0.7 m,腹板最厚處為1.05 m,合計每片箱梁需使用C50高性能混凝土327.62 m3。

2 大體積混凝土的裂縫

大體積混凝土內出現的裂縫按深度的不同,分為貫穿裂縫、深層裂縫及表面裂縫三種。但出現裂縫并不是絕對地影響結構安全,它都有一個最大允許值。處于室內正常環境的一般構件最大裂縫寬度不大于0.3 mm;處于露天或室內高濕度環境的構件最大裂縫寬度不大于0.2 mm。在地下工程中應盡量避免超過0.3 mm貫穿全斷面的裂縫。如出現這種裂縫,將大大影響結構的使用,必須進行化學灌漿加固處理。

3 產生裂縫的原因

3.1 溫度變化引起的裂縫

混凝土具有熱脹冷縮性質,當外部環境或結構內部溫度發生變化,混凝土將發生變形,若變形遭到約束,則在結構內將產生應力,當應力超過混凝土抗拉強度時即產生溫度裂縫。

3.2 收縮引起的裂縫

混凝土收縮裂縫的特點是大部分屬表面裂縫,裂縫寬度較細,且縱橫交錯,呈龜裂狀,形狀沒有任何規律。

研究表明,影響混凝土收縮裂縫的主要因素有:1)水泥品種、標號及用量。2)骨料品種。3)水灰比。4)外摻劑。5)養護方法。6)外界環境。7)振搗方式及時間。

3.3 鋼筋銹蝕引起的裂縫

由于混凝土質量較差或保護層厚度不足,混凝土保護層受二氧化碳侵蝕碳化至鋼筋表面,引起鋼筋表面氧化膜破壞,鋼筋中鐵離子與侵入到混凝土中的氧氣和水分發生銹蝕反應,其銹蝕物氫氧化鐵體積比原來增長約2倍～4倍,從而對周圍混凝土產生膨脹應力,導致保護層混凝土開裂、剝離,沿鋼筋縱向產生裂縫,并有銹跡滲到混凝土表面。由于銹蝕,使得鋼筋有效斷面面積減小,鋼筋與混凝土握裹力削弱,結構承載力下降,并將誘發其他形式的裂縫,加劇鋼筋銹蝕,導致結構破壞。

3.4 凍脹引起的裂縫

大氣氣溫低于0℃時,吸水飽和的混凝土出現冰凍,游離的水轉變成冰,體積膨脹9%,因而混凝土產生膨脹應力;同時混凝土凝膠孔中的過冷水(結冰溫度在-78℃以下)在微觀結構中遷移和重分布引起滲透壓,使混凝土中膨脹力加大,混凝土強度降低,并導致裂縫出現。冬季施工時,采用電氣加熱法、暖棚法、地下蓄熱法、蒸汽加熱法養護以及在混凝土拌合水中摻入防凍劑(但氯鹽不宜使用),可保證混凝土在低溫或負溫條件下硬化。

3.5 施工材料質量引起的裂縫

1)水泥。a.水泥安定性不合格,水泥中游離的氧化鈣含量超標。b.水泥出廠時強度不足,水泥受潮或過期,可能使混凝土強度不足,從而導致混凝土開裂。c.當水泥含堿量較高(例如超過0.6%),同時又使用含有堿活性的骨料,可能導致堿骨料反應。

2)砂、石骨料。a.砂石的粒徑、級配、雜質含量。砂石粒徑太小、級配不良、空隙率大,將導致水泥和拌合水用量加大,影響混凝土的強度,使混凝土收縮加大。b.堿骨料反應。堿骨料反應裂縫的形狀及分布與鋼筋限制有關,當限制力小時,常出現地圖狀裂縫,并在縫中有白色或透明的浸出物;當限制力強時則出現順筋裂縫。

3)拌合水及外加劑。拌合水或外加劑中氯化物等雜質含量較高時對鋼筋銹蝕有較大影響。采用海水或含堿泉水拌制混凝土,或采用含堿的外加劑,可能對堿骨料反應有影響。

3.6 施工工藝質量引起的裂縫

1)混凝土保護層過厚,或亂踩已綁扎好的上層鋼筋,使承受負彎矩的受力筋保護層加厚,導致構件的有效高度減小,形成與受力鋼筋垂直方向的裂縫。2)混凝土振搗不密實、不均勻,出現蜂窩、麻面、空洞,導致鋼筋銹蝕或其他荷載裂縫的起源點。3)混凝土澆筑過快,混凝土流動性較低,在硬化前因混凝土沉實不足,硬化后沉實過大,容易在澆筑數小時后發生裂縫,即塑性收縮裂縫。4)混凝土攪拌、運輸時間過長,使水分蒸發過多,引起混凝土坍落度過低,使得在混凝土體積上出現不規則的收縮裂縫。5)混凝土初期養護時急劇干燥,使得混凝土與大氣接觸的表面上出現不規則的收縮裂縫。6)用泵送混凝土施工時,為保證混凝土的流動性,增加水和水泥用量,或因其他原因加大了水灰比,導致混凝土凝結硬化時收縮量增加,使得混凝土體積上出現不規則裂縫。7)采用分段現澆時,先澆混凝土接觸面鑿毛、清洗不好,新舊混凝土之間粘結力小,或后澆混凝土養護不到位,導致混凝土收縮而引起裂縫。8)混凝土早期受凍,使構件表面出現裂紋,或局部剝落,或脫模后出現空鼓現象。9)施工時模板剛度不足,在澆筑混凝土時,由于側向壓力的作用使得模板變形,產生與模板變形一致的裂縫。10)施工時拆模過早,混凝土強度不足,使得構件在自重或施工荷載作用下產生裂縫。11)施工前對支架壓實不足或支架剛度不足,澆筑混凝土后支架不均勻下沉,導致混凝土出現裂縫。12)裝配式結構,在構件運輸、堆放時,支承墊木不在一條垂直線上,或懸臂過長,或運輸過程中劇烈顛撞;吊裝時吊點位置不當,T梁等側向剛度較小的構件,側向無可靠的加固措施等,均可能產生裂縫。13)安裝順序不正確,對產生的后果認識不足,導致產生裂縫。如鋼筋混凝土連續梁滿堂支架現澆施工時,鋼筋混凝土墻式護欄若與主梁同時澆筑,拆架后墻式護欄往往產生裂縫;拆架后再澆筑護欄,則裂縫不易出現。14)施工質量控制差。任意套用混凝土配合比,水、砂石、水泥材料計量不準,結果造成混凝土強度不足和其他性能(和易性、密實度)下降,導致結構開裂。

4 防止裂縫產生的幾種方法

4.1 混凝土的配制

1)粗骨料宜采用連續級配,細骨料宜采用中砂。2)外加劑宜采用緩凝劑、減水劑;摻合料宜采用粉煤灰、礦渣粉等。3)大體積混凝土在保證混凝土強度及坍落度要求的前提下,應提高摻合料及骨料的含量,以降低單方混凝土的水泥用量。4)應盡量選用水化熱低、凝結時間長的水泥,優先采用中熱硅酸鹽水泥、低熱礦渣硅酸鹽水泥、大壩水泥、礦渣硅酸鹽水泥、粉煤灰硅酸鹽水泥、火山灰質硅酸鹽水泥等。

4.2 混凝土的澆筑

澆筑方案除應滿足每一處混凝土在初凝以前就被上一層新混凝土覆蓋并搗實完畢外,還應考慮結構大小、鋼筋疏密、預埋管道和地腳螺栓的留設、混凝土供應情況以及水化熱等因素的影響,常采用的方法有:1)全面分層。2)分段分層。3)斜面分層。

4.3 混凝土養護時的溫度控制

1)混凝土的中心溫度與表面溫度之間、混凝土表面溫度與室外最低氣溫之間的差值均應小于20℃;當結構混凝土具有足夠的抗裂能力時,不大于25℃～30℃。2)混凝土拆模時,混凝土的溫差不超過20℃。其溫差應包括表面溫度、中心溫度和外界氣溫之間的溫差。3)采用內部降溫法來降低混凝土內外溫差。4)保溫法是在結構物外露的混凝土表面以及模板外側覆蓋保溫材料(如草袋、鋸木、濕砂等),在緩慢的散熱過程中,使混凝土獲得必要的強度,以控制混凝土的內外溫差小于20℃。5)混凝土表層布設抗裂鋼筋網片,防止混凝土收縮時產生干裂。

4.4 SY-G膨脹抗裂劑

SY-G膨脹抗裂劑是一種新型混凝土外加劑,主要礦物成分為氧化鋁,三氧化硫,同時添加一些改性組分及混凝土活性劑。抗裂原理是在弱堿性溶液中水化生成鈣礬石,呈針狀結晶體,填充了混凝土孔隙,失去了混凝土結構的收縮空間,起到了補償收縮作用,達到抗裂作用,提高混凝土的密實度。

SY-G膨脹抗裂劑在現代大型工程建設中應用領域非常廣泛,如體育場看臺、城市雕塑像、博物館、賓館、高速公路路面、橋梁混凝土面板、涵洞等。

5 結語

大體積混凝土開裂可以說是“常發病”和“多發病”,經常困擾著工程技術人員。其實,如果采取一定的設計和施工措施,很多裂縫是可以克服和控制的。本文盡可能對混凝土裂縫的種類和產生原因作較全面的分析、總結,希望對設計、施工中混凝土裂縫的控制起到參考作用。