關于混凝土產生裂縫的原因及預防措施

孫志奇,章亞偉

(1.蘭州交大工程咨詢有限責任公司,甘肅蘭州730070;2.成都軌道交通有限公司,四川成都610031)

隨著我國高速鐵路飛速發展,橋涵在高速鐵路中占到的比例越來越大,混凝土施工成為工程建設中的重中之重,但混凝土的裂縫幾乎無所不在,成為質量控制中較為棘手的質量通病。裂縫產生的原因很多,如變形、外載作用、養護條件及化學侵蝕等諸多因素引起的裂縫。在鐵路大建設時期,項目“遍地開花”,要想確保施工質量,必須充分發揮監理在項目建設中“工程警察”的角色,所以作為監理人員首先要對混凝土裂縫產生原因及預防措施有較深刻的認識,并根據實際情況正確解決問題。

1 混凝土裂縫分類

混凝土裂縫大致分為干縮裂縫、塑性收縮裂縫、沉陷裂縫、溫差裂縫、外力及施工工藝造成的裂縫[1]。

1.1 干縮裂縫

干縮裂縫多出現在混凝土養護結束后的一段時間或是混凝土澆筑完畢后的一周左右,水泥漿中水分蒸發產生干縮,且這種收縮是不可逆的。

1.2 塑性收縮裂縫

塑性收縮是指混凝土在凝結之前,表面因失水較快而產生的收縮。塑性收縮裂縫一般在干熱或大風天氣出現,裂縫多呈中間寬、兩端細且長短不一,互不連貫狀態。較短的裂縫一般長20 cm～30 cm,較長的裂縫可達2 m～3 m,寬1 mm～5 mm。

1.3 沉陷裂縫

由于地基不均勻沉降或水平方向位移,使結構產生附加應力,超出混凝土結構的抗拉能力,導致結構開裂。此類裂縫多為貫穿性裂縫,其走向與沉陷情況有關,一般沿與地面垂直或呈30°～45°角方向發展,較大的沉陷裂縫,往往有一定的錯位,裂縫寬度往往與沉降量成正比關系。

1.4 溫度裂縫

在混凝土的施工中,混凝土澆筑完畢后,由于水泥水化時產生大量熱量,致使內部溫度升高,或者是混凝土受到寒潮的襲擊等,會導致混凝土表面溫度急劇下降,內外溫差過大,而產生收縮;在溫度應力的作用下,表面收縮的混凝土受內部混凝土的約束,將產生很大的拉應力而產生裂縫,使混凝土表面出現裂縫。

1.5 施工工藝或操作不當引起的裂縫

較為普遍存在的因素包括:①現場澆搗混凝土時,振搗或插入不當,漏振、過振或振搗棒抽撤過快,均會導致裂縫的產生;②高空澆注混凝土,風速過大、烈日暴曬,混凝土收縮值大;③現場養護措施不到位,混凝土早期脫水,引起收縮裂縫;④拆模過早或現場模板拆除不當引起拆模裂縫等。

2 分階段控制混凝土裂縫

作為監理人員應該分別從施工準備階段、施工階段、養護階段進行控制,以確保工程安全質量[2]。

2.1 施工準備階段

(1)必須嚴格控制原材料,粗細骨料的含泥量、泥塊含量以及粗骨料的針片狀含量過大均會產生干縮裂縫。

(2)水泥堿含量過大發生堿-骨料反應產生大量水化熱,從而使混凝土脹裂,裂縫呈現雜亂的“地圖”狀,縫中有白色沉淀的膠體。

(3)氯離子含量可降低水化熱和提高混凝土的和易性,同時增強混凝土抗氯離子滲透性能,防止因水化熱及鋼筋銹蝕造成混凝土開裂;混凝土拌合物中各種原材料引入的氯離子總質量應不超過膠凝材料總量的0.1%(鋼筋混凝土結構)和0.06%(預應力混凝土結構)否則產生徐變、收縮裂縫。

(4)外加劑的比例必須嚴格把關,嚴禁超標,水灰比過大,表面產生氣孔,發生龜裂;水泥用量過大,產生收縮裂紋。

(5)施工準備階段要嚴把選材關、進料關、檢驗關,嚴禁使用不合格的材料或有疑問的材料。施工前應嚴謹、科學、合理做混凝土的配合比。

2.2 施工階段[3]

(1)混凝土澆筑前底板承載力的均衡性易產生沉降裂縫。

(2)澆筑前模板支護的牢固程度直接關系到施工安全和防止在澆筑過程中發生傾斜,密封性防止漿液的流失,混凝土的強度難以保證,同時都影響到混凝土的徐變,而發生塑性裂縫。

(3)混凝土的和易性差、坍落度太大、含氣量高、入模溫度低等直接影響到塑性收縮裂縫。

(4)施工環境不當所產生的裂縫,環境溫度高、濕度低、陽光直射強度大、風速較大等使混凝土中的水分蒸發較快,造成毛細管中產生較大的負壓而使混凝土體積急劇收縮而造成塑性收縮裂縫。

(5)鋼筋保護層太薄,順筋而裂;洞口拐角等應用集中處無加強鋼筋、缺箍筋、溫度筋使混凝土開裂。

(6)混凝土表面抹壓不實,澆筑過高過厚,素漿上浮表面龜裂;拆模過早,用力不當將混凝土撬裂。

(7)施工工藝或操作不當所引起的裂縫。

2.3 養護階段[4]

養護不好或不及時,表面脫水,大體積混凝土無降低內外溫差措施,溫差較大而產生干縮裂紋。規范要求混凝土內部溫度、表面溫度、環境溫度三者溫差不能大于15℃。但根據現場實際對橋墩混凝土內部溫度、表面溫度、環境溫度進行測試,15 d溫度測試統計得到如下溫度變化規律(詳見圖1),溫差大致在18℃～22℃之間,墩身混凝土內部溫度高達40℃左右。溫差大于規范所要求的范圍,所以必須加大養護和采取降溫措施,如采用二次風冷新工藝、環形冷卻管道冷卻等,以免溫差較大而產生溫差裂縫。

圖1 混凝土溫度變化表

3 裂縫成因及預防措施

3.1 干縮裂縫成因及預防措施[5]

干縮裂縫的產生主要是由于混凝土內外水分蒸發程度不同而導致變形。不同的結果:混凝土受外部條件的影響,表面水分損失過快,變形較大,內部濕度變化較小變形較小,較大的表面干縮變形受到混凝土內部約束,產生較大拉應力而產生裂縫。相對濕度越低,水泥漿體干縮越大,干縮裂縫越易產生。干縮裂縫多為表面性的平行線狀或網狀淺細裂縫,寬度多在0.05mm～0.2mm之間,大體積混凝土中平面部位多見,較薄的梁板中多沿其短向分布[6]。干縮裂縫通常會影響混凝土的抗滲性,引起鋼筋的銹蝕以至于影響混凝土的耐久性,在水壓力的作用下會產生水力劈裂,影響混凝土的承載力等等。

混凝土干縮主要和混凝土的水膠比、水泥的成分、水泥的強度等級、水泥的用量、集料的性質和用量、外加劑的用量等有關。

主要預防措施:①選用收縮量較小的水泥,一般采用中低熱水泥和粉煤灰水泥,降低水泥的用量;②混凝土的干縮受水灰比的影響較大,在混凝土配合比設計中應盡量控制好水灰比的選用,同時摻加合適的減水劑;③嚴格控制混凝土水膠比,混凝土的用水量絕對不能大于設計配合比所給定的用水量;④加強混凝土的早期養護,并適當延長混凝土的養護時間。冬季施工時要適當延長混凝土保溫覆蓋時間,并涂刷養護劑養護;⑤在混凝土結構中設置合適的收縮縫。

3.2 塑性收縮裂縫成因及預防措施[7]

塑性收縮產生的主要原因為:混凝土在終凝前幾乎沒有強度或強度很小,或者混凝土剛終凝而強度很小時,受高溫或較大風力的影響,混凝土表面失水過快,造成毛細管中產生較大的負壓而使混凝土體積急劇收縮,而此時混凝土的強度又無法抵抗其本身收縮,因此產生龜裂。

影響混凝土塑性收縮開裂的主要因素有水灰比、混凝土的凝結時間、環境溫度、風速、相對濕度等等。

主要預防措施[8]:①選用干縮值較小早期強度較高的硅酸鹽或普通硅酸鹽水泥。②嚴格控制水灰比,摻加高效減水劑來增加混凝土的坍落度和和易性,減少水泥及水的用量。③澆筑混凝土之前,將基層和模板澆水均勻濕透。④及時覆蓋塑料薄膜或者潮濕的草墊、麻片等,保持混凝土終凝前表面濕潤,或者在混凝土表面噴灑養護劑等進行養護。⑤在高溫和大風天氣要設置遮陽和擋風設施,及時養護。

3.3 沉陷裂縫成因及預防措施

裂縫寬度受溫度變化的影響較小,當地基變形穩定之后,沉陷裂縫也基本趨于穩定。

主要預防措施:①對松軟土、填土地基在上部結構施工前應進行必要的夯實和加固;②保證模板有足夠的強度和剛度,且支撐牢固,并使地基受力均勻;③防止混凝土澆筑過程中地基被水浸泡;④模板拆除的時間不能太早,且要注意拆模的先后次序;⑤在凍土上搭設模扳時要注意采取一定的預防措施。

3.4 溫度裂縫成因及預防措施[6]

主要預防措施:

(1)盡量選用低熱或中熱水泥,如礦渣水泥、粉煤灰水泥。

(2)減少水泥量,將水泥用量盡量控制在450 kg/m3以下。

(3)降低水灰比,一般混凝土的水灰比控制在0.6以下。

(4)改善骨料級配,摻加粉煤灰或高效減水劑等來減少水泥用量,降低水化熱。

(5)改善混凝土的攪拌加工工藝,在傳統的三冷技術的基礎上采用二次風冷新工藝,降低混凝土的澆筑溫度。

(6)在混凝土中摻加一定量的具有減水、增塑、緩凝等作用的外加劑,改善混凝土拌合物的流動性、保水性,降低水化熱,推遲熱峰的出現時間。

(7)高溫季節澆筑時可采用搭設遮陽板等輔助措施控制混凝土升溫,降低澆筑混凝土的溫度。

(8)大體積混凝土的溫度應力與結構尺寸相關,要合理安排施工工序,分層、分塊澆筑,以利于散熱,減小約束。

(9)在大體積混凝土內部設置冷卻管道,通過冷水或者冷氣冷卻,減小混凝土的內外溫差。

(10)加強混凝土溫度的監控,及時采取冷卻、保護措施。

(11)預留溫度收縮縫。

(12)減小約束,澆筑混凝土前宜在基巖和老混凝土上鋪設砂墊層或使用瀝青等材料涂刷。

(13)加強混凝土養護,混凝土澆筑后,及時用濕潤的草簾、麻片等覆蓋,并注意灑水養護,適當延長養護時間。在寒冷季節,混凝土表面應采取保溫措施,以防止寒潮襲擊。

(14)混凝土中配置少量的鋼筋或者摻入纖維材料,將混凝土的溫度裂縫控制在一定范圍之內。

[1]何丹.陶粒混凝土梁斜裂縫寬度計算研究[J].山西科技,2010,36(5):85-87.

[2]楊明山.混凝土工程施工質量全程控制與應用研究[D].吉林:吉林大學,2007.

[3]趙起全.大體積混凝土裂縫控制技術.鐵道建筑技術[J].2011,(S1):241-243.

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[7]羅瑋波.水泥混泥土路面施工質量控制水平的屬性識別[J].水利與建筑工程學報,2008,6(3):62-64.

[8]杜慶林.鋼筋混凝土現澆板裂縫原因分析及處理方法[J].山西科技,2011,37(12):92-93.