混凝土工程裂縫分析及控制

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關(guān)鍵字：混凝土 施工 裂縫 控制 

簡  介：混凝土是一種非均質(zhì)的復(fù)雜多相混合材料，在其微觀結(jié)構(gòu)相組成之間主要的結(jié)合力是范德華力。因此其抗拉強(qiáng)度遠(yuǎn)低于抗壓強(qiáng)度。當(dāng)混凝土內(nèi)部產(chǎn)生拉應(yīng)力超過其抗拉強(qiáng)度時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生裂縫。 混凝土裂縫是混凝土工程施工中的質(zhì)量通病，裂縫產(chǎn)生的原因以及如何防止混凝土裂縫，早已成為全球混凝土工程的一項(xiàng)研究課題，現(xiàn)就本人所學(xué)理論知識結(jié)合本人較少的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，淺談混凝土工程施工裂縫原因分析及控制。   一、混凝土結(jié)構(gòu)產(chǎn)生裂縫的原因 混凝土是一種非均質(zhì)的復(fù)雜多相混合材料，在其微觀結(jié)構(gòu)相組成之間主要的結(jié)合力是范德華力。因此其抗拉強(qiáng)度遠(yuǎn)低于抗壓強(qiáng)度。當(dāng)混凝土內(nèi)部產(chǎn)生拉應(yīng)力超過其抗拉強(qiáng)度時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生裂縫。因此，混凝土發(fā)生開裂的條件就是：在約束下變形產(chǎn)生的拉應(yīng)力超過當(dāng)時(shí)的混凝土抗拉強(qiáng)度，也就是說必須同時(shí)考慮三個(gè)條件：變形的大小、約束的程度、當(dāng)時(shí)的混凝土抗拉強(qiáng)度。不受約束的自由變形不會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力；抗拉強(qiáng)度足以抵抗所產(chǎn)生的拉應(yīng)力時(shí)則不會(huì)開裂。也就是說不能籠統(tǒng)地認(rèn)為收縮必然開裂。所產(chǎn)生的應(yīng)力大小和當(dāng)時(shí)的彈性模量有關(guān)，和能夠松弛應(yīng)力的徐變有關(guān)；是否引起開裂還和混凝土的抗拉強(qiáng)度有關(guān)。 凡是組成良好并經(jīng)適當(dāng)振搗和養(yǎng)護(hù)的混凝土，只要內(nèi)部孔隙和裂縫尚未形成相互連接而直達(dá)表面的通道，則基本上是水密性的；在使用中，結(jié)構(gòu)的荷載以及大氣環(huán)境的影響如冷熱交替、干濕循環(huán)，可使這些內(nèi)部微裂縫發(fā)展并傳播，成為環(huán)境中侵蝕性介質(zhì)浸入的通道。早期裂縫控制的意義在于，已有裂縫的擴(kuò)展比新生成裂縫容易。可能引起開裂的變形主要是收縮。 干縮：停止養(yǎng)護(hù)后，環(huán)境相對濕度低于100%，混凝土干縮即開始；在干燥的空氣中，收縮會(huì)持續(xù)進(jìn)行。對于普通混凝土，28天收縮約40%, 3個(gè)月收縮60%左右，180天收縮約70%，1年收縮平均75%，完全收縮的時(shí)間可長達(dá)20年。影響收縮的主要因素是骨料的品種和用量。當(dāng)骨料品種一定時(shí)，每方混凝土中骨料用量越大，即漿骨比越小，則干縮越小。骨料的“骨架”作用即在于此。當(dāng)水泥用量不變時(shí)，水灰比越大時(shí)，漿骨比越大，干縮也越大。因此混凝土的配合比中應(yīng)當(dāng)盡量減小用水量。 溫度收縮：隨著水泥實(shí)際強(qiáng)度的提高、比表面積的增大，水化熱也相應(yīng)較大，再加上因要求混凝土具有較高早期強(qiáng)度而使用較大的水泥用量，按我國結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范，抗壓強(qiáng)度約30MPa的混凝土，其彈性模量為約30GPa，則在約束下可產(chǎn)生彈性拉應(yīng)力約4.5MPa，而30MPa的混凝土的直接抗拉強(qiáng)度約為2 .7MPa。常有工程中的混凝土拆除模板時(shí)就發(fā)現(xiàn)已產(chǎn)生裂縫，顯然是由溫度變形所致。 自收縮：是在與外界無水分交換情況下因水泥水化消耗漿體內(nèi)部自身的水分而產(chǎn)生的。自收縮從混凝土初凝就開始產(chǎn)生，在1天以內(nèi)發(fā)展最快，3天以后減慢，此后就發(fā)展得很緩慢了。自收縮不同于化學(xué)收縮，但由化學(xué)收縮引起。化學(xué)收縮的原因是水泥和水發(fā)生水化反應(yīng)，產(chǎn)物的固體體積增大，而與反應(yīng)前水泥與水的體積之和相比則減小，故也稱化學(xué)減縮?；瘜W(xué)收縮在初凝前導(dǎo)致整個(gè)體系體積減縮，在初凝后導(dǎo)致體系產(chǎn)生孔隙，而對體系體積無影響；自收縮則導(dǎo)致毛細(xì)孔收縮而產(chǎn)生體系的收縮。膠凝材料(包括水泥和活性摻和料)的活性越大、水灰比越低，則自收縮越大。 按目前的標(biāo)準(zhǔn)方法（GBJ82-85）檢測水泥或混凝土收縮值，檢測不到全部的自收縮值，而是停止養(yǎng)護(hù) (1天或3天)后的干燥收縮和一小部分自收縮值。而所測不到的那部分自收縮值恰恰是影響早期開裂的重要部分。水灰比越低，這部分所占比例越大。在目前大量使用較低水灰比和較大水泥用量的混凝土中，早期收縮最重要的就是溫度收縮和自收縮。如果拆模較早而養(yǎng)護(hù)不當(dāng)，則早期還可產(chǎn)生較大的干縮。 由于近年來混凝土所用的水泥強(qiáng)度高，尤其是早期強(qiáng)度高，混凝土水灰比較低，使混凝土溫度變形和自收縮變形較大，即使早期未開裂，已產(chǎn)生的應(yīng)力未消除，在后期使用階段有時(shí)因外界條件如急劇的溫度和濕度的變化，又會(huì)有新的應(yīng)力生成，與已有應(yīng)力疊加后如果超過混凝土實(shí)時(shí)的抗拉強(qiáng)度，就有可能在原有不可見微裂縫處擴(kuò)展成可見的裂縫。因此控制混凝土早期內(nèi)部的應(yīng)力盡量減小，才是提高混凝土耐久性最重要的環(huán)節(jié)。為了減小早期內(nèi)部應(yīng)力，就要減小溫度變形和自收縮變形，同時(shí)盡量避免高早強(qiáng)以降低早期彈性模量，增大早期徐變。   二、施工中裂縫控制 影響開裂的因素很復(fù)雜，往往不是單一因素造成的?？刂屏芽p也不只是施工人員和混凝土生產(chǎn)者的事，而是涉及包括設(shè)計(jì)、混凝土及其原材料生產(chǎn)、施工甚至監(jiān)理和業(yè)主在內(nèi)各方面的責(zé)任。因此需要各方共同努力解決。包括混凝土原材料的控制、混凝土的制備和現(xiàn)場施工的各個(gè)環(huán)節(jié)，對于控制早期裂縫、減少后期開裂、保證實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的混凝土結(jié)構(gòu)耐久性是至關(guān)重要的。 混凝土施工中影響混凝土質(zhì)量的并不只是養(yǎng)護(hù)的問題；養(yǎng)護(hù)也不只是澆水保濕的問題，而是包括模板種類、澆筑方式、澆筑順序、振搗方法等的選擇，以及混凝土內(nèi)部溫度的控制、拆模時(shí)間和方式等等各方面的內(nèi)容。由于現(xiàn)代水泥成分中較高水化速率的組分因素增加，即使不是早強(qiáng)水泥的品種，水化放熱速率也都加快，混凝土的自收縮變形和溫度變形都會(huì)較大，上述施工的各環(huán)節(jié)就更加重要。 由于混凝土自收縮在初凝時(shí)就開始，由于施工現(xiàn)場沒有條件檢測，現(xiàn)場采用試驗(yàn)試件同條件養(yǎng)護(hù)7天的方法。有條件時(shí)，最好能測定直接抗拉強(qiáng)度，以便控制混凝土內(nèi)部應(yīng)力始終低于其抗拉強(qiáng)度。重要工程混凝土性能宜在現(xiàn)場制作模擬試件鉆心取樣進(jìn)行檢測。熱天施工的混凝土可摻入適量緩凝劑和引氣劑，以延遲溫峰的出現(xiàn)，并抑制初期強(qiáng)度的發(fā)展。但不可過于緩凝，否則可能引起后期的開裂。 現(xiàn)場施工中應(yīng)注意裂縫控制方面問題： （一）施工 1、混凝土運(yùn)到工地后應(yīng)立即檢測坍落度，并盡快澆筑。如發(fā)現(xiàn)坍落度不足，不得擅自加水。 2、澆筑溫度：夏季澆筑混凝土應(yīng)降低溫度，至少應(yīng)比當(dāng)天最高溫度氣溫低10℃。但混凝土澆筑溫度太低時(shí)，受環(huán)境較高溫度影響的表面硬化較快，內(nèi)部溫度升高時(shí)產(chǎn)生膨脹，會(huì)使先硬化的表面受拉而開裂。因此在夏季，不僅要降低澆筑溫度，而且要采取措施（例如避免上午澆筑，冷卻模板，避免陽光直射于混凝土表面使混凝土升溫恰值氣溫最高時(shí)而加劇等）避免混凝土表面受氣溫影響而先于內(nèi)部硬化。冬季要提高混凝土澆筑溫度，則混凝土內(nèi)部溫度高于氣溫，內(nèi)部成熟快，產(chǎn)生膨脹時(shí)，表面仍有一定塑性，可變形而不裂，而當(dāng)混凝土降溫時(shí)，在表面產(chǎn)生壓應(yīng)力，而有利于抗裂。 3、長墻或板的施工縫的間距應(yīng)視構(gòu)件尺寸而定。高寬比大于2的墻，上部一般不會(huì)出現(xiàn)裂縫，但是應(yīng)注意分層澆筑時(shí)，下層高度要大于上層高度，否則，上層拌和物會(huì)增大對與基底接觸面的正壓力而增加約束應(yīng)力?；炷翝仓叨炔灰顺^2 m，如必須超過，則必須用串筒等輔助下料；每層混凝土一次性布料不宜超過1m。 4、泵送混凝土下料位置相隔應(yīng)當(dāng)小于3m，每層下料位置應(yīng)當(dāng)交錯(cuò)，以保證均勻。 5、不正確的澆筑順序會(huì)造成可以避免的約束和不均勻的沉降。例如梁和柱或板和墻同時(shí)澆筑，會(huì)因沉降不勻在交接處產(chǎn)生裂縫。相反，采取恰當(dāng)?shù)臐仓樞驎?huì)減少開裂，如大面積的板當(dāng)使用膨脹劑時(shí)，采取“跳倉”方式澆筑可減少開裂。所以不同構(gòu)件澆筑前應(yīng)認(rèn)真規(guī)劃澆筑順序。 6、應(yīng)當(dāng)正確進(jìn)行混凝土拌和物的振搗，使用振搗棒時(shí)絕對禁止用振搗棒橫拖趕動(dòng)混凝土。否則必然造成離下料口遠(yuǎn)處砂漿過多而開裂。 （二）養(yǎng)護(hù) 1、對于板，澆注后立即覆蓋，避免塑性開裂。當(dāng)混凝土表面“收水”過快時(shí)，會(huì)結(jié)成一層硬殼，而內(nèi)部則凝結(jié)變慢。在干燥有風(fēng)的條件下，硬殼會(huì)開裂并脫落。實(shí)踐證明，如能及時(shí)覆蓋，就能避免發(fā)生這種情況。 2、盡早開始養(yǎng)護(hù)。墻、柱等在拆模前應(yīng)及早松動(dòng)模板澆水。 3、在最小斷面大于 30 cm的構(gòu)件中，早期溫度應(yīng)力引起的開裂往往占大部分(至少60%)，因此溫度控制很重要。首先應(yīng)降低澆筑溫度?？刂迫肽囟龋刹捎脻菜冉禍卮胧?。 4、拆模時(shí)間應(yīng)視混凝土內(nèi)部溫度而定，不能在混凝土內(nèi)部溫度最高時(shí)拆模，尤其不能在混凝土內(nèi)部溫度最高時(shí)拆模后立即澆涼水，以避免對混凝土產(chǎn)生熱震。拆模后注意保溫，以避免降溫速率太快。 5、避免間斷澆水。 6、混凝土在相對濕度低于100%時(shí)開始失去毛細(xì)水，在相對濕度低于65%時(shí)，開始失去凝膠的吸附水；凝膠越多，體積越不穩(wěn)定。硬化的混凝土水泥漿體需要有一定量的未水化顆粒穩(wěn)定其體積。因此澆水周期既要足夠，又不宜隨意延長。 7、應(yīng)在混凝土還處于塑性時(shí)開始冷卻表面。夏季使用鋼模板時(shí)，可在澆筑時(shí)同時(shí)向模板表面澆涼水，以推遲混凝土溫峰時(shí)間，并降低溫峰；混凝土內(nèi)部達(dá)到溫峰后開始降溫時(shí)則應(yīng)控制降溫速率，避免在混凝土升溫后尤其是在溫度最高時(shí)拆模，更不能立即澆涼水。冬季盡量使用導(dǎo)熱系數(shù)小的模板，以減小混凝土中心和表面的溫差，必要時(shí)，應(yīng)采取靈活保溫措施。對于厚度超過30cm的墻、柱、基礎(chǔ)地板等中等體積和大體積混凝土結(jié)構(gòu)，夏季施工時(shí)應(yīng)盡量降低入模溫度，在混凝土達(dá)到溫峰前應(yīng)在模板外(對墻、柱)或覆蓋的塑料薄膜上面（向板）澆涼水降溫，到達(dá)溫峰以后的降溫階段應(yīng)采取保溫措施以降低降溫速率，必要時(shí)可用熱水養(yǎng)護(hù)。 8、關(guān)于溫差的控制，當(dāng)混凝土內(nèi)外溫差和混凝土表面與大氣的溫差不大于于15℃時(shí)，混凝土就不會(huì)開裂。 9、摻用大量礦物摻和料時(shí)應(yīng)特別注意保濕養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)時(shí)間至少需7天。   三、結(jié)論 1、裂縫控制是限制環(huán)境中侵蝕性介質(zhì)進(jìn)入混凝土結(jié)構(gòu)的第一道防線，控制裂縫尤其是早期裂縫，對保證混凝土結(jié)構(gòu)達(dá)到設(shè)計(jì)要求的耐久性，有重要意義。 2、裂縫控制需要建設(shè)主管∕開發(fā)商、設(shè)計(jì)人員、材料供應(yīng)商和施工承包商共同的努力，但是施工過程的各環(huán)節(jié)對混凝土成型質(zhì)量和裂縫控制尤為重要 3、除從計(jì)劃上改變追求高早強(qiáng)外，盡量控制減小2天內(nèi)強(qiáng)度增長速率，對竣工時(shí)間長的大型工程(如高層建筑的底層結(jié)構(gòu)), 盡量延遲強(qiáng)度驗(yàn)收期限。 4、配制混凝土?xí)r應(yīng)選用開裂敏感性小的水泥（低C3A、C3S，低堿、低比表面積）、抗裂性好的礦物摻和料(磨細(xì)礦渣如摻量小于70%，其比表面積不宜超過400m2/kg。由于種種原因，所供應(yīng)的磨細(xì)礦渣一般都為400～450 m2∕kg，則使用時(shí)宜與粉煤灰復(fù)合使用，或用于水下或地下時(shí)摻量大于75%，以減小混凝土由于礦渣過細(xì)引起的自收縮和溫升；盡量選用熱膨脹系數(shù)小的粗骨料（例如與花崗巖相比，石灰?guī)r的熱膨脹系數(shù)就較?。?5、選用配合比時(shí)盡量減小水泥用量和膠凝材料總量(用水量)，。除非必需(如自密實(shí)混凝土)。 6、施工中應(yīng)重視采取正確的施工澆筑順序，嚴(yán)格禁止違反操作規(guī)程的澆筑和振搗方式，重要工程應(yīng)有測定混凝土溫度和應(yīng)力的措施，根據(jù)實(shí)測結(jié)果調(diào)整養(yǎng)護(hù)措施。夏季要注意降低混凝土入模溫度，并盡量提前在混凝土處于塑性的階段開始采取降溫措施，避免橫跨斷面的溫差；在混凝土降溫階段，無論夏季、冬季，都要注意采取合理保溫制度，避免混凝土內(nèi)部降溫太快。避免拆模時(shí)產(chǎn)生熱沖擊。要盡早開始濕養(yǎng)護(hù)，并避免間斷澆水，不得在混凝土內(nèi)部溫度達(dá)高峰時(shí)開始澆水。濕養(yǎng)護(hù)周期要足夠。           參考文獻(xiàn) 　[1] 李國泮，馬貞勇譯，A.M.Neville原著，混凝土的性能，1983年第一版 　[2] 安明喆，高性能混凝土自收縮的研究，清華大學(xué)博士學(xué)位論文，1999年 　[3] 吳中偉，廉慧珍，高性能混凝土，中國鐵道出版社，1999年9月 　[4] 楊榮俊，楊玉啟，朱連濱等，高性能混凝土（HEC）配合比簡易設(shè)計(jì)法，見：閻培渝、姚燕主編，水泥及復(fù)合材料科學(xué)與技術(shù)──吳中偉院士從事科教工作六十年學(xué)術(shù)討論會(huì)論文集，中國建材工業(yè)出版社，1999年10月