混凝土工程裂缝分析及控制

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关键字：混凝土 施工 裂缝 控制 

简  介：混凝土是一种非均质的复杂多相混合材料，在其微观结构相组成之间主要的结合力是范德华力。因此其抗拉强度远低于抗压强度。当混凝土内部产生拉应力超过其抗拉强度时，就会产生裂缝。 混凝土裂缝是混凝土工程施工中的质量通病，裂缝产生的原因以及如何防止混凝土裂缝，早已成为全球混凝土工程的一项研究课题，现就本人所学理论知识结合本人较少的实践经验，浅谈混凝土工程施工裂缝原因分析及控制。   一、混凝土结构产生裂缝的原因 混凝土是一种非均质的复杂多相混合材料，在其微观结构相组成之间主要的结合力是范德华力。因此其抗拉强度远低于抗压强度。当混凝土内部产生拉应力超过其抗拉强度时，就会产生裂缝。因此，混凝土发生开裂的条件就是：在约束下变形产生的拉应力超过当时的混凝土抗拉强度，也就是说必须同时考虑三个条件：变形的大小、约束的程度、当时的混凝土抗拉强度。不受约束的自由变形不会产生应力；抗拉强度足以抵抗所产生的拉应力时则不会开裂。也就是说不能笼统地认为收缩必然开裂。所产生的应力大小和当时的弹性模量有关，和能够松弛应力的徐变有关；是否引起开裂还和混凝土的抗拉强度有关。 凡是组成良好并经适当振捣和养护的混凝土，只要内部孔隙和裂缝尚未形成相互连接而直达表面的通道，则基本上是水密性的；在使用中，结构的荷载以及大气环境的影响如冷热交替、干湿循环，可使这些内部微裂缝发展并传播，成为环境中侵蚀性介质浸入的通道。早期裂缝控制的意义在于，已有裂缝的扩展比新生成裂缝容易。可能引起开裂的变形主要是收缩。 干缩：停止养护后，环境相对湿度低于100%，混凝土干缩即开始；在干燥的空气中，收缩会持续进行。对于普通混凝土，28天收缩约40%, 3个月收缩60%左右，180天收缩约70%，1年收缩平均75%，完全收缩的时间可长达20年。影响收缩的主要因素是骨料的品种和用量。当骨料品种一定时，每方混凝土中骨料用量越大，即浆骨比越小，则干缩越小。骨料的“骨架”作用即在于此。当水泥用量不变时，水灰比越大时，浆骨比越大，干缩也越大。因此混凝土的配合比中应当尽量减小用水量。 温度收缩：随着水泥实际强度的提高、比表面积的增大，水化热也相应较大，再加上因要求混凝土具有较高早期强度而使用较大的水泥用量，按我国结构设计规范，抗压强度约30MPa的混凝土，其弹性模量为约30GPa，则在约束下可产生弹性拉应力约4.5MPa，而30MPa的混凝土的直接抗拉强度约为2 .7MPa。常有工程中的混凝土拆除模板时就发现已产生裂缝，显然是由温度变形所致。 自收缩：是在与外界无水分交换情况下因水泥水化消耗浆体内部自身的水分而产生的。自收缩从混凝土初凝就开始产生，在1天以内发展最快，3天以后减慢，此后就发展得很缓慢了。自收缩不同于化学收缩，但由化学收缩引起。化学收缩的原因是水泥和水发生水化反应，产物的固体体积增大，而与反应前水泥与水的体积之和相比则减小，故也称化学减缩。化学收缩在初凝前导致整个体系体积减缩，在初凝后导致体系产生孔隙，而对体系体积无影响；自收缩则导致毛细孔收缩而产生体系的收缩。胶凝材料(包括水泥和活性掺和料)的活性越大、水灰比越低，则自收缩越大。 按目前的标准方法（GBJ82-85）检测水泥或混凝土收缩值，检测不到全部的自收缩值，而是停止养护 (1天或3天)后的干燥收缩和一小部分自收缩值。而所测不到的那部分自收缩值恰恰是影响早期开裂的重要部分。水灰比越低，这部分所占比例越大。在目前大量使用较低水灰比和较大水泥用量的混凝土中，早期收缩最重要的就是温度收缩和自收缩。如果拆模较早而养护不当，则早期还可产生较大的干缩。 由于近年来混凝土所用的水泥强度高，尤其是早期强度高，混凝土水灰比较低，使混凝土温度变形和自收缩变形较大，即使早期未开裂，已产生的应力未消除，在后期使用阶段有时因外界条件如急剧的温度和湿度的变化，又会有新的应力生成，与已有应力叠加后如果超过混凝土实时的抗拉强度，就有可能在原有不可见微裂缝处扩展成可见的裂缝。因此控制混凝土早期内部的应力尽量减小，才是提高混凝土耐久性最重要的环节。为了减小早期内部应力，就要减小温度变形和自收缩变形，同时尽量避免高早强以降低早期弹性模量，增大早期徐变。   二、施工中裂缝控制 影响开裂的因素很复杂，往往不是单一因素造成的。控制裂缝也不只是施工人员和混凝土生产者的事，而是涉及包括设计、混凝土及其原材料生产、施工甚至监理和业主在内各方面的责任。因此需要各方共同努力解决。包括混凝土原材料的控制、混凝土的制备和现场施工的各个环节，对于控制早期裂缝、减少后期开裂、保证实现设计的混凝土结构耐久性是至关重要的。 混凝土施工中影响混凝土质量的并不只是养护的问题；养护也不只是浇水保湿的问题，而是包括模板种类、浇筑方式、浇筑顺序、振捣方法等的选择，以及混凝土内部温度的控制、拆模时间和方式等等各方面的内容。由于现代水泥成分中较高水化速率的组分因素增加，即使不是早强水泥的品种，水化放热速率也都加快，混凝土的自收缩变形和温度变形都会较大，上述施工的各环节就更加重要。 由于混凝土自收缩在初凝时就开始，由于施工现场没有条件检测，现场采用试验试件同条件养护7天的方法。有条件时，最好能测定直接抗拉强度，以便控制混凝土内部应力始终低于其抗拉强度。重要工程混凝土性能宜在现场制作模拟试件钻心取样进行检测。热天施工的混凝土可掺入适量缓凝剂和引气剂，以延迟温峰的出现，并抑制初期强度的发展。但不可过于缓凝，否则可能引起后期的开裂。 现场施工中应注意裂缝控制方面问题： （一）施工 1、混凝土运到工地后应立即检测坍落度，并尽快浇筑。如发现坍落度不足，不得擅自加水。 2、浇筑温度：夏季浇筑混凝土应降低温度，至少应比当天最高温度气温低10℃。但混凝土浇筑温度太低时，受环境较高温度影响的表面硬化较快，内部温度升高时产生膨胀，会使先硬化的表面受拉而开裂。因此在夏季，不仅要降低浇筑温度，而且要采取措施（例如避免上午浇筑，冷却模板，避免阳光直射于混凝土表面使混凝土升温恰值气温最高时而加剧等）避免混凝土表面受气温影响而先于内部硬化。冬季要提高混凝土浇筑温度，则混凝土内部温度高于气温，内部成熟快，产生膨胀时，表面仍有一定塑性，可变形而不裂，而当混凝土降温时，在表面产生压应力，而有利于抗裂。 3、长墙或板的施工缝的间距应视构件尺寸而定。高宽比大于2的墙，上部一般不会出现裂缝，但是应注意分层浇筑时，下层高度要大于上层高度，否则，上层拌和物会增大对与基底接触面的正压力而增加约束应力。混凝土浇筑高度不宜超过2 m，如必须超过，则必须用串筒等辅助下料；每层混凝土一次性布料不宜超过1m。 4、泵送混凝土下料位置相隔应当小于3m，每层下料位置应当交错，以保证均匀。 5、不正确的浇筑顺序会造成可以避免的约束和不均匀的沉降。例如梁和柱或板和墙同时浇筑，会因沉降不匀在交接处产生裂缝。相反，采取恰当的浇筑顺序会减少开裂，如大面积的板当使用膨胀剂时，采取“跳仓”方式浇筑可减少开裂。所以不同构件浇筑前应认真规划浇筑顺序。 6、应当正确进行混凝土拌和物的振捣，使用振捣棒时绝对禁止用振捣棒横拖赶动混凝土。否则必然造成离下料口远处砂浆过多而开裂。 （二）养护 1、对于板，浇注后立即覆盖，避免塑性开裂。当混凝土表面“收水”过快时，会结成一层硬壳，而内部则凝结变慢。在干燥有风的条件下，硬壳会开裂并脱落。实践证明，如能及时覆盖，就能避免发生这种情况。 2、尽早开始养护。墙、柱等在拆模前应及早松动模板浇水。 3、在最小断面大于 30 cm的构件中，早期温度应力引起的开裂往往占大部分(至少60%)，因此温度控制很重要。首先应降低浇筑温度。控制入模温度，可采用浇水等降温措施。 4、拆模时间应视混凝土内部温度而定，不能在混凝土内部温度最高时拆模，尤其不能在混凝土内部温度最高时拆模后立即浇凉水，以避免对混凝土产生热震。拆模后注意保温，以避免降温速率太快。 5、避免间断浇水。 6、混凝土在相对湿度低于100%时开始失去毛细水，在相对湿度低于65%时，开始失去凝胶的吸附水；凝胶越多，体积越不稳定。硬化的混凝土水泥浆体需要有一定量的未水化颗粒稳定其体积。因此浇水周期既要足够，又不宜随意延长。 7、应在混凝土还处于塑性时开始冷却表面。夏季使用钢模板时，可在浇筑时同时向模板表面浇凉水，以推迟混凝土温峰时间，并降低温峰；混凝土内部达到温峰后开始降温时则应控制降温速率，避免在混凝土升温后尤其是在温度最高时拆模，更不能立即浇凉水。冬季尽量使用导热系数小的模板，以减小混凝土中心和表面的温差，必要时，应采取灵活保温措施。对于厚度超过30cm的墙、柱、基础地板等中等体积和大体积混凝土结构，夏季施工时应尽量降低入模温度，在混凝土达到温峰前应在模板外(对墙、柱)或覆盖的塑料薄膜上面（向板）浇凉水降温，到达温峰以后的降温阶段应采取保温措施以降低降温速率，必要时可用热水养护。 8、关于温差的控制，当混凝土内外温差和混凝土表面与大气的温差不大于于15℃时，混凝土就不会开裂。 9、掺用大量矿物掺和料时应特别注意保湿养护，养护时间至少需7天。   三、结论 1、裂缝控制是限制环境中侵蚀性介质进入混凝土结构的第一道防线，控制裂缝尤其是早期裂缝，对保证混凝土结构达到设计要求的耐久性，有重要意义。 2、裂缝控制需要建设主管∕开发商、设计人员、材料供应商和施工承包商共同的努力，但是施工过程的各环节对混凝土成型质量和裂缝控制尤为重要 3、除从计划上改变追求高早强外，尽量控制减小2天内强度增长速率，对竣工时间长的大型工程(如高层建筑的底层结构), 尽量延迟强度验收期限。 4、配制混凝土时应选用开裂敏感性小的水泥（低C3A、C3S，低碱、低比表面积）、抗裂性好的矿物掺和料(磨细矿渣如掺量小于70%，其比表面积不宜超过400m2/kg。由于种种原因，所供应的磨细矿渣一般都为400～450 m2∕kg，则使用时宜与粉煤灰复合使用，或用于水下或地下时掺量大于75%，以减小混凝土由于矿渣过细引起的自收缩和温升；尽量选用热膨胀系数小的粗骨料（例如与花岗岩相比，石灰岩的热膨胀系数就较小）。 5、选用配合比时尽量减小水泥用量和胶凝材料总量(用水量)，。除非必需(如自密实混凝土)。 6、施工中应重视采取正确的施工浇筑顺序，严格禁止违反操作规程的浇筑和振捣方式，重要工程应有测定混凝土温度和应力的措施，根据实测结果调整养护措施。夏季要注意降低混凝土入模温度，并尽量提前在混凝土处于塑性的阶段开始采取降温措施，避免横跨断面的温差；在混凝土降温阶段，无论夏季、冬季，都要注意采取合理保温制度，避免混凝土内部降温太快。避免拆模时产生热冲击。要尽早开始湿养护，并避免间断浇水，不得在混凝土内部温度达高峰时开始浇水。湿养护周期要足够。           参考文献 　[1] 李国泮，马贞勇译，A.M.Neville原著，混凝土的性能，1983年第一版 　[2] 安明喆，高性能混凝土自收缩的研究，清华大学博士学位论文，1999年 　[3] 吴中伟，廉慧珍，高性能混凝土，中国铁道出版社，1999年9月 　[4] 杨荣俊，杨玉启，朱连滨等，高性能混凝土（HEC）配合比简易设计法，见：阎培渝、姚燕主编，水泥及复合材料科学与技术──吴中伟院士从事科教工作六十年学术讨论会论文集，中国建材工业出版社，1999年10月