混凝土早期裂缝的概念成因和处理方法

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  一、混凝土早期裂缝的概念
  裂缝是固体材料中存在的各种孔隙、缺陷、内部微裂等不连续现象,在学术上属于结构材料强度理论范畴。我们知道的结构设计是建立在极限承载力极限状态和正常使用极限状态基础上的,构件的极限状态的大部分状态是由裂缝决定的,结构的破坏和倒塌也都是从裂缝的扩展开始的,,裂缝的扩展是结构物破坏的初始阶段,存在裂缝的构件,其承载力也可能受到一定威胁;同时,结构物裂缝可以引起渗漏,引起持久强度的降低,如保护层剥落、钢筋腐蚀、混凝土碳化等直接影响结构的使用寿命。
  水泥混凝土是由水泥、粉煤灰、粗细集料及其它矿物成分组成,经加水充分搅拌后,形成均匀胶体。该胶体是一种固、液、气多相集合的微晶结构体,它们共处在一个不匀称的力场中。随着混凝土中的水分流失,它们会渐渐失去塑性而固化和收缩,在固化和收缩过程中其组织结构中会出现大量的微裂纹,这些裂缝就属于混凝土的早期裂缝。
  二、混凝土早期裂缝的成因
  混凝土早期裂缝产生的原因是因为混凝土在加水搅拌过程中,水泥水化反应会产生水化热,由于热效应而发生收缩现象,加上施工现场的环境和大气碳化使混凝土表面失水而收缩,集料沉降(时间与材料)等多种因素综合造成的。
  三、混凝土早期裂缝的类型、特征及其控制措施
  混凝土早期裂缝按其产生的原因和特征可分为以下几种:
  (一)塑性裂缝,混凝土在浇筑过程中逐渐凝聚,并由流态逐渐边为塑态,在这阶段产生的裂缝称为塑性裂缝。塑性裂缝是各类现浇钢筋混凝土结构中,经常发现的一种非受力型早期裂缝,按照产生原因分为以下两种:
  1、塑性沉缩裂缝
  混凝土个组成材料的比重不同,早振捣和中立的作用下,骨料下沉,水泥浆上升,并挤出部分的水分和空气,使混凝土产生一定的沉落(也称沉缩),着种沉落知道混凝土硬化时才停止,另外,水泥个组成矿物与水反映后,生成的水化产物固相体比原组成矿物和水的总体积比要小,部分水分泌水析出后使体积岁小,称水化收缩或自身体积变形。早期的水化收缩与重力沉落叠加,构成了塑性沉缩变形。混凝土沉缩过程若受到钢筋、予埋件及模板表面的阻滞,或者相邻两部分沉落不同,极易产生裂缝,因为着中裂缝发生在混凝土浇注后1-4小时左右,尚处在塑性阶段,故称为苏醒裂缝。
  沉缩裂缝是因为混凝土变形局部受阻所至,且发生在塑性阶段,故产生贯穿性裂缝的可能性不大几(有些薄板出现的贯穿性裂缝,应该是后期的干缩裂缝),通常裂缝深度较少超过钢筋的保护层。沉缩裂缝与混凝土的塌落度过小,振捣不密实,硬化前的塑性沉落相对增加,开裂的几率也就增大。同样的,模板表面越粗糙,不湿润,钢筋排列过密,增大了对混凝土沉落的阻滞作用,就越容易出现次类裂缝。
  2、塑性收缩裂缝
  混凝土浇注完毕但仍处于塑性状态时候,由于表面水分蒸发过快,产生急剧的收缩变形而产生裂缝,
  这类裂缝均出现在表面,形状很不规则,且长短不一,细而量多,互不连贯,有称龟裂。
  塑性收缩裂缝大多的混凝土浇注后几个小时内出现,常见与高温季节、多风气候干燥情况下浇注的混凝土表面,或自身温度较高的大体积混凝土表面,其本质土是属于失水引起的干缩裂缝。施工过程中,混凝土表面没有即使覆盖,受风吹日晒,表面水分蒸发过快;或很泥土用水量过大,水灰比偏高。或使用收缩率偏大的水泥,用水量过多;或沙率过大,使用粉沙,含泥量较高等,会导致这类裂缝的出现。
  塑性沉缩裂缝与塑性干缩裂缝对结构承载力没什么影响,但有损与外观与耐久性,一般在表面抹一层薄沙浆处理就可以了。
  塑性裂缝是混凝土浇注过程中常见的现象,可谓质量的通病,但在很大的程度上可以进行有效的防止,通常在施工过程中应做好以下几点:
  (1)配制混凝土时,应严格控制水灰比和水泥用量,优化骨料级配。
  (2)振捣密实,减少沉落;合理安排浇捣次序,一控制沉落的差异;掌握好表面压实、抹平的时间;
  (3)控制模板质量,浇混凝土的早期养护,浇混凝土之前充分湿润;
  (4)注意混凝土的早期湿养,保证时间,浇水的间隔,使其保持潮湿;
  (5)在炎热,干燥、多风的气候条件下浇注混凝土,除常规的养护以外,需采取覆盖,挡风等特殊措施,以防干裂。
  (二)干缩裂缝
  混凝土在干燥环境中逐渐失水,其体积缩小称为干缩。反之混凝土长期处于湿潮环境中或水中,其体积会略微有膨胀,称为湿帐,混凝土的干缩和湿帐并不完全可逆。
  收缩和膨胀在自由和约束两种环境下,其变形产生的后果不一样,在自由条件下收缩使内部组织更加密实,内聚力和廿结力得以提高;膨胀却使内部组织变大疏松,膨胀超过一定限度时候就会开裂。而在约束条件下,情况正好相反,材料的自由收缩量越大,就越容易产生裂缝。膨胀则不会产生开裂。应该认识到,在混凝土材料中,约束是绝对的,而自由是相对的。如混凝土内部的水泥石收缩时,骨料对其构成了约束,故在水泥石基体极其与骨料界间会产生许多派微裂缝;混凝土构件中,若混凝土收缩,钢筋对其构成约束;混凝土结构中,结点对件,以及构件与构件之间均存在约束。当然,混凝土中的骨灰比,配筋率、构件的刚度等变化时,其约束的程度不一样。由此可见,混凝土只有干缩会引起开裂,而湿帐并不会开裂。混凝土的干燥过程是由表及里逐步扩展到内部,使构件截面呈现含水梯度,因此产生表面收缩大、内部收缩小甚至不收缩的梯度变形状态,此时表面混凝土受拉,内部受压,当表内面拉应力超过混凝土抗拉强度时,就产生开裂。
  影响混凝土构件干缩袭裂缝的因素较多,主要有以下九方面:
  (1)混凝土的组成材料干缩主要源自水泥石的收缩,水泥用量越多,混凝土干缩愈大,水泥颗粒愈细,干缩也愈大。水泥用量相同时,湖拧土的干缩水灰比的增大而增大。骨料在混凝土中对干缩能起限制作用,其含量愈高,弹性模量愈大,则干缩愈小。
  (2)构造配筋的影响实际证明,构造配筋是减少混凝土构件开裂的最有效措施之一。但需要注意到,构造配筋提高构件抗裂的同时,也会增加对混凝土的自约束应力,带来一定的负面影响。这与配筋率的大小有关,当配筋率过小时,干缩率减少不明显,有时仅仅减少百分之几左右;当过大,则不可忽略自约束应力的作用,否则会因限制过强而开裂,在同样的配筋率下、构造配筋截面细而排列密对抗裂较为有利。
  (3)构件表面积大小的影响混凝土失水速度与构件暴露于环境中的表面积大小有关。构件的暴露程度可以用单位横截面积所具有的周长(r)来表示,,该值大,说明暴露的表面积大,其干缩速度增大。
  (三)温度裂缝
  钢筋混凝土结构随着温度变化而产生的热胀冷缩变形称为温度裂缝。当此时变形受到约束,在混凝土内部产生的应力超过抗拉强度时,混凝土即会开裂,此裂缝称为温度裂缝。
  混凝土的温度变形是由水泥石和骨料变形的加权平均构成。水泥石是多孔质的胶凝体,凝胶孔中水的温度膨胀率远远高于水泥凝胶的膨胀率,故温度升高时使胶体积膨胀。另外,温度上升降低了毛细水的表面张力,使作用在水泥石内部的一部分收縮力释放,水泥石就膨胀。因为混凝土的温度膨胀系数介于水泥石和骨料的温度膨胀系数二者之间。
  温度变化产生温差,从而对混凝土结构产生作用。该作用可分为时间温差作用和截面温差作用两种,他们各自引起结构变形的情况不一样。在混凝土早期的时候,主要是截面温差作用比较明显,现就讨论这种作用韵影响
  截面温差系指在混凝土早期凝结过程中的某一时刻,构件截面的上下内外的温度差,其对构件的作用称为截面温差作用。下面就截面内外温差进行讨论
  截面内外温差通常发生于大体积混凝土浇筑,以及预制构件生产中蒸养阶段的快速升温和降温的过程,通常在混凝土构件截面上产生中间高、边缘低,或反之的不均匀温度分布,此时若这种内外温差引起的变形超过混凝土的极限拉伸值,就会产生裂缝。尤其是大体积混凝土,如果底部受到强大的约束,很容易产生贯穿性裂缝。
  下面就大体积混凝土早期的内外温差裂缝问题进行分析,水泥水化反应是一个反热的过程,如每千克普通硅酸盐水泥和矿渣水泥水化后的反热量较大,而混凝土传热性较差、散热慢,故在浇筑过程中,其内部的温度会快速升高,对于大体积混凝土,内部绝热升温可达35-50度,甚至更高;同时水泥水化放热过程是一个早期快,后期慢的过程,在早期快速升温阶段,总体上处于热胀状态,此时混凝土刚从塑态逐渐凝固为固态,其塑性变形相对较大,因此产生超强度拉应力的可能性较小,一般不会引起混凝土裂缝,在降温阶段,混凝土从热胀的最大变形点开始降温收缩,而此时混凝土的弹性模量也已增大,故降温会产生一定的拉应力,当该拉应力超过混凝土此时的抗拉强度时,就产生裂缝。
  为了防止大体积湿凝土温度裂缝,施工时的温度控制主要包括两个方面:
  首先是进行大体积混凝土内外的温差控制,它包括内部与外表,以及外表与大气环境的温差控制。当环境气温较底,混凝土表面散热过快时,可采取表面覆盖等措施进行温差控制。
  其次是控制大体积混凝土内部最高温升。水泥水化热引起温升,混凝土内部最高温度是由浇筑温度和水泥水化热温升两部分构成。因此,控制内部最高温度,主要措施如下:
  (1)尽量选择温度低的季节浇筑大体积混凝土。
  (2)合理选用水泥品种和控制水泥用量,以降低水泥水化温升。
  (3)掺缓凝剂
  (4)合理工艺过程,将大体积混凝土分层浇注。
  (四)混凝土早期受冻裂缝。
  如果早期的混凝土暴露在温度较底的环境中,水泥的水化正在进行当中,表面水泥石中的水分会受冻结冰,水化反应停止,表面水泥石强度停止增长,而水泥过了初凝时间。故表面的混凝土疏松,表面龟裂。局部脱落、出现空鼓现象,或整体崩裂。
  (五)骨料中含过量杂质引起的裂缝
  骨料占混凝土的总体积在70%以上,其质量的优劣,对混凝土各项性质影响很大。
  (1)粘土块含量过高时,不仅这些物质自身软弱而影响混凝土早期强度和耐久性,而且严重影响骨料与水泥石加冕的粘结,严重降低了混凝土的早期强度,在里面的应力作用下产生早期裂缝。
  (2)有害物质含量过高时,包括由动物、植物腐烂后的的有机物质,它们会防碍水泥的水化,影响界面粘结性能,或者其生产的产物体积膨胀引起混凝土开裂。
  控制的有效措施是使泥和土块的含量,还有有害物质的含量符合我国标准《建筑用沙》、《普通混凝土用碎石或卵石质量标准及检验方法》中相关的具体的技术质量要求。
  (六)水泥安定性不合格引起的裂缝
  水泥安定性是指水泥在凝固硬化过程中体积变化的均匀性。水泥安定性不量会造成混凝土结构或构件膨胀性龟裂,无法进行补救。
  水泥安定性不良的原因是水泥熟料中含有过多的游离氧化钙或氧化镁,以及掺入的石膏过多所致。游离的氧化钙和氧化镁都是在高温中过烧而成,水化很慢,它们在水泥石结硬后慢慢开始水化,水化后体积膨胀而引起水泥石开裂。
  国家规范规定,体积安定性不合格的水泥废品处理。
  四、混凝土早期裂缝的处理方法
  并非所有的裂缝都对结构安全有影响,大多数混凝土浇注初期,当混凝土本身和外界温差悬殊,或本身温度长时间过高(40℃以上)而气候干燥的情况下,就会出现塑性裂缝,又称龟裂,一般出现在结构表面,形状不规则,且长短不一,互不连贯,原因主要是施工养护不当,表面没有覆盖,风吹日晒,导致表面游离水分蒸发,产生急剧的体积收缩,而此时混凝土早期强度低,不能抵抗变形应力而导致开裂,这类裂缝对结构强度影响不大。治理早期沉缩裂缝的方法,一般在表面抹一层薄沙浆,进行封闭处理就可以了。
  国家颁布的《混凝土结构加固技术规范》,根据我国有关可靠性鉴定标准规定,一般均件裂缝宽度小于或等于0.45mm,露天或室内高温环境,裂缝宽度小于或等于0.3mm仍属于基本满足设计要求,对结构不会产生安全性危险,故不需加固。但从耐久性和美观角度考虑,应采取灌浆修补措施。
  对于危及结构安全的钢筋混凝土结构缺陷和裂缝宽度超过规范允许值的,应通过专业人员对结构进行可靠性鉴定,并提出最佳加固方案。加固的方法很多,目前常采用的方法有加大截面加固法、外包钢加固法、预应力加固法、改變结构传力加固法和外部粘钢加固法等等,都是行之有效的措施。
  对于钢筋混凝土结构缺陷的加固和裂缝修补方法,建筑行业己积累了很多的设计和施土经验,对修补材料的选择和施工工艺流程,都有规范可循,因此对于非破坏性结构裂缝,使用者大可不必担心,经过适当的处理,不会影响安全和美观。
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