大体积混凝土裂缝的分析及防治

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  摘 要:该文研究探讨了大体积混凝土裂缝的种类,从五个方面详细的分析了大体积混凝土裂缝的成因,并且从混凝土的设计、用料、施工、养护四个方面讲述了防治大体积混凝土裂缝的措施。
  关键词:大体积混凝土 裂缝 原因分析 防治措施
  中图分类号:TU755 文献标识码:A 文章编号:1674-098X(2013)03(b)-0-02
  随着现代社会经济进入快速发展的轨道,地面空间的广泛使用,建筑设施逐渐朝着大型、高层的趋势发展,因此,混凝土的需求体积也变得越来越大。
  大体积混凝土的逐渐广泛使用,尽管建筑领域的专家提出种种科学的施工措施与方法,建筑工人严格按照施工要求和流程进行施工,随之还会暴露出各种各样的问题,比如裂缝问题。该文就从成因与措施等方面对大体积混凝土裂缝的分析及防治进行探讨。
  1 大体积混凝土裂缝的成因分析
  在理论上大体积混凝土裂缝的有两种成因。
  (1)由于本身自重荷载或是混凝土结构内部次应力,使混凝土所承受的应力超过本身的极限应力而产生裂缝,这种情况下产生的裂缝也可以称为结构性裂缝或是荷载性裂缝。
  (2)由于温度、不均匀沉降、收缩、膨胀等一系列的变形变化而引起混凝土出现裂缝,这种情况下产生的裂缝也可以称为非结构性裂缝或是变形裂缝,一般情况下温度变化和混凝土收缩是导致大体积混凝土主要因素。下面笔者就从五个方面对于实际施工中大体积混凝土裂缝的成因进行简要的分析。
  1.1 混凝土及其环境的温度变化
  (1)混凝土本身温度发生变化,这种情况下的温度变化主要是由于水泥在硬化工程中,遇见水化合发生放热反应,亦称为水泥水化热。水泥水化热是混凝土温度变化的最主要热量来源,大量的水化热会随着混凝土的浇筑由内向外散发出来,导致混凝土表面与内部出现温差。如此,混凝土内部与外部的温度不一样,必然会出现热膨胀冷收缩,进而混凝土内部出现压应力而外部出现拉应力,当混凝土所受的拉力超过其抗拉强度设计值时就会出现裂缝。一般情况下,混凝土内部温度大于外部温度25 ℃时就会在其表面出现裂缝。
  (2)环境温度变化的影响。由于混凝土的大体积导致外部环境温度的变化會对其产生较大的影响下,其裂缝成因与混凝土本身温度变化的影响相似,即温度变化导致混凝土收缩不一致以及产生温度应力进而导致裂缝生成。这就要求施工人员在具体的施工中(比如大体积混凝土的硬化、养护)关注外界温度的变化,并采取措施。
  1.2 混凝土收缩的影响
  (1)混凝土硬化收缩。众所周知,水泥拌合中所加入的水除去20%用于水泥水化反应之外80%的水都要用于混凝土的和易性所需。在硬化过程中,随着混凝土强度逐渐增加内部的水份也会逐渐向外蒸发,但是水份蒸发的程度不一样导致了结构变形不一致,随之必然会产生拉应力。但拉应力超过抗拉强度设计值时就会出现裂缝。
  (2)混凝土的塑性收缩,主要是由于水分从混凝土表面蒸发损失导致的。这种情况形成的裂缝主要发生在混凝土表面,因此裂缝的深度一般不大。此外,一把情况下混凝土在塑性阶段过程中若其温度较高、水灰比较低、水泥活性较大会对混凝土裂缝的形成起着积极的作用。因为在这个阶段,混凝土表面的水份极容易受到外界影响而加快蒸发,导致混凝土结构因快速收缩而生成裂缝。
  1.3 混凝土结构变形的影响
  混凝土结构变形一般是由于结构的不均匀沉降引起的。在实际施工中建筑物不均匀沉降主要是由于设计施工之前没有对建筑物所在在地区的地质勘察不够准确、试验资料不够精确再加上复杂的地质条件造成的。一般情况下,软土地基区的建筑物会因本身不具备足够的协调性而产生裂缝。
  1.4 碱—骨料反应的影响
  碱—骨料反应是指水泥中的碱与混凝土骨料中的活性物质发生的化学反应,致使结构体积局部膨胀,最终使混凝土开裂和强度下降的现象,是混凝土结构中十分常见的裂缝生成反应。具体原因是由于水泥中的碱性物质(包括氧化钠和氧化钾)与具有活性的二氧化硅发生化学反应,生成能够具有吸水特性的碱-硅酸凝胶,进而造成混凝土膨胀开裂。
  1.5 水灰比的影响
  水灰比,即拌混凝土时所用的水和水泥的重量之比,它对硬化后的混凝土强度的大小具有很大的影响。
  实验表明,水灰比越大混凝土硬化后的密实度与水泥和骨料间的粘结度越高,进而使混凝土的强度增强。但是一味的加大水灰比不能够确保混凝土的坍落度与和易性满足规范要求,也会造成结构内部滞留大量的游离水。这样的后果就是混凝土的硬化工程中出现大幅度的收缩与结构内部泌水现象,最终导致表面(或是内部)裂缝的出现。
  2 混凝土设计阶段防治裂缝的措施
  大体积混凝土防治裂缝的设计措施主要包括以下几个方面。
  设计大体积混凝土的强度等级为C20至C35,到使用的后期阶段强度为R60。值得注意的是并不是设计强度越高越好,因为混凝土的设计强度一旦过高,水泥的使用量就会增大,进一步造成水泥水化热反应放出大量的热量,当混凝土内部温度大于外部温度25 ℃时就会在其表面出现裂缝。在混凝土结构竖向受力方面,其抗弯及抗冲切计算必须满足规范的要求,同时采用强度等级为C20至C35的缓凝土可以有效的避免因高强度的设计而引起的危害。
  此外,由于使用大体积混凝土的建筑工程,一般都具有较长的建设周期,这是符合混凝土设计规范的前提条件下,可以采用混凝土养护60 d(或是90 d)的强度进行有关的计算、检验,如此能够在一定程度上减低水泥的使用量,进而减低水泥水化
  热量。
  设计前进行大体积混凝土配合比的试验,选出最优的配合比,以降低水泥的使用量。选出的混凝土配合比必须符合混凝土抗拉、抗压及抗剪的设计强度,满足耐久性、和易性、抗冻性以及抗渗性的要求。   在大体积混凝土基础的设计过程中,要另外设计出能够承受因混凝土内部化学反应放热而产生的温度应力抗拉的钢筋,同时还必须配备限制混凝土裂缝发展的钢筋。此外,在满足混凝土抗拉、抗压及抗剪的设计强度的前提下,尽可能选择直径较小的钢筋,同时配筋时应严格限制钢筋的间距。
  3 混凝土用料的选择阶段防治裂缝的措施
  混凝土的用料包括水泥、石子、砂、掺合料及外加剂,下面针对每一种用料提出相应的要求。
  水泥:上面提到在满足各种规范、强度等的要求下应尽量减低水泥的使用量,该文针对的大体积混凝土方面,水泥的使用量应小于380 kg/m。由于水泥是影响混凝土收缩变形的关键因素,加之大体积混凝土制作的经济费用考虑,务必要选好水泥的使用量。
  石子:大体积混凝土石子用料选择颗粒级配为5~40 mm的石子,同时要保证所选石子料的含泥量要不大于1.5%。
  砂:大体积混凝土砂用料主要采用中砂与粗砂,同时也要保证所选石子料的含泥量要不大于1.5%。
  掺合料与外加剂:大体积混凝土掺合料用料主要包括粉煤灰、粒化高炉矿渣(比如粒化电炉磷渣)、火山灰类物质(比如凝灰岩粉)、硅粉等。混凝土中使用的外加剂主要包括 缓凝剂、膨胀剂和减水剂。混凝土在掺合料以及减水剂的双重作用下能够有效的改善混凝土的粘聚性、保水性、流动性、可泵性、耐久性与硬化混凝土的强度。同时减水剂还能改善水灰比,是混凝土中的水不会过多而影响构件的变形。因此混凝土所用掺合料品质、用量等都符合严格按照相关的规范要求;混凝土的外加剂在使用之前必须进行一系列的可靠性检验,以保证所选用的外加剂能够符合混凝土的使用性能要求与施工要求。另外,值得指出的是,外加剂在使用是应配合成一定比例的水溶液。在多性能要求的混凝土中,外加剂可以多种混合使用。
  4 混凝土施工及后期养护阶段防治裂缝的措施
  4.1 施工阶段防治裂缝的措施
  (1)准备工作:在进行混凝土施工之前,要准备好混凝土浇筑所需要的物件,包括塑料薄膜、测温管以及草席等。在施工之前,还应对施工现场进行实际的考查,并根据考查结果运用科学的手段对施工段进行划分,同时确定好施工人员、施工用电以及施工顺序。在准备好以上的工序时,施工人员就可以开始施工了。在施工过程中,管理人员与施工人员务必各尽其职,保证混凝土的施工的顺利进行。
  (2)混凝土施工:在确定浇筑方案之前,应保证所已选择的方案已将混凝土构件大小、混凝土用料间的化学反应、配筋的间距、预埋管道设置、地脚螺栓设置、混凝土料的供应速度等情况考虑在内,同时能够保证每一层的混凝土铺设之前先,其下一层的混凝土还未初凝。
  一般情况下采用的混凝土施工方法有三种:
  ①全面分层的方法:第一层全部浇筑完毕后在进行第二层的浇筑,连续反复施工并且保证每一层浇筑之前下一层的混凝土没有初凝。全面分层的浇筑方法的施工适合从短边开始,沿长边推进,并且适用于结构的平面尺寸不太大的混凝土构件。具体施工中也可以从中间向两端或从两端向中间同时施工。
  ②分段分层的方法:将混凝土结构在平面上分成几个施工段,在厚度上分成几个施工层,先浇筑第一段各层,然后在浇筑第二段各层,如此逐段逐层的连续浇筑,直至浇筑结束。这种方法能够保证浇筑进行到顶后,第一层末端的混凝土还没有初凝。分段分层的浇筑方法适用于厚度不大而面积或长度较大的混凝土结构。
  ③斜面分层的方法:一次将混凝土浇筑到顶,让混凝土自然流淌,形成一定的斜面,并且保证在下一段混凝土施工时上一段混凝土尚没有初凝。斜面分层的浇筑方法适用于混凝土结构的长度大于厚度的三倍并且其流动性较大的构件。
  混凝土浇筑时浇捣的要求:
  ①浇筑时混凝土自由倾落的高度要在2 m以内。当混凝土自由倾落的高度超过2 m时,施工中要及时采用串筒以及溜槽,进而防止混凝土离析现象的出现。
  ②浇筑时使用振动棒要快插慢拔。振动棒在混凝土层上的作用位置点要平均排列,并且实际操作要按照位置点的自然顺位逐点移动,振动棒的作用位置点间的间距要控制在30~40 mm以内。
  ③在浇捣的过程中,施工人员要注意定期检查模板、埋件、配筋、预留孔道等
  项目。
  ④无论何种浇筑方案,结构基础梁和版是不允许同一时间施工的。浇筑的水平交接间歇时间至少要在1 h以上同时不超过2 h。
  4.2 后期养护防治裂缝的措施
  混凝土的养护是指混凝土浇筑完成后,在一定时间内采取措施对外露面的混凝土保持适当温度和湿度,使混凝土在良好条件进行硬化。养护过程中中最主要的就是维持养护环境的温湿度。而保持养护环境的温度能有有效的抑制结构表面温度的减低,进而控制混凝土构件的温差,防止构件的表面出现裂缝。该文下面就行三个方面介绍混凝土后期养护的措注意事项:
  在混凝土构件的后期养护中务必严格按照规范进行。首先要保证混凝土表面收光后立第一时间为其铺设一层塑料薄膜,目的是排除塑像收缩引起的影响;其次是在铺设塑料薄膜下定期补充水份;另外还要在混凝土的预留管道中通入冷水,以减低构件内部温度防止内外生成过大的温差。
  在混凝土中设置预留的冷却水管的同时要随之一起设置一系列的测温点。只有布设出测温点才能在养护中适时的明确何时进行保温工作、何时进行降温工作,这样才能保证混凝土构件的內外温差不至于超过25 ℃。测温点的布设要遵循着每个墙体都要具有三个代表性的点以及每个墙体的垂直方向的上、中、下三个位置都要具有6个测温孔,这样才能保障每一个施工区段以及不同高程的混凝土结构的温度都能够被工作人员实时的检测到,这就需要
  施工管理人员专门的安排工作人员对每个测温点进行有针对性的记录,然后根据记录的温度变化随时调整循环养护水的水温,进一步保障温度变化对于大体积混凝土出现裂缝的影响降到最低。此外,工作人员要注意在混凝土冷却完毕后封闭水管口,封闭用的水泥要与混凝土所用等级一样。
  (3)外界环境温度过高时,施工人员务必进行浇水养护。工作人员可以利用小型的水泵进行浇水养护工作。浇水养护也是需要为混凝土铺设塑料薄膜的,同时塑料薄膜内还要一直存有一定量的水份,以避免上文中提到的干燥收缩及其随之带来的危害。一般情况下,混凝土的养护要超过7 d。
  5 结语
  大体积混凝土产生裂缝的的成因多种多样,比如温差、收缩、化学反应、水灰比等,这为防治大体积混凝土产生裂缝的造成了种种的困难。但面对困境与难题我们不仅要有足够的科学知识与手段,还要有足够的信心与耐心。现如今,通过探索我们已经提出了克服多种情况下大体积混凝土裂缝的措施。我们相信在坚持“预防为主,防治结合”的路上,大体积混凝土裂缝难题最终会被完美的解决。
  参考文献
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