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商品混凝土裂缝的原因与防治
发布人:陈晓磊 发布时间:2009年11月25日 被浏览 3809
 [摘要] 文章从分析混凝土开裂的原因入手,通过大量的工程实例调查,总结出混凝土结构开裂是多方面因素造成的,而主要因素则在于混凝土生产制造、施工及结构设计三方面。文章分别对这三个方面逐一进行了剖析,提出了防止裂缝出现的措施和方法,同时着重指出施工和养护方式不当是使混凝土产生裂缝的主要原因。
 
  商品混凝土以其进度快、质量好、劳力省、消耗低、技术先进、现场文明等诸多优点,已成为城市建筑业不可缺少的重要组成部分,越来越受到人们的欢迎,是国家建设部重点推广项目,已列入建设部“十五”发展规划和到2010 年十年发展规划。目前我国许多城市都已制定了限制现场搅拌,推广使用商品混凝土的强制性措施,有的城市甚至已经取消了预制楼板,这给商品混凝土的发展带来了大好的机遇。然而,商品混凝土裂缝的频频出现,也让人非常头疼。找出原因,拿出对策,落实措施,消灭裂缝是我们每一位混凝土工作者的责任。
 
  严格地讲,无裂缝的结构几乎没有,关键是如何控制有害裂缝的出现。区分裂缝有害、无害,日本学者对有害裂缝给出的这样的定义:
 
  前提条件:贯通性的收缩开裂为对象。室外受雨水作用及曝晒,担心内部钢筋受到腐蚀的某种情况下,这时的有害裂缝宽度为0.3mm 以上。室内的有害裂缝宽度为0.6mm 以上。
 
2  混凝土的收缩及其影响因素
 
  混凝土的收缩主要有塑性收缩、自收缩、干燥收缩和碳化收缩。
 
2.1  塑性收缩
 
  塑性收缩是新拌混凝土失水引起的收缩。它的失水是由表面脱水而引起。新拌混凝土颗粒之间的空间完全充满水,当高风速、低相对湿度、高气温和高的混凝土温度等因素作用时,水从浆体向表面移动,从表面脱水,这时,产生毛细管负压力,随着失水增加,毛细管负压逐渐增大,产生收缩力,使浆体产生收缩。当收缩力大于基体的抗拉强度时,就会使表面产生开裂。据试验,混凝土早期塑性收缩最大速率发生在浇筑后1~4 小时,此后收缩平缓。因此在收缩速度较大的时期特别要采取保护措施以避免混凝土开裂。
 
  影响混凝土塑性收缩的主要因素是风速、相对湿度、气温和混凝土本身的温度。高风速、低相对湿度、高气温和高的混凝土温度将使混凝土的失水加剧,从而增加塑性收缩。混凝土的收缩在夏季最为严重。据认为,若混凝土表面脱水速率超过0.5kg/ (m2·h) ,则失水速率将大于渗出水到达混凝土表面的速率,并造成毛细管负压,引起塑性收缩,如蒸发速率超过1.0kg/ (m2·h) ,需采取预防开裂的措施。
 
2.2  化学减缩
 
  化学减缩主要是无水熟料与水起化学反应,使固相体积逐渐增加而水泥—水体系的总体积逐渐减少的缘故。具体地说是由水化前后反应物和生成物的平均密度不同所引起。如果进一步分析,则可以认为是水泥与水起化学反应过程中,原来的自由水成为水化产物的一部分,使它的比容由原来的1cm3/g 变成约0.75cm3/ g 的缘故。也就是说,硅酸盐水泥的化学减缩量约为化学结合水的25 %。因此可以认为,化学结合水量大的水泥,其最终化学减缩量也大。硅酸盐水泥的各个组成矿物有不同的化学减缩量,C3A 的化学减缩量最大。C3A 的收缩率是C2S 的3 倍,几乎是C4AF 的5 倍。因此C3A 含量高的水泥易因早期的温度收缩、自收缩和干燥收缩而开裂。为了防止混凝土开裂,应尽量使用C3A 含量低的水泥。
 
2.3  干燥收缩
 
  干燥收缩的主要原因是水分在混凝土硬化后较长时间产生的水分蒸发引起的。由于集料的干燥收缩很小,因此混凝土的干燥收缩主要是水泥石干燥收缩造成的。水泥石干燥收缩理论有:毛细管张力学说、表面吸附学说和夹层水学说等,不论哪种学说,都是水分蒸发引起的。混凝土的水分蒸发、干燥过程是由外向内、又表及里,逐渐发展的。由于混凝土蒸发、干燥非常缓慢,产生干燥收缩裂缝多数在一个月以上,有时甚至一年半载,而且裂缝产生在表层很浅的位置,裂缝细微,有时呈平行线状或网状,常常不被人们注视。但是应当特别注意,由于碳化和钢筋锈蚀的作用,干缩裂缝不仅严重损害薄壁结构的抗渗性和耐久性,也会使大体积混凝土的表面裂缝发展成为更严重的裂缝,影响结构的耐久性和承载能力。
 
  影响混凝土干燥收缩的因素主要有水泥品种、水泥用量、用水量、骨料品种、砂率、外加剂、掺合料、混凝土的养护等。水泥的干缩率为:矿渣硅酸盐水泥> 普通硅酸盐水泥> 中低热水
泥> 粉煤灰水泥。水泥用量、用水量大,干缩也大,砂率也有这种倾向。不同品种粗骨料对收缩的抵抗性为:石灰岩> 安山岩> 砂岩。使用石灰岩为粗骨料的混凝土比使用砂岩的混凝土,收缩可以降低20 %~30 %,因为石灰岩在干湿条件下基本上不产生伸缩变形,而砂岩则不同。质量良好、含有大量球形颗粒的一级粉煤灰由于其比表面积小、需水量少,能降低混凝土干燥收缩值。某些减水剂有增大混凝土干燥收缩的趋势,使用时要注意。混凝土养护不好,干缩增大。
 
2.4  碳化收缩
 
  碳化收缩是大气中的CO2 在存在水的条件下与水泥水化产物作用生成CaCO3 、硅胶、铝胶和游离水而引起的收缩。产生收缩的原因在于这些游离水的蒸发。碳化作用必定产生游离水,这些游离水蒸发时产生毛细管张力,从而引起浆体收缩。碳化作用的实质是碳酸对水泥石的腐蚀作用。而碳化收缩则是由于碳化作用所产生的游离水的蒸发引起。但浆体在充分干燥和水饱和的场合都不易产生碳化作用。因为在完全干燥的场合毛细管水已蒸发,CO2 无法在毛细管中形成碳酸,因此无法与水化产物直接作用,当然也就不会产生碳化收缩。而在水饱和的状态下,CO2 很难进入毛细孔内,也无法在毛细管内形成的碳酸。正因为如此,碳化作用和碳化收缩均发生在混凝土表面。对碳化收缩影响最大的是相对湿度。
 
3  混凝土裂缝产生的原因及其防治方法
 
  如上所述,收缩是混凝土的固有特性,而混凝土结构的开裂除由于地基不均匀沉降、过早拆模或超负荷使用等因素外,一般都是由于混凝土收缩引起的。随着商品混凝土的普遍使用,混凝土的坍落度普遍比现场搅拌的大。特别是泵送混凝土的大量采用,更加剧了混凝土的收缩,裂缝出现的可能性更大。然而也仅仅是可能性而已,绝非必然。
 
  但在现实工程中,裂缝确实存在。究其根源不外乎材料、施工、设计等方面的因素。解决裂缝的问题也主要从这三方面着手。据有关报道,由施工因素造成的混凝土早期裂缝可能占80 %左右,因混凝土材料方面原因造成的裂缝可能占15 %左右,因设计不当造成的裂缝可能占5 %左右。下面本文就这三个方面,分别从产生裂缝的原因和如何进行防治等作一些探讨。
 
3.1  混凝土材料方面
 
  如前所述,混凝土是一种收缩性材料。虽然其收缩的绝对值不大,但由于其较高的弹性模量和很低的抗拉强度,即使很小一点的收缩变形也会产生很大的拉应力。当拉应力超过其抗拉强度时,混凝土即出现开裂。因此,我们应该做的事情就是设法尽最大可能地降低温凝土的收缩值和最大程度地提高混凝土的抗拉强度。对于商品混凝土搅拌站来说,一是要尽量少用收缩量大的水泥,如矿渣水泥。矿渣硅酸盐水泥的收缩比普通硅酸盐水泥大25 %左右。二是在满足施工和易性的条件下,应尽量减小混凝土的水灰比,尽量减小单位体积水泥浆量和砂浆量。
 
  众所周知,混凝土水灰比大,收缩将显著增加,同时抗拉强度降低。如水灰比为0.6 的混凝土收缩比水灰比为0.4 的增加约40 %;而与混凝土相比,砂浆和水泥浆的收缩大约增加2~5 倍。
 
  需要特别关注的是水泥的细度问题和石子的含泥量问题。水泥的细度越细,混凝土越容易开裂。这是由于: ① 细度大的水泥水化快,产生较大的水的消耗,易引起混凝土的自干燥收缩。② 水泥细度细,则使毛细管细化,较细的毛细管失水时将产生较大的张力。③ 细颗粒容易水化充分,产生更多的易于干燥收缩的凝胶和其他水化物。粗颗粒的减少,减少了稳定体积的未水化颗料,因而影响到混凝土的长期性能。某国家重点电力工程的进厂道路的混凝土由我公司供应。由于需运送一千多吨的大型设备,道路混凝土强度设计等级为C35 ,而抗折强度要求达到5.5MPa。由于混凝土强度等级高,第一次供应混凝土时,我们怕水泥用量

大了容易产生收缩裂缝,就采用525 #水泥拌制,结果事与愿违。我们总结分析认为可能是525 # 水泥细度细,比表面积比425 # 水泥大得多,虽然少用了几十公斤水泥,但这里细度大收缩大则是主要矛盾。第二天我们改用425#水泥拌制,情况就大有好转。

 
  石子含泥量越高,混凝土也越容易开裂。这是由于石子表面所带的泥份妨碍了石子与砂浆之间的咬合粘结,弱化了石子的界面结构,降低了界面强度,也就降低了混凝土的强度,特别是降低了抗拉强度。因而在相同收缩应变的情况下,石子含泥量高的混凝土更容易开裂。
 
  关于因混凝土材料本身原因而造成混凝土结构开裂的问题,已有大量的研究报导,本文在此不多作探讨。本文将重点探讨因施工方面的原因造成混凝土开裂的问题。
 
3.2  施工方面
3.2.1  振捣方式
 
  不正确的振捣方式造成混凝土分层离析、表面浮浆而使混凝土面层开裂或造成混凝土砂浆大量向低处流淌,致使混凝土产生不均匀沉降收缩,在结构厚薄交界处出现裂缝。如我公司泰兴站供应的泰兴某商城地下室底板混凝土工程,底板厚40cm ,地梁深达1m。在进行混凝土泵送浇筑时,施工人员不是先浇地梁后浇板,而是将泵管放在底板上面,任混凝土堆在板面上,然后用振动棒拼命地把稳凝土往地梁里赶。结果地梁里的混凝土砂浆比例肯定比板上高。地梁由于本身深度比底板深一倍多,沉降本来就比底板大,加上这不恰当的浇捣方式,就进一步加剧了两者之间的沉降差别,必然产生裂缝。事实也正是如此,混凝土硬化后在板梁交界处有规律地出现了许多互相平行的裂缝。
 
3.2.2  二次振捣和多次抹面
 
  施工人员没有根据商品混凝土的特点,配合做好二次振捣和多次抹面,让塑性沉降裂缝和干缩裂缝及时得到愈合。商品混凝土由于采用搅拌车运送、泵送浇捣,混凝土坍落度比较大,凝结时间比较长。一般混凝土初凝时间都在10 小时以上,甚至更长。即使在炎热的夏天,混凝土掺了高效缓凝减水剂后,表面被太阳曝晒,水分蒸发很快,表面形成一层几毫米厚“被子”,看上去混凝土好像已凝结,实际上内部还远未达到初凝,甚至还能流动。我们曾多次用贯入阻力仪测定掺了高效缓凝减水剂的混凝土砂浆在太阳直晒之下的凝结时间,结果初凝时间都在12~16 小时。这样的混凝土若不进行二次振捣和多次抹面,混凝土表面不可避免会出现裂缝。开始裂缝是浅表的、窄细的,若不及时处理,裂缝就会扩展,由于应力集中,最终的裂缝很可能是贯穿性的。
 
  采用二次振捣可以消除因塑性沉降而引起的内分层,阻断因泌水而留下的连贯通道,改善骨料界面结构,提高混凝土强度和抗渗透能力。进行二次以上抹面时,最好采用手扶抹压机,可以有效提高因泌水而削弱的混凝土表面强度,消除“被子”现象,使混凝土因水分蒸发而引起的塑性裂缝及时得到愈合。如我公司供应混凝土的常州青龙汽车车身厂的厂区道路,由于是夏天施工,混凝土掺了高效缓凝减水剂,第一次抹面结束后不久就出现了“被子”现象,几十公斤重的压纹机一放上去“被子”即开裂,因为“被子”下面还是软的。甲方看了一定要铲掉重浇。为此我公司损失了几十方混凝土。但边上有一小块没有铲掉,按照笔者的要求进行二次振捣、多次抹面,结果一点也没裂。
 
  有人怕二次振捣会影响混凝土强度。实际上对初凝前的混凝土进行二次振捣不仅不会降低强度,反而会使强度提高。我们曾做过试验:在进行混凝土试块制作的同时,留出一份试样过三个小时后再去做试块。试压结果三小时后做的试块强度反而高。这就说明由于二次振捣消除了混凝土内分层,改善了骨料界面状况,提高了强度。
 
3.2.3  现场养护
 
  现场养护不当是造成混凝土收缩开裂最主要的原因。混凝土浇筑后,若表面不及时覆盖、浇水养护,表面水分迅速蒸发,很容易产生收缩裂缝。特别是在气温高、相对湿度低、风速大的情况下,干缩更容易发生。有资料表明,当风速为16m/ s时,混凝土中的水分蒸发速度为无风时的四倍。一些高层建筑的楼面为什么更容易产生裂缝,就是因为高空中的风速比地面大。
 
  目前,许多施工工地在浇筑混凝土时,都不能做到及时覆盖保温养护。一般总要等到最后一遍抹光结束后才覆盖,还有好多工地根本不盖。笔者曾碰到某毛纺厂的一大型车间二层楼面的泵送施工。楼面面积达1 万m2 左右,混凝土强度等级为C30 ,并掺加了膨胀剂。时值盛夏,气温很高,混凝土的水分蒸发很快,施工人手不够多,浇筑好的混凝土在烈日下曝晒。结果混凝土是前浇后裂。同样的情况笔者还在泰兴某商城三层楼面上见到过。新浇的混凝土在似火骄阳下晒了二天,一点遮盖都没有,表面就出现了裂缝,而施工方只是派人隔几小时上去浇一次水。试想混凝土表面被太阳晒得高达四、五十度,冰冷的自来水浇上去无疑是雪上加霜。冷缩促使裂缝更快扩展。正确的做法是在第一次抹平后,立即用塑料薄膜覆盖,不让水分跑掉,依靠混凝土自身的水分进行保湿养护。需进行第二次抹光时,揭开薄膜,抹完了仍要盖好。
 
  对于高性能混凝土,由于水灰比小,胶凝材料用量大,混凝土密实性好,泌水少,若保养不好,干缩情况更严重。因此,有学者认为,当混凝土拌合物表面的水分蒸发速率超过0.5kg/m2·h 时,将引起混凝土的干缩。
 
  对于保湿养护的时间,肯定是时间越长越好。养护14 天的收缩比只养护3 天的收缩降低约20 % 。因此,国家验收规范规定混凝土浇筑后的保温养护时间不得少于14 天。但在这一点上绝大多数施工人员都做不到,所以混凝土出现干缩裂缝就在所难免了。
 
3.2.4  模板质量
 
  模板问题。我公司供应常州市木材公司办公楼二层框架混凝土。施工单位因钢模不够,就地取材,用了一些木模。由于木模事先没淋水,结果拆模后发现用木模的梁上出现了大量裂缝,而用钢模的梁上一条裂缝也没有。后来施工单位对裂缝用环氧树脂进行了密闭处理。
 
3.2.5  正确使用膨胀剂
 
  对膨胀混凝土的错误认识。有许多施工人员以为混凝土掺加了膨胀剂就万事大吉了。其实不然。膨胀剂并非万能之物。掺加膨胀剂的混凝土对养护的要求更高。膨胀混凝土在早期养护不好时的裂缝更易发生(因为膨胀剂要吸水) 。在W/ C 过低(小于0.4) 时尤为严重。另外,膨胀剂不能防止表层混凝土的塑性微裂缝的发生。在一些使用膨胀混凝土的工程上,楼面或屋面仍然出现裂缝,其根源就在于没能进行良好的保湿养护。
 
3.2.6  控制内外温差和环境温差
 
  温差应力产生裂缝。对于温差收缩裂缝,施工单位往往只注重名义上的大体积混凝土,而忽视其他结构;只重视混凝土内外的温差,忽视环境温差。对于大体积混凝土,美国混凝土协会给出了这样的定义:任意体量的混凝土,其尺寸大到足以必须采取措施减小由于体积变形引起的裂缝,统称为大体积混凝土。在实际工程中,真正的大体积混凝土,如厚大的地下室底板,由于其厚度大,抗拉力大,即使内部温度很高,也很少出现裂缝。如常州市椿庭大楼地下室底板和常州市一院病房大楼地下室底板,混凝土设计强度等级均为C50 ,底板厚度均达2m。当时由于原材料供应的限制,只能采用525# R 普水泥拌制。测温显示,内部最高温度曾接近90 ℃,但最终均未发生温差收缩裂缝。相反,在常州金源大厦地下室墙板工程上,浇筑顶板前,墙板完好,等到顶板浇筑后没几天,墙板外侧即出现许多裂缝。经分析,一致认为是温差湿差双重因素造成的。因为当时正值冬季,墙板浇筑后又没有及时回填土,顶板一浇,地下室里面由于地温地湿而保持着较好的温湿度,外墙则处在凛冽的寒风中,温湿度都很低,墙板内外两侧由于环境因素造成了温湿度差而产生裂缝。因此,对于象地下室墙板这样的虽非大体积却存在环境温湿度差的混凝土结构,更要注意防止温差裂缝的发生。
 
3.3  设计方面
 
  先看两个实例:
   ① 常州新区电信局综合楼,地上七层,每层十间,地下为一半地下室。地上的一半除东西边上两间外,其余每间都开有一个气窗。间与间之间有一根大梁横跨南北,大梁由与地下室外墙连在一起的边柱支撑着,中间无柱。工程竣工后两个月,每个气窗的下角处都出现了“八”字形的裂缝。而边上两间由于没留窗洞,就没有出现开裂。后经分析,认为是不均匀沉降引起的。因为气窗下面的地基只需承受不足两米高的墙体的重量,而气窗两侧的地基则要承受七层楼的份量,沉降自然不一样。裂缝即从最薄弱的窗角处开始。
 
  ② 常州市机关房产大楼地下室墙板,在边柱与墙板之间的阴角处出现有规律的裂缝。经专家们会诊,一致认为主要是墙板配筋问题。
 
  因此对地下室墙体,构造筋必须增强,配筋率要提高,宜不低于0.5 % ,同时宜采取直径较小、间距不大于150mm的配筋,以提高钢筋混凝土的极限拉伸变形值和分散收缩应力。边柱与墙的配筋率不同,收缩落差不同。它们的连接处容易发生竖向裂缝。所以,此处应插入长1m~15m 的水平增强筋。
 
  对于混凝土楼板宜采用细而密的双层构造配筋,以抑制裂缝发生。有试验证明,楼板配筋率如果由0.63 %增大到1.0 % ,那么0.2mm 以上宽度的裂缝均能抑制。把楼板加厚也是抑制裂缝的办法之一。超长楼板也可采用部分预应力的补偿收缩混凝土浇筑。楼板混凝土强度则不宜过高,以不超过C30 为宜。
 
  混凝土结构的开口部位和突出部位容易开裂,应增强构造钢筋,也可在混凝土中掺入钢纤维或尼龙纤维。
 
4  结语
 
  混凝土的收缩是客观存在。为了防止混凝土结构出现开裂,应该从混凝土的生产制造、施工及结构设计等方面采取防治措施。而施工环节则是避免混凝土出现裂缝所在,务必引起每一位施工人员的高度重视。
 
  ① 混凝土生产制造方面,应采用小的W/ C 和小的水泥用量,尽量减少混凝土中砂浆的比例。对于水泥品种,不宜采用细度很细的水泥,骨料要选用含泥量低、强度高、变形小的石子,如石灰岩,尽量不用砂岩。细骨料宜用级配良好的长江中砂。
 
  ② 施工方面,正确的振捣和养护方式以及二次振捣和多次抹面是消除塑性收缩裂缝关键措施。此外对于补偿收缩混凝土的使用更要注意保湿养护,才能发挥其作用,否则反而适得其反。对于由于环境温湿度差而有可能引发裂缝的板式结构,要注意降低板两侧的温湿度差。
 
  ③ 设计方面,一要采取措施防止不均匀沉降而产生结构裂缝;二要在窗角、拐角等易发生裂缝的薄弱部位增加构造钢筋。三要适当提高楼板、墙板的配筋率,在配筋率不变的情况下应采取细而密的配筋方法。另外,楼面混凝土的强度等级以不超过C30 为宜。

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