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在大体积的混凝土受到高温之后,遇到开裂的主要问题就是地下室容易渗水。地下室渗水的问题不太容易解决。总是给使用者带来很大问题,会使得室内潮湿霉腐等。在修补裂缝这项工作上,花费总是很大,而且工期比较长,使用者往往难以承受长期的不便。各种裂缝都有可能会引起刚度的降低,尤其是在基础部分方面,很有可能会影响建筑物的安全稳定。混凝土对于高温的适应能力并不高。因此需要混凝土能够有着更多的适应能力,对于建筑物的稳定有着不容忽视的作用。因为一旦形成裂缝,长期下去就会存在安全隐患。设计的分布状态也会因此改变。能够使局部或者整体结构发生相应的改变。我们必须要注意底结构的承载能力,保证安全。在裂缝出现之后,往往会影响混凝土的内部结构,使得其他的辅助建材如钢筋水泥等的强度降低,影响整体的结构协调。这样,混凝土的耐用性就会大大降低。不论是对于结构的使用寿命还是长期的耐用程度都有着很不利的影响。所以,要在施工过程中进行温度的控制,采取温度的适当改变和计量,减少裂缝产生,这样能够保证工程质量的安全和安稳,为长远考虑。
混凝土的温度裂缝形成以及研究
在过去,对于大体积的混凝凝土形成的概念很多人都没有专业的认识。所以要想办法防止混凝土开裂的情况,就要采取相应的温度控制。在国际上,工程中都经常会发现有混凝土开裂的情况,严重情况不一,但是都会非常影响工程。如果得不到补救措施,会带来很多的麻烦,并且还会影响工程的质量。现在的建筑物设计越发高大精美。因此负荷也就越来越大。在各个层次上,社会的各个方面如交通、工程、建筑等都是用钢筋混凝土。有些工程,特别是高层建筑中,经常会使用筏板作为基础。这样的话,一点出现裂缝就会引起建筑物的非正常使用,导致渗水甚至更大的隐患,而地下水中的杂质也会渐渐渗入影响材质的刚度,会使得筏板的承受力一再降低。曾有某高层的建筑连续出现贯穿性的大裂缝。地下室渗水,重新浇筑则会费很大的功夫,时间上会耽误很久,并且要耗费更多的材料。对于混凝土的重新浇灌有着格外严格的要求。各种建筑的规格都非常庞大,特别是高墩的桥梁尺寸更是要求更高。所以施工中的裂缝问题就要被注意。基础的部位一定不能出现任何的裂缝。基础的部位一旦出现很多的裂痕,就会影响到日后的安全使用,桥梁的安全存在着很大的未知数,所以这就可能会引起财产和生命的损失。
在实际的使用中,结构物体可能会成受到外力的各种荷载。在承载不了荷载时,就有裂缝出现的可能了。所以应对荷载的能力和温度的相关改变等原因都可能会造成混凝土的裂缝情况。体积混凝土的常见问题主要是质量问题,内部结构产生裂缝是非常复杂的。也是综合性的。混凝土从浇筑到投入使用之间可能会有很多原因引起裂缝。也就是说,可能是水泥的过热引起的。水泥的使用面积往往有混凝土工程的大小来决定的。面积越大则适用的量就越多。混凝土在浇筑的过程之中,水泥放出大量的热。这就能够造成混凝土的温度升高,体积大则散热的情况比较小些、聚集的内部热量不容易散发出来。在升高温度的阶段,混凝土的内部温度相对来说更高一些,所以,根据热胀冷缩我们可以看出内部中心的膨胀要快于表面。中心在约束膨胀,表面之间的点子则相互凝结。但是表面的拉力如果超过了极限,就会产生裂缝。水泥不断散热的过程中热量都是不断向外散发的。体积随着温度在慢慢胀大或者收缩。混凝土的表面和中心是存在着温度差的,因此,就算升温时是同步的,但是依然会出现裂缝。这种情况就是升降温对于混凝土的影响。现在的降温收缩中,如果拉力比较大,就会引起下一次膨胀时的拉力,容易造成裂缝。
大体积混凝土温度裂缝的控制措施
前面我们讨论了很多关于混凝土裂缝的问题,包括裂缝的现状以及各种出现的原因。笔者认为,根据原因来采取一定的控制是完全可能的。所以很多的工程之中都能够给与混凝土一定的散热时间。有的是几天,有的是几个月。混凝土由于温度的变化,拉应力增长速度是比较缓慢的。但是混凝土在硬化方面是比较容易的。
设计控制措施。(1)尽可能选用强度等级低的混凝土将后期的强度充分利用整合,在高层建筑不断出现的当下,混凝土的强度也就被要求更高。出现C40-C50等高强混凝土,设计强度过高,使用水泥的量是非常大的,而且建设工期十分冗长缓慢。混凝土的早龄期,荷载远未达到设计荷载值,可以利用混凝土的60d或god后期强度,这样可以减少混凝土中的水泥用量,以降低混凝土浇筑块体的温度升高(2)进行结构的温度应力分析和设计应该在设计的时候充分考虑各方面的协调作用,比如温度应力的分析情况。将温差最大的位置确定下来,对温度应力和收缩力进行验算,这也是充分的证据,能够作为参考的理论,同时为合理进行分块分层浇筑混凝土提供指导。(3)选择合理的结构形式和分缝分块裂缝很多时候也和结构形式方面有着千丝万缕的联系。大体积混凝土的设计阶段应充分考虑这种情况所带来的影响,尤其是寒冷少用薄壁结构,因为薄壁结构很敏感,温度变化会影响到它的正常稳定。
施工控制措施。再配合比例上要适度,能够将不同的材料最优化配置,强度上面则根据原材料、优化混凝土配合来决定。绝热温升较小、抗拉强度较大、极限拉伸变形能力较大、线膨胀系数较小这些都是混凝土的特征,需要合理分配。
监测措施大体积混凝土温度控制的测试内容
混凝土绝热温升的测试。间接法和直接法是混凝土绝热温升的测试的关键两种方法。间接法是来计算混凝土绝热温升,用水泥的水化热、混凝土比热、水泥用量、混凝土密度。直接法是用混凝土绝热温升实验仪直接测定混凝土绝热温升。直接法测定结果准确,但是实验设备和实验过程比较复杂,这种情况一般都是大型的工程才会用到。其中的一种方法一般就可以满足正常的要求了。
混凝土浇筑温度的监测。在混凝土的浇制监测情况下,要注意温度不能够过于超标,以便控制混凝土浇筑后的温度升高峰值。同时也包括对混凝土搅拌、运输过程中温度的监测和混凝土原材料温度的监测。
论文摘要:在大体积混凝土中,温度应力及温度控制具有重要的现实意义。然而,不管采取什么措施,大体积混凝土都会产生温度裂缝,不仅影响美观,而且可能会影响到结构的整体性和耐久性。本文扼要叙述了温控设计的基本要点及温度裂缝产生的原因。概述了提高大体积混凝土抗裂能力的主要因素及一些防裂措施。
一、前言
随着我国建筑行业施工技术的不断提高,大体积混凝土技术已广泛应用于工程项目中,大体积混凝土坝的裂缝及其防治一直水水电工程界十分关注的重大技术问题,研究温度控制及防裂措施具有十分重要的意义。
二、温度控制要点和温度裂缝产生原因
大体积混凝土如混凝土坝的温度控制是混凝土坝设计中的重要问题,对于保证混凝土坝工程的质量、加快施工进度等方面,起到关键性作用。在混凝土温度控制设计中,一般以基础温差的设计为重点,以单独浇注块的温度应力为理论基础,在限制应力或应变的条件下估算允许温差。实践表明,浇注块的分块尺寸越小,应力越小,基础允许温差就越大。
混凝土标号高,防裂能力强,但因水泥用量增加,故水化热温升也较高,从而使浇筑块早期约束应力较大,后期冷却约束拉应力也较大。浇筑层厚度对水化热温升有直接的影响,薄层浇筑水化热温升较低,冷却后约束应力较小。一般浇筑块高度超过4.5m时,大坝内部混凝土基本上处于不散热的绝热状态。
对大坝混凝土的温度控制,最关键的是要掌握混凝土的温度变化规律和将温度应力控制在混凝土的允许范围内。在施工过程中,混凝土温度场及应力场的变化过程是相当复杂的。在设计计算中,需要模拟实际施工过程,考虑各种复杂因素,如混凝土的弹性模量、线胀系数、徐变、抗拉强度、极限拉伸值、热力学指标、温度、荷载、自生体积变形等。
大体积混凝土结构,浇注后水泥的水化热很大,由于混凝土体积大,聚集在内部的水泥水化热不易散发,混凝土的内部温度将显著升高,而混凝土表面则散热较快,这样形成较大的温度梯度,引起较大的表面拉应力而超过混凝土极限抗压强度,就会在混凝土表面产生表面裂缝。这种裂缝多发生在混凝土浇注后的升温阶段。如果此时混凝土表面不能保持潮湿的养护环境,则混凝土表面由于水分蒸发较快而使初期的混凝土产生干缩,加剧裂缝的产生。这是混凝土浇注后由于温升产生的第一种裂缝。
由于温升影响产生的第二种裂缝是收缩裂缝。这种裂缝产生在混凝土的温降阶段,即当混凝土降温时,由于逐渐散热而产生收缩,再加上混凝土硬化过程中,由于混凝土内部拌和水的水化和蒸发,以及胶质体的胶凝等作用,促使混凝土硬化时收缩。这两种收缩,在收缩时由于受到基底或结构本身的约束,会产生很大的收缩应力,如果产生的收缩应力超过当时的混凝土极限拉升强度,就会在混凝土中产生收缩裂缝,这种裂缝有时会贯穿全断面,成为结构性裂缝,带来严重的危害。
三、防止混凝土裂缝的传统技术措施
为了防止产生危害性的裂缝,必须采取一系列技术措施包括合理选择混凝土原材料,严格控制施工质量,严格控制混凝土温度,选择合理的分缝分块和结构形式等。
(一)水泥水化热温度
1、选用低热或中热水泥(如矿渣水泥、火山灰质水泥或粉煤灰水泥)配制混凝土。
2、使用粗骨料:渗加粉煤灰等渗和料、或渗加减水剂,改善和易性,降低水灰比,控制塌落度,减少水泥用量,降低水化热量。
3、利用混凝土后期(90天、180天)强度,降低水泥用量。
4、在基础内部预埋冷却水管,通入循环冷却水,降低混凝土水化热温度。
5、在厚大无筋或稀筋的厚大混凝土中,掺加20%以下的块石吸热,并节省混凝土。
(二)降低混凝土浇灌入模温度
1、避开热天选择较低温季节浇筑混凝土:对现浇量不大的块体,安排在下午3时以后或夜间浇筑。
2、夏季采用低温水或冰水拌制混凝土,对骨料喷冷水雾或冷气进行预冷,或对骨料进行护盖或设置遮阳装置,运输工具加盖防止日晒,降低混凝土拌和物温度。
3、掺加缓凝型减水剂。采取薄层浇灌,每层厚20~30cm,减缓浇筑强度,利用浇筑面散热。
4、在基础内设通风和加强通风加速热量散发。
三峡工程针对高标准的混凝土温控标准,各个环节均采取了有力、有效的温控措施。如对混凝土用量最大的原材料——粗骨料采取两次预冷,即在进拌和楼前,在料仓内吹冷风进行一次风冷;进拌和楼后,又在贮罐内进行二次风冷,使各级骨料平均温度达到零下1~6℃。拌和时,加冷制水掺片冰拌和,用以控制混凝土的浇筑温度。在坝体内散布安装冷却水管,混凝土浇筑后即开始通冷却水,用以控制坝体最高温度,并使坝体提前达到稳定温度。
(三)提高混凝土极限拉伸强度
1、选择良好级配的粗骨料,严格控制其含泥量,加强混凝土振捣,提高混凝土的密实度和抗拉强度,减少收缩,保证施工质量。
2、采取二次投料法,二次振捣法,浇筑后及时排除表面泌水,以提高混凝土强度。
3、在基础内设置必要的温度配筋,在基础突然变化、转折部位,底板与墙转折处、孔洞转角及周边部位,增加斜向构造配筋,以改善应力集中。
4、在基础与墙、地坑等接缝部位,适当增大配筋率,设暗梁,以减轻边缘效应,提高抗拉伸强度,控制混凝土裂缝开展。
5、加强混凝土的早期养护,提高早期相应龄期的抗拉强度和弹性模量。
四、防裂新技术
近30年来,随着科学技术的进步与工程实践经验的积累,通过多种途径,采取综合性措施来解决大坝混凝土的抗裂问题。其中氧化镁新材料和MgO水泥混凝土筑坝新技术的出现,打破了人们的传统认识,提出了筑坝新理论和筑坝新技术。据此,既可实现快速施工又大大拓宽和完善了水工混凝土筑坝防裂技术。实践证明,MgO混凝土筑坝技术是大体积混凝土施工的革命,是国内外筑坝技术的重大创新和突破。
采用MgO混凝土筑坝防裂原理是:在后天内中掺入适量的特制的轻烧MgO,利用MgO水化所释放的化学能转变为机械能,使混凝土产生自生体积膨胀,抵消其在温降过程中的体积收缩;也就是利用其独特的具有延迟性的、不可逆变形及长期稳定的微膨胀性能来补偿大坝混凝土在温降时的体积收缩和温度变形。更确切地说,就是利用MgO混凝土的限制膨胀来补偿混凝土的限制收缩,达到防裂目的。若辅以其它适当的综合性措施,可以取代传统的温控措施,如混凝土拱坝需分横缝,柱状、薄层、长间歇浇筑,预埋冷却水管冷却,封缝灌浆等施工工艺,实施通仓连续施工,大大加快了筑坝速度,从而实现了工程界长期希望达到的快速施工的目标。其防裂理论的基本特征是:把传统的通过预冷来降低和控制混凝土筑坝温度的办法,改为调节后天控制大坝混凝土的体积变形,达到大坝防裂的目的。
这项筑坝防裂新技术从1990年初开始,已先后在我国大中型水利水电工程中得到成功应用,其中包括常规混凝土和碾压混凝土重力坝(拱坝),碾压混凝土坝周边及上游防渗体、基础垫层垫座、基础深槽、填塘封洞、导流洞封堵、闸坝工程、厂坝连接及导流底孔、压力钢管外围回填等不同工程部位都应用了外掺MgO混凝土筑坝防裂新技术,并且都取得了成功和达到了预期效果。
2.无害裂缝与有害裂缝的区分
水泥砼裂缝是混凝土的一种常见病和多发病。病情绝大多数发生于施工阶段,其原因复杂多变,从裂缝外观可分成微观裂缝和宏观裂缝两大类。
微观裂缝是指肉眼看不到的、水泥砼内部固有的一种裂缝,它是不连贯的。宽度一般在0.05mm以下,但是要比肉眼可见的即宏观裂缝多得多。这种水泥砼本身固有的微观裂缝,在荷载不超过设计规定的条件下,一般视为无害。用实体显微镜观察、X射线或超声波探测仪等物理检验手段都可鉴定出这种裂缝。另外一种最直接的方法就是用渗水观察,一定压力的水可以从水泥砼内部的裂缝中渗透出来。
宏观裂缝宽度在0.05mm以上,并且认为宽度(最终宽度,即裂缝不再扩展的宽度)小于0.2~0.3mm的裂缝是无害的;继续发展可能会影响到结构性能、使用功能和耐久性的裂缝称为有害裂缝。本文中的裂缝指有害裂缝。
3.有害裂缝的区分有害裂缝按照成因可分为以下几种:
3.1收缩裂缝。在施工阶段因水泥水化热及外部气温的作用引起水泥砼收缩而产生的裂缝。多为规则的条状,很少交叉。常发生在结构变截面处,往往与受力钢筋平行。收缩裂缝多发生在大体积水泥砼中,梁、板、柱等小块体构件,特别是预应力构件极少产生收缩裂缝。水泥砼收缩裂缝危害较大,尤其是暴露在大气中的构筑物,影响更大。如不加以防止,可能会造成严重后果。
3.2超载裂缝。水泥砼构件超荷载使用时,造成变形、失稳或因疲劳等原因产生裂缝。一般均发生在构件受弯矩最大的部位,成条状,但分布不象收缩裂缝那样均匀,扩展方向也相反,一般沿受力钢筋垂直方向或斜向发展。产生超载裂缝的原因,往往是施工阶段在构件上不适当地施加施工荷载或者是上部建筑过早施工。另外,温度应力影响也是原因之一。
3.3沉降裂缝。因地基差异沉降或构件接合不良、剪应力超过设计强度而产生的一种水泥砼裂缝,多见于填土地基、桩基沉降不均匀的各种基础与墙体。这种裂缝一般与地面垂直,或成30°~40°角方向发展,宽度因荷载大小而异,与沉降值成比例。沉降裂缝危害极大,并且极难处理。因此必须在设计上采取有效措施,施工、使用中也要加强观测、监视。
3.4龟裂裂缝施工阶段因配料、搅拌、浇筑、养护等各环节的操作不当均能产生,其中以养护环节为关键。裂缝成龟壳状或散射状,无规律,长度、宽度也不一致。
3.5疏松裂缝。水泥砼浇筑时因下料不均,致使水泥砼材料离析,或因漏振、过振而产生的疏松状态裂缝。如果它延续到水泥砼表面,则容易发现,如果只产生在水泥砼内部,则不能直接表现出来。这种疏松带长度不等,视下料或振捣情况而异。
4.砼有害裂缝的成因
4.1与设计方面有关的裂缝。(1)超过设计荷载范围和未考虑到的。(2)设计的构件截面不足、钢筋用量不足、配置位置不当。(3)建筑结构沉降差异、地震、风力考虑不周。(4)温度应力和砼收缩应力,估计不足。
4.2与环境条件有关的裂缝。(1)环境温度和湿度的变化。(2)各结构、构件区域温度差异过大、冻融、冻胀不一致。(3)内部钢筋锈蚀、火灾时表面遭受高温。(4)酸碱、盐类化学侵蚀,冲击、振动等影响。
4.3与各种材料性质和配合比有关的裂缝。(1)水泥的非正常凝结(受潮水泥和水泥温度过高)。(2)水泥的非正常膨胀、氧化镁、氧化钙过高,含碱量过高。(3)水泥的水化热不正常。(4)骨料含泥量过大,级配不良。(5)使用碱活性骨料和风化岩石及砼自身收缩。(6)混凝土配比不当(水泥用量过大、水灰比过大、用水量大、水胶比大、砂率过大)。(7)选用水泥品种不当,外加剂不当和匹配不当,外加剂掺量过大。
4.4与施工有关的裂缝。(1)拌和不均匀,搅拌时间不足或过长,拌和后浇筑时间过长,泵送时增加了用水量和水泥用量。(2)浇筑顺序有误、浇筑不均匀、振动赶浆、钢筋过密。(3)捣实不良、坍落度过大、粗骨料下沉、泌水、砼表面强度过低就进行下一道工序施工、连续浇筑时间过长、接茬处理不当。(4)钢筋搭接锚固不良、钢筋预埋件扰动和钢筋保护层不够。(5)模板变形、漏浆、渗水、刚度不够、下沉、过早拆除和拆除不当。(6)砼硬化前、遭受扰动或承受荷载。(7)养护条件不到位和养护不及时或时间过短。(8)养护之前遭受急剧干燥(日晒、大风、冻害)。(9)砼表面抹压不及时和抹压时间不当。(10)大体积砼内部温度与表面温度、环境温度差异过大。
5.本工程对有害裂缝的控制方法按照本工程的特点,我们通过重点控制以下几项措施,最大限度的减少胸墙砼有害裂缝。
5.1设计。(1)配筋设计时,改变传统的深梁式理论,采用全新的实体元理论;从而改变了以往工程中只在轨道梁下方配筋的方式,在胸墙整个断面大范围配筋,从而整个增强了胸墙的整体性。(2)每个沉箱上方设置两段胸墙,设计长度由24.03m/段改为12.015m/段,从而减少了每段胸墙的体积。
6.2环境。(1)砼浇注前,听取天气预报,雨雪天、大风天不施工。(2)砼浇注前,使用淡水冲刷底面。(3)砼浇注前,使用钢丝刷对下层钢筋除锈,防止内部钢筋锈蚀。
6.3原材料和配合比。(1)砂石料进场前必须经过砼供应商和施工方两级检验,各项指标合格后方可进场使用。(2)比较选择水化热较低且性能较稳定的普通硅酸盐水泥水泥。本工程通过比对实验,确定采用三菱水泥。(3)适当延长混凝土的凝结时间,使内部的热量在混凝土凝结之前较多的散出;降低了混凝土凝结后内部水化热峰值,减小混凝土的内外温差。(4)配合比依据《水运工程混凝土施工规范》(JTJ268-96)和《水运工程混凝土质量控制标准》(JTJ269-96)进行设计,配合比设计采用三级配,设计坍落度80~100mm。
5.4施工
5.4.1砼浇注。浇筑时控制落灰高度不大于2米、均匀下灰人工平仓,避免粗骨料堆积。采用插入式振捣棒分层振捣,操作时快插慢拔,振点呈梅花形均匀排列,每一振点振至表面不再翻浆为止,振捣顺序为从模板处开始,先外后内,移动间距不大于25cm,分层振捣时应插到下层砼中不低于5cm,不得漏振、过振。并且在砼浇筑过程中,安排专人经常检查模板支立的稳固性。严格控制坍落度,每次浇注时现场实测坍落度,控制在80mm~100mm,若发现坍落度过大现象,则在规范允许范围内适量减水。顶层胸墙浇注前,先用淡水润湿底层砼表面,以利于上下层砼更好的结合。砼浇注完成后,将上部因振倒产生的浮浆刮除、清理干净。
5.4.2分层浇注。为保证前沿线顺直,标高满足设计要求,胸墙分两层浇注。顶层胸墙浇注前,底层胸墙顶面必须进行凿毛处理,凿毛时间选择在砼强度达到设计强度30%以后进行,全部采用人工进行,以露出1/3石子为宜。图2加强沉降位移观测,在底层胸墙相对稳定时及时浇注顶层胸墙,以减少两层胸墙浇注的间隔时间。
5.4.3面层砼掺加聚丙烯网状纤维。胸墙顶面300mm厚范围内设置分散状聚丙烯纤维,纤维直径为18μ,纤维长度为12mm,纤维数量为3亿根/Kg,抗拉强度为300MPa,用量为0.6Kg/m3。聚丙烯网状纤维是以聚丙烯为原材料,通过特殊工艺制造而成的。其外观为多根纤维单丝相互交连而成网状结构。当聚丙烯网状纤维投入到混凝土后,在混凝土搅拌过程中,纤维单丝间的横向连结经混凝土自身的揉搓和摩擦作用而破坏,形成纤维单丝或网状结构充分张开,从而使砼更好的连结。图3同钢纤维相比,聚丙烯网状纤维在充分分散后获得的聚丙烯纤维单丝具有细度大、数量多的显著优势,加之聚丙烯纤维自身所具备的不吸水、抗酸碱能力强和弹性模量与混凝土相当等特性,能明显抑制或减少因混凝土塑性收缩、干缩、温度变化等因素引起的裂缝。
5.4.4预埋铁件周围绑扎细钢筋。按照以往经验,预埋铁件四角易出现45°应力裂缝。本工程中,所有预埋铁件四周均绑扎埋设8钢筋扎成的钢筋网片,网片分上下两层埋置。
5.4.5养护。胸墙砼浇注完毕后,清理掉顶面的浮浆,终凝后及时进行养护;顶面及前后墙均覆盖土工布并保持湿润。按照规范要求,养护时间不少于14天,并有完整的养护记录。
6.防治效果通过对裂缝产生原因进行深入的分析,有针对性的采取了治理措施,目前为止,本工程胸墙顶面及墙面未发现有害裂缝。
7.体会
7.1正确区分无害裂缝和有害裂缝,对指导工程施工具有重要意义。
7.2严格按照规范要求控制各工序,对于防治质量通病有重要作用。
8.3科学技术的不断发展(如本工程掺加的聚丙烯纤维),能够对质量通病的防治带来积极影响。
在大体积混凝土中,温度应力及温度控制具有重要意义。这主要是由于两方面的原因。首先,在施工中混凝土常常出现温度裂缝,影响到结构的整体性和耐久性。其次,在运转过程中,温度变化对结构的应力状态具有显著的不容忽视的影响。我们遇到的主要是施工中的温度裂缝,因此本文仅对施工中混凝土裂缝的成因和处理措施做一探讨。
1裂缝的原因
混凝土中产生裂缝有多种原因,主要是温度和湿度的变化,混凝土的脆性和不均匀性,以及结构不合理,原材料不合格(如碱骨料反应),模板变形,基础不均匀沉降等。
混凝土硬化期间水泥放出大量水化热,内部温度不断上升,在表面引起拉应力。后期在降温过程中,由于受到基础或老混凝上的约束,又会在混凝土内部出现拉应力。气温的降低也会在混凝土表面引起很大的拉应力。当这些拉应力超出混凝土的抗裂能力时,即会出现裂缝。许多混凝土的内部湿度变化很小或变化较慢,但表面湿度可能变化较大或发生剧烈变化。如养护不周、时干时湿,表面干缩形变受到内部混凝土的约束,也往往导致裂缝。混凝土是一种脆性材料,抗拉强度是抗压强度的1/10左右,短期加荷时的极限拉伸变形只有(0.6~1.0)×104,长期加荷时的极限位伸变形也只有(1.2~2.0)×104.由于原材料不均匀,水灰比不稳定,及运输和浇筑过程中的离析现象,在同一块混凝土中其抗拉强度又是不均匀的,存在着许多抗拉能力很低,易于出现裂缝的薄弱部位。在钢筋混凝土中,拉应力主要是由钢筋承担,混凝土只是承受压应力。在素混凝土内或钢筋混凝上的边缘部位如果结构内出现了拉应力,则须依靠混凝土自身承担。一般设计中均要求不出现拉应力或者只出现很小的拉应力。但是在施工中混凝土由最高温度冷却到运转时期的稳定温度,往往在混凝土内部引起相当大的拉应力。有时温度应力可超过其它外荷载所引起的应力,因此掌握温度应力的变化规律对于进行合理的结构设计和施工极为重要。
2温度应力的分析
根据温度应力的形成过程可分为以下三个阶段:
(1)早期:自浇筑混凝土开始至水泥放热基本结束,一般约30天。这个阶段的两个特征,一是水泥放出大量的水化热,二是混凝上弹性模量的急剧变化。由于弹性模量的变化,这一时期在混凝土内形成残余应力。
(2)中期:自水泥放热作用基本结束时起至混凝土冷却到稳定温度时止,这个时期中,温度应力主要是由于混凝土的冷却及外界气温变化所引起,这些应力与早期形成的残余应力相叠加,在此期间混凝上的弹性模量变化不大。
(3)晚期:混凝土完全冷却以后的运转时期。温度应力主要是外界气温变化所引起,这些应力与前两种的残余应力相迭加。
根据温度应力引起的原因可分为两类:
(1)自生应力:边界上没有任何约束或完全静止的结构,如果内部温度是非线性分布的,由于结构本身互相约束而出现的温度应力。例如,桥梁墩身,结构尺寸相对较大,混凝土冷却时表面温度低,内部温度高,在表面出现拉应力,在中间出现压应力。
(2)约束应力:结构的全部或部分边界受到外界的约束,不能自由变形而引起的应力。如箱梁顶板混凝土和护栏混凝土。
这两种温度应力往往和混凝土的干缩所引起的应力共同作用。
要想根据已知的温度准确分析出温度应力的分布、大小是一项比较复杂的工作。在大多数情况下,需要依靠模型试验或数值计算。混凝土的徐变使温度应力有相当大的松驰,计算温度应力时,必须考虑徐变的影响,具体计算这里就不再细述。
3温度的控制和防止裂缝的措施
为了防止裂缝,减轻温度应力可以从控制温度和改善约束条件两个方面着手。
控制温度的措施如下:
(1)采用改善骨料级配,用干硬性混凝土,掺混合料,加引气剂或塑化剂等措施以减少混凝土中的水泥用量;
(2)拌合混凝土时加水或用水将碎石冷却以降低混凝土的浇筑温度;
(3)热天浇筑混凝土时减少浇筑厚度,利用浇筑层面散热;
(4)在混凝土中埋设水管,通入冷水降温;
(5)规定合理的拆模时间,气温骤降时进行表面保温,以免混凝土表面发生急剧的温度梯度;
(6)施工中长期暴露的混凝土浇筑块表面或薄壁结构,在寒冷季节采取保温措施;
改善约束条件的措施是:
(1)合理地分缝分块;
(2)避免基础过大起伏;
(3)合理的安排施工工序,避免过大的高差和侧面长期暴露;
此外,改善混凝土的性能,提高抗裂能力,加强养护,防止表面干缩,特别是保证混凝土的质量对防止裂缝是十分重要,应特别注意避免产生贯穿裂缝,出现后要恢复其结构的整体性是十分困难的,因此施工中应以预防贯穿性裂缝的发生为主。
在混凝土的施工中,为了提高模板的周转率,往往要求新浇筑的混凝土尽早拆模。当混凝土温度高于气温时应适当考虑拆模时间,以免引起混凝土表面的早期裂缝。新浇筑早期拆模,在表面引起很大的拉应力,出现“温度冲击”现象。在混凝土浇筑初期,由于水化热的散发,表面引起相当大的拉应力,此时表面温度亦较气温为高,此时拆除模板,表面温度骤降,必然引起温度梯度,从而在表面附加一拉应力,与水化热应力迭加,再加上混凝土干缩,表面的拉应力达到很大的数值,就有导致裂缝的危险,但如果在拆除模板后及时在表面覆盖一轻型保温材料,如泡沫海棉等,对于防止混凝土表面产生过大的拉应力,具有显著的效果。
加筋对大体积混凝土的温度应力影响很小,因为大体积混凝土的含筋率极低。只是对一般钢筋混凝土有影响。在温度不太高及应力低于屈服极限的条件下,钢的各项性能是稳定的,而与应力状态、时间及温度无关。钢的线胀系数与混凝土线胀系数相差很小,在温度变化时两者间只发生很小的内应力。由于钢的弹性模量为混凝土弹性模量的7~15倍,当内混凝土应力达到抗拉强度而开裂时,钢筋的应力将不超过100~200kg/cm2..因此,在混凝土中想要利用钢筋来防止细小裂缝的出现很困难。但加筋后结构内的裂缝一般就变得数目多、间距小、宽度与深度较小了。而且如果钢筋的直径细而间距密时,对提高混凝土抗裂性的效果较好。混凝土和钢筋混凝土结构的表面常常会发生细而浅的裂缝,其中大多数属于干缩裂缝。虽然这种裂缝一般都较浅,但它对结构的强度和耐久性仍有一定的影响。
为保证混凝土工程质量,防止开裂,提高混凝土的耐久性,正确使用外加剂也是减少开裂的措施之一。例如使用减水防裂剂,笔者在实践中总结出其主要作用为:
(1)混凝土中存在大量毛细孔道,水蒸发后毛细管中产生毛细管张力,使混凝土干缩变形。增大毛细孔径可降低毛细管表面张力,但会使混凝土强度降低。这个表面张力理论早在六十年代就已被国际上所确认。
(2)水灰比是影响混凝土收缩的重要因素,使用减水防裂剂可使混凝土用水量减少25%。
(3)水泥用量也是混凝土收缩率的重要因素,掺加减水防裂剂的混凝土在保持混凝土强度的条件下可减少15%的水泥用量,其体积用增加骨料用量来补充。
(4)减水防裂剂可以改善水泥浆的稠度,减少混凝土泌水,减少沉缩变形。
(5)提高水泥浆与骨料的粘结力,提高的混凝土抗裂性能。
(6)混凝土在收缩时受到约束产生拉应力,当拉应力大于混凝土抗拉强度时裂缝就会产生。减水防裂剂可有效的提高的混凝土抗拉强度,大幅提高混凝土的抗裂性能。
(7)掺加外加剂可使混凝土密实性好,可有效地提高混凝土的抗碳化性,减少碳化收缩。
(8)掺减水防裂剂后混凝土缓凝时间适当,在有效防止水泥迅速水化放热基础上,避免因水泥长期不凝而带来的塑性收缩增加。
(9)掺外加剂混凝土和易性好,表面易摸平,形成微膜,减少水分蒸发,减少干燥收缩.
许多外加剂都有缓凝、增加和易性、改善塑性的功能,我们在工程实践中应多进行这方面的实验对比和研究,比单纯的靠改善外部条件,可能会更加简捷、经济。
4混凝土的早期养护
实践证明,混凝土常见的裂缝,大多数是不同深度的表面裂缝,其主要原因是温度梯度造成寒冷地区的温度骤降也容易形成裂缝。因此说混凝土的保温对防止表面早期裂缝尤其重要。
从温度应力观点出发,保温应达到下述要求:
1)防止混凝土内外温度差及混凝土表面梯度,防止表面裂缝。
2)防止混凝土超冷,应该尽量设法使混凝土的施工期最低温度不低于混凝土使用期的稳定温度。
3)防止老混凝土过冷,以减少新老混凝土间的约束。
混凝土的早期养护,主要目的在于保持适宜的温湿条件,以达到两个方面的效果,一方面使混凝土免受不利温、湿度变形的侵袭,防止有害的冷缩和干缩。一方面使水泥水化作用顺利进行,以期达到设计的强度和抗裂能力。
适宜的温湿度条件是相互关联的。混凝上的保温措施常常也有保湿的效果。
从理论上分析,新浇混凝土中所含水分完全可以满足水泥水化的要求而有余。但由于蒸发等原因常引起水分损失,从而推迟或防碍水泥的水化,表面混凝土最容易而且直接受到这种不利影响。因此混凝土浇筑后的最初几天是养护的关键时期,在施工中应切实重视起来。
论文摘要:变形作用会引起工程结构中混凝土裂缝以及其他一些问题。文章凭借在大量的施工中积累的处理裂缝的经验以及坚实的理论研究,提出了建筑工程结构中混凝土裂缝原因及预防措施。
混凝土结构的施工,需要在模板及其支架的支护下进行,由于种种不良因素对这两种不同系统的作用,常常诱发施工期混凝土结构质量事故。目前,在工程结构领域中一个相当普遍的问题是建筑裂缝,并且近年来日趋增强,它已影响到生产和生活,并困扰着大批工程技术人员和管理人员,是迫切需要解决的技术难题。
混凝土工程裂缝影响工程质量的主要因素。裂缝产生的原因主要是变形作用,如温度变形、收缩变形、基础不均匀沉降变形等多因素,统称为变形作用引起的裂缝问题。对于变形作用引起混凝土裂缝研究还很不成熟,国家缺乏相关规范及规程,它涉及结构设计、地基基础、施工技术、材料质量、环境状态等诸多因素,特别是泵送混凝土施工工艺的发展,使得混凝土裂缝控制的技术难度大大增加。
一、混凝土裂缝预防措施
(一)结构方面
根据混凝土结构设计规程,为避免结构由于温度收缩应力引起的开裂,采取永久式伸缩的方法,根据现场调查,引起结构裂缝的原因是综合性的,结构长度是影响收缩应力综合因素之一,而不是惟一的因素。
根据现场实践经验,混凝土裂缝分为有害的及无害的两类。有害与无害的界限由使用功能而定。施工单位应当采取必要的设计及施工措施,以控制有害裂缝的产生。由于估计不足等因素,即使出现少量有害裂缝,也要通过化学灌浆处理,使其满足设计使用要求。结构所受到的外部作用分为外荷载,可看作是第一类荷载;具有十分重要的外部作用是变形作用,即第二类荷载为间接荷载。变形作用包括温度、湿度、地基不均匀沉降,在该作用下,结构的抗力取决于混凝土的抗拉性能,即抗拉强度和抗拉变形。
(二)施工方面
由施工单位委托搅拌站向现场供应商品混凝土时,委托的技术依据只有设计院确定的强度等级,却忽略了工程特点对大体积混凝土性能的要求,这样对控制混凝土裂缝是不利的。施工单位应在混凝土浇筑部门对混凝浇筑、振捣、养护及坍落度控制做出技术方案,并严格执行,特别是对坍落度的控制更应得到搅拌站的同意。施工新浇筑混凝土养护方法有:(1)潮湿养护;(2)养护剂涂层;(3)自动给水养护;(4)保湿养护;(5)防风;(6)实现信息化施工养护;(7)尽快回填。
(三)混凝土材质方面
泵送商品混凝土对原材料供应有很高的技术要求。由于泵送混凝土的流动性要求与抗裂的要求相互矛盾,所以应当选取在满足泵送的坍落度下限条件下尽可能降低水灰比。目前国内搅拌站对砂石骨料的含水控制波动很大,影响了混凝土的水灰比。利用较精确的含水率测定仪或传感器,测出配料过程中的含水率,进行计算机处理,自动调整配料的水灰比,对于控制混凝土的收缩和提高抗裂是必要的。
砂石的含泥量对混凝土的抗拉强度与收缩影响很大。我国对含泥量的规定比较宽,但现在实际施工中还经常超标。有的搅拌站,虽然检验资料是合格的,但在浇捣中发现有大量泥块和杂质,这样就会引起结构严重开裂。因此在实际施工中,砂石骨料的粒径应尽可能大一些,以达到减少收缩的目的。
(四)环境影响
混凝土的裂缝与环境条件(施工期和施工后)有很大关系。施工过程中应注意气温和湿度的变化,采取有效措施控制高温、低温冲击和激烈干燥冲击,此时,应力状态接近弹性应力状态,混凝土应力松弛效应无法发挥出来,特别注意浇筑后经过一定时期养护的混凝土仍然需要保护(维护),不宜长期。注意与气象站的密切联系(降温及降雨预报),不得在雨中浇筑混凝土,否则会严重改变水灰比。
结构施工后验收投入使用,由于环境变化(如生产使用条件、房屋装修改变条件),承受了新的温度、湿度、振动(包括相邻振动)、化学腐蚀及荷载变化影响等,都可能引起后期开裂。
二、混凝土裂缝限制标准
混凝土裂缝是不可避免的,其微观裂缝是本身物理力学性质决定的,但它的有害程度是可以控制的。有害程度的标准是根据使用条件决定的,如从结构耐久性要求、承载力要求及正常使用要求,最严格的允许裂缝宽度为0.1mm。近年来,许多国家已根据大量试验与泵送混凝土的经验将其放宽到0.2mm。
如果结构所处的环境正常,保护层厚度满足设计要求,无侵蚀介质,那么混凝土裂缝宽度可放宽至0.4mm;在温气及土封号为0.3mm;在海水及干湿交替中为0.15mm。当沿裂缝有害程度高时,必须处理。
近年来,由于房屋产权体制的改变及生活水平的提高,对房屋质量要求更加严格,虽然经鉴定认为没有影响安全的有害裂缝,但从美观和精神作用的要求,应用适当的允许范围;当观察人距离结构20~50cm时,可看清0.05mm宽度的裂缝,是最严格的要求;距离1~2cm时可看清0.1~0.2mm的裂缝,是一般要求;距离5~10cm时可看清0.5~1.0mm的裂缝,是必须修补的裂缝,有时虽然裂缝不宽,但是呈网状密布,给人一种精神上的不愉快的感觉,需要修补;对有渗水的任何宽度裂缝必须处理。上述这类裂缝经处理后满足正常使用要求,不应据此降低评定等级。
三、结语
混凝土结构的施工,绝对安全是不可能达到的,但在可接受的概率水平上可以得到保证,该水平可以通过可靠性理论的应用得到。当前,可靠性理论应用于混凝土结构施工期质量控制的基础工作,是开展与施工期荷载、抗力有关的参量统计参数的观测调查和统计分析,以获取基于全国范围数据的分析结果。
参考文献
[1]徐国明.混凝土结构绑扎箍筋长度[J].建筑结构,2005,(10).
1.1收缩裂缝。
混凝土产生的收缩裂缝一般分布在混凝土平面部位,为平行线或者网状浅细裂缝(宽度0.05-0.20mm)。混凝土发生自身收缩也会造成裂缝的产生。而混凝土收缩的影响因素主要包括有水泥的用量、水用量等。当水和水泥的用量较高,那么混凝土的收缩量就越大。不同种类的水泥干缩与收缩程度不同,由于混凝土内外水分蒸发的不同,就会造成变形而产生裂缝。收缩缝还会影响混凝土的抗渗性、降低混凝土承载能力,造成钢筋锈蚀等。
1.2沉降裂缝。
公路工程建设中沉降裂缝产生有两种情况,一是混凝土浇筑完成后骨料与水泥发生自动下沉,或者还伴有泌水现象,进而使混凝土产生裂缝;二是混凝土浇筑完成后骨料与水泥下沉会受到钢筋等其他预埋件的阻碍,以及模板发生移动,进而使该处的混凝土产生拉应力与抗剪应力,导致混凝土产生裂缝。这种沉降裂缝通常发生在公路混凝土浇筑后1~3h内,属于硬化前裂缝。沉降裂缝产生的直接原因在于沉降,而沉降则通常是由施工场地土质不均、地基积土松软、进水、模板缺乏刚度造成支撑底部移动、支撑间距过大等因素造成的。如在冬季,模板支撑在冻土上,而冻土融化后也就会产生不均匀的沉降,使混凝土产生沉降裂缝。
1.3温度裂缝。
混凝土温度裂缝通常发生在较大面积的混凝土表面,或者混凝土结构中温差较大的部分。由于混凝土浇筑完成后,硬化过程中会产生大量的水化热,由于水化热不容易散发而凝集在混凝土内部造成内部温度快速上升,而混凝土表面散热却较快,因此较大温差的产生,使混凝土内外的热胀冷缩程度不一,导致混凝土表面产生拉应力,拉应力一旦超过混凝土抗拉极限,就会产生裂缝了。温度裂缝通常出现在公路工程建设混凝土施工的中后期。
1.4化学裂缝。
在公路金蛇混凝土施工过程中,当混凝土浇筑与振捣的质量不高,或者钢筋保护膜较薄,就会造成部分有害物质进入混凝土,并引发钢筋的锈蚀、膨胀,造成混凝土的胀裂,出现裂缝。这种裂缝通常沿着钢筋的位置出现,属于纵向裂缝。
2公路工程建设中混凝土施工裂缝的处理
2.1打好路基
公路的质量受到路基质量有着直接的关系,路基的强度、稳定程度直接影响着公路路面的平整与承受能力。因此,在路基的施工中,应考虑周围的环境(温度、湿度),做好排水工作。由于混凝土路面对地基的稳定性、均匀度有着很高的要求,所以基层需要用水泥进行稳定,对细料进行严格的控制,从而增加地基水稳性。做好地基的验收工作,为公路的后续施工奠定基础。
2.2对混凝土材料的质量进行有效的控制
为确保混凝土的质量与工程质量,必须做好混凝土材料的质量控制,禁止使用不合格材料。最好选用发热量少、收缩量小的普通硅酸盐水泥或者硅酸盐道路水泥;禁止混合使用不同厂家、批次、标号和种类的水泥;禁止使用安全性差、强度不够、有利氧化钙超标的水泥。选用合格且含泥沙量较少的材料,禁止堪忧机制含量超标的集料。严格根据配合比进行配料的拌制,水泥用量准确(误差<1%)。对集料的含水量进行及时的测定,并保证水灰比,控制用水量(误差<设计值的1%),同时可掺入适量(低于2%)外掺剂改善混凝土的和易性。
2.3对施工质量进行严格的控制,做好养护管理
在混凝土的拌和过程中,当集料的温度较高,需要及时进行降温,然后继续拌和。当选择洒水进行降温时,需要对混凝土的行水量进行有效的测定和控制,以确保混凝土的水灰比不便,同时在混凝土的施工中,施工人员应注意施工的操作,应尽量缩短混凝土的运输路程,减少凝土搅拌到成型的时间,防止混凝土过早凝聚而产生裂缝。在常温下应严格按照规定进行混凝土的浇水养护,而在高温与低温下则在浇水后进行适当的覆盖,防止暴晒与风吹。
2.4采用科学的压浆工艺,创新灌缝的管理
在裂缝出现后,应及时采取有效的方法进行处理。如对纵向裂缝处理可采用压浆处理,可使用普通硅酸盐水泥在1.5Mpa以上注浆压力下进行施工处理。而横向裂缝的处理可采用普通混凝土或者SBS改性混凝土,在150~160℃下现场加热并用专用容器灌注到混凝土裂缝中。
3结束语
关键词:混凝土温度应力裂缝控制
混凝土裂缝产生的主要原因是温度和湿度的,混凝土在施工阶段常受外界气温变化的影响。混凝内部温度为水泥水化热的绝热温度和浇筑温度二者的叠加值,其中浇筑温度与外界温有直接关系。一般而言,外界气温愈高,混凝土在硬化期间水泥放出大量水化热,混凝土的浇筑温度也愈高,当气温下降,会大大增加外层混凝土混凝土内部的温度梯度,造成温差和温度应力,使大体积混凝土出现裂缝。
为了防止裂缝,减轻温度应力可以从控制温度和改善约束条件两个方面着手。
控制温度的措施如下:
(1)采用改善骨料级配,用干硬性混凝土,掺混合料,加引气剂或塑化剂等措施以减少混凝土中的水泥用量;
(2)拌合混凝土时加水或用水将碎石冷却以降低混凝土的浇筑温度;
(3)热天浇筑混凝土时减少浇筑厚度,利用浇筑层面散热;
(4)在混凝土中埋设水管,通入冷水降温;
(5)规定合理的拆模时间,气温骤降时进行表面保温,以免混凝土表面发生急剧的温度梯度;
(6)施工中长期暴露的混凝土浇筑块表面或薄壁结构,在寒冷季节采取保温措施;
改善约束条件的措施是:
①合理地分缝分块;
②避免基础过大起伏;
③合理的安排施工工序,避免过大的高差和侧面长期暴露;
此外,改善混凝土的性能,提高抗裂能力,加强养护,防止表面干缩,特别是保证混凝土的质量对防止裂缝是十分重要,应特别注意避免产生贯穿裂缝,出现后要恢复其结构的整体性是十分困难的,因此施工中应以预防贯穿性裂缝的发生为主。
在混凝土的施工中,为了提高模板的周转率,往往要求新浇筑的混凝土尽早拆模。当混凝土温度高于气温时应适当考虑拆模时间,以免引起混凝土表面的早期裂缝。新浇筑早期拆模,在表面引起很大的拉应力,出现“温度冲击”现象。在混凝土浇筑初期,由于水化热的散发,表面引起相当大的拉应力,此时表面温度亦较气温为高,此时拆除模板,表面温度骤降,必然引起温度梯度,从而在表面附加一拉应力,与水化热应力迭加,再加上混凝土干缩,表面的拉应力达到很大的数值,就有导致裂缝的危险,但如果在拆除模板后及时在表面覆盖一轻型保温材料,如泡沫海棉等,对于防止混凝土表面产生过大的拉应力,具有显著的效果。
为保证混凝土工程质量,防止开裂,提高混凝土的耐久性,正确使用外加剂也是减少开裂的措施之一。例如使用减水防裂剂,其主要作用为:
(1)混凝土中存在大量毛细孔道,水蒸发后毛细管中产生毛细管张力,使混凝土干缩变形。增大毛细孔径可降低毛细管表面张力,但会使混凝土强度降低。这个表面张力理论早在六十年代就已被国际上所确认。
(2)水灰比是影响混凝土收缩的重要因素,使用减水防裂剂可使混凝土用水量减少25%。
(3)水泥用量也是混凝土收缩率的重要因素,掺加减水防裂剂的混凝土在保持混凝土强度的条件下可减少15%的水泥用量,其体积用增加骨料用量来补充。
(4)减水防裂剂可以改善水泥浆的稠度,减少混凝土泌水,减少沉缩变形(5)提高水泥浆与骨料的粘结力,提高的混凝土抗裂性能。
(6)混凝土在收缩时受到约束产生拉应力,当拉应力大于混凝土抗拉强度时裂缝就会产生。减水防裂剂可有效的提高的混凝土抗拉强度,大幅提高混凝土的抗裂性能。
(7)掺加外加剂可使混凝土密实性好,可有效地提高混凝土的抗碳化性,减少碳化收缩。
(8)掺减水防裂剂后混凝土缓凝时间适当,在有效防止水泥迅速水化放热基础上,避免因水泥长期不凝而带来的塑性收缩增加。
(9)掺外加剂混凝土和易性好,表面易摸平,形成微膜,减少水分蒸发,减少干燥收缩。
许多外加剂都有缓凝、增加和易性、改善塑性的功能,我们在工程实践中应多进行这方面的实验对比和研究,比单纯的靠改善外部条件,可能会更加简捷、经济。
实践证明,混凝土常见的裂缝,大多数是不同深度的表面裂缝,其主要原因是温度梯度造成寒冷地区的温度骤降也容易形成裂缝。因此说混凝土的保温对防止表面早期裂缝尤其重要。
温度应力观点出发,保温应达到下述要求:
①防止混凝土内外温度差及混凝土表面梯度,防止表面裂缝。
②防止混凝土超冷,应该尽量设法使混凝土的施工期最低温度不低于混凝土使用期的稳定温度。
③防止老混凝土过冷,以减少新老混凝土间的约束。
混凝土的早期养护,主要目的在于保持适宜的温湿条件,以达到两个方面的效果,一方面使混凝土免受不利温、湿度变形的侵袭,防止有害的冷缩和干缩。一方面使水泥水化作用顺利进行,以期达到设计的强度和抗裂能力。
适宜的温湿度条件是相互关联的。混凝上的保温措施常常也有保湿的效果。
【关键词】混凝土;温度应力;裂缝;控制
混凝土在现代工程建设中占有重要地位。而在今天,混凝土的裂缝较为普遍,在桥梁工程中裂缝几乎无所不在。尽管我们在施工中采取各种措施,小心谨慎,但裂缝仍然时有出现。究其原因,我们对混凝土温度应力的变化注意不够是其中之一。
在大体积混凝土中,温度应力及温度控制具有重要意义。这主要是由于两方面的原因。首先,在施工中混凝土常常出现温度裂缝,影响到结构的整体性和耐久性。其次,在运转过程中,温度变化对结构的应力状态具有显著的不容忽视的影响。我们遇到的主要是施工中的温度裂缝,因此本文仅对施工中混凝土裂缝的成因和处理措施做一探讨。
1 裂缝的原因
混凝土中产生裂缝有多种原因,主要是温度和湿度的变化,混凝土的脆性和不均匀性,以及结构不合理,原材料不合格(如碱骨料反应),模板变形,基础不均匀沉降等。
混凝土硬化期间水泥放出大量水化热,内部温度不断上升,在表面引起拉应力。后期在降温过程中,由于受到基础或老混凝上的约束,又会在混凝土内部出现拉应力。气温的降低也会在混凝土表面引起很大的拉应力。当这些拉应力超出混凝土的抗裂能力时,即会出现裂缝。许多混凝土的内部湿度变化很小或变化较慢,但表面湿度可能变化较大或发生剧烈变化。如养护不周、时干时湿,表面干缩形变受到内部混凝土的约束,也往往导致裂缝。在钢筋混凝土中,拉应力主要是由钢筋承担,混凝土只是承受压应力。在素混凝土内或钢筋混凝上的边缘部位如果结构内出现了拉应力,则须依靠混凝土自身承担。一般设计中均要求不出现拉应力或者只出现很小的拉应力。但是在施工中混凝土由最高温度冷却到运转时期的稳定温度,往往在混凝土内部引起相当大的拉应力。有时温度应力可超过其它外荷载所引起的应力,因此掌握温度应力的变化规律对于进行合理的结构设计和施工极为重要。
2 温度应力的分析
2.1 根据温度应力的形成过程可分为以下三个阶段:
2.1.1 早期:自浇筑混凝土开始至水泥放热基本结束,一般约30天。这个阶段的两个特征,一是水泥放出大量的水化热,二是混凝土弹性模量的急剧变化。由于弹性模量的变化,这一时期在混凝土内形成残余应力。
2.1.2 中期:自水泥放热作用基本结束时起至混凝土冷却到稳定温度时止,这个时期中,温度应力主要是由于混凝土的冷却及外界气温变化所引起,这些应力与早期形成的残余应力相叠加,在此期间混凝上的弹性模量变化不大。
2.1.3 晚期:混凝土完全冷却以后的运转时期。温度应力主要是外界气温变化所引起,这些应力与前两种的残余应力相迭加。
2.2 根据温度应力引起的原因可分为两类:
2.2.1 自生应力:边界上没有任何约束或完全静止的结构,如果内部温度是非线性分布的,由于结构本身互相约束而出现的温度应力。例如,桥梁墩身,结构尺寸相对较大,混凝土冷却时表面温度低,内部温度高,在表面出现拉应力,在中间出现压应力。
2.2.2 约束应力:结构的全部或部分边界受到外界的约束,不能自由变形而引起的应力。如箱梁顶板混凝土和护栏混凝土。
这两种温度应力往往和混凝土的干缩所引起的应力共同作用。
要想根据已知的温度准确分析出温度应力的分布、大小是一项比较复杂的工作。在大多数情况下,需要依靠模型试验或数值计算。计算温度应力时,必须考虑混凝土徐变的影响,具体计算这里就不再细述。
3 温度的控制和防止裂缝的措施
为了防止裂缝,减轻温度应力可以从控制温度和改善约束条件两个方面着手。
3.1 控制温度的措施如下:
3.1.1 采用改善骨料级配,用干硬性混凝土,掺混合料,加引气剂或塑化剂等措施以减少混凝土中的水泥用量;
3.1.2 拌合混凝土时加水或用水将碎石冷却以降低混凝土的浇筑温度;
3.1.3 热天浇筑混凝土时减少浇筑厚度,利用浇筑层面散热;
3.1.4 在混凝土中埋设水管,通入冷水降温;
3.1.5 规定合理的拆模时间,气温骤降时进行表面保温,在拆除模板后及时在表面覆盖一轻型保温材料,如泡沫海棉等,以免混凝土表面发生急剧的温度梯度;
3.1.6 施工中长期暴露的混凝土浇筑块表面或薄壁结构,在寒冷季节采取保温措施;
3.2 改善约束条件的措施是:
3.2.1 合理地分缝分块;
3.2.2 避免基础过大起伏;
3.2.3 合理的安排施工工序,避免过大的高差和侧面长期暴露;
此外,改善混凝土的性能,提高抗裂能力,加强养护,防止表面干缩,特别是保证混凝土的质量对防止裂缝是十分重要,应特别注意避免产生贯穿裂缝,出现后要恢复其结构的整体性是十分困难的,因此施工中应以预防贯穿性裂缝的发生为主。
3.3 为保证混凝土工程质量,防止开裂,提高混凝土的耐久性,正确使用外加剂也是减少开裂的措施之一。例如使用减水防裂剂,笔者在实践中总结出其主要作用为:
3.3.1 混凝土中存在大量毛细孔道,水蒸发后毛细管中产生毛细管张力,使混凝土干缩变形。增大毛细孔径可降低毛细管表面张力,但会使混凝土强度降低。
3.3.2 水灰比是影响混凝土收缩的重要因素,使用减水防裂剂可使混凝土用水量减少25%。
3.3.3 水泥用量也是混凝土收缩率的重要因素,掺加减水防裂剂的混凝土在保持混凝土强度的条件下可减少15%的水泥用量,其体积用增加骨料用量来补充。
3.3.4 减水防裂剂可以改善水泥浆的稠度,减少混凝土泌水,减少收缩变形。
3.3.5 提高水泥浆与骨料的粘结力,提高的混凝土抗裂性能。
3.3.6 减水防裂剂可有效的提高的混凝土抗拉强度,大幅提高混凝土的抗裂性能。
3.3.7 掺加外加剂可使混凝土密实性好,可有效地提高混凝土的抗碳化性,减少碳化收缩。
3.3.8 掺减水防裂剂后混凝土缓凝时间适当,在有效防止水泥迅速水化放热基础上,避免因水泥长期不凝而带来的塑性收缩增加。
3.3.9 掺外加剂混凝土和易性好,表面易摸平,形成微膜,减少水分蒸发,减少干燥收缩。
许多外加剂都有缓凝、增加和易性、改善塑性的功能,我们在工程实践中应多进行这方面的实验对比和研究,比单纯的靠改善外部条件,可能会更加简捷、经济。
4 混凝土的早期养护
实践证明,混凝土常见的裂缝,大多数是不同深度的表面裂缝,其主要原因是温度梯度造成,寒冷地区的温度骤降也容易形成裂缝。因此说混凝土的保温对防止表面早期裂缝尤其重要。
从温度应力观点出发,保温应达到下述要求:
4.1 防止混凝土内外温度差及混凝土表面梯度,防止表面裂缝。
4.2 防止混凝土超冷,应该尽量设法使混凝土的施工期最低温度不低于混凝土使用期的稳定温度。
4.3 防止老混凝土过冷,以减少新老混凝土间的约束。
从理论上分析,新浇混凝土中所含水分完全可以满足水泥水化的要求而有余。但由于蒸发等原因常引起水分损失,从而推迟或防碍水泥的水化,表面混凝土最容易而且直接受到这种不利影响。因此混凝土浇筑后的最初几天是养护的关键时期,在施工中应切实重视起来。
论文摘要:混凝土的裂缝问题是一个普遍存在而又难于解决的工程实际问题,本文对混凝土工程因施工过程中产生的裂缝问题进行了探讨分析,并针对具体情况提出了一些预防、处理措施。
由于裂缝的存在和发展通常会使内部的钢筋等材料产生腐蚀,降低钢筋混凝土材料的承载能力、耐久性及抗渗能力,影响建筑物的外观、使用寿命等。因而防止楼板开裂已经成为大家共同关心的课题,本文试从施工的角度出发,探讨楼板裂缝产生的原因以及防治措施。
一、楼板裂缝的开展大多有以下几种情况
(一)裂缝在板面沿楼板支座边300mm范围内平行于支座开展,甚至板的四周都出现裂缝并且连续;
(二)在板角处裂缝与相邻两支座成45度角展开;
(三)与施工井架位置相接的楼板常出现裂缝。
这些裂缝大多在工程竣工后一段时间才被发现,往往这时楼板还几乎没有使用荷载。有时裂缝宽度在水泥沙浆找平层表面被放大了,实际上在混凝土楼板的裂缝宽度大多在0.3mm以下,裂缝的深度在15mm左右。
二、楼板裂缝的原因主要有以下几种
(一)干缩裂缝
混凝土干缩主要和混凝土的水灰比、水泥的成分、水泥的用量、骨料的性质和用量、外加剂的用量等有关。硬化混凝土在约束条件下的干缩是楼板产生裂缝的一个比较常见的原因。水泥的水化或混凝土中水分的蒸发会引起混凝土干缩。此外,楼板混凝土的收缩也受到结构的另一部分(如混凝土梁、柱)的约束而引起拉应力,拉应力超过混凝土抗拉强度时混凝土将会产生裂缝,并且能够在比开裂应力小得多的应力作用下扩展延伸。
(二)塑性收缩裂缝
塑性收缩是指混凝土在凝结之前,表面因失水较快而产生的收缩。其产生的主要原因为:混凝土在终凝前几乎没有强度或强度很小,或者混凝土刚刚终凝而强度很小时,受高温或较大风力的影响,混凝土表面失水过快,造成毛细管中产生较大的负压而使混凝土体积急剧收缩,而此时混凝土的强度又无法抵抗其本身收缩,因此产生龟裂。
(三)支撑沉陷裂缝
新浇混凝土楼板容易在模板、支撑变形的情况下产生裂缝。由于支撑的刚度不足或梁板支撑刚度差异较大,在荷载作用下变形沉陷,施工期间的过度震动使支撑刚度变异部位多次瞬间相对位移以及过早拆模等等都可能使混凝土在发展足够强度以支撑其自身重量之前产生裂缝。沉陷变形也是混凝土楼板裂缝开展的另一个常见原因。
(四)温度裂缝
混凝土浇筑后,在硬化过程中,水泥水化产生大量的水化热,由于混凝土的体积较大,大量的水化热聚积在混凝土内部而不易散发,导致内部温度急剧上升,而混凝土表面散热较快,这样就形成内外的较大温差,较大的温差造成内部与外部热胀冷缩的程度不同,使混凝土表面产生一定的拉应力,当拉应力超过混凝土的抗拉强度极限时,混凝土表面就会产生裂缝。
(五)化学反应引起的裂缝
碱骨料反应裂缝和钢筋锈蚀引起的裂缝是钢筋混凝土结构中最常见的由于化学反应而引起的裂缝。
就施工因素来说,楼板的模板、支撑变形或沉陷,混凝土的制作和捣实工艺等许多方面的施工质量问题以及缺乏养护都会增加产生裂缝或引致裂缝发展的可能性。因此,裂缝的发生和延伸开展与混凝土内在的特性和多种施工因素可能同时存在某种关系。也就是说,同一条裂缝的开展往往由多个原因所造成。
三、针对裂缝产生的原因,在施工因素方面采取相应措施,以减少楼板裂缝的产生。为此,在混凝土施工中,在工序和工艺方面应当注意下列几个问题
(一)严格控制混凝土搅拌和施工中的配合比,混凝土的用水量绝对不能大于配合比设计所给定的用水量,混凝土应使用设计允许的最小水泥用量和能满足和易性要求的最小用水量,设备允许情况下,不要用过大的塌落度。使用各种外加剂时要注意,尽量不要选用增加混凝土干缩的外加剂;选择合适的水泥品种,使混凝土收缩减少,凝固时间合适;混凝土内砂石水泥的级配力求最优。(二)浇筑混凝土之前,将模板浇水均匀湿透。
(三)模板及其支撑系统要有足够的刚度,且支撑牢固,并使地基受力均匀。楼板模板支撑的间距要适宜,使楼板模板刚度与梁模板刚度不至于相差太大。在与施工井架相接的或施工运输频繁经过的楼板模板中适当加强模板支撑系统。
(四)了解预拌混凝土的级配情况,对某些级配的混凝土,不要过度振捣楼板混凝土,过度的振捣会使混凝土产生离析和泌水,使混凝土楼板表面形成水泥含量较多的沙浆层和水泥浆层,容易产生干缩裂缝。由于一般楼板的厚度不大,使用平板振动器匀速拖过一次就可使楼板的混凝土成型密实。要在混凝土沉淀收缩基本完成后才开始楼板的最终抹面。
(五)在楼板的混凝土施工完成后,要等楼板混凝土有一定的强度后才进行下一道工序的施工。在混凝土终凝初期应避免施工荷载对楼板产生较大的震动。特别是与施工井架相接的楼板,其混凝土施工完成是最后的,而上施工荷载受震动是最早和最频繁的。有些施工单位为了抢工期,在楼板混凝土捣制完成后第二天就上人上材料进行下一道工序施工,往往导致这位置的楼板多处产生裂缝。
(六)施工期间不要过早拆除楼板的模板支架,且要注意拆模的先后次序。必要时可在拆除模板后在适当位置上安装回头顶。施工机具和材料不要集中堆放在一块楼板上,避免造成较大的荷载使还未达到强度的混凝土楼板产生裂缝。
(七)了解预拌混凝土的收缩曲线,加强混凝土养护,保持混凝土楼板表面湿润。在常温下养护不少于两周,特别是在混凝土终凝初期,要严格按要求进行浇水养护。养护期后,在施工期间特别干燥的时候也应进行浇水养护。
四、裂缝的处理
修补前需要对楼板裂缝进行检测与研究以确定裂缝部位、开裂程度和裂缝产生的原因等。根据裂缝的性质和具体情况我们要区别对待、及时处理,以保证建筑物的混凝土裂缝的修补措施主要有以下一些方法:表面修补法,灌浆、嵌逢封堵法,结构加固法,混凝土置换法,电化学防护法以及仿生自愈合法等。
五、结束语
楼板裂缝是混凝土结构中普遍存在的一种现象,它的出现不仅会降低建筑物的抗渗能力,影响建筑物的使用功能,而且会引起钢筋的锈蚀,混凝土的碳化,降低材料的耐久性,影响建筑物的承载能力,因此要对混凝土楼板裂缝进行认真研究、区别对待,采用合理的方法进行处理,并在施工中采取各种有效的预防措施来预防裂缝的出现和发展,保证建筑物和构件安全、稳定地工作。
参考文献:
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