泵送商品混凝土早期裂縫產(chǎn)生原因分析
2006-11-27 00:00
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摘 要： 本文針對泵送商品混凝土早期裂縫產(chǎn)生的各種原因進行了分析， 希望引起有關(guān)各方的注意
關(guān)鍵詞： 泵送商品混凝土； 早期裂縫； 收縮
1 前言
使用泵送商品混凝土代替現(xiàn)場攪拌混凝土已越來越得到普及， 但在應用的同時也產(chǎn)生了諸多以前不曾出現(xiàn)的問題。根據(jù)多年來的實踐觀察， 發(fā)現(xiàn)采用商品混凝土建造的建筑， 與采用傳統(tǒng)普通混凝土建造的建筑相比， 由于混凝土總收縮量增加， 引起裂縫的現(xiàn)象大增， 施工期尤其嚴重。隨著泵送商品混凝土技術(shù)的推廣使用， 開裂問題， 尤其是早期各種收縮現(xiàn)象因受約束產(chǎn)生應力而導致的開裂， 雖然早期產(chǎn)生的構(gòu)件裂縫并不一定影響結(jié)構(gòu)的承載力，但裂縫的存在會影響建筑物的外觀， 并對結(jié)構(gòu)的正常使用和耐久性等造成一定的影響。
2 特點
2．1 泵送商品混凝土的特點： 泵送混凝土的原材料和配合比： 粗骨料宜優(yōu)先選用礫石。當水灰比相同時， 礫石混凝土比碎石混凝土流動性好， 與管道摩擦阻力??； 為減小摩擦力， 應限制粗骨料最大粒徑與輸送管內(nèi)徑的比值： 當粗骨料為碎石時， 粗骨料最大粒徑不宜大于輸送管內(nèi)徑的1/ 3 ； 粗骨料為礫石時， 粗骨料最大粒徑不宜大于輸送管內(nèi)徑的1/ 2.5 ； 細骨料顆粒級配對混凝土的流動性有很大影響， 為提高混凝土的流動性和防止離析， 泵送商品混凝土中通過135mm 篩孔的砂應不小于15 % ，含砂率宜控制在40 %～50 % ， 塌落度宜為80 ～180mm； 為了防止離析， 泵送商品混凝土中最小水泥用量為300kg/ m3 ， 在泵送商品混凝土中宜滲入適量的添加劑。
2．2 早期裂縫的特點： 早期裂縫是指其產(chǎn)生時間較早， 一般在結(jié)構(gòu)尚未受力或尚未承受結(jié)構(gòu)荷載的3～5 天內(nèi)發(fā)生， 屬于非荷載裂縫； 占結(jié)構(gòu)裂縫的80 %以上， 雖然早期裂縫并不一定影響結(jié)構(gòu)的承載力， 但它的存在卻嚴重的影響著建筑屋的使用， 是引起糾紛的主要原因， 特別是在房地產(chǎn)走向市場經(jīng)濟的今天。
2．3 綜上所述： 泵送商品混凝土在使用時與普通混凝土相比， 存在著水泥用量大、水灰比大、骨料粒徑小、塌落度大等特點。這些特點也是引起裂縫現(xiàn)象大增的原因。
3 裂縫產(chǎn)生原因
3．1 化學收縮裂縫
由水泥水化反應而引起的混凝土體積變小稱為化學收縮。水泥水化反應的主要產(chǎn)物是C - S - H凝膠。據(jù)報道， 水泥水化反應所產(chǎn)生的C - S - H凝膠的體積小于水泥與水的體積之和。對于硅酸鹽水泥， 每100Kg 水泥加水完全水化以后， 其體積總減少量可達7～9ml 。如果每立方米混凝土中水泥用量為300Kg ， 則其總體積減少量為21～27ml 左右。從硅酸鹽水泥的組分礦物來分析， C3A （鋁酸三鈣） 水化后體積減少量可達23 %左右， 是化學收縮最嚴重的礦物， 其次分別是C4AF （鐵鋁酸四鈣） 、C3S （硅酸三鈣） 、C2S （硅酸二鈣） 。由此可見， 混凝土中水泥用量越多， 混凝土的化學收縮也越大， 在水泥品種方面， 水泥中C3A （鋁酸三鈣）含量越高， 混凝土的化學收縮也越大。
3．2 沉降收縮裂縫
混凝土澆灌振搗后， 骨料顆料懸浮在一定稠度的水泥漿體中， 漿體的重量密度較低， 對于W/C = 0．6 的漿體而言， 大概只有骨料重度密度的一半， 所以骨料在漿體中有下沉趨勢， 而漿體中的水泥顆粒又遠重于水， 使得新拌混凝土中的水泥向上轉(zhuǎn)移， 即發(fā)生沉降與泌水現(xiàn)象， 形成豎向體積縮小沉落， 這種沉落直到混凝土硬化時才停止。骨料沉落若受到鋼筋、預埋件、模板、大的粗骨料以及先期凝固混凝土的局部阻礙?；蚧炷帘旧砀鞑糠殖谅洳煌蜁a(chǎn)生沉降收縮裂縫。
3．3 塑性收縮裂縫
這種裂縫發(fā)生在混凝土澆筑后數(shù)小時、硬化之前仍處于塑性狀態(tài)的時刻。發(fā)生這種裂縫的因素是多方面的， 如混凝土早期養(yǎng)護不好， 混凝土澆筑后表面沒有及時覆蓋， 受風吹日曬， 表面游離水蒸發(fā)過快， 產(chǎn)生急劇的體積收縮， 而此時混凝土強度很低， 不能抵抗這種變形應力而導致塑性收縮裂縫。
3．4 干燥收縮裂縫
混凝土在塑性流動終止并進入硬化階段， 干燥收縮一直進行， 即使達到28 天齡期也不能說已經(jīng)終止， 有的工程可以持續(xù)若干年甚至幾十年。所以說干燥收縮是水泥基于混凝土的固有特性， 澆注時呈流動狀態(tài)的混合介質(zhì)， 硬化呈固體狀態(tài)， 除了硬化生成硅酸鈣等固有物質(zhì)， 這是一個化學過程以外， 還伴隨著一個蒸發(fā)失水干燥的物理過程， 養(yǎng)護不好就容易出現(xiàn)干燥收縮裂縫?；炷羶?nèi)的固體水泥漿體體積會隨含水量而改變， 而骨料對水泥漿體體積的變化則起很大的約束作用， 使混凝土的體積變化遠低于水泥漿體的體積變化。硬化水泥漿體內(nèi)富含孔隙， 理論上水灰比小于0．4 并有理想的養(yǎng)護條件， 可使孔隙率減至2 8 %的最低值。而混凝土實際采用的水灰比都較大， 而且不可能完全水化，所以一般混凝土的漿體孔隙率約有50 %左右或更大。
混凝土收縮值一般為0．2 %～0．4 % ， 普通鋼筋混凝土0．2 ‰～0．5 ‰， 收縮量隨時間增長而不斷加大， 初期收縮快， 而后日趨緩慢（收縮變形發(fā)展很快， 大約兩周即可完成全部收縮量的1/ 4 ， 一個月可完成1/ 2 ， 三個月后增長變慢， 一般2 年后趨于穩(wěn)定） 。收縮裂縫的形成， 必須同時存在兩個條件： 收縮變形和約束。最常見的是施工中養(yǎng)護不當引起的， 如受到風吹日曬， 表面水分散失過快， 體積收縮大， 而內(nèi)部濕度變化很小， 收縮也小， 表面收縮變形受到內(nèi)部混凝土的約束， 因此在構(gòu)件表面產(chǎn)生較大的拉應力， 當拉應力超過混凝土的極限抗拉強度時， 即產(chǎn)生干縮裂縫。此外， 平臥薄構(gòu)件水分蒸發(fā)過快， 產(chǎn)生的體積收縮受到地基墊層或臺座的約束， 也出現(xiàn)干燥裂縫。收縮裂縫除與養(yǎng)護有關(guān)外， 還與振搗、混凝土原材料收縮量等有關(guān)。混凝土振搗過度， 表面形成水泥含量較多的砂漿層， 則收縮量過大， 容易出現(xiàn)裂縫。采用含泥量較大的粉砂配制的混凝土， 也會加大收縮， 從而容易產(chǎn)生收縮裂縫。干燥收縮裂縫為表面性裂縫， 其寬度較小， 大多數(shù)為0．05 mm～0．2mm 之間， 其走向縱橫交錯， 沒有規(guī)律性。
3．5 溫度收縮裂縫
溫度收縮裂縫大多數(shù)是由于溫差過大引起的。溫差一般分為共時溫差（在同一時間內(nèi)， 結(jié)構(gòu)內(nèi)任意兩點的溫度差值） 和歷時溫差（同一結(jié)構(gòu)在任意兩個時間的溫度差值） 。在泵送商品混凝土早期裂縫中主要是共時溫差的影響。
共時溫差的影響： 混凝土結(jié)構(gòu)， 特別是大體積混凝土結(jié)構(gòu)澆灌后， 在硬化期間水泥釋放出大量的水化熱而不易散發(fā)， 內(nèi)部溫度不斷上升， 達到較高溫度， 而混凝土表面散熱較快， 使混凝土表面和內(nèi)部溫差較大。如果施工過程中注意不夠或拆模過早； 或冬季施工， 過早拆除保溫層； 或受到寒流襲擊， 均會導致混凝土表面溫度急劇變化而產(chǎn)生較大的降溫收縮， 此時表面受到內(nèi)部混凝土的約束， 將產(chǎn)生很大的拉應力， 而混凝土早期抗拉強度和彈性模量很低， 因而使表面出現(xiàn)裂縫。深進的和貫通的溫度裂縫大多數(shù)是由于結(jié)構(gòu)降溫差較大， 受到外界的約束而引起的。
若混凝土澆筑后處于理想絕熱情況， 其內(nèi)部溫度變化過程和拉壓狀態(tài)大體如下：
 如圖1 所示， 圖中T。為澆筑溫度， 至時間t1溫度升至T1 ， 混凝土硬化， 此時如果混凝土處于約束狀態(tài)則在繼續(xù)升溫的過程中受壓， 內(nèi)部溫度升至峰值Ta 的時間t2 視水泥品種、澆筑溫度， 特別是構(gòu)件的厚度、形狀和散熱條件而定。對于大體積的墻、板構(gòu)件， 一般在澆注后的1～2 天內(nèi)部溫度達到峰值， 如墻板厚度超過1～2m ， 則達到峰值溫度時間在澆注后3～ 4 天。水化熱引起的內(nèi)部混凝土溫升在較厚的墻板中可達25 ℃～35 ℃， 這樣加上原來的澆筑溫度后， 峰值Ta ?？蛇_60 ℃以上，對于水泥用量較多的泵送商品混凝土有時可超過70 ℃～80 ℃。隨著混凝土溫度通過峰值后降溫并發(fā)生收縮， 原先在約束狀態(tài)下形成的拉應力很快下降至零圖1 （下圖） ， 此時的溫度為Tzo ， 繼續(xù)降溫冷卻在混凝土內(nèi)引起拉應力。問題在于零應力溫度Tz0 的大小通常仍與峰值溫度相近， 而混凝土中的溫度收縮拉應力正是在Tzo 這一相當高的溫度作為基準下冷卻后產(chǎn)生的。零應力溫度越高， 冷卻時的拉應力愈大， 愈容易開裂。混凝土內(nèi)部溫度冷卻到接近周圍氣溫的時間在幾十厘米厚的墻板中可達10～ 15 天?；炷恋臒崤蛎浵禂?shù)一般在10 ×10 - 5/ ℃左右。從表面上看， 如發(fā)生1 ℃的溫差，溫度收縮應變達到1 ×10 - 4 ， 這在彈性狀態(tài)下引起的拉應力已足能使早期混凝土發(fā)生開裂。
混凝土實際的升溫過程和達到的峰值溫度以及隨之而來的降溫過程取決于許多因素， 主要有：環(huán)境大氣溫度， 混凝土的入模溫度， 模板的類型（熱學性能） 及拆模時間， 混凝土外露表面與其體積的比值， 混凝土澆筑后的截面厚度， 水泥類別與水泥用量， 拆模后是否有隔溫措施， 以及養(yǎng)護方法等等。混凝土表面溫度裂縫的走向無一定規(guī)律性。梁、板式結(jié)構(gòu)或長度較大的結(jié)構(gòu)， 裂縫多平行于短邊； 大面積結(jié)構(gòu)， 裂縫?？v橫交錯； 深進的和貫穿的溫度裂縫， 一般與短邊平行或接近于平行， 裂縫沿全長分段出現(xiàn)， 中間較密； 裂縫寬度大小不一，一般在0．5mm 以下， 且沿全長沒有多大變化； 溫度裂縫多半發(fā)生在施工期間， 裂縫寬度受溫度變化較明顯， 冬季較寬， 夏季較細； 大多數(shù)溫度裂縫沿結(jié)構(gòu)截面呈上寬下窄情況。遇上下邊緣區(qū)配筋較多的梁， 有時亦出現(xiàn)中間寬、兩端窄的梭形裂縫。對于受兩鄰邊約束的板， 亦常由于雙向受力而出現(xiàn)45 ℃角斜裂縫。
3．6 歸納地講， 造成現(xiàn)代商品混凝土裂縫難于控制的原因大致有以下幾個方面
3．6．1 材料方面
3．6．1．1 收縮及水化熱增加
從過去的干硬性、低流動性、現(xiàn)場攪拌混凝土轉(zhuǎn)向集中攪拌， 轉(zhuǎn)向大流動性泵送混凝土， 水灰比加大， 水泥用量增加， 膠結(jié)料用量增加， 砂率增加， 骨料粒徑減小， 所有這些因素都增加了混凝土的可能收縮。
3．6．2．2 外加劑的負效應
外加劑、摻合料種類繁多， 通常只考慮強度指標， 缺乏對水化熱及收縮變形影響的長期試驗資料， 有些試驗資料并不嚴格， 有許多外加劑嚴重增加收縮變形， 有的甚至降低耐久性。
3．6．2．3 混凝土抗拉性能不足
這種裂縫在抗力方面都是由于混凝土抗拉性能不足（抗拉強度和極限拉伸） 引起的。高強高性能混凝土得到廣泛的應用， 但是混凝土的抗拉強度的提高幅度并沒有抗壓強度的提高幅度大。
3．6．2 結(jié)構(gòu)設計方面
3．6．2．1 結(jié)構(gòu)的約束應力不斷增大
結(jié)構(gòu)規(guī)模日趨增大， 結(jié)構(gòu)形式日趨復雜， 超大、超長、超厚及超靜定結(jié)構(gòu)成為經(jīng)常采用的結(jié)構(gòu)形式并采用現(xiàn)澆施工， 這種結(jié)構(gòu)形式有顯著的約束作用， 對于各種變形作用必然引起較大約束應力。
3．6．2．2 忽略結(jié)構(gòu)約束
國內(nèi)外結(jié)構(gòu)設計中都經(jīng)常忽略構(gòu)造鋼筋的重要性， 因而經(jīng)常出現(xiàn)構(gòu)造性裂縫。結(jié)構(gòu)設計中忽略結(jié)構(gòu)約束性質(zhì)， 不善于利用“抗與放”的設計原則， 缺乏相應的設計施工規(guī)范、規(guī)程。
3．6．2．3 梁、板、柱采用同一強度等級的混凝土
在高層建筑中， 因考慮到施工的方便而對梁、板、柱普遍采用同一強度等級的混凝土， 造成梁、板混凝土強度偏高， 溫度收縮裂縫增加。
3．6．3 施工養(yǎng)護方面
目前在泵送商品混凝土施工中采用的養(yǎng)護方法基本沿用過去簡易的方法， 已不能完全適應現(xiàn)代混凝土技術(shù)的要求， 需要盡快建立新的規(guī)范規(guī)程。 |
| 原作者： 王宜軍 |
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