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【摘要】 在建筑工程中,常常会发现钢筋混凝土的裂缝问题,在实际施工中必须对其进行有效控制,重要的是避免有害裂缝的产生。当前钢筋混凝土的裂缝,已经成为了最常见的通病。就混凝土裂缝所产生的原因及其应当采取的预防措施进行了初步的探讨。
【关键词】 混凝土裂缝;成因;预防
一、混凝土裂缝产生的原因
(一)材料原因
1.水泥。水泥早期强度越高的水泥,其抗裂性能越差;水泥越细,其抗裂性能越差。水泥用量对混凝土收缩性能也有着很大的影响,水泥抗裂性能的劣化,是导致混凝土收缩增大,导致开裂的主要原因。
2.集料。粗细集料含泥量过大,造成混凝土收缩增大。集料颗粒级配不良或采取不恰当的间断级配,容易造成混凝土收缩的增大,诱导裂缝的产生;集料粒径越细、针片含量越大,混凝土单方用灰量、用水量增多,收缩量增大;集料对混凝土收缩性能的影响集料对混凝土收缩产生影响的因素有品种、级配、用量和弹性模量。
3.混凝土配合比设计原因。单方水泥用量越大、用水量越高,表现为水泥浆体积越大、坍落度越大,收缩越大;配合比设计中砂率、水灰比选择不当造成混凝土和易性偏差,导致混凝土离浙、泌水、保水性不良,增加收缩值。
4.外加剂。在混凝土中适当掺加外加剂可以在保持良好的工作条件下减缓浇筑速度,以利散热,减少水泥用量降低水化热。在易产生收缩裂缝的混凝土中“液化剂”和“塑化剂”类型的外加剂都有助于防止收缩裂缝的形成,但要注意计量准确,掺量过多将影响混凝土的强度并应采用碱含量低的外加剂以减少碱骨料反映。
(二)温度影响
1.温度变形。一般是由于外界温度变化,使混凝土产生胀缩变形,这种变形即为温度变形,当混凝土构件受到约束时,将在混凝土构件内产生应力,当由此产生的混凝土内部的拉应力超过混凝土抗拉强度极限值时,混凝土便产生温度裂缝。气温的降低也会在混凝土表面引起很大的拉应力,产生收缩,表面收缩的混凝土受内部混凝土的约束,将产生很大的拉应力而产生裂缝,这种裂缝通常只在混凝土表面较浅的范围内产生。
2.高温或较大风力的影响。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,此时混凝土的强度又无法抵抗其本身收缩,产生龟裂。影响混凝土塑性收缩开裂的主要因素有水灰比、混凝土的凝结时间、环境温度、风速、相对湿度等。
(三)沉陷裂缝
沉陷裂缝的产生是由于结构地基土质不匀、松软,或回填土不实或浸水而造成不均匀沉降所致或者因为模板刚度不足,模板支撑间距过大或支撑底部松动等导致,特别是在冬季,模板支撑在冻土上,冻土化冻后产生不均匀沉降,致使混凝土结构产生裂缝。当混凝土结构主体和基础刚度较大时,其抵抗地基沉陷的能力还是较强的。地基处理不满足规范要求时,特别是在湿陷性黄土、冻胀土、膨胀土、盐渍土、软弱土等不良场地,仍时常产生地基沉陷(膨胀)裂缝。
(四)化学反应引起的裂缝
一般是由于在混凝土中使用外加剂不当或混凝土结构处于有腐蚀性气体的环境中,施工时控制不严,混凝土保护层过薄或露筋,致使混凝土中钢筋生锈,铁锈(氧化铁)体积膨胀,致使混凝土产生裂缝。当混凝土碳化深度超过钢筋保护层时,也会导致钢筋锈蚀膨胀,使混凝土产生裂缝。铁的氧化会产生高膨胀量,导致生锈的钢筋上产生裂缝。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。水泥中的碱和一些含硅骨料之间的化学反应,有时会导致非正常膨胀,产生大量网状裂纹。混凝土拌和后会产生一些碱性离子,这些离子与某些活性骨料产生化学反应并吸收周围环境中的水而体积增大,造成混凝土酥松、膨胀开裂。
(五)养护不当
高空浇注混凝土,风速过大、烈日暴晒,混凝土收缩值大。大体积混凝土浇注,对水化计算不准、现场混凝土降温及保温工作不到位,引起混凝土内部温度过高或内外温差过大,混凝土产生温度裂缝。现场养护措施不到位,混凝土早期脱水,引起收缩裂缝。
(六)施工不当
现场浇捣混凝土时,振捣或插入不当,漏振、过振或振捣棒抽撤过快,均会影响混凝土的密实性和均匀性,诱导裂缝的产生。由于混凝土浇筑、振捣不良或者是钢筋保护层较薄,有害物质进入混凝土使钢筋产生锈蚀,锈蚀的钢筋体积膨胀,导致混凝土胀裂。对大体积混凝土工程,缺少两次抹面,易产生表面收缩裂缝;现场模板拆除不当,或拆模过早,都会引起拆模裂缝;现场预应力张拉不当(超张、偏心),引起混凝土张拉裂缝。
(七)约束过大造成的裂缝
结构周围的温度或湿度发生变化时混凝土构件都要产生变形,如果变形受到的约束力超过了混凝土的抗拉强度,则导致开裂,此类裂缝在现浇的混凝土板上尤为多见。
(八)应力集中裂缝
一般多在主体结构建成后出现,混凝土结构应力集中裂缝主要分布在门窗洞口、平面或立面突出凹进以及开结构洞口和结构刚度突变及集中茶载等处。对于预应力钢筋混凝土结构,一般在张拉钢筋锚固端产生的局部压应力集中处产生裂缝。
(九)冻融裂缝
一般在寒冷或严寒地区,由于混凝土受潮并遭受多次冻融,造成混凝土裂缝;也可能是由于土体冻胀,使混凝土产生裂缝。
(十)构造裂缝
一般是由于混凝土构造措施不当导致混凝土产生裂缝。
(十一)人为原因
施工管理不严,赶进度,偷工减料,工人素质差,施工马虎等也是造成结构裂缝的人为因素。
二、混凝土裂缝的预防措施
(一)合理的选材和配比设计
1.材料选择。(1)水泥。尽量应选用中低水化热,且较低的C3A/SO3、Na2O、K2O含量,较高的C4AF含量的水泥。(2)骨料。混凝土的干燥收缩和徐变都受骨料的影响。(3)掺合料。粉煤灰与矿渣超细粉是很理想的掺合料,用适宜的外加剂能也有助于控制裂纹。
(二)优化配合比设计
1.水灰比(W/C)。水灰比应控制在一个适宜的范围,水灰比过大,失水多,其干燥收缩将显著增加,随之抗拉强度降低。就混凝土总收缩而言,水胶比愈大,自然收缩愈小,干燥收缩愈大;水泥用量愈大,自然收缩愈大。降低W/C减小了徐变,也增加早期裂缝。单方水泥用量愈大,收缩愈大,愈容易开裂。
2.用水量。混凝土用水量是控制混凝土开裂的重要因素。在水灰比不变,增加水泥用量,增加用水量,即水泥浆量的情况下,混凝土其收缩将增加。混凝土用水量大则表面含水量高,泌水量大,表面早期收缩大。减少了用水量,在保持强度相同的条件下,可随之降低水泥用量,从而减少混凝土的温度收缩、自收缩和干缩。
3.砂率。砂率的大小应控制在最佳的范围内。砂率过大收缩也增加,砂浆和水泥浆的收缩比混凝土的收缩增加2～5倍。砂率应根据所使用的骨料严格控制在最佳砂率附近。
4.坍落度。坍落度偏大不仅增加单方混凝土的水泥用量、用水量,且易形成混凝土中部骨料多,或浆体裹骨料不均匀的现象,形成不均匀收缩。不能为图施工方便一时追求大坍落度。特别是泵送混凝土其大砂率、大坍落度的特点,使混凝土收缩增加,更应控制好坍落度。
(三)混凝土施工工艺
1.降低拌合温度。混凝土的浇筑温度取决于混凝土的拌合温度,为降低拌合温度所最常采取的措施是使用冷水或掺冰屑水进行拌合。进一步还可考虑的措施是使用冷水(冷气)将骨料降温或向骨料堆上喷洒冷水降温,向在皮带机上送进料仓前的骨料喷水降温,特殊情况甚至是采用真空法将粗骨料降温或采用液氮法将拌合温度降低。1kg水温升1℃要吸收4?18kJ的热,冷水的吸热效率比冷骨料(或水泥)的约高5倍。为了控制大体积混凝土的温差,将拌合水制冷保持2℃(或再稍低)是可行的。1kg冰溶化成水时要吸收334kJ的热,对混凝土的拌合物的降温效率更高,通常是使用冰屑取代相应量的拌合水,以降低混凝土的拌合温度。
2.现场施工措施。施工前应编制包括混凝土浇捣方案、养护方案等各专项措施,并对相关人员进行技术交底,切实贯彻执行,按计划进行施工。
3.避免塑态裂缝。混凝土裂缝成因及预防控制措施塑态裂缝是混凝土仍在塑性状态中出现的裂缝———塑态收缩缝、塑态沉陷缝。这种裂缝的开裂机制比较简明,但也时有出现,可通过相应措施予以避免或消除。塑态缩缝多发生与地板、楼板、桥板等的裸露面上,当气温较高特别是又较为干燥且有强风时,混凝土表面极易蒸发脱水(下边的泌水来不及上浮补充),于是容易因急剧干缩而引发裂缝,开裂多不很深无任何规律性。可趁混凝土还处在苏醒状态适时予以拍打,促其闭合,恢复整体性,并最好进行二次振实,借以消除塑裂及泌水毛孔等缺陷,还可提高混凝土质量。
最为重要的是保湿养护,尤其是在干热有风天,浇筑完混凝土立即覆盖保湿,或及时喷雾、喷水,避免混凝土蒸发脱水,从根本上预防塑裂。
4.妥善养护。养护混凝土主要是为了保证混凝土正常凝结硬化,即要保持混凝土裸露面充分潮湿,防止水分蒸发外散,也要保持混凝土体表温度变化适宜,使能符合混凝土强度发展需要和避免混凝土表里温差、内外温度大到有害程度。混凝土浇注后的温度是随水化热释放而升高,体积趋于热胀,热胀受到约束可产生压应力,在升温期中混凝土由塑态转为固态,弹性模量低,徐变系数大。
混凝土温升大多在几天(2～5天)内就可达最大(峰)值,然后即随体表散热而逐渐降温;降温期中,弹性模量增高,徐变系数减小,混凝土降温收缩拉应力则有可能增大到引发裂缝的程度。混凝土散热降温通常是从表面向内部发展,表面温差愈大尤其是温度梯度愈陡,表层较冷混凝土在内层较热混凝土约束下所产生的收缩拉应力亦愈大,愈容易引发裂缝(“表面性”的裂缝)。养护上则需要及时保暖,使表面温度(T0)缓缓下降以减小表里温差,减免混凝土温度裂缝。混凝土浇筑完毕后,应按施工技术方案及时采取有效的养护措施。混凝土浇筑收浆和二次抹压后用塑料薄膜覆盖,防止表面水分蒸发,待混凝土硬化至可上人时,揭去塑料薄膜,设专人进行保湿养护7～14天。
裂缝影响了混凝土的外观,破坏了混凝土的整体性,防止裂缝是混凝土施工中非常重要的工作,混凝土裂缝的产生是多方面原因共同作用的结果,实际施工中应做具体的分析,努力保证工程的质量。
参考文献
[1]王铁梦.工程结构裂缝控制[M].北京:中国建筑工业出版,2007
[2]韩素芳,耿维恕.钢筋混凝土结构裂缝控制指南[M].北京:化学工业出版社,2006
【关键词】 混凝土裂缝;成因;预防
一、混凝土裂缝产生的原因
(一)材料原因
1.水泥。水泥早期强度越高的水泥,其抗裂性能越差;水泥越细,其抗裂性能越差。水泥用量对混凝土收缩性能也有着很大的影响,水泥抗裂性能的劣化,是导致混凝土收缩增大,导致开裂的主要原因。
2.集料。粗细集料含泥量过大,造成混凝土收缩增大。集料颗粒级配不良或采取不恰当的间断级配,容易造成混凝土收缩的增大,诱导裂缝的产生;集料粒径越细、针片含量越大,混凝土单方用灰量、用水量增多,收缩量增大;集料对混凝土收缩性能的影响集料对混凝土收缩产生影响的因素有品种、级配、用量和弹性模量。
3.混凝土配合比设计原因。单方水泥用量越大、用水量越高,表现为水泥浆体积越大、坍落度越大,收缩越大;配合比设计中砂率、水灰比选择不当造成混凝土和易性偏差,导致混凝土离浙、泌水、保水性不良,增加收缩值。
4.外加剂。在混凝土中适当掺加外加剂可以在保持良好的工作条件下减缓浇筑速度,以利散热,减少水泥用量降低水化热。在易产生收缩裂缝的混凝土中“液化剂”和“塑化剂”类型的外加剂都有助于防止收缩裂缝的形成,但要注意计量准确,掺量过多将影响混凝土的强度并应采用碱含量低的外加剂以减少碱骨料反映。
(二)温度影响
1.温度变形。一般是由于外界温度变化,使混凝土产生胀缩变形,这种变形即为温度变形,当混凝土构件受到约束时,将在混凝土构件内产生应力,当由此产生的混凝土内部的拉应力超过混凝土抗拉强度极限值时,混凝土便产生温度裂缝。气温的降低也会在混凝土表面引起很大的拉应力,产生收缩,表面收缩的混凝土受内部混凝土的约束,将产生很大的拉应力而产生裂缝,这种裂缝通常只在混凝土表面较浅的范围内产生。
2.高温或较大风力的影响。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,此时混凝土的强度又无法抵抗其本身收缩,产生龟裂。影响混凝土塑性收缩开裂的主要因素有水灰比、混凝土的凝结时间、环境温度、风速、相对湿度等。
(三)沉陷裂缝
沉陷裂缝的产生是由于结构地基土质不匀、松软,或回填土不实或浸水而造成不均匀沉降所致或者因为模板刚度不足,模板支撑间距过大或支撑底部松动等导致,特别是在冬季,模板支撑在冻土上,冻土化冻后产生不均匀沉降,致使混凝土结构产生裂缝。当混凝土结构主体和基础刚度较大时,其抵抗地基沉陷的能力还是较强的。地基处理不满足规范要求时,特别是在湿陷性黄土、冻胀土、膨胀土、盐渍土、软弱土等不良场地,仍时常产生地基沉陷(膨胀)裂缝。
(四)化学反应引起的裂缝
一般是由于在混凝土中使用外加剂不当或混凝土结构处于有腐蚀性气体的环境中,施工时控制不严,混凝土保护层过薄或露筋,致使混凝土中钢筋生锈,铁锈(氧化铁)体积膨胀,致使混凝土产生裂缝。当混凝土碳化深度超过钢筋保护层时,也会导致钢筋锈蚀膨胀,使混凝土产生裂缝。铁的氧化会产生高膨胀量,导致生锈的钢筋上产生裂缝。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。水泥中的碱和一些含硅骨料之间的化学反应,有时会导致非正常膨胀,产生大量网状裂纹。混凝土拌和后会产生一些碱性离子,这些离子与某些活性骨料产生化学反应并吸收周围环境中的水而体积增大,造成混凝土酥松、膨胀开裂。
(五)养护不当
高空浇注混凝土,风速过大、烈日暴晒,混凝土收缩值大。大体积混凝土浇注,对水化计算不准、现场混凝土降温及保温工作不到位,引起混凝土内部温度过高或内外温差过大,混凝土产生温度裂缝。现场养护措施不到位,混凝土早期脱水,引起收缩裂缝。
(六)施工不当
现场浇捣混凝土时,振捣或插入不当,漏振、过振或振捣棒抽撤过快,均会影响混凝土的密实性和均匀性,诱导裂缝的产生。由于混凝土浇筑、振捣不良或者是钢筋保护层较薄,有害物质进入混凝土使钢筋产生锈蚀,锈蚀的钢筋体积膨胀,导致混凝土胀裂。对大体积混凝土工程,缺少两次抹面,易产生表面收缩裂缝;现场模板拆除不当,或拆模过早,都会引起拆模裂缝;现场预应力张拉不当(超张、偏心),引起混凝土张拉裂缝。
(七)约束过大造成的裂缝
结构周围的温度或湿度发生变化时混凝土构件都要产生变形,如果变形受到的约束力超过了混凝土的抗拉强度,则导致开裂,此类裂缝在现浇的混凝土板上尤为多见。
(八)应力集中裂缝
一般多在主体结构建成后出现,混凝土结构应力集中裂缝主要分布在门窗洞口、平面或立面突出凹进以及开结构洞口和结构刚度突变及集中茶载等处。对于预应力钢筋混凝土结构,一般在张拉钢筋锚固端产生的局部压应力集中处产生裂缝。
(九)冻融裂缝
一般在寒冷或严寒地区,由于混凝土受潮并遭受多次冻融,造成混凝土裂缝;也可能是由于土体冻胀,使混凝土产生裂缝。
(十)构造裂缝
一般是由于混凝土构造措施不当导致混凝土产生裂缝。
(十一)人为原因
施工管理不严,赶进度,偷工减料,工人素质差,施工马虎等也是造成结构裂缝的人为因素。
二、混凝土裂缝的预防措施
(一)合理的选材和配比设计
1.材料选择。(1)水泥。尽量应选用中低水化热,且较低的C3A/SO3、Na2O、K2O含量,较高的C4AF含量的水泥。(2)骨料。混凝土的干燥收缩和徐变都受骨料的影响。(3)掺合料。粉煤灰与矿渣超细粉是很理想的掺合料,用适宜的外加剂能也有助于控制裂纹。
(二)优化配合比设计
1.水灰比(W/C)。水灰比应控制在一个适宜的范围,水灰比过大,失水多,其干燥收缩将显著增加,随之抗拉强度降低。就混凝土总收缩而言,水胶比愈大,自然收缩愈小,干燥收缩愈大;水泥用量愈大,自然收缩愈大。降低W/C减小了徐变,也增加早期裂缝。单方水泥用量愈大,收缩愈大,愈容易开裂。
2.用水量。混凝土用水量是控制混凝土开裂的重要因素。在水灰比不变,增加水泥用量,增加用水量,即水泥浆量的情况下,混凝土其收缩将增加。混凝土用水量大则表面含水量高,泌水量大,表面早期收缩大。减少了用水量,在保持强度相同的条件下,可随之降低水泥用量,从而减少混凝土的温度收缩、自收缩和干缩。
3.砂率。砂率的大小应控制在最佳的范围内。砂率过大收缩也增加,砂浆和水泥浆的收缩比混凝土的收缩增加2～5倍。砂率应根据所使用的骨料严格控制在最佳砂率附近。
4.坍落度。坍落度偏大不仅增加单方混凝土的水泥用量、用水量,且易形成混凝土中部骨料多,或浆体裹骨料不均匀的现象,形成不均匀收缩。不能为图施工方便一时追求大坍落度。特别是泵送混凝土其大砂率、大坍落度的特点,使混凝土收缩增加,更应控制好坍落度。
(三)混凝土施工工艺
1.降低拌合温度。混凝土的浇筑温度取决于混凝土的拌合温度,为降低拌合温度所最常采取的措施是使用冷水或掺冰屑水进行拌合。进一步还可考虑的措施是使用冷水(冷气)将骨料降温或向骨料堆上喷洒冷水降温,向在皮带机上送进料仓前的骨料喷水降温,特殊情况甚至是采用真空法将粗骨料降温或采用液氮法将拌合温度降低。1kg水温升1℃要吸收4?18kJ的热,冷水的吸热效率比冷骨料(或水泥)的约高5倍。为了控制大体积混凝土的温差,将拌合水制冷保持2℃(或再稍低)是可行的。1kg冰溶化成水时要吸收334kJ的热,对混凝土的拌合物的降温效率更高,通常是使用冰屑取代相应量的拌合水,以降低混凝土的拌合温度。
2.现场施工措施。施工前应编制包括混凝土浇捣方案、养护方案等各专项措施,并对相关人员进行技术交底,切实贯彻执行,按计划进行施工。
3.避免塑态裂缝。混凝土裂缝成因及预防控制措施塑态裂缝是混凝土仍在塑性状态中出现的裂缝———塑态收缩缝、塑态沉陷缝。这种裂缝的开裂机制比较简明,但也时有出现,可通过相应措施予以避免或消除。塑态缩缝多发生与地板、楼板、桥板等的裸露面上,当气温较高特别是又较为干燥且有强风时,混凝土表面极易蒸发脱水(下边的泌水来不及上浮补充),于是容易因急剧干缩而引发裂缝,开裂多不很深无任何规律性。可趁混凝土还处在苏醒状态适时予以拍打,促其闭合,恢复整体性,并最好进行二次振实,借以消除塑裂及泌水毛孔等缺陷,还可提高混凝土质量。
最为重要的是保湿养护,尤其是在干热有风天,浇筑完混凝土立即覆盖保湿,或及时喷雾、喷水,避免混凝土蒸发脱水,从根本上预防塑裂。
4.妥善养护。养护混凝土主要是为了保证混凝土正常凝结硬化,即要保持混凝土裸露面充分潮湿,防止水分蒸发外散,也要保持混凝土体表温度变化适宜,使能符合混凝土强度发展需要和避免混凝土表里温差、内外温度大到有害程度。混凝土浇注后的温度是随水化热释放而升高,体积趋于热胀,热胀受到约束可产生压应力,在升温期中混凝土由塑态转为固态,弹性模量低,徐变系数大。
混凝土温升大多在几天(2～5天)内就可达最大(峰)值,然后即随体表散热而逐渐降温;降温期中,弹性模量增高,徐变系数减小,混凝土降温收缩拉应力则有可能增大到引发裂缝的程度。混凝土散热降温通常是从表面向内部发展,表面温差愈大尤其是温度梯度愈陡,表层较冷混凝土在内层较热混凝土约束下所产生的收缩拉应力亦愈大,愈容易引发裂缝(“表面性”的裂缝)。养护上则需要及时保暖,使表面温度(T0)缓缓下降以减小表里温差,减免混凝土温度裂缝。混凝土浇筑完毕后,应按施工技术方案及时采取有效的养护措施。混凝土浇筑收浆和二次抹压后用塑料薄膜覆盖,防止表面水分蒸发,待混凝土硬化至可上人时,揭去塑料薄膜,设专人进行保湿养护7～14天。
裂缝影响了混凝土的外观,破坏了混凝土的整体性,防止裂缝是混凝土施工中非常重要的工作,混凝土裂缝的产生是多方面原因共同作用的结果,实际施工中应做具体的分析,努力保证工程的质量。
参考文献
[1]王铁梦.工程结构裂缝控制[M].北京:中国建筑工业出版,2007
[2]韩素芳,耿维恕.钢筋混凝土结构裂缝控制指南[M].北京:化学工业出版社,2006