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泵送商品混凝土早期裂缝产生原因分析
2011-09-17    来源:    作者:佚名
1 前言
  使用泵送商品混凝土代替现场搅拌混凝土已越来越得到普及,但在应用的同时也产生了诸多以前不曾出现的问题。根据多年来的实践观察, 发现采用商品混凝土建造的建筑, 与采用传统普通混凝土建造的建筑相比, 由于混凝土总收缩量增加,引起裂缝的现象大增, 施工期尤其严重。随着泵送商品混凝土技术的推广使用, 开裂问题, 尤其是早期各种收缩现象因受约束产生应力而导致的开裂, 虽然早期产生的构件裂缝并不一定影响结构的承载力,但裂缝的存在会影响建筑物的外观,并对结构的正常使用和耐久性等造成一定的影响。

  2 特点
  2.1 泵送商品混凝土的特点:泵送混凝土的原材料和配合比:粗骨料宜优先选用砾石。当水灰比相同时, 砾石混凝土比碎石混凝土流动性好,与管道摩擦阻力小; 为减小摩擦力, 应限制粗骨料最大粒径与输送管内径的比值: 当粗骨料为碎石时, 粗骨料最大粒径不宜大于输送管内径的1/3 ; 粗骨料为砾石时, 粗骨料最大粒径不宜大于输送管内径的1/2.5 ;细骨料颗粒级配对混凝土的流动性有很大影响, 为提高混凝土的流动性和防止离析, 泵送商品混凝土中通过135mm 筛孔的砂应不小于15% ,含砂率宜控制在40%~50% ,塌落度宜为80~180mm;为了防止离析, 泵送商品混凝土中最小水泥用量为300kg/m3,在泵送商品混凝土中宜渗入适量的添加剂。

  2.2 早期裂缝的特点:早期裂缝是指其产生时间较早,一般在结构尚未受力或尚未承受结构荷载的3~5 天内发生, 属于非荷载裂缝;占结构裂缝的80 %以上,虽然早期裂缝并不一定影响结构的承载力, 但它的存在却严重的影响着建筑屋的使用, 是引起纠纷的主要原因,特别是在房地产走向市场经济的今天。

  2.3 综上所述:泵送商品混凝土在使用时与普通混凝土相比, 存在着水泥用量大、水灰比大、骨料粒径小、塌落度大等特点。这些特点也是引起裂缝现象大增的原因。

  3 裂缝产生原因
  3.1 化学收缩裂缝
  由水泥水化反应而引起的混凝土体积变小称为化学收缩。水泥水化反应的主要产物是C-S-H凝胶。据报道, 水泥水化反应所产生的C-S-H凝胶的体积小于水泥与水的体积之和。对于硅酸盐水泥,每100Kg 水泥加水完全水化以后, 其体积总减少量可达7~9ml。如果每立方米混凝土中水泥用量为300Kg,则其总体积减少量为21~27ml左右。从硅酸盐水泥的组分矿物来分析,C3A(铝酸三钙)水化后体积减少量可达23%左右,是化学收缩最严重的矿物, 其次分别是C4AF(铁铝酸四钙)、C3S (硅酸三钙) 、C2S (硅酸二钙)。由此可见, 混凝土中水泥用量越多,混凝土的化学收缩也越大,在水泥品种方面,水泥中C3A (铝酸三钙)含量越高,混凝土的化学收缩也越大。

  3.2 沉降收缩裂缝
  混凝土浇灌振捣后,骨料颗料悬浮在一定稠度的水泥浆体中,浆体的重量密度较低, 对于W/C= 0.6 的浆体而言,大概只有骨料重度密度的一半,所以骨料在浆体中有下沉趋势,而浆体中的水泥颗粒又远重于水,使得新拌混凝土中的水泥向上转移, 即发生沉降与泌水现象, 形成竖向体积缩小沉落, 这种沉落直到混凝土硬化时才停止。骨料沉落若受到钢筋、预埋件、模板、大的粗骨料以及先期凝固混凝土的局部阻碍。或混凝土本身各部分沉落不同就会产生沉降收缩裂缝。

  3.3 塑性收缩裂缝
  这种裂缝发生在混凝土浇筑后数小时、硬化之前仍处于塑性状态的时刻。发生这种裂缝的因素是多方面的,如混凝土早期养护不好, 混凝土浇筑后表面没有及时覆盖, 受风吹日晒, 表面游离水蒸发过快, 产生急剧的体积收缩, 而此时混凝土强度很低, 不能抵抗这种变形应力而导致塑性收缩裂缝。

  3.4 干燥收缩裂缝
  混凝土在塑性流动终止并进入硬化阶段,干燥收缩一直进行, 即使达到28 天龄期也不能说已经终止, 有的工程可以持续若干年甚至几十年。所以说干燥收缩是水泥基于混凝土的固有特性,浇注时呈流动状态的混合介质, 硬化呈固体状态, 除了硬化生成硅酸钙等固有物质, 这是一个化学过程以外, 还伴随着一个蒸发失水干燥的物理过程, 养护不好就容易出现干燥收缩裂缝。混凝土内的固体水泥浆体体积会随含水量而改变,而骨料对水泥浆体体积的变化则起很大的约束作用, 使混凝土的体积变化远低于水泥浆体的体积变化。

  硬化水泥浆体内富含孔隙, 理论上水灰比小于0.4 并有理想的养护条件, 可使孔隙率减至28%的最低值。而混凝土实际采用的水灰比都较大, 而且不可能完全水化,所以一般混凝土的浆体孔隙率约有50%左右或更大。

  混凝土收缩值一般为0.2%~0.4% , 普通钢筋混凝土0.2‰~0.5‰, 收缩量随时间增长而不断加大, 初期收缩快, 而后日趋缓慢(收缩变形发展很快,大约两周即可完成全部收缩量的1/4 , 一个月可完成1/2 ,三个月后增长变慢,一般2年后趋于稳定)。收缩裂缝的形成,必须同时存在两个条件:收缩变形和约束。最常见的是施工中养护不当引起的,如受到风吹日晒, 表面水分散失过快,体积收缩大, 而内部湿度变化很小,收缩也小,表面收缩变形受到内部混凝土的约束,因此在构件表面产生较大的拉应力,当拉应力超过混凝土的极限抗拉强度时,即产生干缩裂缝。此外,平卧薄构件水分蒸发过快,产生的体积收缩受到地基垫层或台座的约束,也出现干燥裂缝。收缩裂缝除与养护有关外,还与振捣、混凝土原材料收缩量等有关。混凝土振捣过度,表面形成水泥含量较多的砂浆层,则收缩量过大,容易出现裂缝。采用含泥量较大的粉砂配制的混凝土,也会加大收缩, 从而容易产生收缩裂缝。干燥收缩裂缝为表面性裂缝,其宽度较小,大多数为0.05mm~0.2mm之间,其走向纵横交错,没有规律性。

  3.5 温度收缩裂缝
  温度收缩裂缝大多数是由于温差过大引起的。温差一般分为共时温差(在同一时间内,结构内任意两点的温度差值)和历时温差(同一结构在任意两个时间的温度差值)。在泵送商品混凝土早期裂缝中主要是共时温差的影响。

  共时温差的影响:混凝土结构, 特别是大体积混凝土结构浇灌后,在硬化期间水泥释放出大量的水化热而不易散发,内部温度不断上升,达到较高温度,而混凝土表面散热较快,使混凝土表面和内部温差较大。如果施工过程中注意不够或拆模过早;或冬季施工,过早拆除保温层; 或受到寒流袭击,均会导致混凝土表面温度急剧变化而产生较大的降温收缩,此时表面受到内部混凝土的约束,将产生很大的拉应力,而混凝土早期抗拉强度和弹性模量很低,因而使表面出现裂缝。深进的和贯通的温度裂缝大多数是由于结构降温差较大,受到外界的约束而引起的。

  若混凝土浇筑后处于理想绝热情况,其内部温度变化过程和拉压状态大体如下:

  如图1 所示, 图中T。为浇筑温度, 至时间t1温度升至T1 , 混凝土硬化, 此时如果混凝土处于约束状态则在继续升温的过程中受压, 内部温度升至峰值Ta 的时间t2 视水泥品种、浇筑温度, 特别是构件的厚度、形状和散热条件而定。对于大体积的墙、板构件,一般在浇注后的1~2 天内部温度达到峰值, 如墙板厚度超过1~2m,则达到峰值温度时间在浇注后3~4天。水化热引起的内部混凝土温升在较厚的墙板中可达25℃~35℃, 这样加上原来的浇筑温度后,峰值Ta常可达60 ℃以上,对于水泥用量较多的泵送商品混凝土有时可超过70℃~80℃。随着混凝土温度通过峰值后降温并发生收缩,原先在约束状态下形成的拉应力很快下降至零图1 (下图),此时的温度为Tzo,继续降温冷却在混凝土内引起拉应力。问题在于零应力温度Tz0 的大小通常仍与峰值温度相近,而混凝土中的温度收缩拉应力正是在Tzo 这一相当高的温度作为基准下冷却后产生的。

  零应力温度越高,冷却时的拉应力愈大,愈容易开裂。混凝土内部温度冷却到接近周围气温的时间在几十厘米厚的墙板中可达10~15 天。混凝土的热膨胀系数一般在10×10-5/ ℃左右。从表面上看,如发生1 ℃的温差,温度收缩应变达到1×10-4,这在弹性状态下引起的拉应力已足能使早期混凝土发生开裂。

  混凝土实际的升温过程和达到的峰值温度以及随之而来的降温过程取决于许多因素,主要有:环境大气温度, 混凝土的入模温度, 模板的类型(热学性能) 及拆模时间, 混凝土外露表面与其体积的比值, 混凝土浇筑后的截面厚度, 水泥类别与水泥用量,拆模后是否有隔温措施, 以及养护方法等等。混凝土表面温度裂缝的走向无一定规律性。梁、板式结构或长度较大的结构, 裂缝多平行于短边; 大面积结构, 裂缝常纵横交错;深进的和贯穿的温度裂缝, 一般与短边平行或接近于平行, 裂缝沿全长分段出现, 中间较密; 裂缝宽度大小不一,一般在0.5mm 以下,且沿全长没有多大变化; 温度裂缝多半发生在施工期间,裂缝宽度受温度变化较明显,冬季较宽,夏季较细;大多数温度裂缝沿结构截面呈上宽下窄情况。遇上下边缘区配筋较多的梁,有时亦出现中间宽、两端窄的梭形裂缝。对于受两邻边约束的板,亦常由于双向受力而出现45 ℃角斜裂缝。

  3.6 归纳地讲,造成现代商品必威体育在线客服难于控制的原因大致有以下几个方面
  3.6.1 材料方面
  3.6.1.1 收缩及水化热增加
  从过去的干硬性、低流动性、现场搅拌混凝土转向集中搅拌,转向大流动性泵送混凝土,水灰比加大,水泥用量增加,胶结料用量增加,砂率增加,骨料粒径减小,所有这些因素都增加了混凝土的可能收缩。

  3.6.2.2 外加剂的负效应
  外加剂、掺合料种类繁多,通常只考虑强度指标, 缺乏对水化热及收缩变形影响的长期试验资料, 有些试验资料并不严格, 有许多外加剂严重增加收缩变形, 有的甚至降低耐久性。

  3.6.2.3 混凝土抗拉性能不足
  这种裂缝在抗力方面都是由于混凝土抗拉性能不足(抗拉强度和极限拉伸)引起的。高强高性能混凝土得到广泛的应用, 但是混凝土的抗拉强度的提高幅度并没有抗压强度的提高幅度大。

  3.6.2 结构设计方面
  3.6.2.1 结构的约束应力不断增大
  结构规模日趋增大,结构形式日趋复杂, 超大、超长、超厚及超静定结构成为经常采用的结构形式并采用现浇施工, 这种结构形式有显著的约束作用, 对于各种变形作用必然引起较大约束应力。

  3.6.2.2 忽略结构约束
  国内外结构设计中都经常忽略构造钢筋的重要性,因而经常出现构造性裂缝。结构设计中忽略结构约束性质, 不善于利用“抗与放”的设计原则, 缺乏相应的设计施工规范、规程。

  3.6.2.3 梁、板、柱采用同一强度等级的混凝土
  在高层建筑中,因考虑到施工的方便而对梁、板、柱普遍采用同一强度等级的混凝土, 造成梁、板混凝土强度偏高, 温度收缩裂缝增加。

  3.6.3 施工养护方面
  目前在泵送商品混凝土施工中采用的养护方法基本沿用过去简易的方法,已不能完全适应现代混凝土技术的要求, 需要尽快建立新的规范规程。

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