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(duì)泵送商品混凝土早期裂縫產(chǎn)生的各種原因進(jìn)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(chǎng)攪拌混凝土已越來(lái)越得到普及， 但在應(yīng)用的同時(shí)也產(chǎn)生了諸多以前不曾出現(xiàn)的問(wèn)題。根據(jù)多年來(lái)的實(shí)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(yán)重。隨著泵送商品混凝土技術(shù)的推廣使用， 開(kāi)裂問(wèn)題， 尤其是早期各種收縮現(xiàn)象因受約束產(chǎn)生應(yīng)力而導(dǎo)致的開(kāi)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(huì)影響建筑物的外觀， 并對(duì)結(jié)構(gòu)的正常使用和耐久性等造成一定的影響。
2 特點(diǎn)
2．1 泵送商品混凝土的特點(diǎn)： 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(dāng)水灰比相同時(shí)， 礫石混凝土比碎石混凝土流動(dòng)性好， 與管道摩擦阻力??； 為減小摩擦力， 應(yīng)限制粗骨料最大粒徑與輸送管內(nèi)徑的比值： 當(dāng)粗骨料為碎石時(shí)， 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(shí)， 粗骨料最大粒徑不宜大于輸送管內(nèi)徑的1/ 2.5 ； 細(xì)骨料顆粒級(jí)配對(duì)混凝土的流動(dòng)性有很大影響， 為提高混凝土的流動(dòng)性和防止離析， 泵送商品混凝土中通過(guò)135mm 篩孔的砂應(yīng)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(diǎn)： 早期裂縫是指其產(chǎn)生時(shí)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(yán)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(chǎng)經(jīng)濟(jì)的今天。
2．3 綜上所述： 泵送商品混凝土在使用時(shí)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(diǎn)。這些特點(diǎn)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(xué)收縮裂縫
由水泥水化反應(yīng)而引起的混凝土體積變小稱(chēng)為化學(xué)收縮。水泥水化反應(yīng)的主要產(chǎn)物是C - S - H凝膠。據(jù)報(bào)道， 水泥水化反應(yīng)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(duì)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(dá)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(lái)分析， C3A （鋁酸三鈣） 水化后體積減少量可達(dá)23 %左右， 是化學(xué)收縮最嚴(yán)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(jiàn)， 混凝土中水泥用量越多， 混凝土的化學(xué)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(xué)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(duì)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(shì)， 而漿體中的水泥顆粒又遠(yuǎn)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(shí)才停止。骨料沉落若受到鋼筋、預(yù)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?huì)產(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(shí)、硬化之前仍處于塑性狀態(tài)的時(shí)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(hù)不好， 混凝土澆筑后表面沒(méi)有及時(shí)覆蓋， 受風(fēng)吹日曬， 表面游離水蒸發(fā)過(guò)快， 產(chǎn)生急劇的體積收縮， 而此時(shí)混凝土強(qiáng)度很低， 不能抵抗這種變形應(yīng)力而導(dǎo)致塑性收縮裂縫。
3．4 干燥收縮裂縫
混凝土在塑性流動(dòng)終止并進(jìn)入硬化階段， 干燥收縮一直進(jìn)行， 即使達(dá)到28 天齡期也不能說(shuō)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(shuō)干燥收縮是水泥基于混凝土的固有特性， 澆注時(shí)呈流動(dòng)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(gè)化學(xué)過(guò)程以外， 還伴隨著一個(gè)蒸發(fā)失水干燥的物理過(guò)程， 養(yǎng)護(hù)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(huì)隨含水量而改變， 而骨料對(duì)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(yuǎn)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(hù)條件， 可使孔隙率減至2 8 %的最低值。而混凝土實(shí)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(shí)間增長(zhǎng)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(gè)月可完成1/ 2 ， 三個(gè)月后增長(zhǎng)變慢， 一般2 年后趨于穩(wěn)定） 。收縮裂縫的形成， 必須同時(shí)存在兩個(gè)條件： 收縮變形和約束。最常見(jiàn)的是施工中養(yǎng)護(hù)不當(dāng)引起的， 如受到風(fēng)吹日曬， 表面水分散失過(guò)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(yīng)力， 當(dāng)拉應(yīng)力超過(guò)混凝土的極限抗拉強(qiáng)度時(shí)， 即產(chǎn)生干縮裂縫。此外， 平臥薄構(gòu)件水分蒸發(fā)過(guò)快， 產(chǎn)生的體積收縮受到地基墊層或臺(tái)座的約束， 也出現(xiàn)干燥裂縫。收縮裂縫除與養(yǎng)護(hù)有關(guān)外， 還與振搗、混凝土原材料收縮量等有關(guān)?；炷琳駬v過(guò)度， 表面形成水泥含量較多的砂漿層， 則收縮量過(guò)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(huì)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(cuò)， 沒(méi)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(guò)大引起的。溫差一般分為共時(shí)溫差（在同一時(shí)間內(nèi)， 結(jié)構(gòu)內(nèi)任意兩點(diǎn)的溫度差值） 和歷時(shí)溫差（同一結(jié)構(gòu)在任意兩個(gè)時(shí)間的溫度差值） 。在泵送商品混凝土早期裂縫中主要是共時(shí)溫差的影響。
共時(shí)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(dá)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(guò)程中注意不夠或拆模過(guò)早； 或冬季施工， 過(guò)早拆除保溫層； 或受到寒流襲擊， 均會(huì)導(dǎo)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(shí)表面受到內(nèi)部混凝土的約束， 將產(chǎn)生很大的拉應(yīng)力， 而混凝土早期抗拉強(qiáng)度和彈性模量很低， 因而使表面出現(xiàn)裂縫。深進(jìn)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(guò)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?xí)r間t1溫度升至T1 ， 混凝土硬化， 此時(shí)如果混凝土處于約束狀態(tài)則在繼續(xù)升溫的過(guò)程中受壓， 內(nèi)部溫度升至峰值Ta 的時(shí)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(duì)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(dá)到峰值， 如墻板厚度超過(guò)1～2m ， 則達(dá)到峰值溫度時(shí)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(dá)25 ℃～35 ℃， 這樣加上原來(lái)的澆筑溫度后， 峰值Ta 常可達(dá)60 ℃以上，對(duì)于水泥用量較多的泵送商品混凝土有時(shí)可超過(guò)70 ℃～80 ℃。隨著混凝土溫度通過(guò)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(yīng)力很快下降至零圖1 （下圖） ， 此時(shí)的溫度為T(mén)zo ， 繼續(xù)降溫冷卻在混凝土內(nèi)引起拉應(yīng)力。問(wèn)題在于零應(yīng)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(yīng)力正是在Tzo 這一相當(dāng)高的溫度作為基準(zhǔn)下冷卻后產(chǎn)生的。零應(yīng)力溫度越高， 冷卻時(shí)的拉應(yīng)力愈大， 愈容易開(kāi)裂?；炷羶?nèi)部溫度冷卻到接近周?chē)鷼鉁氐臅r(shí)間在幾十厘米厚的墻板中可達(dá)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(yīng)變達(dá)到1 ×10 - 4 ， 這在彈性狀態(tài)下引起的拉應(yīng)力已足能使早期混凝土發(fā)生開(kāi)裂。
混凝土實(shí)際的升溫過(guò)程和達(dá)到的峰值溫度以及隨之而來(lái)的降溫過(guò)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(lèi)型（熱學(xué)性能） 及拆模時(shí)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(lèi)別與水泥用量， 拆模后是否有隔溫措施， 以及養(yǎng)護(hù)方法等等。混凝土表面溫度裂縫的走向無(wú)一定規(guī)律性。梁、板式結(jié)構(gòu)或長(zhǎng)度較大的結(jié)構(gòu)， 裂縫多平行于短邊； 大面積結(jié)構(gòu)， 裂縫常縱橫交錯(cuò)； 深進(jìn)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(zhǎng)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(zhǎng)沒(méi)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(xì)； 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(shí)亦出現(xiàn)中間寬、兩端窄的梭形裂縫。對(duì)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(gè)方面
3．6．1 材料方面
3．6．1．1 收縮及水化熱增加
從過(guò)去的干硬性、低流動(dòng)性、現(xiàn)場(chǎng)攪拌混凝土轉(zhuǎn)向集中攪拌， 轉(zhuǎn)向大流動(dòng)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(fù)效應(yīng)
外加劑、摻合料種類(lèi)繁多， 通常只考慮強(qiáng)度指標(biāo)， 缺乏對(duì)水化熱及收縮變形影響的長(zhǎng)期試驗(yàn)資料， 有些試驗(yàn)資料并不嚴(yán)格， 有許多外加劑嚴(yán)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(qiáng)度和極限拉伸） 引起的。高強(qiáng)高性能混凝土得到廣泛的應(yīng)用， 但是混凝土的抗拉強(qiáng)度的提高幅度并沒(méi)有抗壓強(qiáng)度的提高幅度大。
3．6．2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面
3．6．2．1 結(jié)構(gòu)的約束應(yīng)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(fù)雜， 超大、超長(zhǎng)、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(duì)于各種變形作用必然引起較大約束應(yīng)力。
3．6．2．2 忽略結(jié)構(gòu)約束
國(guó)內(nèi)外結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)中忽略結(jié)構(gòu)約束性質(zhì)， 不善于利用“抗與放”的設(shè)計(jì)原則， 缺乏相應(yīng)的設(shè)計(jì)施工規(guī)范、規(guī)程。
3．6．2．3 梁、板、柱采用同一強(qiáng)度等級(jí)的混凝土
在高層建筑中， 因考慮到施工的方便而對(duì)梁、板、柱普遍采用同一強(qiáng)度等級(jí)的混凝土， 造成梁、板混凝土強(qiáng)度偏高， 溫度收縮裂縫增加。
3．6．3 施工養(yǎng)護(hù)方面
目前在泵送商品混凝土施工中采用的養(yǎng)護(hù)方法基本沿用過(guò)去簡(jiǎn)易的方法， 已不能完全適應(yīng)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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