浅析现浇混凝土早期裂缝

　　摘要：近年来,随着对混凝土结构耐久性重视程度的提高,以及大量低水灰比高强混凝土的应用,混凝土早期开裂的问题再度引起了人们的关注。混凝土早期裂缝产生的原因非常复杂,通过广泛的研究和工程实践,现普遍认为温度作用和收缩是引起混凝土早期开裂的主要原因。本文就此做了详细介绍。并从设计、施工两个方面讨论混凝土早期开裂的防治措施。
　　关键词：混凝土，早期裂缝，控制
　　一、早期裂缝产生的原因
　　按照作用和效应的关系法则,现浇混凝土结构早期受到的直接作用主要为施工荷载,以往的施工技术规范和结构设计规范已经有明确的规定,即直接作用可以采用成熟的结构分析方法计算。所以这里着重讨论跟早期裂缝生成效应相关的间接作用。它可以归纳为温度作用、湿度作用、收缩变形作用等。另外,还将简要介绍混凝土应力松弛和徐变对早期裂缝的影响。
　　（一）温度作用
　　现浇混凝土构件置于现场环境中,除混凝土水化发展的水化热外,还要受到环境温度变化的影响。环境温度的来源主要是太阳辐射,或施工后加热养护等。此外,重要的还有混凝土材料的热工特性参数。它随混凝土不同而变化,从而导致相同环境条件所得温度发展结果不尽相同。下面将分别进行阐述。
　　1、水化热
　　水泥在水化过程中会产生水化热,如果一次浇筑混凝土的体积量很大,产生的大量水化热散不出去,表面和内部升温、降温速度不同,从而会产生表面甚至贯穿裂缝。尤以坝体的大体积混凝土温度裂缝问题最为突出。
　　2、环境温度、湿度
　　现浇混凝土结构与其他混凝土结构形式不同的是,混凝土成型阶段往往会经历季节变化、昼夜温度、湿度变化等的影响。例如,昼夜温差可达15℃左右,而春秋季的湿度比夏天雨季低得多。这样的变化会导致现浇混凝土结构材料强度发展的不均衡性。
　　3、混凝土材料的热工特征
　　结构设计中一般只涉及成熟混凝土的热膨胀系数(TDC)。一般认为,热膨胀系数取决于混凝土孔隙结构中的湿度状态,孔隙结构干燥的和湿饱和的混凝土其热膨胀系数较低,面孔隙结构部分饱和的混凝土的热膨胀系数较高。另外,热膨胀系数还取决于混凝土的骨料的选用,例如石灰石骨料的热膨胀系数只有1.0×10-6℃。
　　（二）收缩变形作用
　　一般地,混凝土收缩变形包括塑性收缩、自干燥收缩(自身收缩)、干燥收缩、温度收缩和碳化收缩五种主要形式。
　　1、塑性收缩
　　混凝土的塑性收缩发生在塑性阶段,由水泥水化反应决定,也有研究行称之为化学收缩。虽然体积变化量很大,但内部混凝土尚未硬化,一般认为,在施工作业振捣充分时不会影响后期质量。
　　2、自干燥收缩
　　通常发生在水泥硬化过程(早前期阶段)中,源于混凝土内部尚未完全水化的水泥颗粒的继续反应消耗自由水,不与环境介质接触,因此也称为自身收缩。高强度混凝土因水灰比较低,后续水化产生的自收缩量值较高,这也是高强度混凝土早期裂缝开展较多的原因之一。
　　3、干燥收缩
　　由于水分的散失而导致的干燥收缩最为常见,发生在早期阶段,是造成收缩裂缝的主要原因。水分散失既包括大气蒸发,也包括地基土壤的吸收。
　　4、温度收缩
　　温度收缩主要是在混凝土初凝之后,水泥水化热的释出量逐渐减少,导致稍后阶段与外界发生热交换后混凝土产的温度降低而产生的。此外,随外界温度变化的张缩也是一个主要因素。
　　5、碳化收缩
　　碳化收缩主要指表层混凝土由于同空气中的CO2发生作用而引起的收缩。—般发生于年代较长、暴露于潮湿环境中的混凝土。
　　大量的工程实践还表明混凝土早期裂缝的生成,一般不是直接作用(结构荷载和施工荷载)的结果,大部分可归结为温度变形和收缩变形等间接作用的效应。
　　（三）应力松弛和徐变变形效应
　　固体材料在固定荷载长期作用下将产生缓慢的变形,力学术语为蠕变,混凝土科学中习惯地称为徐变。固体材料在固定变形约束下,其内部的应力随时间逐渐变化的现象定义为应力的松弛。徐变对混凝土收缩开裂影响的机理关系,如图1所示。当混凝土构件受到限制,收缩应变诱发弹性拉伸应力(见图1曲线a)1徐变效应使这个拉伸应力随时间逐渐减小,从而引起应力松弛(可见图1曲线b)。为此,在混凝土中存在受限制条件时,徐变应变所松弛的应力与收缩应变产生的应力之间的相互关系,是大多数结构中变形与开裂的核心所在。因此,必须考虑混凝土在受约束限制条件下如何承担持续应力。
　　
　　图1收缩和徐变对混凝土开裂的影响
　　这里需要指出,徐变是材料在直接或间接作用下的效应,在一定条件下它还可以舒缓结构构件中生成的拉应力。这在某种程度上延缓了混凝土早期裂缝的开展。由此可见,了解混凝土的弹性(或弹塑性)、干燥收缩、热收缩和徐变性质,以及影响这些性质的诸因素对正确分析混凝土早期裂缝产生的机理是十分重要的。
　　二、早期裂缝控制措施
　　（一）裂缝控制的设计措施
　　1、增配构造筋提高抗裂性能。薄壁结构(壁厚200～600mm)如墙、板、梁等,采取增配构造钢筋,使构造筋起到温度筋的作用,能有效地提高抗裂性能。配筋应尽可能采用小直径、小间距:采用直径8～14mm的钢筋和100～150mm间距是比较合理的。全截面的配筋率不小于0.3%,应在0.3%～0.5%之间。受力筋能满足变形构造要求的,不再增加温度筋;构造筋不能起到抗约束作用的,应增配温度筋。一些国家设计其配置受力筋大大超过实际需要,而构造筋却非常薄弱,值得注意。我国的设计中也有忽略构造筋作用的。
　　2、设滑动层和压缩层。在垫层上表面和底板下表面贴一毡一油作为滑动层。
　　3、避免结构突变(或断面突变)产生应力集中。当不能避免断面突变时,应作局部处理,做成逐渐变化的过渡形式,同时加配钢筋。
　　4、控制应力集中裂缝。工业与民用建筑的各种底板、立墙、顶板以及地下箱形基础和其他特殊构筑物都可能遇到各种形状的孔洞,还有一些结构在长度方向遇有断面突变的情况。在孔洞和变断面的转角部位,由于温度收缩作用,也会引起应力集中,导致裂缝的产生。这是结构裂缝的常见现象。
　　5、设置“暗梁”。这样处理以后,易裂的薄弱部位含钢率增大,混凝土的权限拉伸提高,结构抗裂性得到增强。
　　6、从构造上提高混凝土的极限拉伸及抗拉强度可以有效地提高“抗”的作用。
　　7、“后浇缝”和“跳仓打”是—个道理。可控制施工期间的较大温差与收缩应力。
　　8、以预防为主。在设计阶段就应考虑到出现裂缝的可能性以及施工后经济可靠的修复方法,这才是较为合理的裂缝控制原理。
　　9、从未来的发展方向看,无论是静动荷载作用还是变形作用,提高温凝土材料的韧性将是十分有意义的。
　　（二）裂缝控制的施工措施
　　1、严格控制混凝土原材料的质量,特别是在泵送混凝土工艺中,—定要采取“精料方针”,粗细骨料的含泥量应尽量减少(1%～1.5%),一些重要工程的原料必须预先多点选择。
　　2、混凝土集料的配比应作细致分析,强度等级和水化热及收缩有矛盾,应根据工程所处条件,如防水、防渗、防气、防射线等进行最优方案的选择。设备基础一般的强度等级为C20～C25,重要特殊构筑物为C30。混凝土的水灰比很重要,应在满足强度要求及泵送工艺要求条件下尽可能降低,为此掺入减水剂是必要的。
　　3、根据工程特点,可以利用后期强度,如60天、90天、120天强度,即允许工程在60天、90天或120天达到设计强度。这样可以减少水泥用量,减少水化热和收缩。
　　4、混凝土的浇灌振捣技术对混凝土密实度是很重要的,最宜振捣时间5～15s。泵送流态混凝土也需要振捣。
　　5、相对大块式、厚壁的混凝土工程,裂缝产生的主要因素是水化热降温引起的拉应力,所以必须尽可能减少入模温度,薄层连续浇筑,随后采取保温养护,以减少内外温差。很重要的一环是缓慢降温,越慢越好,为混凝土创造充分应力松弛的条件。与此同时还耍使混凝土保持良好的潮湿状态,这对增加强度和减少收缩是十分有利的。
　　6、对于薄壁结构,裂缝产生的主要因素是收缩,所以应分层散热浇灌,其后保湿养护很重要,而无须专门的保温。预防激烈的温度变化与湿度变化对控制裂缝是有利的。薄壁结构中要设法保证混凝土浇灌振捣的密实性。
　　7、混凝土拆模时间可根据工程具体条件(如工序要求、施工荷载状况)确定,应尽可能多养护一段时间。拆模后混凝土表面的温度不应下降15℃以上,拆模时混凝土的现场试块强度等级不宜低于C5。
　　8、混凝土的施工缝可留出接头,设止水带。一般工程采用施工缝,只要凿毛清理干净,是可以满足设计要求的。止水带的施工质量很重要,只要确保施工质量,止水效果就能达到优良的。
　　9、关于施工季节的选择,一般难以准确确定。较冷、较暖的季节比炎热季节好。但季节不是唯一的条件。如果组织得好,措施可靠,即使在最高气温35℃时,也可保证工程质量。
　　10、对于地下工程,拆模后及时回填土是控制早期、中期开裂的有效手段。土是混凝土最佳的养护介质,施工经验说明,迟迟不回填的暴露工程裂缝是最多的。
　　11、为了减少地基与基础间的摩阻力,两者之间设一层沥青油毡,或涂抹两道海藻酸钠隔离剂,可将地基水平阻力系数减少至0.1-0.3×10-2N/mm3。
　　三、结语
　　早期裂缝是现浇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透能力,影响建筑物的使用功能,而且将加速混凝土中钢筋的锈蚀,降低混凝土材料的耐久性能,严重时还将危及结构的承载能力。因此,要对混凝土的早期裂缝进行深入分析,找出原因,并采取切实可行的预防措施来减少早期裂缝的发生,从而有效保证建筑工程质量。