泵送混凝土施工裂缝的成因和防治(5[1][1].5).doc
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1、泵送混凝土施工裂缝的成因和防治摘 要:钢筋混凝土的裂缝控制是建筑工程中很重要的问题之一,特别是最近20年来,泵送商品混凝土获得广泛运用之后,混凝土均质性有了很大改善的同时,裂缝控制技术难度大大增加了,本文是在大量建设实践和现场实验基础上,概述了变形作用引起裂缝的原因,约束变形特征,抗与放的设计准则以及综合技术措施等。关键词:裂缝;收缩;徐变;松弛 目录引言.21.概述22.泵送混凝土的特点32.1原材料和配合比.32.2工艺.33.变形裂缝产生的原因和特征.43.1温度裂缝.43.1.1产生的原因和特征.43.1.2影响因素和防治措施.53.2沉陷(塑性)收缩裂缝,83.2.1产生的原因和特征
2、83.2.2影响因素和防止措施.93.2.3产生的原因和特征.93.3干缩裂缝.93.3.2影响因素和防止措施.9结语.12致谢.13参考文献13引言混凝土因取材广泛,价格低廉,抗压强度高,可浇筑成各种形状,并且耐火性好,不易风化,养护费用低,成为当今世界建筑结构中使用最广泛的建筑材料。混凝土最主要的缺点是抗拉能力差,容易开裂。大量的工程实践和理论分析说明,几乎所有的混凝土构件均是带裂缝工作的,只是有些裂缝很细,甚至肉眼看不见(0.05mm),一般对结构的使用无大的危害,可允许其存在;有些裂缝在使用荷载或外界物理,化学因素的作用下,不断产生和扩展,引起混凝土炭化,保护层剥落,钢筋腐蚀,使混凝土
3、的强度和刚度受到削弱,耐久性降低,严重时甚至发生垮塌事故,危害结构正常使用,必须加以控制。我国现在公路,铁路,建筑,水利等部门设计规范均采用限制构件裂缝宽度的办法来保障混凝土结构的正常使用。本文所讨论的仅指后一类裂缝。近年来,泵送商品混凝土获得广泛之后,混凝土均质性有了很大改善的同时,裂缝控制技术难度大大增加了,本文是在大量建设实践和理论研究基础上,概述了变形作用引起裂缝的原因以及综合防治技术措施等。 1.概述 20年来,在工民建钢筋混凝土结构领域,一个相当普遍的质量问题就是结构的裂缝问题,且有日趋增多的趋势,它已到正常的生活和生产,并困扰着大批工程技术人员和管理人员,是一个迫切需要解决的技术
4、难题。 由于结构在外荷载作用下的破坏和倒塌是从裂缝扩展开始的,因此人们对裂缝往往产生一种建筑破坏的恐惧感,是可以理解的。早在1932年,前苏联教授的钢筋混凝土强度就指出,如正常配筋受弯构件的破坏状态是指受拉区钢筋到达屈服强度,受压区混凝土到达受弯的抗压强度,此状态称为承载力极限状态。这一状态全过程是伴随着荷载的不断增加,裂缝出现(钢筋应力只有4060MPa),裂缝扩展,受压区塑性不断,最后达到完全破坏。此时破坏荷载往往是裂缝出现荷载时的35倍,因此,很多大型钢筋混凝土结构,仅仅自重就超过了极限荷载的30%,在此条件下钢筋混凝土结构带有轻微裂纹是完全正常的,结构是安全的,恐惧是不必要的。 国内外
5、关于荷载作用下钢筋混凝土构件的设计都有自己的经验公式,并已纳入有关规范,尽管结果出入较大,但毕竟可以应用。 但是近年来大量裂缝的出现,并非与荷载作用有直接关系,通过大量的调查与实测研究证明这种裂缝是由于变形作用引起,包括温度变形(水泥的水化热、气温变化、环境生产热),收缩变形(塑性收缩、干燥收缩、碳化收缩)及地基不均匀沉降(膨胀)变形。由于这些变形受到约束引起的应力超过混凝土的抗拉强度导致裂缝,统称“变形作用引起的裂缝”。2.泵送混凝土的特点.原材料和配合比a水泥用量较多强度等级C20C60范围为350550kg/m3。b. 超细掺合料时有添加为改善混凝土性能,节约水泥和降低造价,混凝土中掺加
6、粉煤灰、矿渣、沸石粉等掺合料。c.砂率偏高、砂用量多为保证混凝土的流动性、粘聚性和保水性,以便于运输、泵送和浇筑,泵送混凝土的砂率要比普通流动性混凝土增大砂率6%以上,约为3845%。d.石子最大粒径为满足泵送和抗压强度要求,与管道直径比12.5(卵石)、13(碎石)14、15。e.水灰比宜为0.40.6水灰比小于0.4时,混凝土的泵送阻力急剧增大;大于0.6时,混凝土则易泌水、分层、离析,也影响泵送。f.泵送剂多为高效减水剂复合以缓凝剂、引气剂等,对混凝土拌合物流动性和硬化混凝土的性能有影响,因而对裂缝也有影响。.工艺a混凝土拌制在搅拌站(楼)进行,原材料计量准确,搅拌均匀,但也偶有失控情况
7、。b多数搅拌站未设细掺合料、粉状泵送剂、粉状膨胀剂称量和料仑,采用人工或容积法,使计量与分散存在问题,影响混凝土的均匀性。c当混凝土拌合物过乾、过稀,运输时间过长、停留时间过长且未进行搅拌均匀前入泵时,混凝土拌合物乾稀不匀。d每个运输车中混凝土的坍落度相差过大,加入泵车内输送时,会浇筑的混凝土均匀性变坏。e混凝土浇筑后振捣不足、振捣过度,特别是面积系数很大的板材,采用振捣棒密实不均匀。f大体积混凝土施工,当技术措施不当或不完善时,易产生温度裂缝。g混凝土大面积板材,在浇筑后防风、防晒、养护不足时,易产生干缩裂缝。h混凝土拌合物过乾、人工、无称量的加入高效减水剂或水时,混凝土质量不易保证。3.变
8、形裂缝产生的原因和特征3.1温度裂缝3.1.1产生的原因和特征水泥水化过程中产生大量的热量,每克水泥放出502J的热量,如果以水泥用量350550kg/m3来计算,每m3混凝土将放出1750027500KJ的热量,从而使混凝土内部温度升高,在浇筑温度的基础上,通常升高35左右。如果按着我国施工验收规范规定浇筑温度为28则可使混凝土内部温度达到65左右。但是,如果没有降温措施或浇筑温度过高,混凝土内部温度高达8090的情况也时有发生,例如XX大厦在浇筑筏板反梁基础的大体积混凝土的内部温度,经实际测定高达95。水泥水化热在13天可放出热量的50%,由于热量的传递、积存,混凝土内部的最高温度大约发生
9、在浇筑后的35天,因为混凝土内部和表面的散热条件不同,所以混凝土中心温度低,形成温度梯度,造成温度变形和温度应力。温度应力和温差成正比,温度越大,温度应力也越大。当这种温度应力超过混凝土的内外约束应力(包括混凝土抗拉强度)时,就会产生裂缝。这种裂缝的特点是裂缝出现在混凝土浇筑后的35天,初期出现的裂缝很细,随着时间的发展而继续扩大,甚至达到贯穿的情况。3.1.2影响因素和防治措施混凝土内部的温度与混凝土厚度及水泥品种、用量有关。混凝土越厚,水泥用量越大,水化热越高的水泥,其内部温度越高,形成温度应力越大,产生裂缝的可能性越大。对于大体积混凝土,其形成的温度应力与其结构尺寸相关,在一定尺寸范围内
10、,混凝土结构尺寸越大,温度应力也越大,因而引起裂缝的危险性也越大,这就是大体积混凝土易产生温度裂缝的主要原因。因此防止大体积混凝土出现裂缝最根本的措施就是控制混凝土内部和表面的温度差。3.1.2.1混凝土原材料和配合比的选用a水泥品种选择和水泥用量控制大体积钢筋混凝土引起裂缝的主要原因是水泥水化热的大量积聚,使混凝土出现早期升温和后期降温,产生内部和表面的温差。减少温差的措施是选用中热硅酸盐水泥或低热矿渣硅酸盐水泥,在掺加泵送剂或粉煤灰时,也可选用矿渣硅酸盐水泥。再有,可充分利用混凝土后期强度,以减少水泥用量。根据大量试验研究和工程实践表明,每m3混凝土的水泥用量增减10kg,其水化热将使混凝
11、土的温度相应升高或降低1。因此,为更好的控制水化热所造成的温度升高、减少温度应力,可以根据工程结构实际承受荷载的情况,对工程结构的强度和刚度进行复核与验算,并取得设计单位的同意后,可用56天或90天抗压强度代替28天抗压强度作为设计强度。由于过去土木建筑物层数不多、跨度不大,且多为现场搅拌,施工工期短,混凝土标准试验龄期定为28天,但对于具有大体积钢筋混凝土基础的高层建筑,大多数的施工期限很长,少则12年,多则45年,28天不可能向混凝土结构,特别是向大体积钢筋混凝土基础施加设计荷载,因此将试验混凝土标准强度的龄期推迟到56天或90天是合理的,正是基于这点,国内外许多专家均提出这样建议。如果充
12、分利用混凝土的后期强度,则可使每m3混凝土的水泥用量减少4070kg左右,则混凝土温度相应降低47。最后,为减少水泥水化热和降低内外温差的办法是减少水泥用量,将水泥用量尽量控制在450kg/m3以下。如果强度允许,可采用掺加粉煤灰来调整。b掺加掺合料国内外大量试验研究和工程实践表明,混凝土中掺入一定数量优质的粉煤灰后,不但能代替部分水泥,而且由于粉煤灰颗粒呈球状具有滚珠效应,起到润滑作用,可改善混凝土拌合物的流动性、粘聚性和保水性,并且能够补充泵送混凝土中粒径在0.315mm以下的细集料达到占15%的要求,从而改善了可泵性。同时,依照大体积混凝土所具有的强度特点,初期处于较高温度条件下,强度增
13、长较快、较高,但是后期强度增长缓慢。掺加粉煤灰后,其中的活性Al2O3、SiO2与水泥水化析出的CaO作用,形成新的水化产物,填充孔隙、增加密实度,从而改善了混凝土的后期强度。但是应当值得注意的是,掺加粉煤灰混凝土的早期抗拉强度和极限变形略有降低。因此,对早期抗裂要求较高的混凝土,粉煤灰掺量不宜太多,宜在1015%以内。特别重要的效果是掺加原状或磨细粉煤灰之后,可以降低混凝土中水泥水化热,减少绝热条件下的温度升高。掺加粉煤灰的水泥混凝土的温度和水化热,在128d龄期内,大致为:掺入粉煤灰的百分数就是温度和水化热降低的百分数,即掺加20%粉煤灰的水泥混凝土,其温升和水化热约为未掺粉煤灰的水泥混凝
14、土的80%,可见掺加粉煤灰对降低混凝土的水化热和温升的效果是非常显著的。目前许多商品混凝土厂家,由于认识、技术、设备(料仓)等原因,尚未有效、充分地利用粉煤灰。c掺加外加剂掺加具有减水、增塑、缓凝、引气的泵送剂,可以改善混凝土拌合物的流动性、粘聚性和保水性。由于其减水作用和分散作用,在降低用水量和提高强度的同时,还可以降低水化热,推迟放热峰出现的时间,因而减少温度裂缝。例如,在泵送混凝土中,掺入占水泥重量0.25%的木质素磺酸钙减水剂,不仅能使混凝土的泵送性能改善,而且可以减少拌合水和水泥用量,从而降低水化热,延迟了水化热释放速度,推迟放热峰。因此,不但减少了温度应力,而且使初凝和终凝时间延缓
15、38h,降低了大体积混凝土施工中出现冷缝的可能性。d选用质量优良的粗细集料粗集料根据结构最小断面尺寸和泵送管道内径,选择合理的最大粒径,尽可能选用较大的粒径。例如540mm粒径可比525mm粒径的碎石或卵石混凝土可减少用水量68kg/m3,降低水泥用量15kg/m3,因而减少泌水、收缩和水化热。要优先选用天然连续级配的粗集料、使混凝土具有较好的可泵性,减少用水量、水泥用量,进而减少水化热。细集料以采用级配良好的中砂为宜。实践证明,采用细度模数2.8的中砂比采用细度模数2.3的中砂,可减少用水量2025kg/m3,可降低水泥用量2835kg/m3,因而降低了水泥水化热、混凝土温升和收缩。泵送混凝
16、土也宜选用合理砂率,其砂率值较低流动性混凝土适当提高是必要的。但是砂率过大,不仅会影响混凝土的工作度和强度,而且能增大收缩和裂缝。3.1.2.2泵送混凝土施工工艺改进a控制混凝土出机温度和浇筑温度为了降低混凝土的总温升,减少大体积工程结构的内外温差,控制混凝土的出机温度和浇筑温度也是一个重要措施。对于出机温度和浇筑温度的控制,世界各国都非常重视,并有较明确的规定:我国水工混凝土施工规范(SDJ207-82)中规定:高温季节施工时,混凝土最高浇筑温度,不得超过28。为求得统一,混凝土结构工程施工及验收规范(GB50204-92)也规定了这个温度值。日本规范规定,暑期混凝土的搅拌温度为30以下,浇
17、筑时的混凝土温度应低于35;对于大体积混凝土的温度,规定拌制时为25以下,浇筑时要在30以下。前苏联规范规定,暑期施工时,当浇筑表面系数大于3的结构混凝土时,混凝土拌合物从搅拌站运出时的温度应当不超过3035,而对于表面系数小于3的大体积结构,混凝土拌合物温度应尽可能降低,且不超过20。美国规范规定,在炎热的气候条件下,浇筑温度不得超过32。德国规范规定,在炎热气候时,新拌混凝土温度,在卸车时不得超过30。为了降低混凝土的出机温度和浇筑温度。最有效的方法是降低原料温度,混凝土中石子比热较小,但每m3混凝土中石子所占重量最大,所以最有效的办法是降低石子温度。在气温较高时,为了防止太阳直接照射,可
18、以在砂石堆场搭设简易遮阳棚,必要时可向集料喷淋雾状水,或者在使用前用冷水冲洗集料。国外也有的搅拌混凝土时加冰块冷却。除此之外,搅拌运输车罐体、泵送管道保温、冷却也是必要的措施。b改进工艺搅拌工艺采用二次投料的净浆裹石或砂浆裹石工艺,可以有效地防止水分聚集在水泥砂浆和石子的界面上,使硬化后界面过渡层结构致密、粘结力增大,从而提高混凝土强度10%或节约水泥5%,并进一步减少水化热和裂缝。振动工艺对已浇筑的混凝土,在终凝前进行二次振动,可排除混凝土因泌水,在石子、水平钢筋下部形成的空隙和水分,提高粘结力和抗拉强度,并减少内部裂缝与气孔,提高抗裂性。养护工艺为了严格控制大体积混凝土的内外温差,确保混凝
19、土质量,减少裂缝,养护是一个十分重要和关键的工序,必须切实做好。混凝土养护主要是保持适当的温度和湿度条件。保温能减少混凝土表面的热扩散,降低混凝土表层的温差,防止表面裂缝。由于散热时间延长,混凝土强度和松弛作用得到充分发挥,使混凝土总温差产生的拉应力小于混凝土的抗拉强度,防止了贯穿裂缝的产生。浇筑时间不长的混凝土,仍然处于凝结、硬化过程,水泥水化速度较快,适宜的潮湿条件可防止混凝土表面脱水而产生收缩裂缝。同时在潮湿条件下,可使水泥的水化充分、完全,从而提高混凝土的抗拉强度。3.2沉陷(塑性)收缩裂缝3.2.1产生的原因和特征在泵送混凝土现浇的各种钢筋混凝土结构中,特别是板、墙等表面系数大的结构
20、之中,经常出现一种早期裂缝。这种裂缝为断续的水平裂缝,裂缝中部较宽、两端较窄、呈梭状。裂缝经常发生在板结构的钢筋部位、板肋交接处、梁板交接处、梁柱交接处、结构变截面的地方。这种裂缝产生的原因主要是混动性过大和流动性不足以及不均匀,在凝结硬化前没有沉实或者沉实不够,当混凝土沉陷时受到钢筋、模板抑制以及模板移动、基础沉陷所致。裂缝在混凝土浇筑后13小时出现,裂缝的深度通常达到钢筋上表面。3.2.2影响因素和防止措施a要严格控制混凝土单位用水量在170kg/m3以下,水灰比在0.6以下,在满足泵送和浇筑要求时,宜尽可能减少坍落度;b掺加适量、质量良好的泵送剂和掺合料,可改善工作性和减少沉陷;c混凝土
21、搅拌时间要适当,时间过短、过长都会造成拌合物均匀性变坏而增大沉陷;d混凝土浇筑时,下料不宜太快,防止堆积或振捣不充分;e混凝土应振捣密实,时间以1015秒/次为宜,在柱、梁、墙和板的变截面处宜分层浇筑、振捣。在混凝土浇筑11.5小时后,混凝土尚未凝结之前,对混凝土进行两次振捣,表面要压实抹光;f在炎热的夏季和大风天气,为防止水分激烈蒸发,形成内外硬化不均和异常收缩引起裂缝,应采取措施缓凝和复盖。3.3干缩裂缝3.3.1产生的原因和特征干燥收缩的主要原因是水分在硬化后较长时间产生的水分蒸发引起的。混凝土的干燥收缩由于集料的干燥收缩很小,因此主要是由于水泥石干燥收缩造成的。水泥石干燥收缩理论有毛细
22、管张力学说、表面吸附学说和夹层水学说等,不论哪种学说,都是水分蒸发引起的。混凝土的水分蒸发、干燥过程是由外向内、由表及里,逐渐发展的。由于混凝土蒸发干燥非常缓慢,产生干燥收缩裂缝多数在一个月以上,有时甚至一年半载,而且裂缝发生在表层很浅的位置,裂缝细微,有时呈平行线状或网状,常常不被人们注视。但是应当特别注意,由于碳化和钢筋锈蚀的作用,干缩裂缝不仅严重损害薄壁结构的抗渗性和耐久性,也会使大体积混凝土的表面裂缝发展成为更严重的裂缝,影响结构的耐久性和承载能力。3.3.2影响因素和防止措施3.3.2.1“抗与放”设计准则 结构承受的约束作用分内约束(自约束)和外约束两类。结构的变形如果是完全自由的
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