商品混凝土非荷載裂縫淺析
2005-05-21 00:00
[摘要]在對(duì)國(guó)內(nèi)商品混凝土性能分析的基礎(chǔ)上， 分析了商品混凝土非荷載裂縫的產(chǎn)生原因， 并針對(duì)各種不同的裂縫產(chǎn)生原因提出了相應(yīng)的措施。
[關(guān)鍵詞]混凝土 非荷載裂縫 收縮
1 現(xiàn)代混凝土的發(fā)展概況
商品混凝土又稱為預(yù)拌混凝土， 是指集中制作后再以商品形式供應(yīng)用戶的混凝土。目前，商品混凝土以其進(jìn)度快、質(zhì)量好、勞力省、消耗低、技術(shù)先進(jìn)、現(xiàn)場(chǎng)文明等諸多優(yōu)點(diǎn)， 已成為城市建設(shè)業(yè)不可缺少的組成部分，越來(lái)越受到人們的歡迎。
1．1 商品混凝土的優(yōu)越性
商品混凝土生產(chǎn)是將分散的小生產(chǎn)方式的混凝土生產(chǎn)變成集中的專業(yè)化的混凝土生產(chǎn)系統(tǒng)， 再以
商品的形式向用戶供應(yīng)混凝土，將混凝土的攪拌、運(yùn)輸和布料，個(gè)工序緊密地結(jié)合在一起，其優(yōu)越性歸納起來(lái)有以下幾點(diǎn)：
a) 提高設(shè)備利用率；
b) 減少污染，節(jié)約用料；
c) 有利于質(zhì)量控制；
d) 有利于新技術(shù)的推廣；
e) 商品混凝土的質(zhì)量穩(wěn)定，有利于推廣新的施工工藝。
1．2 混凝土技術(shù)的進(jìn)展及其影響
在混凝土一百多年的發(fā)展歷程中， 現(xiàn)代混凝土正向著高強(qiáng)、高流動(dòng)性、高耐久性的方向發(fā)展。 工程中商品混凝土的大量應(yīng)用，使得混凝土的水灰比、水泥用量、 外加劑等方面均較以往現(xiàn)場(chǎng)攪拌的普通混凝土有了較大的變化，具體表現(xiàn)為以下幾個(gè)方面：
1．2．1 商品混凝土的單位用水量
混凝土中的用水量越大， 則混凝土的收縮也越大，從而也大大地增加了現(xiàn)澆樓板開(kāi)裂的可能性。
1．2．2 水泥
商品混凝土中水泥較以往普通混凝土的變化，主要表現(xiàn)在水泥細(xì)度和水泥的用量?jī)蓚€(gè)方面。受混凝土早期強(qiáng)度發(fā)展快可以給業(yè)主和承包商帶來(lái)明顯的利益所驅(qū)使， 水泥生產(chǎn)商將水泥產(chǎn)品中的硅酸三鈣含量不斷提高，粉磨也不斷增大。上述的變化，增大了混凝土的水灰比，水灰比大的混凝土碳化要比水灰比小的混凝土迅速，對(duì)海水。凍融與耐久性也不如后者、隨著混凝土強(qiáng)度設(shè)計(jì)等級(jí)的提高， 促使混凝土單位水泥用量迅速增長(zhǎng)， 混凝土中水泥及細(xì)粉含量的增加，使得其收縮有擴(kuò)大的趨勢(shì)；與此同時(shí)，水泥的水化熱較高， 也使得混凝土拌合物的澆筑溫度過(guò)高，水化反應(yīng)過(guò)快，為早期的溫度收縮裂縫的出現(xiàn)創(chuàng)造了條件。
1．2．3 骨料質(zhì)量
商品混凝土中砂的細(xì)度較細(xì)，表面積較大，需要更多的水泥等膠凝材料包裹， 由此帶來(lái)水泥用量和
用水量的增加，隨之混凝土中孔隙和毛細(xì)孔增多，使混凝土的收縮加大，增大了裂縫產(chǎn)生的機(jī)會(huì)。為提高混凝土的泵送性， 商品混凝土常采用較小粒徑的骨料， 同時(shí)骨料的顆粒級(jí)配較差， 用量較小， 使得生產(chǎn)混凝土?xí)r需要較多的細(xì)骨料和膠凝材料來(lái)填充，所以水泥用量和用水量也較大，從而使混凝土的收縮也相應(yīng)增大。
1．2．4 坍落度
實(shí)際施工中，商品混凝土的坍落度一般在10cm以上，在一些郵電高層建筑施工中，坍落度甚至可達(dá)到17～18cm，造成混凝土在硬化過(guò)程中，由于水分蒸發(fā)和膠凝體失水后引起干縮量加大， 使得產(chǎn)生裂縫的概率也加大。
1．2．5 外加劑
混凝土外加劑在商品混凝土中的廣泛應(yīng)用，已使其成為混凝土中必不可少的第五組分?；炷镣?/DIV>
加劑的特點(diǎn)是品種多%摻量小，在改善新拌和硬化混凝土性能中起著重要的作用；但是，如果混凝土中外加劑的摻量不恰當(dāng)，配制的水灰比（或水膠比）較低，會(huì)顯著增加混凝土早期的自生收縮。
1．2．6 摻合料
摻合料是現(xiàn)代混凝土中必不可少的第六組分。當(dāng)混凝土中摻入活性粉料（粉煤灰）時(shí)，可以提高其工作性，降低水化熱（摻水泥用量的15％，降低水化熱的15％左右），因此，粉煤灰在商品混凝土中得到了廣泛地應(yīng)用， 但同時(shí)應(yīng)當(dāng)注意到摻加粉煤灰的混凝土早期抗拉強(qiáng)度及早期極限拉伸有少量的降低（約10～20％），從而增加了商品混凝土開(kāi)裂的可能性。
2 混凝土結(jié)構(gòu)中的非荷載裂縫
混凝土結(jié)構(gòu)是我國(guó)工程結(jié)構(gòu)中最常見(jiàn)、應(yīng)用最廣泛的結(jié)構(gòu)形式之一。 但由于混凝土結(jié)構(gòu)自身組成材料的弱點(diǎn)（抗拉強(qiáng)度較低），在使用條件下容易出現(xiàn)裂縫，這里所說(shuō)的裂縫是指肉眼可見(jiàn)的宏觀裂縫，而不是微觀裂縫，其寬度應(yīng)在0.05mm以上。
混凝土結(jié)構(gòu)中常見(jiàn)的裂縫可分為兩類， 一類是由于結(jié)構(gòu)承受荷載產(chǎn)生的裂縫， 這類裂縫是結(jié)構(gòu)在荷載作用下在某些部位產(chǎn)生的拉應(yīng)力超過(guò)了材料的抗拉強(qiáng)度而引起的，又稱為“荷載裂縫”；另一類是由于混凝土材料的收縮變形、 溫度變化以及混凝土內(nèi)鋼筋銹蝕等原因引起的裂縫，又稱為“非荷載裂縫”。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)因荷載作用引起的“荷載裂縫”進(jìn)行了較深入地研究，建立了相關(guān)的理論和控制標(biāo)準(zhǔn)，而對(duì)因其他原因引起的“非荷載裂縫”則主要是在設(shè)計(jì)和施工中規(guī)定了一些構(gòu)造措施來(lái)防止和減輕， 尚未建立起有效的計(jì)算理論和控制措施，因此，本文將混凝土結(jié)構(gòu)中的“非荷載裂縫”作為主要的研究對(duì)象來(lái)加以分析。
2．1 非荷載裂縫的分類
2．1．1 混凝土硬化以前新拌混凝土的塑性裂縫
出現(xiàn)塑性裂縫的主要原因有：
a）新拌混凝土在可塑狀態(tài)下凝結(jié)收縮而產(chǎn)生的塑性收縮裂縫；
b）可塑狀態(tài)下新拌混凝土，其組成材料因受力下沉不均勻或下沉受阻而產(chǎn)生的塑性沉降裂縫；
c）可塑狀態(tài)下的混凝土因模板變形、支架下沉或受到施工過(guò)程中的擾動(dòng)、 移動(dòng)等原因而產(chǎn)生的其他塑性裂縫。
2．1．2 硬化混凝土的早期收縮裂縫
硬化混凝土早期收縮裂縫主要包括干燥裂縫、自生收縮裂縫和溫度收縮裂縫。
1）干燥收縮裂縫
干燥時(shí)收縮，受濕時(shí)膨脹，這是水泥基混凝土材料的固有特性， 其主要原因是混凝土內(nèi)的固體水泥
漿體體積會(huì)隨含水量而改變。 混凝土中骨料對(duì)水泥漿體積的變化起到了很大的約束作用， 使混凝土的體積變化遠(yuǎn)低于水泥漿體的體積變化。 在硬化水泥漿體中，部分水存在于漿體的毛細(xì)孔隙內(nèi)，而相當(dāng)一部分水則存在于水泥硅酸鈣凝膠體之中。 混凝土干燥時(shí)， 首先失去的是較大孔徑的毛細(xì)孔隙中的自由水份，但這幾乎不會(huì)引起固體漿體體積的變化，只有很小孔徑毛細(xì)孔隙水和凝膠體內(nèi)的吸附水與膠體的層間孔隙水減少時(shí)才會(huì)引起明顯的收縮。
目前，混凝土干燥收縮的機(jī)理尚不完全清楚，一般認(rèn)為是干燥時(shí)混凝土內(nèi)的孔隙水拉力發(fā)生變化，膠凝體粒子的表面張力增加， 膠凝體內(nèi)的膨脹蒸汽壓力減小和層間水稱出的綜合結(jié)果。
2） 自生收縮裂縫
自生收縮是水泥水化作用引起的收縮， 并不屬于干燥收縮。水泥水化本身造成體積膨脹，但如將參與水化反應(yīng)的水的體積加在一起， 則水化前后水泥與水的總體積減少。在已硬化的水泥漿體中，未水化的水泥繼續(xù)水化是產(chǎn)生自生收縮的主要原因。 自生收縮主要發(fā)生在混凝土硬化的早期， 一般認(rèn)為混凝土在開(kāi)始硬結(jié)后的幾天或幾周內(nèi)可完成自生收縮。
水灰比的變化對(duì)于干燥收縮和自生收縮的影響正相反，當(dāng)水灰比降低時(shí)，混凝土的干燥收縮減小，而自生收縮增大。 如當(dāng)水灰比大于0.5時(shí)，其自生收縮與干縮相比小得可以忽略不計(jì)。但是當(dāng)水灰比小于0.35時(shí)，混凝土內(nèi)相對(duì)濕度很快降到80%以下，自生收縮與干縮則接近各占一半；當(dāng)水灰比低至0.17時(shí)，則自生收縮要占100%，而干縮為0，意味著即使在很干燥的環(huán)境中也沒(méi)有水份向外蒸發(fā)，水灰比較小的高性能混凝土自收縮過(guò)程開(kāi)始于水化速度處于高潮階段的頭幾天，濕度梯度首先引發(fā)表面裂縫，隨后引發(fā)內(nèi)部裂縫，若混凝土變形受到約束，則進(jìn)一步產(chǎn)生收縮裂縫， 這也是高強(qiáng)混凝土容易開(kāi)裂的主要原因之一。
3）溫度收縮裂縫
引起混凝土早期體積變化的主要原因是溫度收縮，溫度對(duì)早期混凝土的收縮開(kāi)裂起著重要的作用?；炷猎谀Y(jié)及早期過(guò)程中釋放大量水化熱， 使混凝土升溫， 當(dāng)混凝土內(nèi)部的溫度與外部環(huán)境相差較大， 以致所形成的溫度應(yīng)力或溫度變形超過(guò)混凝土當(dāng)時(shí)的抗拉強(qiáng)度或極限拉伸值時(shí)，就會(huì)形成裂縫。在工程實(shí)踐中，尤其是大體積混凝土結(jié)構(gòu)中，控制混凝土的溫度收縮裂縫最為關(guān)鍵。
工程中常出現(xiàn)的“非荷載裂縫”主要是由于混凝土的干燥收縮*溫度收縮引起的，其中也有許多裂縫
是由于混凝土的干燥收縮和溫差變形的雙重作用共同引起的。
2．1．3 工程中常見(jiàn)的收縮裂縫圖
工程中因混凝土收縮開(kāi)裂的例子很多， 經(jīng)歸納總結(jié)，以下給出了工程中常見(jiàn)的收縮裂縫示意圖（見(jiàn)圖1），以助于對(duì)收縮裂縫的分析和判斷。
3 混凝土結(jié)構(gòu)非荷載裂縫的控制措施
混凝土收縮和溫度作用引起的非荷載裂縫雖然對(duì)結(jié)構(gòu)的安全不會(huì)形成不利的影響， 但它們的存在會(huì)損害結(jié)構(gòu)的使用功能和耐久性，因此，仍需要采用措施來(lái)預(yù)防或減少這些裂縫。一旦出現(xiàn)非荷載裂縫，就必須分析其產(chǎn)生的原因，并采取適當(dāng)?shù)男扪a(bǔ)措施。
3．1 減少混凝土結(jié)構(gòu)的收縮變形
3．1．1 混凝土的水灰比
隨著水灰比的增加， 混凝土內(nèi)部提供了更多的空間用于自由水的擴(kuò)散， 從而減少了混凝土抵抗變形的剛度， 引起混凝土的收縮應(yīng)變也隨之增加。因此，要減少混凝土的收縮應(yīng)變，應(yīng)盡量采用較小的水灰比，混凝土的水灰比不宜大于0.60。
3．1．2 養(yǎng)護(hù)條件
養(yǎng)護(hù)條件是減少混凝土收縮變形， 進(jìn)而有效控制非荷載裂縫的一個(gè)重要因素?；炷猎跐仓院螅B(yǎng)護(hù)期間內(nèi)相對(duì)濕度越大， 混凝土內(nèi)部和外界的濕交換越小，其相應(yīng)的收縮變形也越小。當(dāng)混凝土構(gòu)件處于標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下時(shí)， 其收縮應(yīng)變要較自然養(yǎng)護(hù)下的收縮應(yīng)變小得多。這是因?yàn)闃?biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室內(nèi)溫度恒定，相對(duì)濕度較大，混凝土內(nèi)部失水較少的緣故。因此，在施工中必須對(duì)養(yǎng)護(hù)工作給予充分的重視，要制定養(yǎng)護(hù)方案， 派專人負(fù)責(zé)養(yǎng)護(hù)工作。 混凝土澆完畢，混凝土凝結(jié)后，需進(jìn)行妥善的保溫、保濕養(yǎng)護(hù)，盡量避免干燥的急劇變化。保溫、保濕的養(yǎng)護(hù)時(shí)間，對(duì)硅酸鹽水泥、普通硅酸鹽水泥或礦渣硅酸鹽水泥拌制的混凝土，不得少于7d，對(duì)有抗?jié)B要求的混凝土，不得小于14d。
對(duì)于底板和樓板等平面結(jié)構(gòu)構(gòu)件， 混凝土澆收漿和抹壓后，用塑料薄膜覆蓋，防止表面水分蒸發(fā)?；炷劣不量缮先藭r(shí)，揭去塑料薄膜，鋪上麻袋或草簾，用水澆透，有條件時(shí)盡量蓄水養(yǎng)護(hù)。 墻體混凝土澆注完畢，混凝土達(dá)到一定強(qiáng)度（1～3d）后，必要時(shí)應(yīng)及時(shí)松動(dòng)兩側(cè)模板，離縫約3～5mm，在墻體頂部架設(shè)淋水管，噴淋養(yǎng)護(hù)。拆除模板后，應(yīng)在墻兩側(cè)覆掛麻袋或草簾，避免陽(yáng)光直照墻面。
3．1．3 膨脹劑
在拌制混凝土?xí)r加入一定量的膨脹劑， 可以有效地減少混凝土早期的收縮變形， 甚至可以使混凝
土處于預(yù)壓狀態(tài)， 從而有效地控制非荷載裂縫的產(chǎn)生。 值得注意的是，在選用膨脹劑時(shí)，必須根據(jù)工程具體情況先做水泥適應(yīng)性及實(shí)際效果試驗(yàn)， 要選擇抗收縮性能較好的膨脹劑。
3．1．4 構(gòu)件中所配的鋼筋
配筋混凝土構(gòu)件的收縮應(yīng)變要遠(yuǎn)小于同等條件下素混凝土構(gòu)件的收縮應(yīng)變。 約2％的配筋率就可以
將混凝土的收縮應(yīng)變降低到70~80×10－6，配筋率越大，混凝土的收縮應(yīng)變則越小。同時(shí)，配筋也可將素混凝土構(gòu)件中本可出現(xiàn)的貫穿性裂縫分散到不可見(jiàn)或無(wú)任何意義的微細(xì)程度。
因此，通常在板、現(xiàn)澆剪力墻中配置構(gòu)造鋼筋來(lái)控制溫度收縮裂縫。在板中，宜采用直徑細(xì)而間距密的方法配置，其間距不大于100mm，沿板的縱橫兩個(gè)方向的配筋率分別不宜小于0.1％。在墻體中的水平分布筋的配筋率不宜小于0.4%.， 間距不大于100mm。
3．2 有效地控制混凝土的溫度差異
由于水泥水化熱引起混凝土溫升， 混凝土發(fā)生膨脹應(yīng)變，形成壓應(yīng)力，隨后混凝土溫度達(dá)到峰值開(kāi)始降溫并發(fā)生收縮，壓應(yīng)力很快下降為零，繼續(xù)降溫冷卻，混凝土內(nèi)的拉應(yīng)力也不斷增長(zhǎng)，當(dāng)混凝土的拉應(yīng)力超過(guò)當(dāng)時(shí)的混凝土抗拉強(qiáng)度時(shí)， 則會(huì)出現(xiàn)溫度收縮裂縫。因此，控制好混凝土的溫降階段是減少溫度收縮裂縫的關(guān)鍵問(wèn)題， 尤其是在混凝土拆除模板后，更要控制好它的溫降速率，否則極易出現(xiàn)溫度收縮裂縫。
在實(shí)際工程中， 應(yīng)控制澆筑后的混凝土內(nèi)外溫差，混凝土表面與環(huán)境溫度不超過(guò)25℃，為達(dá)到這一要求可采用以下幾種措施：
a） 在混凝土進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)摻用礦物摻合料降低水泥用量，并采用水化熱低的水泥；
b） 降低混凝土的入模溫度（可在拌制混凝土?xí)r加入冰屑或冰水降溫、控制水泥及骨料溫度）；
c） 預(yù)埋冷卻水管降低混凝土的內(nèi)部溫度。
4 結(jié)論
綜上所述，只要在設(shè)計(jì)、施工、管理、材料等各個(gè)方面綜合考慮，采取合理的措施，混凝土中的非荷載裂縫是可以大大減少的，這對(duì)提高結(jié)構(gòu)的耐久性具有非常重要的意義。 編輯：
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