泵送商品混凝土早期裂縫產(chǎn)生原因分析

2006-11-27 00:00  留言

摘　要：本文針對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)場攪拌混凝土已越來越得到普及，但在應(yīng)用的同時也產(chǎn)生了諸多以前不曾出現(xiàn)的問題。根據(jù)多年來的實踐觀察，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，開裂問題，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，但裂縫的存在會影響建筑物的外觀，并對結(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，礫石混凝土比碎石混凝土流動性好，與管道摩擦阻力小；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，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，粗骨料最大粒徑不宜大于輸送管內(nèi)徑的1/ 2.5 ；細(xì)骨料顆粒級配對混凝土的流動性有很大影響，為提高混凝土的流動性和防止離析，泵送商品混凝土中通過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)走向市場經(jīng)濟(jì)的今天。

　　2．3 　綜上所述：泵送商品混凝土在使用時與普通混凝土相比，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，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，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a(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、硬化之前仍處于塑性狀態(tài)的時刻。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有及時覆蓋，受風(fēng)吹日曬，表面游離水蒸發(fā)過快，產(chǎn)生急劇的體積收縮，而此時混凝土強(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。所以說干燥收縮是水泥基于混凝土的固有特性，澆注時呈流動狀態(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)，這是一個化學(xué)過程以外，還伴隨著一個蒸發(fā)失水干燥的物理過程，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隨含水量而改變，而骨料對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 ‰，收縮量隨時間增長而不斷加大，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 ，一個月可完成1/ 2 ，三個月后增長變慢，一般2 年后趨于穩(wěn)定）。收縮裂縫的形成，必須同時存在兩個條件：收縮變形和約束。最常見的是施工中養(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)力超過混凝土的極限抗拉強(qiáng)度時，即產(chǎn)生干縮裂縫。此外，平臥薄構(gòu)件水分蒸發(fā)過快，產(chǎn)生的體積收縮受到地基墊層或臺座的約束，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)。混凝土振搗過度，表面形成水泥含量較多的砂漿層，則收縮量過大，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，沒有規(guī)律性。

3．5 　溫度收縮裂縫

　　溫度收縮裂縫大多數(shù)是由于溫差過大引起的。溫差一般分為共時溫差（在同一時間內(nèi)，結(jié)構(gòu)內(nèi)任意兩點(diǎn)的溫度差值）和歷時溫差（同一結(jié)構(gòu)在任意兩個時間的溫度差值）。在泵送商品混凝土早期裂縫中主要是共時溫差的影響。

　　共時溫差的影響：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。如果施工過程中注意不夠或拆模過早；或冬季施工，過早拆除保溫層；或受到寒流襲擊，均會導(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，此時如果混凝土處于約束狀態(tài)則在繼續(xù)升溫的過程中受壓，內(nèi)部溫度升至峰值Ta 的時間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1～2m ，則達(dá)到峰值溫度時間在澆注后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 ℃，這樣加上原來的澆筑溫度后，峰值Ta ?？蛇_(dá)60 ℃以上，對于水泥用量較多的泵送商品混凝土有時可超過70 ℃～80 ℃。隨著混凝土溫度通過峰值后降溫并發(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），此時的溫度為Tzo ，繼續(xù)降溫冷卻在混凝土內(nèi)引起拉應(yīng)力。問題在于零應(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，冷卻時的拉應(yīng)力愈大，愈容易開裂?；炷羶?nèi)部溫度冷卻到接近周圍氣溫的時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)生開裂。

　　混凝土實際的升溫過程和達(dá)到的峰值溫度以及隨之而來的降溫過程取決于許多因素，主要有：環(huán)境大氣溫度，混凝土的入模溫度，模板的類型（熱學(xué)性能）及拆模時間，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?；炷帘砻鏈囟攘芽p的走向無一定規(guī)律性。梁、板式結(jié)構(gòu)或長度較大的結(jié)構(gòu)，裂縫多平行于短邊；大面積結(jié)構(gòu)，裂縫?？v橫交錯；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，且沿全長沒有多大變化；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，有時亦出現(xiàn)中間寬、兩端窄的梭形裂縫。對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方面

3．6．1 　材料方面

3．6．1．1 　收縮及水化熱增加

　　從過去的干硬性、低流動性、現(xiàn)場攪拌混凝土轉(zhuǎn)向集中攪拌，轉(zhuǎn)向大流動性泵送混凝土，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、摻合料種類繁多，通常只考慮強(qiáng)度指標(biāo)，缺乏對水化熱及收縮變形影響的長期試驗資料，有些試驗資料并不嚴(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)度的提高幅度并沒有抗壓強(qiáng)度的提高幅度大。

3．6．2 　結(jié)構(gòu)設(shè)計方面

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、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

　　國內(nèi)外結(jié)構(gòu)設(shè)計中都經(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)計中忽略結(jié)構(gòu)約束性質(zhì)，不善于利用“抗與放”的設(shè)計原則，缺乏相應(yīng)的設(shè)計施工規(guī)范、規(guī)程。

3．6．2．3 　梁、板、柱采用同一強(qiáng)度等級的混凝土

　　在高層建筑中，因考慮到施工的方便而對梁、板、柱普遍采用同一強(qiáng)度等級的混凝土，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)方法基本沿用過去簡易的方法，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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