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混凝土裂缝的成因分析及处理

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发表于 2014-4-2 23:06:57 | 显示全部楼层 |阅读模式
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混凝土裂缝的成因分析及处理

摘      要

混凝土材料诞生至今,因具有坚固耐久、良好的耐火性、可模性等优点而被广泛应用到各种不同的工程中,成为工程建设中不可或缺的建筑材料。然而,由于混凝土材料固有的力学特性,它具有易开裂的缺点,一般混凝土结构使用时往往带裂缝工作。裂缝的存在和发展,不仅影响建筑物外观,当混凝土结构内的微观裂缝形成宏观裂缝,将会使得相应部位的构件承载力受到一定程度的削弱,危及建筑物的正常使用,甚至可能导致混凝土丧失承载能力。有些特殊结构构件如混凝土水池、地下混凝土结构、核电站的混凝土安全壳等对裂缝有的严格要求,防裂工作显得尤为重要。文章对混凝土工程裂缝的类型进行简要梳理,分析了混凝土裂缝产生的原因,提出混凝土裂缝防治措施。

关键词:混凝土、裂缝、防治











1  引言
裂缝是影响混凝土结构稳定性和耐久性的主要因素,如何减少混凝土的裂缝数量和有效的控制裂缝的扩展是目前解决混凝土耐久的主要问题之一,也是众多学者及科研单位的研究课题之一。混凝土裂缝出现的原因多种多样。主要原因是由于化学反应和热效应、冻融循环和水渗透。新拌混凝土水化放热导致的温度应力,收缩变形都是混凝土初期裂缝产生的重要原因。硬化混凝土在有害化学环境中的恶化速率取决于化学物质的渗透性、暴露的时间和混凝土的抗腐蚀能力。建筑物所处的环境,如侵蚀、干湿循环和冻融循环及硫酸盐、氯盐、镁和碳酸盐等侵蚀性介质都对混凝土造成很大的损伤,这些损伤在很大程度上又是取决于混凝土的自身性能。因此,根据裂缝产生的原因,主要从原材料的质量、集料的级配和优化配合比设计等方面,提高混凝土自身抗裂能力和抵御侵蚀的能力,延长建筑物的使用寿命,具有重要的实际意义。


2 混凝土裂缝的类型
2.1收缩裂缝
    收缩裂缝分为塑性和干缩裂缝。塑性裂缝发生在混凝土尚未硬化处于塑性阶段,出现在混凝土表面,形状很不规则、互不连贯、长短不等,类似干澡的泥浆面。原因在于所用水泥有较大的收缩率,砂中含过量的粉砂,混凝土水灰比过大,混凝土浇筑后没有认真养护,特别是大体积混凝土表面没有及时用潮湿材料搜盖,风吹日晒导致混凝土表面游离水分蒸发过快,体积急剧收缩,由于混凝土早期强度很低,不能抵抗应力变形从而开裂.
    干缩裂缝多发生在整体结构的变截面处,特别是大体积混凝土的平面部位、预制构件的箍筋位置.在混凝土露天养护一段时间后,在结构表面或侧面出现较细的表面性裂缝,纵横交错没有规律性,随温度和湿度变化逐渐发展。其产生原因在于混凝土配制时使用含泥量大的粉砂,混凝土浇筑时振捣过度,在混凝土表面形成一层较厚的水泥砂浆层,混凝土成型后,没有及时认真养护,表面游离水分蒸发较快,体积收缩大,而混凝土内部收缩小,表面收缩变形受到内部混凝土的约束,产生不均匀拉应力,致使混凝土表面开裂,预制构件自身的体积变形受到基层或模板的约束或构件长期露天堆放,表面温、湿度经常剧烈变化而产生干缩裂缝。
2.2温度裂缝
    温度裂缝多友生在施工期间,分布和走问尤一定规律性,单向板或梁板式混凝土结构裂缝多平行于短边,双向板或大体积混凝土结构裂缝常纵横交错。温度裂缝多与短边平行或接近平行,裂缝常分段出现,中间较密,缝宽大小不等,受温度变化影响明显,冬季较宽短,夏季较细长。混凝土结构表面温度裂缝,多是由于表面与内部温差较大引起的,特别是大体积混凝土浇筑后,硬化期间释放大量水化热使混凝土表面与内部存在较大温差,将导致混凝土随表面急剧的温度变化而产生较大的温度收缩,混凝土表面变形受到内部的约束将产生较大的拉应力,由于混凝土抗拉强度和抵抗受拉变形的能力很低,因而会出现裂缝,这称为内约束裂缝。这种裂缝仅在混凝土表面较浅的范围内出现,内部结构仍保持完整。在大体积混凝土基础上、坚硬地基上或厚大混凝土垫层上浇灌混凝土时,如没有采取隔离措施减少约束,如果施工时气温较高,再加上较大的水化热,将使混凝土构件自身的温度很高,冷却收缩时将受到部分或全部地基、垫层或其它外部的约束,在混凝土内部产生很大的拉应力,出现降温收缩裂缝,这称为外约束裂缝。这类裂缝常在混凝土浇筑较长时间后出现,有时是较深进贯穿性的裂缝,它将破坏混凝土结构的整体性。
2.3硫酸盆腐蚀
    在混凝土中,由于结构的特殊性,混凝土一般长期处于饱水状态,即便是在水上部份,由于毛细管作用,下部的水也会向上扩散,水中的硫酸根离子与混凝土中的氢氧化钙反应生成硫酸钙,硫酸钙与混凝土中固态的水化铝酸钙作用,生产比原体积增加1. 5倍以上的钙矾石,从而使混凝土形成裂缝。某大坝坝拱斜裂缝或贯穿裂缝中有白色微观针状晶体析出,带动其周围的细小裂缝,形成贯穿裂缝,影响大坝的耐久性,其中白色晶粒就是钙矾石。
2.4碳化裂缝
    混凝土中的Ca (OH) 2与空气中的C02作用生成CaC03,引起混凝土表面部分的体积缩小,这种体积的缩小受到结构内部的、未发生碳化的混凝土的约束而在混凝土构件的表面产生裂缝.如果混凝土保护层厚度不够,碳化后的表面还可能引起混凝土内钢筋锈蚀,锈蚀的钢筋体积增大,使混凝土产生拉应力,也可能使混凝土开裂,从而降低混凝土的抗拉、抗折强度及抗渗能力。某大坝胸墙等部位出现碳化裂缝,部分地方甚至露处被锈蚀的钥筋,对大坝影响很大。
2.5不均匀沉降裂缝
    混凝土不均匀沉降裂缝与沉陷情况有关,这类裂缝多属深进或贯穿性裂缝,有的出现在上部,有的出现在下部,一般与基层垂直或呈30-45度角方向发展。裂缝宽度受温度变化影响较小,与不均匀沉降量成正比例关系.棍凝土不均匀沉降裂缝多是因为地基松软,未进行夯实和必要的加固处理或因地基浸水产生不均匀沉降引起的.大型预制构件平卧生产时由于侧向刚度较差,在腹弦杆件或侧面常会出现裂缝.构件模板刚度、强度不足、支撑间距过大或底部松动、过早拆模等也常导致不均匀沉降裂缝出现。
3  混凝土裂缝产生的原因
正确判断和分析混凝土裂缝的成因是有效地控制和减少混凝土裂缝产生的最有效的途径,要根本解决混凝土中裂缝问题,还是需要从混凝土裂缝的形成原因人手。据有关报道,施工因素造成混凝土早期裂缝占80%左右,混凝土材料方面原因造成的裂缝占15%左右,设计因素造成的裂缝占5%左右。现分析如下:
3.1设计原因
设计结构中应力集中、对构件施加预应力设计考虑不当(偏心,建筑平、立面不规则,异形板块),未充分考虑混凝土构件的收缩变形;混凝土等级过高、设计中水泥等级或品种选用不当、设计中混凝土膨胀剂掺量、钢筋配置过少或过粗;楼板中暗埋管线;地基处理不当,基础设计不合理;按规范要求验算最大裂缝宽度时只考虑了一般情况下为主要因素的结构荷载、几何尺寸和边界条件等计算参数,而未涉及到诸多可能成为裂缝主要原因的情况。配合比设计中砂率、水灰比选择不当等,都可能会造成混凝土构件裂缝的产生。
3.2材料原因
(1)水泥品种原因,矿渣硅酸盐水泥收缩比普通硅酸盐水泥收缩大、粉煤灰及矾土水泥收缩值较小、快硬水泥收缩大。水泥等级越高、细度越细、早强越高对混凝土开裂影响很大。混凝土设计强度等级越高,混凝土脆性越大、越易开裂。
(2)水泥中含有生石灰或氧化镁,这些成分在和水化合后产生体积膨胀,产生裂缝。
(3)材料中化学反应也会引起混凝土开裂。例如碱骨料反应将引起混凝土体积膨胀而产生裂缝。氯离子的浸蚀引起钢筋锈蚀,也会造成混凝土开裂。
(4)粗细集料含泥量过大,造成混凝土收缩增大。集料颗粒级配不良或采取不恰当的间断级配,容易造成混凝土收缩的增大,诱导裂缝的产生。
(5)骨料粒径越细、针片含量越大,混凝土单方用灰量、用水量增多,收缩量增大。
3.3施工及现场养护原因
(1)施工现场未能按照设计(实验室)配合比施工,水灰比过大。混凝土外加剂、掺和料选择不当或掺量不当,严重增加混凝土收缩。
(2)现场浇捣混凝土时,振捣或插入不当,漏振、过振或振捣棒抽撤过快,均会影响混凝土的密实性和均匀性,诱导裂缝的产生。混凝土浇筑振捣后,粗骨料沉落,表面呈现泌水而形成竖向体积缩小沉落,造成表面砂浆层,它比下层混凝土有较大的干缩性能,待水分蒸发后,易形成凝缩裂缝。模板、垫层在浇筑混凝土之时洒水不够,过于干燥,则模板吸水量大,引起混凝土的塑性收缩,产生裂缝。
(3)对大体积混凝土工程,缺少两次抹面,易产生表面收缩裂缝。对水化计算不准、现场混凝土降温及保温工作不到位,引起混凝土内部温度过高或内外温差过大,混凝土产生温度裂缝。
(4)混凝土浇捣后,过分抹干压光会使混凝土的细骨料在表面形成水泥浆层,引起表面体积碳水化收缩,导致混凝土板表面龟裂。
(5)在施工过程中,由于施工工艺不当,致使支座处负筋下陷,保护层过大,固定支座变成塑性铰支座,使板上部沿梁支座处产生裂缝;施工中,上层钢筋位置未得到有效保护,下移位严重。在混凝土未达到规定强度,过早拆模,或者在混凝土未达到终凝时间就上荷载,混凝土构件的弹性变形,产生内伤或断裂;大梁两侧的楼板不均匀沉降也会使支座产生负弯矩,造成横向裂缝。
(6)施工控制的水灰比、混凝土的凝结时间以及环境温度、风速、相对湿度等因素的影响。混凝土在终凝前几乎没有强度或强度很小,或者混凝土刚刚终凝而强度很小时,受高温或较大风力的影响,混凝土表面失水过快,造成毛细管中产生较大的负压而使混凝土体积急剧收缩,而此时混凝土的强度又无法抵抗其本身收缩,因此产生龟裂。
(7)现场养护措施不到位,混凝土早期脱水,温度变化、凝缩、干缩都会引起收缩裂缝。
(8)现场预应力张拉不当(超张、偏心),引起混凝土张拉裂缝。
    4  混凝土裂缝防治措施
4.1收缩裂缝防治措施
    对于塑性裂缝,在配制混凝土时,合理选用水泥品种,选用级配合理的砂石,严格控制水泥用量、水灰比和砂率;混凝土浇筑时要振捣密实:浇筑后及时理盖,终凝后即时进行洒水养护:如有大风需提前设挡风设施。虽然这类裂缝对混凝土结构无多大影响,但影响外观,同时还会使钢筋锈蚀。现浇混凝土可在表面抹一层水泥砂浆进行处理,预制构件可在裂缝表面涂环氧胶泥或贴环氧玻璃布及新型合成高分子防水涂料。
    对于干缩裂缝的防治措施主要在于控制湿度的变化,使结构、构件具有相对稳定的湿度,加强混凝土的早期养护。混凝土浇筑完后,裸露表面应及时用草垫、草袋或塑料薄膜搜盖,并洒水湿润养护。在气温高、湿度低、风速大的天气要及早理盖、喷水雾养护,并适当延长养护时间;加强混凝土表面的抹压,但应注意避免过分抹压。采用密封保水方法,如在混凝土表面喷养护剂或理盖塑料薄膜,使水分不易燕发,或采用其他减少空气流动(如设挡风墙、罩等)、延缓混凝土表面水分蒸发的办法。混凝土产生干缩裂缝时,可在表面抹一层水泥砂浆或涂环氧胶泥等进行处理。
4.2温度裂缝防治措施
    对于温度裂缝的防治,要求在工程施工中根据具体情况采取相应措施。对于防止混凝土内部约束引起的表面温度裂缝,一般采用控制混凝土表面与外界或内部的温差的方法。常用控制措施是:对加热养护的构件采用缓慢升降温,使升降温速度不大于于100C/h,避免表面急剧冷却引起表面温度应力过大;对大体积结构,当混凝土与外界温差较大时采用保温养护,适当延长拆模时间,使温差控制在25℃以内.预防结构受外部约束引起的混凝土温度裂缝,一般选用低热或中热水泥(如矿渣水泥、抗硫酸盐水泥、粉煤灰水泥)配制混凝土,在混凝土中掺加粉煤灰或减水剂,利用后期(90d,180d)强度以降低水泥用量和温升,在基础内预埋冷却水管通入循环冷水,将水化热导出.在厚大少筋大体积混凝土中掺入20%以下块石吸热,并可节省混凝土.避开炎热天气及夜间浇筑混凝土;采用低温水拌制混凝土并对砂石进行冷水降温,或设置简易遮阳装置以降低混凝土拌合物温度.同时采用薄层浇筑混凝土,每层厚度不大于20cm,以加快热量散发,并使热量分布均匀。做好混凝土的保温、保湿养护,缓慢降温,充分发挥徐变特性,削减温度应力;夏季避免曝晒,冬季采取保温搜盖,以免出现急剧的温度梯度:采取长时间养护,规定合理的拆模时间,充分发挥混凝土的“应力松弛效应”;加强温度监测,及时调整保温及养护措施,控制混凝土内外温差不大于25℃混凝土拆模后应及时回填土,避免结构侧面长期暴露。大体积基础采取分层分块浇筑,合理设置水平或垂直施工缝,在适当位置设置后浇带以加快散热、减少约束程度;在岩石地基或厚混凝土垫层上浇筑大体积混凝土,应在垫层上设置滑动层(铺砂或铺设卷材等),并在垂直面设置缓冲层(贴聚乙烯泡沫塑料),以消除嵌固作用,释放约束应力,在基础内设置必要的温度配筋;在接缝部位,适当增大配筋率,设暗梁以减轻边缘效应,提高抗拉强度;避免降温与干缩共同作用导致应力叠加,在混凝土中掺加水泥用量5%-10%的UEA混凝土微膨胀剂配制微膨胀补偿收缩混凝土,以抵消由于干缩和降温引起的混凝土收缩,控制混凝土开裂。
    温度裂缝的处理也可采用喷抹水泥砂浆、涂环氧胶泥或贴环氧玻璃布等方法进行表面封闭治理,对有防渗漏要求的混凝土结构,在出现缝宽较大的深进或贯穿性裂缝时,应根据裂缝的可灌程度采用灌水泥浆或化学浆液等方法进行裂缝修补。
4.3硫酸盐腐蚀防治措施
    对于控制硫酸盐腐蚀,选择适宜的水泥品种很重要,要降低C3A,C3S的含量,相应增加水泥熟料中C4AF,C2S的含量.C3A含量降低可以减少钙矾石的生成数量,从而提高其抗硫酸盐能力。虽然C4AF水化时能生成水化硫铁酸钙和硫铝酸钙的固溶体,但其分布比较均匀,膨胀性远比钙矾石为小,而且水化铁酸钙还能在游离的水化铝酸钙周围形成保护性薄膜。C3S水化时要析出较多Ca (OH) 2,而Ca (OH) 2的存在又是造成硫酸盐侵蚀的一大主要原因,因而要适当减低水泥熟料中C3S的含量,相应提高C2S含量。在结构的表面设置保护层,隔绝混凝土与腐蚀介质的联系,如采用涂料、贴面等致密的耐腐蚀层覆盖表面,能够有效地保护混凝土不受硫酸盐腐蚀.
4.4碳化裂缝防治措施
    使用硅酸盐水泥或普通水泥时,采用较小的水灰比及较多的水泥用量,掺加引气剂或减水剂,采用密实的砂、石骨料以及严格控制混凝土施工质量,使混凝土均匀密实,均可提高混凝土抗碳化能力.
4.5不均匀沉降裂缝防治措施
    避免直接在松软或填土上施工混凝土构件,不可避免时应对松软土或填土进行夯实或加固;构件模板应具有足够的强度、刚度和稳定性,支撑应牢固、间距不可过大,控制拆模时间,防止地基浸水。不均匀沉降裂缝对混凝土结构的承载能力和整体性有较大的影响,应根据裂缝严重程度,会同设计等有关单位对结构进行适当的加固处理。
    5  结语
    混凝土裂缝是混凝土工程施工中影响因素较多、较难防治的质量通病,也是一种质量顽症,严重影响混凝土的耐久性,减少有效使用期。虽然近代科学研究和工程实践证明,在混凝土工程中,裂缝在一定的范围内是可以接受的,只要采取有效措施将其危害程度控制在安全的范围内。但是在混凝土工程施工中应尽量采取有效措施防止、控制裂缝的产生,使结构尽可能不出现裂缝或尽量减少裂缝的数量和宽度,尤其要尽量避免有害裂缝的出现。对于已经出现的裂缝,要视种类不同、部位不同、裂缝的宽度及发展速度不同,准确确定危害程度,采取有效防治措施,从而增加混凝土结构的耐久性,延长使用寿命。

参考文献
1、李金平,等.混凝土冻融破坏研究现状[J].路基工程,2007(3).
2、鞠丽艳.混凝土裂缝抑制措施的研究进展[J].混凝土,2002(5).
3、郭仕万.混泥土施工中的裂缝控制.山西水利科技,2000(2).
4、汪国煊.浅谈混凝土建筑物的裂缝.科技创新导报,2009(13).
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