水泥混凝土裂缝成因及控制措施

    水泥混凝土的裂缝问题是工程建设中普遍存在的质量通病,在当前基础建设大发展背景下,有效控制水泥混凝土裂缝显得尤为重。文章对水泥混凝土工程中裂缝的分类及成因进行了深入分析,并从原材料、配合比、温度、早期养护和外部约束条件等方面提出了一些控制措施和处理方法。 
  Abstract Cement concrete crack is the common faults existing in the construction of the project. Under the background of the current infrastructure development, effective control of cement concrete cracks is particularly important. The article analyzes the classification and causes of cement concrete crack, and puts forward control measures and treatment from the raw materials, mixture ratio, temperature and early curing and external constraints. 
  关键词 水泥混凝土;裂缝;成因;控制措施 
  Key words cement concrete;crack;cause;control measures 
  中图分类号TU528.45 文献标识码A 文章编号1006-4311(2013)27-0127-03 
  0 引言 
  水泥混凝土在土木工程中广泛应用,是用量最多的一种混合材料,它具有强度高、耐久性好、使用寿命长、养护费用少等优点,但也存有一些缺点,如均匀性差、离散性大,容易产生裂缝。裂缝作为混凝土结构中的一种常见的质量通病,裂缝一旦形成,既影响混凝土结构物的外观质量,同时也会影响结构物的耐久性。根据现场工程实践,并经长时间的观察、总结,对水泥混凝土裂缝形成的原因及控制措施进行了详细分析。 
  1 裂缝分类 
  混凝土裂缝是混凝土的一种常见病和多发病。裂缝绝大多数发生于施工阶段,其原因复杂多变,分析其成因,可以从裂缝外观方面分成微观裂缝和宏观裂缝两大类 
  微观裂缝是指肉眼看不到的、混凝土内部固有的一种裂缝,它是不连贯的。宽度一般在0.05mm以下,但是比肉眼可见的宏观裂缝多得多。这种混凝土本身固有的微观裂缝,在荷载不超过设计规定的条件下,一般视为无害。用实体显微镜观察、X射线或超声波探测仪等物理检验手段都可检测出这种裂缝。另外一种最直接的方法就是用渗水观察,一定压力的水可以在混凝土的微观裂缝里渗透过去。 
  宏观裂缝可以分为以下四种,即①早期裂缝早期的裂缝一般发生的时间较早,在结构尚未受力或尚未承受结构荷载的3~5天内发生,属于非荷载裂缝;占结构裂缝的80%以上;虽然早期裂缝并不一定影响结构的承载力,但它的存在却严重影响着结构物的使用。②沉陷裂缝因地基差异沉降或构件接合不良、剪应力超过设计强度而产生的一种混凝土裂缝,多见于填土地基、桩基沉降不均匀的各种基础与墙体。这种裂缝一般与地面垂直,或成30~40°角方向发展,宽度因荷载大小而异,与沉降值成比例。沉降裂缝危害极大,并且极难处理。因此必须在设计上采取有效措施,施工、使用中也加强观测、监视。③温度应力裂缝在混凝土硬化的时候,水泥会放出大量的水化热,导致内部温度升高,这样就会在表面形成拉应力。后期的降温过程中,由于基础或老混凝土的约束,混凝土的内部也会出现拉应力。而且气温的降低也会在其表面形成大的拉应力,当这些拉应力超过了混凝土的抗裂能力时,裂缝就产生了。④收缩裂缝在施工阶段因水泥水化热及外部气温的作用引起混凝土收缩而产生的裂缝。多为规则的条状,很少交叉。常发生在结构变截面处,往往与受力钢筋平行。收缩裂缝多发生在大体积混凝土中,梁、板、柱等小块体构件,特别是预应力构件极少产生收缩裂缝。混凝土收缩裂缝危害较大,尤其是暴露在大气中的构筑物,影响更大。如不加以防止,可能会造成严重后果。文章着重对以上几种宏观裂缝产生的原因与控制措施加以讨论。 
  2 裂缝的成因 
  2.1 早期裂缝 这种裂缝是混凝土在凝固的阶段时受温度和湿度的影响,在短时间内迅速地失去水而使混凝土快速收缩而形成的,一般在刚刚浇筑1~3小时内产生。所以,我们在炎热多风的夏季浇灌混凝土时,最好在完成后及时地覆盖一些遮蔽物,防止它的表面急剧失水,产生裂缝。虽然夏季容易产生这种裂缝,但是只及时发现、及早处理,这种外观上不连续,呈鱼鳞状且宽度较大,长度较短的早期裂缝一般不会贯穿整个混凝土断面,所以这种裂缝的危害不是很大。况且它还可以通过二次抹平进行修复。 
  2.2 沉陷裂缝 这种裂缝是由于基础处理不恰当,支撑杆的密度、强度以及模板的刚度不足导致地基沉陷、支撑模板难以承受混凝土的重量下沉或者变形,或者难以承受混凝土振捣棒的冲击力而产生的裂缝,它是工程建设中混凝土最常出现的裂缝,尤其是那种跨度大的工程设施更容易出现。它的宽度和长度都比较大,往往使得混凝土内部的钢筋裸露在空气中,对工程设施的结构强度以及使用寿命有着非常坏的影响。所以,在施工的过程中,我们尤其注意防止这种裂缝的产生。 
  2.3 温度应力裂缝 由于混凝土在硬化的过程中,水泥和水发生水化作用,释放大量的热,而混凝土内部、外部的冷凝速度又不同,造成内部水化作用的热量难以散发,导致混凝土的内部不断膨胀,对混凝土的表面产生拉应力,当拉应力达到一定的限度时,混凝土的表面被撕开造成裂缝。这种裂缝在大型混凝土(大坝、桥墩等)结构中经常出现,而水化作用在混凝土的硬化过程中一直存在,所以这种裂缝不可避免,我们只能特别注意。
  外部气候的变化、周围复杂温度的影响会造成混凝土结构的热胀冷缩。通常情况下由于钢筋的膨胀系数为1.210-6/℃,混凝土的平均膨胀系数为1.010-6/℃,所以在较大的温差变化下,混凝土的内部结构会发生不均匀膨胀,因为钢筋的膨胀大于混凝土的膨胀,所以内部就会产生拉应力,而外部在内部拉应力的影响下就会产生裂缝。如果混凝土的外部有诸如支座嵌固等约束,也比较容易造成混凝土热胀时受到限制,从而对自身产生挤压,产生裂缝。 
  2.4 收缩裂缝 ①干燥收缩。干燥收缩裂缝比较容易出现在混凝土浇筑完成后的一周左右或者是混凝土养护结束后的一段时间。水泥砂浆中水分的蒸发会产生干燥收缩,这种收缩裂缝的发生主是因为混凝土内部、外部的水分蒸发程度不相同而导致其变形程度不同的结果,这种收缩的特点是不可逆。②塑性收缩。这种收缩指混凝土在凝结以前,因为表面失水较快而产生的收缩。它一般在干热或者大风的天气里出现,裂缝多呈中间宽两端细且长短不一、互不连贯状态。塑性收缩裂缝产生的主原因是混凝土在终凝前几乎没有强度或者强度很小,或者在刚终凝而强度很小时遇到了高温、较大风力的影响,使得表面失水太快,造成毛细管中产生较大负压而使混凝土的体积快速收缩,而此时混凝土的强度无法抵抗其本身的收缩,所以就产生了裂缝。影响这种裂缝的主因素有水灰比、混凝土的凝结时间、环境温度、风速、相对湿度等。 
  2.5 其他因素引起的裂缝 木模没浇水湿透、拆模方法不当或受到剧烈振动;构件运输、堆放时支撑垫木位置不当或运输过程中受到较大的振动;吊点位置不当、安装时下放速度过快,产生撞击;安装错误使构件放反等都会产生裂缝。 
  3 怎样控制裂缝 
  以上通过对混凝土裂缝的原因分析,我们知道造成混凝土产生裂缝的主原因是混凝土自身结构中的内外部温度湿度以及其约束条件。所以,控制混凝土产生裂缝的措施有改善原材料、优化混凝土配合比、控制浇筑混凝土结构时的温度、注意早期养护、改善混凝土结构的外部约束条件等。 
  3.1 确保材料质量,严格规范施工 进行工程的水泥一定有质量合格证明,并且进行复查实验确保水泥质量;制作过程中准确配料,搅拌均匀,缩短运输时间,振捣密实,按照规定养护;求员工按强制性规范进行施工;尽量地拖延拆模时间。①挑选干缩率较小的水泥。常用水泥中矿渣水泥干缩率较大,普通水泥次之,粉煤灰水泥干缩率较小。一般来说,建筑工程和桥梁工程采用普通水泥即可。干缩率小其抗裂性不一定好,这里考虑水泥的徐变。如采用正规厂家生产的含游离氧化钙少的水泥以防止混凝土出现崩裂。②选择集料时,应选用碎石、粗砂,尽量不用砾石、细砂,因前者比后者干缩率小。也不能用海砂,避免钢筋锈蚀膨胀裂缝的发生。③严禁采用含硫酸盐或镁盐的水或海水搅拌混凝土,以避免与水泥中的铝酸三钙反应,造成体积膨胀裂缝或钢筋锈蚀膨胀裂缝。④尽量不采用含有氯化物的外加剂,防止钢筋锈蚀,产生膨胀裂缝。 
  3.2 制作过程中可以改善配料及方法 ①改善混凝土材料的配合比,使用那种干硬性混凝土,掺混合料,例如可以添加加气剂、减水剂来减少混凝土中的水泥用量,用和缓凝剂延长混凝土的硬化时间,这些混合料对减少单位时间内水泥水化时释放的热量,减小温度应力等很有效果。②浇灌大型混凝土结构中可以采用矿渣水泥、粉煤灰水泥等低水化热的水泥品种。③拌合混凝土时为了降低混凝土的浇筑温度,我们可以加冰或冷水,或者将沙石冷却。 
  3.3 减少混凝土结构中的温度应力 控制温度或者改善约束条件可以减轻温度应力,从而防止裂缝。 
  如何控制温度 
  ①使用材料上,改善配料,比如用干性混凝土,掺混合料,加引气剂或塑化剂等减少水泥用量;浇筑时加水或冰以冷却碎石,从而降低浇筑温度;天气热时,可以减少混凝土的浇筑厚度,利用浇筑层面散热。②可以在混凝土中埋设通水管,通入凉水降温;规定合理的拆模时间,在气温急剧下降时,为了不产生急剧的温度梯度,我们对表面进行保温;我们还对那些非短期暴露在空气中的混凝土浇筑块表面或者薄壁结构,在寒冷的季节进行保温措施。 
  如何改善约束条件 
  ①合理地分缝分块。②合理地安排施工程序,尽量不让过大的高差和侧面长期裸露;避免基础过大起伏。 
  另外保证混凝土的质量,提高其性能,特别是抗裂能力,加强养护,避免表面干缩等对防止裂缝十分有用。当然,还应特别注意避免产生贯穿裂缝,因为这种裂缝的产生对恢复其结构的整体性是很困难的,所以施工过程中以预防贯穿裂缝为主。 
  3.4 混凝土早期养护的重性 施工过程中早期养护对高性能混凝土自收缩的影响很大,而自收缩与混凝土的质量和寿命有很大的关系,根据自收缩的原理,如果开始养护的时间越晚,表面形成的弯液面临界半径越小,故需外加的压力越大,养护也就越困难。当混凝土内部毛细管壁的阻力超过水的表面张力时,水分无法向内部迁移,这样表面水分对混凝土的内部无法起到保护,所以早期养护很重,特别是需注意保持适宜的温度和环境湿度。另外初凝后立即养护可有效地抑制高性能混凝土的早期自收缩,所以高性能混凝土的施工过程宜采用内衬憎水塑料绒钢模板或透水模板。 
  ①在炎热的夏季浇筑那些混凝土路面、小型混凝土块等暴露在外的混凝土结构时,我们一定注意采取适当的覆盖和洒水措施来进行降温。 
  ②那种需维持模板一定时间的混凝土结构,我们在拆除模板后仍需及时地在其表面覆盖一层诸如塑料膜、泡沫、海绵等保温材料。同时,对于这种混凝土设施,我们合理地安排拆模时间,以免温度突然变化而引起混凝土表面不适应。 
  ③炎热的夏季,我们在浇筑大型的混凝土结构时,注意避免高温施工和太阳暴晒,为了避免裂缝的产生我们可以采用减少浇筑厚度、增加浇筑次数的方法。 
  3.5 完善混凝土结构的外部约束条件 改善混凝土结构的外部约束条件可以预防那些由于地基下陷、支撑下沉或者模板变形而产生的裂缝,可以在一定程度上减少外力裂缝。 
  一般有如下几种方法解决 
  ①大型混凝土结构,合理地分缝分块,以防混凝土在热胀冷缩时产生裂缝。 
  ②夯实模板基础,避免地基起伏、下陷过大导致模板变形,从而产生裂缝。 
  ③增加模板,增强模板的支撑强度,避免模板或支撑因为变形而使混凝土出现裂缝。 
  ④合理科学地安排施工工序、人员以及机械,避免混凝土浇筑仓面荷载过大,人为地造成地基、模板和支撑变形。 
  4 结语 
  混凝土产生裂缝的原因多种多样,很多裂缝更是多种原因共同作用的结果,所以其具体表现为应力、温度、湿度、不均匀沉降等因素,这些因素中有些因素可以提前预防。因此,认真对待混凝土裂缝问题,通过对水泥混凝土裂缝成因分析并重点提出控制措施,有效预防裂缝的出现和发展,从而保证混凝土工程的质量,使得工程结构能够长久的为生活生产服务。 
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