混凝土裂缝产生的原因及预防浅析

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  • 更新时间2018-05-21
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  摘要:通过多年的现场观察及查阅相关方面的专著,对混凝土裂缝产生的原因和预防裂缝的措施等进行简要阐述。


  关键词:混凝土;温度应力;裂缝;预防


  混凝土在现代工程建设中占有十分重要的地位。而在今天,混凝土的裂缝问题仍较为普遍,产生裂缝的原因主要有温度和湿度的变化、混凝土的脆性和不均匀性、结构设计不合理、原材料不合格(如碱骨料反应)、模板变形、基础不均匀沉降等。这些裂缝将直接影响混凝土结构的整体性和耐久性,了解混凝土裂缝产生的原因及有效预防裂缝的产生具有十分重要的现实意义。


  一、温度应力引起裂缝的分析及预防措施


  温度应力是混凝土产生裂缝的主要原因之一。一般设计中均要求混凝土中不出现拉应力或者只出现很小的拉应力,但是在施工中由于混凝土凝固过程中而产生大量水化热,结构内部温度不断上升,在表面引起拉应力;而后期在降温过程中,由于受到基础或老混凝土等的约束,又会在混凝土内部出现拉应力,有时温度应力可能超过其他外荷载所引起的应力,当这些拉应力超出混凝土的抗裂能力时,即会出现裂缝。因此掌握温度应力的变化规律对于进行合理的结构设计和施工极为重要。


  1、温度应力的形成过程


  1.1早期:自浇筑混凝土开始至水泥放热基本结束,一般约30天。这个阶段主要有以下两个特征:一是水泥放出大量的水化热;二是混凝上弹性模量的急剧变化。由于弹性模量的变化,这一时期在混凝土内形成残余应力。


  1.2中期:自水泥放热作用基本结束时起至混凝土冷却到稳定温度时止。这个时期中,温度应力主要是由于混凝土的冷却及外界气温变化所引起,这些应力与早期形成的残余应力相叠加,在此期间混凝上的弹性模量变化不大。


  1.3晚期:混凝土完全冷却以后的运转时期。温度应力主要是外界气温变化所引起,这些应力与前两种的残余应力相迭加。


  2、引起温度应力的原因


  2.1自生应力:边界上没有任何约束或完全静止的结构,如果内部温度是非线性分布的,由于结构本身互相约束而出现的温度应力。例如,桥梁墩身,结构尺寸相对较大,混凝土冷却时表面温度低,内部温度高,在表面出现拉应力,在中间出现压应力。


  2.2约束应力:结构的全部或部分边界受到外界的约束,不能自由变形而引起的应力。如箱梁顶板混凝土和护栏混凝土。


  3、预防因温度应力出现裂缝的措施


  为了防止因温度应力而出现裂缝,减轻温度应力,可以从控制温度和改善约束条件两个主要方面着手,并注意施工中易于产生裂缝的其他细节问题。


  3.1控制温度的措施


  3.1.1选择适宜的拆模时间


  当混凝土温度高于气温时应适当考虑拆模时间,以免引起混凝土表面的早期裂缝。在混凝土浇筑初期,由于水化热的散发,表面引起相当大的拉应力,此时表面温度亦较气温为高,此时拆除模板,表面温度骤降,必然引起温度梯度,从而在表面附加一拉应力,与水化热应力迭加,再加上混凝土干缩,表面的拉应力达到很大的数值,就有导致裂缝的危险。如实际施工中确需拆除模板时,在拆除模板后可及时在表面覆盖如泡沫、海绵等轻型保温材料,这对于防止混凝土表面产生过大的拉应力,具有显著的效果。


  3.1.2改善骨料级配,加引气剂或塑化剂等措施以减少混凝土中的水泥用量;


  3.1.3拌合混凝土时加水或用水将碎石冷却以降低混凝土的浇筑温度;


  3.1.4热天浇筑混凝土时减少浇筑厚度,利用浇筑层面散热;


  3.1.5在混凝土中埋设水管,通入冷水降温;


  3.1.6规定合理的拆模时间,气温骤降时进行表面保温,以免混凝土表面发生急剧的温度梯度;


  3.1.7施工中长期暴露的混凝土浇筑块表面或薄壁结构,在寒冷季节施工时采取保温措施。


  3.2改善约束条件的措施


  3.2.1合理地分缝分块;


  3.2.2避免基础过大起伏;


  3.2.3合理的安排施工工序,避免过大的高差和侧面长期暴露。


  二、湿度对混凝土裂缝的影响及预防措施


  许多混凝土的内部湿度变化很小或变化较慢,但表面湿度可能变化较大或发生剧烈变化。如养护不周、时干时湿,表面干缩形变受到内部混凝土的约束,也往往导致裂缝。预防因湿度变化而导致裂缝主要措施就是加强混凝土的养护,尤其是初期养护,保证混凝土处于适宜的湿度状态。


  三、混凝土的不均匀性及结构特性产生的裂缝


  由于原材料不均匀,水灰比不穩定,及运输和浇筑过程中的离析现象,在同一块混凝土中其抗拉强度又是不均匀的,存在着许多抗拉能力很低,易于出现裂缝的薄弱部位。


  在钢筋混凝土中,拉应力主要是由钢筋承担,混凝土只是承受压应力。在素混凝土内或钢筋混凝土的边缘部位如果结构内出现了拉应力,则须依靠混凝土自身承担。加筋只对一般钢筋混凝土产生影响,对大体积混凝土影响很小。在温度不太高及应力低于屈服极限的条件下,钢的各项性能是稳定的,而与应力状态、时间及温度无关。钢的线胀系数与混凝土线胀系数相差很小,在温度变化时两者间只发生很小的内应力。由于钢的弹性模量为混凝土弹性模量的7~15倍,当内混凝土应力达到抗拉强度而开裂时,钢筋的应力却还很小,因此在混凝土中想要利用钢筋来防止细小裂缝的出现很困难。但加筋后结构内的裂缝一般就变得数目多、间距小、宽度与深度较小了,而且如果钢筋的直径细而间距密时,对提高混凝土的抗裂性也会起到较好的效果。


  四、外加剂对混凝土裂缝的影响


  为保证混凝土工程质量,防止开裂,提高混凝土的耐久性,正确使用外加剂也是减少开裂的措施之一。笔者应用较多的外加剂为减水防裂剂,实践证明其对防止混凝土裂缝有重要作用。主要表现为如下几点:


  1、混凝土中存在大量毛细孔道,水蒸发后毛细管中产生毛细管张力,使混凝土干缩变形。水灰比是影响混凝土收缩的重要因素,使用减水防裂剂可使混凝土用水量减少25%。用水量减少,毛细孔道孔径减小,从而增加混凝土强度。


  2、水泥用量也是混凝土收缩率的重要因素,掺加减水防裂剂的混凝土在保持混凝土强度的条件下可减少15%的水泥用量,其体积用增加骨料用量来补充。


  3、减水防裂剂可以改善水泥浆的稠度,减少混凝土泌水,减少沉缩变形。


  4、混凝土在收缩时受到约束产生拉应力,当拉应力大于混凝土抗拉强度时裂缝就会产生。减水防裂剂可有效的提高混凝土抗拉强度,大幅提高混凝土的抗裂性能。减水防裂剂还可以提高水泥浆与骨料的粘结力,提高的混凝土抗裂性能。


  5、掺加外加剂可使混凝土密实性好,可有效地提高混凝土的抗碳化性,减少碳化收缩。


  6、掺减水防裂剂后混凝土缓凝时间适当,在有效防止水泥迅速水化放热基础上,避免因水泥长期不凝而带来的塑性收缩的增加。


  7、掺外加剂混凝土和易性好,表面易摸平,形成微膜,减少水分蒸发,减少干燥收缩。


  除减水防裂剂外,其他许多外加剂都有缓凝、增加和易性、改善塑性的功能,我们在工程实践中应多进行这方面的实验对比和研究,使用外加剂比单纯的靠改善外部条件更加简捷、经济。


  五、加强混凝土的早期养护,有效预防裂缝


  混凝土的早期养护,主要目的在于保持适宜的温湿条件,以达到两个方面的效果,一方面使混凝土免受不利温、湿度变形的侵袭,防止有害的冷缩和干缩;另一方面使水泥水化作用顺利进行,以期达到设计的强度和抗裂能力。


  适宜的温、湿度条件是相互关联的。混凝上的保温措施常常也有保湿的效果。从理论上分析,新浇混凝土中所含水分完全可以满足水泥水化的要求而有余。但由于蒸发等原因常引起水分损失,从而推迟或防碍水泥的水化,表面混凝土最容易而且直接受到这种不利影响。因此混凝土浇筑后的最初几天是养护的关键时期,在施工中应切实重视起来。


  六、结束语


  以上对混凝土的施工温度与裂缝之间的关系进行了初步探讨,虽然学术界对于混凝土裂缝的成因和计算方法有不同的理论,但对于具体的预防和改善措施意见还是比较统一,同时在实践中的应用效果也是比较好的,具体施工中要靠我们多观察、多比较,出现问题后多分析、多总结,结合多种预防处理措施,混凝土的裂缝是完全可以避免的。


  作者:李国超