泵送混凝土裂缝的成因与防治

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  【摘 要】随着泵送混凝土的广泛应用,建筑工程施工进度、施工质量有了较大的提高,但也出现了一些问题,本文就泵送混凝土裂缝的防治做了一些探讨。
  【关键词】泵送混凝土;裂缝
  引言
  泵送混凝土不仅应能改善混凝土的施工性能,对薄壁密筋结构少振捣或不振捣施工,而且应能减少收缩、防止裂缝、提高抗渗性、改善耐久性。但是某些工程表明,泵送混凝土强度不足、凝结异常时有发生,特别是裂缝普遍存在,在一定程度上影响结构的抗渗性和耐久性,值得引起足够的重视。
  一、泵送混凝土的特点
  (一)水泥用量较多。
  强度等级C20~C60范围为350~550kg/m3。
  (二)超细掺合料时有添加。
  为改善混凝土性能,节约水泥和降低造价,混凝土中掺加粉煤灰、矿渣、沸石粉等掺合料。
  (三)砂率偏高、砂用量多。为保证混凝土的流动性、粘聚性和保水性 ,以便于运输、泵送和浇筑,泵送混凝土的砂率要比普通流动性混凝土增大砂率6%以上,约为38~45%。
  (四)水灰比宜为0.4~0.6。水灰比小于0.4时,混凝土的泵送阻力急剧增大;大于0.6時,混凝土则易泌水、分层、离析,也影响泵送。
  (五)泵送剂。
  多为高效减水剂复合以缓凝剂、引气剂等,对混凝土拌合物流动性和硬化混凝土的性能有影响,因而对裂缝也有影响。
  二、有关裂缝的一些概念
  (一)混凝土内部结构决定其产生裂缝
  混凝土是粗集料、细集料、水泥、水和气体所组成的非均质堆聚结构。混凝土混合料在不同温湿度条件下凝结硬化,并同时产生体积变形。水泥的干燥和冷却收缩大,集料的干燥和冷却收缩小,同时水泥石和集料之间相互粘结而约束,由于变形产生微裂缝。
  (二)混凝土裂缝的种类
  1、按裂缝产生原因分类
  (1)由外荷载(静、动荷载)直接应力引起的裂缝和次应力引起的裂缝。
  (2)由变形变化引起的裂缝:包括结构因温度湿度变化、收缩、膨胀、不均匀沉陷等原因引起的裂缝。其特征是结构要求变形,当受到约束和限制时产生内应力,应力超过一定数值后产生裂缝,裂缝出现后变形得到满足,内应力松弛。这种裂缝宽度大、内应力小,对荷载的 影响小,但对耐久性损害大。
  2、按裂缝所处状态分类
  裂缝可分为运动、不稳定、稳定、闭合和愈合等状态。对于处于运动和不稳定扩展状态的裂缝,应考虑加固和补救措施。而对于稳定、闭合、愈合的裂缝则可持久的应用。例如有些防水结构,在0.1MPa水压下,出现0.1~0.2mm裂缝时,可能开始时有轻微渗漏,但经过一段时间后,裂缝处水化的水泥析出Ca(OH)2,逐渐弥合了裂缝,并与大气中CO2作用,形成CaCO3结晶,封闭和自愈合裂缝,防治了渗漏的产生。这种裂缝是稳定的,不会影响工程结构的使用和耐久性。
  (三)裂缝宽度
  1、平均裂缝宽度
  在整条裂缝上,其宽度是不均匀的,有的位置宽,有的位置窄。平均裂缝宽度是指裂缝长度10%~15%范围较宽区段平均裂缝宽度和裂缝长度10%~15%范围较窄区段平均裂缝宽度的平均值。
  2、最大裂缝宽度
  无侵蚀介质、无抗渗要求,结构处于正常状态下,最大裂缝宽度不得大于0.3mm;有轻微侵蚀、无抗渗要求时,最大裂缝宽度不得大于0.2mm;有最重侵蚀和抗渗要求时,不得大于0.1mm;混凝土有自防水要求时,不得大于0.1mm。
  三、变形裂缝产生的原因和特征
  (一)温度裂缝
  1、产生的原因和特征
  水泥水化过程中产生大量的热量,每克水泥放出502J的热量,如果以水泥用量350~550kg/m3来计算,每立方米混凝土将放出17500~27500KJ的热量,从而使混凝土内部温度升高,在浇筑温度的基础上,通常升高35℃左右。如果没有降温措施或浇筑温度过高,混凝土内部温度高达80~90℃的情况也时有发生水泥水化热在1~3天可放出热量的50%,由于热量的传递、积存,混凝土内部的最高温度大约发生在浇筑后的3~5天,因为混凝土内部和表面的散热条件不同,所以混凝土中心温度低,形成温度梯度,造成温度变形和温度应力。温度应力和温差成正比,温度越大,温度应力也越大。当这种温度应力超过混凝土的内外约束应力时,就会产生裂缝。这种裂缝的特点是裂缝出现在混凝土浇筑后的3~5天,初期出现的裂缝很细,随着时间的发展而继续扩大,甚至达到贯穿的情况。
  2、影响因素和防治措施
  混凝土内部的温度与混凝土厚度及水泥品种、用量有关。混凝土越厚,水泥用量越大,水化热越高的水泥,其内部温度越高,形成温度应力越大,产生裂缝的可能性越大。对于大体积混凝土,其形成的温度应力与其结构尺寸相关,在一定尺寸范围内,混凝土结构尺寸越大,温度应力也越大,引起裂缝的危险性也越大。
  (1)混凝土原材料和配合比的选用
  ①水泥品种选择和水泥用量控制。大体积钢筋混凝土引起裂缝的主要原因是水泥水化热的大量积聚,使混凝土出现早期升温和后期降温,产生内部和表面的温差。减少温差的措施是选用中热硅酸盐水泥或低热矿渣硅酸盐水泥,在掺加泵送剂或粉煤灰时,也可选用矿渣硅酸盐水泥。
  ②掺加掺合料。国内外大量试验研究和工程实践表明,混凝土中掺入一定数量优质的粉煤灰后,不但能代替部分水泥,而且由于粉煤灰颗粒呈球状具有滚珠效应,起到润滑作用,可改善混凝土拌合物的流动性、粘聚性和保水性,并且能够补充泵送混凝土中粒径在0.315mm以下的细集料达到占15%的要求,从而改善了可泵性。同时,依照大体积混凝土所具有的强度特点,初期处于较高温度条件下,强度增长较快、较高,但是后期强度增长缓慢。掺加粉煤灰后,其中的活性Al2O3、SiO2与水泥水化析出的CaO作用,形成新的水化产物,填充孔隙、增加密实度,从而改善了混凝土的后期强度。但是应当值得注意的是,掺加粉煤灰混凝土的早期抗拉强度和极限变形略有降低。因此,对早期抗裂要求较高的混凝土,粉煤灰掺量不宜太多,宜在10~15%以内。特别重要的效果是掺加原状或磨细粉煤灰之后,可以降低混凝土中水泥水化热,减少绝热条件下的温度升高。掺加粉煤灰的水泥混凝土的温度和水化热,在1~28d龄期内,大致为:掺入粉煤灰的百分数就是温度和水化热降低的百分数,即掺加20%粉煤灰的水泥混凝土,其温升和水化热约为未掺粉煤灰的水泥混凝土的80%。   ③掺加外加剂。掺加具有减水、增塑、缓凝、引气的泵送剂,可以改善混凝土拌合物的流动性、粘聚性和保水性。由于其减水作用和分散作用,在降低用水量和提高强度的同时,还可以降低水化热,推迟放热峰出现的时间,因而减少温度裂缝。
  ④选用质量优良的粗细集料。粗集料。根据结构最小断面尺寸和泵送管道内径,选择合理的最大粒径,尽可能选用较大的粒径。要优先选用天然连续级配的粗集料、使混凝土具有较好的可泵性,减少用水量、水泥用量,进而减少水化热。细集料以采用级配良好的中砂为宜。实践证明,采用细度模数2.8的中砂比采用细度模数2.3的中砂,可减少用水量20~25kg/m3,可降低水泥用量28~35kg/m3,因而降低了水泥水化热、混凝土温升和收缩。
  (2)泵送混凝土施工工艺改进
  ①控制混凝土出机温度和浇筑温度
  为了降低混凝土的总温升,减少大体积工程结构的内外温差,控制混凝土的出机温度和浇筑温度也是一个重要措施。为了降低混凝土的出机温度和浇筑温度,必须降低原料温度。混凝土中石子比热较小,但每立方米混凝土中石子所占重量最大,所以最有效的办法是降低石子温度。在气温较高时,为了防治太阳直接照射,可以在砂石堆场搭设简易遮阳棚,必要时可在使用前用冷水冲洗集料。除此之外,搅拌运输车罐体、泵送管道保温、冷却也是必要的措施。
  ②改进工艺 。一是改进搅拌工艺。采用二次投料的净浆裹石或砂浆裹石工艺,可以有效地防治水分聚集在水泥砂浆和石子的界面上,使硬化后界面过渡层结构致密、粘结力增大,从而提高混凝土强度10%或节约水泥5%,并进一步减少水化热和裂缝。二是改进振动工艺。对已浇筑的混凝土,在终凝前进行二次振动,可排除混凝土因泌水,在石子、水平钢筋下部形成的空隙和水分,提高粘结力和抗拉强度,并减少内部裂缝与气孔,提高抗裂性。三是改进养护工艺。混凝土养护主要是保持适当的温度和湿度条件。保温能减少混凝土表面的热扩散,降低混凝土温差,防治表面裂缝。浇筑时间不长的混凝土,水泥水化速度较快,适宜的潮湿条件可防治混凝土表面脱水而产生收缩裂缝。同时在潮湿条件下,可使水泥的水化充分、完全,从而提高混凝土的抗拉强度。
  (二)沉陷(塑性)收缩裂缝
  1、产生的原因和特征
  在泵送混凝土现浇的各种钢筋混凝土结构中,特别是板、墙等表面系数大的结构之中,经常出现一种早期裂缝。这种裂缝为断续的水平裂缝,裂缝中部较宽、兩端较窄、呈梭状。裂缝经常发生在板肋交接处、梁板交接处、梁柱交接处、结构变截面的地方。这种裂缝产生的原因主要是混凝土流动性不足、搅拌不均匀,在凝结硬化前没有沉实或者沉实不够,当混凝土沉陷时受到钢筋、模板抑制以及模板移动、基础沉陷所致。裂缝在混凝土浇筑后1~3小时出现,裂缝的深度通常达到钢筋上表面。
  2、影响因素和防治措施
  (1)要严格控制混凝土单位用水量在170kg/m3以下,水灰比在0.6以下,在满足泵送和浇筑要求时,宜尽可能减少坍落度;
  (2)掺加适量、质量良好的泵送剂和掺合料,可改善工作性和减少沉陷;
  (3)混凝土搅拌时间要适当,时间过短、过长都会造成拌合物均匀性变坏而增大沉陷;
  (4)混凝土浇筑时,下料不宜太快,防治堆积或振捣不充分;
  (5)混凝土应振捣密实,时间以10~15秒/次为宜,在柱、梁、墙和板的变截面处宜分层浇筑、振捣;
  (三)干缩裂缝
  1、产生的原因和特征
  干燥收缩的主要原因是水分在硬化后较长时间产生的水分蒸发引起的。混凝土的干燥收缩由于集料的干燥收缩很小,因此主要是由于水泥干燥收缩造成的。混凝土的水分蒸发、干燥过程是由外向内、由表及里,逐渐发展的。由于混凝土蒸发干燥非常缓慢,产生干燥收缩裂缝多数在一个月以上,有时甚至一年半载,而且裂缝发生在表层很浅的位置,裂缝细微,有时呈平行线状或网状,常常不被人们注视。
  2、影响因素和防治措施
  (1)水泥品种。一般来说,水泥的需水量越大,混凝土的干燥收缩越大,不同水泥混凝土的干燥收缩按其大小顺序排列为:矿渣硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥、中低热水泥和粉煤灰水泥。所以,从减少收缩的角度出发,宜采用中低热水泥和粉煤灰水泥。
  (2)水泥用量。混凝土干燥收缩随着水泥用量的增加而增大,但是增加量不显著。在有可能减少水泥用量时,还是尽可能降低水泥用量,因为泵送混凝土的水泥用量偏高,C20~C60混凝土的水泥用量一般约为350~600kg/m3。
  (3)用水量。混凝土的干燥收缩受用水量的影响最大,在同一水泥用量条件下,混凝土的干燥收缩和用水量成正比;当水泥用量较高的条件下,混凝土的干燥收缩随着用水量的增加而急剧增大。综合水泥用量和用水量来说,水灰比越大,干燥收缩越大。
  (4)砂率。混凝土的干燥收缩随着砂率的增大而增大,但增加的数值不大。泵送混凝土宜加大砂率,但不是笼统的和无限的,也应在最佳砂率范围内,可以通过理论计算和工程实践确定。
  (5)掺合料。矿渣、硅藻土、煤矸石、火山灰、赤页岩等粉状掺合料,掺加到混凝土中,一般都会增大混凝土的干燥收缩值。但是质量良好、含有大量球形颗粒的一级粉煤灰,由于内比表面积小、需水量少,故能降低混凝土干燥收缩值。
  (6)化学外加剂。掺加减水剂、泵送剂,特别是同时掺加粉煤灰的双掺技术不会增大干燥收缩,但是对于某些减水剂、泵送剂,尤其是具有引气作用时,有增大混凝土干燥收缩的趋势。因此在选用外加剂时,必须选用干燥收缩小的减水剂或泵送剂。
  (7)养护时间和方法。混凝土浇筑面受到风吹日晒,表面干燥过快,产生较大的收缩,受到内部混凝土的约束,在表面产生拉应力而开裂。如果混凝土终凝之前进行早期保温、保温养护,对减少干燥收缩有一定作用。
  综上所述,泵送商品混凝土,特别是在高强度、大流动性条件下,由于水泥用量多,单位用水量大,砂率高和掺化学外加剂,使混凝土干燥收缩,产生裂缝的潜在危险大,对此必须引起足够重视。为此要按施工要求选择较低的坍落度,在满足流动性和泵送性的条件下,使单位用水量降低到170kg/m3以下,在满足强度条件下,尽可能降低水泥用量。同时,应选用对混凝土干燥收缩影响小的泵送剂。必要时掺加适量膨胀剂。在施工中采用二次振捣,加强抹面和湿养护也是必不可少的技术措施。
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