大体混凝土裂缝成因及控制

大体混凝土裂缝成因及控制1.混凝土裂缝的基本概念混凝土是一种由多种材料所组成的人造石材，它具有抗压强度高与耐久性良好等特性，但它同时也存在着抗拉强度低，受拉时变形能力小，容易开裂等特点。大体积混凝土裂缝的起因大致可以作以下分类：1、由外荷载（静、动荷载）的直接应力引起的裂缝；2、由结构次应力引起的裂缝；3、由变形变化引起的裂缝：即主要由温度、收缩、不均匀沉降或澎胀等变化产生应力而引起的裂缝；以下划分并没有严格的界限，因为许多工程裂缝的起因往往是综合性的。重要的是必须区别和判断是由于外荷载引起的，还是结构变化引起的。外荷载引起的裂缝宽度虽小，但钢筋应力可能很高。大体积混凝土内出现的裂缝，按其深度不同，一般可分为贯穿裂缝、深层裂缝和表面裂缝。贯穿裂缝切断了结构断面，可能破坏结构的整体性和稳定性，其危害性是较严重的；深层裂缝部分切断结构断面，可能破坏结构的整体性和稳定性，其有一定的危害性；表面裂缝一般危害性小，但处于基础或老混凝土约束范围以内的表面裂缝，在内部混凝土降温过程中，可能发展为贯穿裂缝。2.大体积混凝土裂缝的性质与原因分析2.1由外荷载（静、动荷载）的直接应力引起的裂缝直接应力裂缝是指外荷载引起的直接应力产生的裂缝。裂缝产生的原因有：2.1.1设计计算阶段，结构计算时不计算或部分漏算；计算模型不合理；结构受力假设与实际受力不符；荷载少算或漏算；内力与配筋计算错误；结构安全系数不够。结构设计时不考虑施工的可能性；设计断面不足；钢筋设置偏少或布置错误；结构刚度不足；构造处理不当；设计图纸交代不清等。2.1.2施工阶段，不加限制地堆放施工机具、材料；不了解预制结构结构受力特点，随意翻身、起吊、运输、安装；不按设计图纸施工，擅自更改结构施工顺序，改变结构受力模式；不对结构做机器振动下的疲劳强度验算等。2.1.3使用阶段，超出设计载荷的重型车辆过桥；受车辆、船舶的接触、撞击；发生大风、大雪、地震、爆炸等。2.2由结构次应力引起的裂缝次应力裂缝是指由外荷载引起的次生应力产生裂缝。裂缝产生的原因有：2.2.1在设计外荷载作用下，由于结构物的实际工作状态同常规计算有出入或计算不考虑，从而在某些部位引起次应力导致结构开裂。2.2.2混凝土结构中经常需要凿槽、开洞、设置牛腿等，在常规计算中难以用准确的图式进行模拟计算，一般根据经验设置受力钢筋。研究表明，受力构件挖孔后，力流将产生绕射现象，在孔洞附近密集，产生巨大的应力集中。在长跨预应力连续梁中，经常在跨内根据截面内力需要截断钢束，设置锚头，而在锚固断面附近经常可以看到裂缝。因此，若处理不当，在这些结构的转角处或构件形状突变处、受力钢筋截断处容易出现裂缝。实际工程中，次应力裂缝是产生荷载裂缝的最常见原因。次应力裂缝多属张拉、劈裂、剪切性质。次应力裂缝也是由荷载引起，仅是按常规一般不计算，但随着现代计算手段的不断完善，次应力裂缝也是可以做到合理验算的。在设计上，应注意避免结构突变（或断面突变），当不能回避时，应做局部处理，如转角处做圆角，突变处做成渐变过渡，同时加强构造配筋，转角处增配斜向钢筋，对于较大孔洞有条件时可在周边设置护边角钢。荷载裂缝特征依荷载不同而异呈现不同的特点。这类裂缝多出现在受拉区、受剪区或振动严重部位。但必须指出，如果受压区出现起皮或有沿受压方向的短裂缝，往往是结构达到承载力极限的标志，是结构破坏的前兆，其原因往往是截面尺寸偏小。根据结构不同受力方式，产生的裂缝特征如下：2.2.2.1中心受拉。裂缝贯穿构件横截面，间距大体相等，且垂直于受力方向。采用螺纹钢筋时，裂缝之间出现位于钢筋附近的次裂缝。2.2.2.2中心受压。沿构件出现平行于受力方向的短而密的平行裂缝。2.2.2.3受弯。弯矩最大截面附近从受拉区边沿开始出现与受拉方向垂直的裂缝，并逐渐向中和轴方向发展。采用纹钢筋时，裂缝间可见较短的次裂缝。当结构配筋较少，裂缝少而宽，结构可能发生脆性破坏。2.2.2.4大偏心受压。大偏心受压和受拉区配筋较少的小偏心受压构件，类似于受弯构件。2.2.2.5小偏心受压。小偏心受压和受拉区配筋较多的大偏心受压构件，类似于中心受压构件。2.2.2.6受剪。当箍筋太密时发生斜压破坏，沿梁端腹部出现大于45方向的斜裂缝；当箍筋适当时发生剪压破坏，沿梁端中下部出现约45方向相互平行的斜裂缝。2.2.2.7受扭。构件一侧腹部先出现多条约45方向斜裂缝，并向相邻面以螺旋方向展开。2.2.2.8受冲切。沿柱头板内四侧发生约45方向斜面拉裂，形成冲切面。2.2.2.9局部受压。在局部受压区出现与压力方向大致平行的多条短裂缝。2.3温度裂缝的性质与原因分析大体积混凝土施工阶级所产生的温度裂缝是其内部矛盾发展的结果。一方面是混凝土由于内外温差而产生应力和应变，另一方面是结构物的外部约束和混凝土各质点间的约束，阻止这种应变；一旦温度应力超过混凝土所能承受的抗拉强度时，即会出现裂缝，这种裂缝一般虽不会影响结构的强度（裂缝宽度在规定范围内），但对混凝土的耐久性有所影响，因此必须对此加强重视和控制。现将产生裂缝的主要原因分述如下：2.3.1水泥水化热是大体积混凝土中的主要因素，水泥在水化过程中要发出一定的能量。而大体积混凝土结构物一般断面较厚，水泥发出的热量聚集在结构内部不易散失。通过实测大体积混凝土在浇筑后35天混凝土内部温度较高能达到70度左右。由于混凝土导热性能较差，浇筑初期混凝土强度和弹性模量偏差，对水化热引起的急剧温升约束力不大，相应的温度应力也就较小。随着混凝土龄期的增长，混凝土的弹性模量增高，对混凝土内部降温收缩的久束力也就就愈来愈大，以致产生很大的应力。当混凝土的抗拉强度不足以抵抗这种拉应力时，开始出现温度裂缝。2.3.2外界气温变化的影响，大体积混凝土在施工阶段，外界气温的变化影响是显而易见的。外界气温愈高，混凝土的浇筑温度也愈高；而如外界温度下降，又增加混凝土的降温幅度，特别是气温骤降，会大大增加外层混凝土与内部混凝土的温度梯度，这对大体混凝土的极为不利的。混凝土内部的温度是水化热的绝热温度、浇筑温度和结构物的散热温降等各种温度的叠加，而温度应力则是由温差所引起的温度变形造成的；温差愈大，温度应力就愈大。同时，在高温条件下，大体积混凝土不易散热，混凝土内部温又较高并且有较大的延续时间，在这种情况下，研究合理的温度控制措施，防止混凝土内外温差引起的过大温度应力，就显得更为重要。2.3.3约束条件与温度裂缝的关系，大体积混凝土由于温度变化产生变形，而这种变形又受到约束，便产生应力，这就是温度变化引起的应力状态，而当应力超过某一数值，便引起裂缝。如在完全约束条件下混凝土结构物的温度变形，是温度与温度膨胀系数的乘积，当其超过混凝土的极限拉伸值时便会出现裂缝。2.3.4混凝土的收缩变形,混凝土中大部分水分要蒸发的,少部分水分是水泥硬化所必须的。混凝土水化作用时产生的体积变形称为自生体积变形。该变形主要取决于胶凝材料的性质，对于普通水泥混凝土来说大多数为收缩变形，少数为膨胀变形。混凝土的收缩机理比较复杂，其主要原因，可能是内部空隙水蒸发变化时引起的毛细管引力。收缩在很大程度上是有可逆现象的。如果混凝土收缩后，再处于水饱和状态，还可以恢复澎胀并几乎达原有的体积。干湿交替将引起混凝土体积交替变化，这对混凝土控制裂缝是很不利的。另外影响混凝土收缩的因素很多，主要是水泥品种和混合材、混凝土的配合成分、化学外加剂及施工工艺等。3防止裂缝的技术措施3.1设计措施3.1.1重视地基的处理，大体积混凝土一般都是厚体实重的整浇式结构,地基对基础的影响十分明显。在设计主要应防止地基产生不均匀下沉，以及改善对基础的约束影响。当地基为软土层时,为防止地基产生不均匀下沉,通常采用砂垫层或其他加固办法。砂垫层不仅可以提高地基的承载能力，而且在施工时还可以设置盲沟排水，这对减少地下水或地表水的影响都有明显作用。砂垫层在施工前应通过试验，使其做到具有最佳含水量和最大密实度再进行回填。砂垫层还可以减少对混凝土基础的约束影响，因此在不均匀的软土地基中，如符合条件时，应优先考虑采用比较经济的砂垫层加固方案。3.1.2合理分缝分块，合理分缝分块，不仅可以减轻约束作用，缩小约束范围；同时也可利用浇筑块的层面进行散热，降低混凝土内部的温度。合理的分缝分块，应能使结构起到调节温度变化的作用，确保混凝土有自由伸缩的余地，以达到释放温度应力的目的，接缝的处理必须满足防止渗漏水的要求。3.1.3合理分布钢筋，钢筋与混凝土共同工作的基础是两者之间的粘结力。由于钢的弹性模量约为混凝土弹性模量的715倍，所以当混凝土内应力达到抗拉强度而开始裂缝时，此时钢筋的应力很小，想通过利用钢筋防止混凝土裂缝的出现，就达不到目的，但合理布置分布钢筋，可以起到减轻混凝土的收缩程度，限制裂缝的开展。3.1.4混凝土设计标号不宜太高，在大体积混凝土的结构物中，力学强度和安全贮备通常都很高，但过高的强度贮备，会使水泥用量增多，水化热变大。导致混凝土内部温度过高，造成内外温差过大，从面引起结构物的开裂。3.2模板与钢筋3.2.1模板，大体积混凝土施工时，模板承受着混凝土的侧压力及振捣混凝土的振动力，因此保证模板及其支撑体系的可靠性，防止模板产生过大的变形是完全必要的。近年来由于采用泵送混凝土，浇筑时间短而且快，加大了对模板的侧压力，如模板与支撑系统刚度不够时，更加大了混凝土产生裂缝的可能性，因此大体积混凝土的模板要根据受力情况，从模板、横楞、立柱、拉杆以及支撑系统的所有构件，都要进行分析计算，并取足够的安全系数。3.2.2钢筋，在混凝土中钢筋锈蚀膨胀，体积将变大，这也是大体积混凝土裂缝原因之一，引起钢筋锈蚀原因主要有：3.2.2.1使用已锈蚀严重的钢筋,在使用钢筋前一定要做好钢筋除锈工作,锈蚀严重的钢筋一得在工程使用权用。3.2.2.2由于混凝土的密实性能不好，抗渗性差，因此混凝土内部的钢筋，也容易受到环境或地下水的侵蚀而生锈膨胀，从而导致混凝土的开裂。 3.2.2.3混凝土中有一些化学物质如氯化钙和氯化钠也是钢筋生锈原因之一，所以在混凝土工程中控制氯盐的掺量，保证其含量低于规范要求。3.3混凝土原材料3.3.1水泥水泥对大体积混凝土裂缝的影响前面已讲过,这里不在重述,水泥的品种和用量，对大体积混凝土发生裂缝的影响。关于水泥的体积安定性问题。如果在水泥已经硬化后，产生不均匀的体积变化，会使结构物产生膨胀裂缝，影响工程质量，甚至引起严重的事故。所以体积安定性不良的水泥应作废品处理，绝对不能用于大体积混凝土工程中。国家标准规定，凡出厂水泥必须用沸煮法检验其安定性。同时规定在水泥熟料中，游离氧化镁含量不得超过5.0%，水泥中三氧化硫含量不超过3.5%，这些指标都是为了控制水泥的体积安定性。3.3.2骨料3.3.2.1有害杂质,拌制混凝土的骨料要求清洁而不含杂质，以保证混凝土的质量。3.3.2.2骨料品种和粒径要求,砂子按其平均粒径和细度模量分为粗砂、中砂、细纱和特细纱。在大体积混凝土中通常使用粗砂，也可以使用中砂。石子按其形状分为碎石和卵石。当配合比相同时，碎石混凝土强度较高，抗裂性也较好。当混凝土的抗压强度相等坍落度也相等时，卵石混凝土的水泥用量较少。对于抗裂性有特殊要求的工程，当无碎石时，也可以将卵石人工轧碎。石子按其最大粒径分为粗、中、细三类。当所用石子的最大粒径较大时，混凝土的密实性较好，并可以节约水泥；但为了便于捣实，石子的最大粒径不得超过结构截面最小尺寸的1/4，也不得大于钢筋最小径距地3/4.当混凝土用泵输送时，石子的最大粒径还应符合要求，以免发生堵塞。3.3.2.3含泥量要求,在大体积混凝土工程中，把含泥量作为一个突出问题出来。因为过多的含泥量，不仅增加混凝土的收缩，又降低强度， 而且对抗裂性特别有害。为此在施工应采取严格措施加以解决。含泥量的标准，砂子不超过3%，石子不超过1%。3.3.3水,拌制混凝土宜采用饮用水。3.3.4对于大体积混凝土可以抛一定量块石（设计规定范围内），可以减少混凝土用量，从而降混凝土内度水化热。块石一般要求其干净、清洁；其强度不低于浇筑混凝土强度；抛石要有一定距离。3.4混凝土配合比混凝土配合比是指混凝土中各种组成材料的数量比例。设计混凝土的任务，是要根据原材料的技术性能及施工条件，确定出能满足工程所要求的混凝土配合比,合理设计混凝土的配合比，尽量减小混凝土坍落度，减少水泥用量。3.4.1水泥品种与用量,大体积混凝土的水泥，应选用低热或中热水泥，并优先使用325或425号矿渣水泥、火山灰水泥和粉煤灰水泥。在施工条件许可的范围内，应尽可能降低用水量。尽可能少用水泥就能减少水泥总的发热量，从而可降低混凝提内部的最高温度，这是设计大体积混凝土配合比中应考虑的首要问题。3.4.2掺加粉煤灰,以减少水泥用量，粉煤灰掺量一般为水泥用量15%左右，产量过大，影响混凝土的耐久性。3.4.3石子级配,石子级配的好坏，对节约水泥和保证混凝土具有良好的和易性有很大关系。在实际工程中，如果单一材料满足不了上述级配要求时，可以采用不同粒径进行掺配试验，通过多次筛选，最后确定合理的掺配比例。3.4.4和易性要求，和易性是指混凝土拌合物能保持混凝土成分的均匀，不致发生离析现象，且易于施工操作的性能。大体积混凝土的特点是量大面广，要求混凝土连续作业，并有温度控制的严格规定，为此混凝土多数采用集中搅拌站供料。由于受运输、浇筑、振动和气候等条件的影响较大，所以对混凝土的和易性提出了一些新的要求。3.4.3.1不同停置时间及气候条件，对混凝土拌合物内水分的损失与坍落度影响;3.4.3.2不同停置时间及气候条件，对混凝土拌合物的热量（或冷量）损失的影响。3.4.4外加剂的应用,在混凝土或砂浆中掺入少量的外加剂，可以改善其性能，节约水泥用量，降低工程造价，缩短施工工期，是一种使用方便，效果显著的新材料。由于外加剂在混凝土中能显著地改善混凝土的物理、力学性能，以致在某些工程中已将外加剂作为配制混凝土必不可少的第五种组成材料，甚至有的国家，已经把发展外加剂作为代替发展水泥新品种的重要手段。为了保证工程质量，掺用外加剂时一般应注意以下几个问题：必须事先适配，掺量准确，搅拌均匀，注意掺加顺序。3.5混凝土浇筑方法：大体积混凝土浇筑方案应根据整体连续浇筑的要求，要避免混凝土搅拌后很长时间使用，并结合结构物的大小、钢筋疏密、混凝土供应条件（垂直与水平运输能力）等具体情况，选择如下三种方式： 3.5.1全面分层：在整个结构物内，采取全面分层浇筑混凝土，做到第一层全面浇筑完成后，开始浇筑第二层时，已施工的第一层混凝土还未初凝，如此逐层进行，直至浇筑完成。这种方案适用于结构物的平面尺寸不太大的工程，施工时宜从短边开始，沿长边推进；亦可分为两段，从中间向两端或从两端向中间同时进行。 3.5.2分段分层：适用于厚度不太大而面积或长度较大的工程。施工时混凝土先从底层开始浇筑，进行至一定距离后后浇筑第二层，如此依次向前浇筑其他各层。 3.5.3斜面分层：适用于结构的长度超过厚度的三倍。振捣工作应从浇筑层的下端开始，逐渐上移，此时向前的浇筑摊铺坡度应小于1：3，以保证分层混凝土之间的施工质量。 3.5.4混凝土浇筑时应注意以下几个问题：3.5.4.1分层厚度。每层混凝土的厚度应不超过振动棒长的1.25倍，在振捣上一层时，应插入下一层混凝土内约5cm，以消除两层之间的接缝；同时在振捣上层混凝土时，要在下层混凝土初凝之前进行。混凝土分层厚度除根据振动器的棒长和振动力的大小之外，尚需考虑混凝土供应量的大小、浇筑速度及配筋情况，在大体积混凝土工程中，一般可定为400-600mm，数量较少的混凝土工程中可取250-350mm。3.5.4.2防止混凝土发生离析。混凝土自高处自由倾落高度超过2m，应沿串筒、溜槽、溜管等下落，以保证混凝土不致发生离析现象。漏斗和串筒的布置应根据浇筑面积、浇筑速度和摊平混凝土堆得能力而定，但其间距不得大于3m，布置方式为交错式或行列式。3.5.4.3泵送混凝土的振捣方法。由于泵送混凝土的坍落度较在，与上述三种浇筑方式所规定的坡度不符。因此在实际施工中，可将原来分层振捣的方式，改为在斜坡的头、尾部进行振捣，使上下两层有钢筋网的混凝土得以密实。另外，在侧模的边缘，还可辅以竹杆插振，防止这部分混凝土出现漏振现象。3.5.4.4表面处理,大体积泵送混凝土，表面水泥浆比较厚，在混凝土浇筑后要认真处理。一般可在初凝前1-2h，先用长括尺按标高刮平；在初凝前再用铁滚筒碾压数遍，并用木蟹打磨压实，以闭合收缩裂缝，约12-14h后，才可覆盖湿草袋等物养护。3.5.4.5施工缝处理。在施工缝处继续浇筑混凝土时，其底层混凝土的抗压强度不应小于1.2MPA;在底层混凝土的表面上，应清除水泥薄膜和松动石子软弱混凝土层，并加以充分湿润和冲洗干净（但不得积水）；在浇筑前，施工缝处宜先铺10-15mm厚与混凝土成分相同的水泥砂浆，并应细致捣实，使新旧混凝土紧密结合。3.6控制大体积混凝土内外温差也是防止大体积混凝土裂缝的一个重要方面。一般按规范来说大体积混凝土内外温差超过25度,混凝土就极易产生温度裂缝,就施工而言,由于受不同环境、季节影响混凝土内外温差较难控制，加强混凝土养生，增加混凝土养护时间能有效的防止混凝土裂缝，而且大冬夏季大体积混凝土施工养生尤为关健：3.6.1冬季大体积混凝土施工内外温差控制:冬季大体积混凝土施工由于气温较低,而混凝土内部温度最高时一般能达到七十多度,所以应该做好混凝土保温工作，同时增加温度检测频率，一旦发现温差超过规范要求，要立刻采取保温（表面蒸气养生、增加覆盖层）等措施，以保证混凝土内外温差。3.6.2夏季大体积混凝土施工内外温差控制:夏季气温高，大体积混凝土施工时要首先保证混凝土入模温度不大于30度，混凝土浇筑分层厚度要在30cm左右，要尽量采用有利于混凝土热量散发的措施（在不影响混凝土施工质量的情况下）。夏季大体积混凝土保证内处温差主采取以下措施：3.6.2.1、保温法：有条件的情况采用蓄水养生法，混凝土浇筑完成后在其表面积水2030cm左右，一旦混凝土内部温度升高其表面积水温度也随之升高，这样其内外温差就得到有效的控制，也就控制温度应力，减少混凝土裂缝的概率；笔者参加的江苏泗阳船闸上下闸首底板23米*20米*2.8米，由于施工季节正处于盛夏季，日最高气温近40度，项目部经反复论证决定采用保温法施工，模板高于混凝土表面30cm，混凝土表面压光成型后蓄水养生，同时结合测温工作。混凝土浇筑第四天温度达到峰值73度，而养护水温也同时上升到49度，温差控制在25度范围之内，经观测未发现有裂缝（注养护用水不能采用流动的水）。3.6.2.2、内部降温法：通过在大体积混凝土内部预埋水管，进行降温，在利于大体积混凝土内部温度挥发，从而使内外温差达到规范要求。3.7温度控制要求温度控制是大体积混凝土施工中的一个重要环节，是防止大体积裂缝的核心。3.7.1 编好施工方案，提出切实可行的具体措施。在制定方案时，应广泛听取有经验的工人和技术人员的意见，并排列出保证质量的因果分析图和对策表，使施工方案的有关措施落到实处，如发生问题，也便于纠正。过去在大体积混凝土工程中，一般只强调温差方面的要求，即通常所说的“温差控制”，而很少核算温度应力，或者认为温差与温差应力成比例关系，因此就不能有效地防止温度裂缝的发生。必须指出，只有温差控制，由于结构所处的具体条件不同（包括结构尺寸、配筋、基础约束情况等），它们的温度应力是不一样的。这就充分说明，采取同样的温差控制方法，为什么有的工程不裂，有的工程开裂。3.7.2加强温度监测工作。不仅要在混凝土成形后，对混凝土的内部温度进行监测；而且应在一开始，就对原材料、混凝土的拌合、入模和浇筑温度进行系统测试，才能针对存在问题，及时进行改进。对有关测试人员应进行技术培训和岗位责任制的教育，以及正确填写测温记录等一些不可忽视的基础问题。 4结论就建筑工程而言，大体积混凝土裂缝主要发生在施工阶段，但产生的原因是错综复杂的，但总的原因是在混凝土早期降温过程中，由于内外温速不同而引起的。他包括了外部条件（主要为基础约束）和内部约束条件（混凝土温度不均匀引起的自身约束）两方面的原因，所以大体积混凝土形成裂缝的条件，取决于结构物（或浇筑层）在温度变化的影响下，能否“同步变形”的问题。能否同步变形设及到以下几方面的影响：从控制混凝土最高温升、内外温差的观点出发，应根据不同地区、不同气候情况，研究各种温度控制的方法（包括材料预冷却、混凝土浇筑后的保法或降温法，以及养护拆模等措施）及适用范围。而在具体施工时应根据不同龄期和时间段，通过温度监测手段，调整混凝土养护温度和养护时间。这种温差控制方法有助于使温度应力严格限制在混凝土所允许的受强度范围之内（与混凝土龄期相对应）。2、从改进混凝土材性出发，可以探索混凝土最佳配合成分和进一步改进施工工艺。通过掺加粉煤灰减少水泥用量，通过掺加减水剂来减少水的用量，从而减少水化热，有利于将水化热控制在最小范围内。只有这样，才能提高结松整体性和材料的均匀性，从而增大混凝土材料的抗变形能力。3、从改善约速条件考虑，就对各类结构的地基条件、变形缝和施工缝的设置以及混凝土标号和配筋率等进行必要研究和试验，从而采取出相应的技术措施，以允许混凝土在温度变化影响下，有一个较大的变动范围。通过以上分析，大体积混凝土裂缝产生主要原因也就是内外变形不同步，所以在大体积混凝土施工中应从内部和结构物外部两方面进行综合研究，进一步完善和发展大体积混凝土的施工技术，尽量采取可靠措施，使混凝土内外变形基本同步，只有这样才能有可能或减少混凝土裂缝机会。