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泵送混凝土施工裂縫的成因和防治

時間:2007-04-24  來源:  瀏覽:17002次
..石子最大粒徑為滿足泵送和抗壓強度要求,與管道直徑比∶.卵石∶碎石~∶∶…上述標準是從耐久強度考慮的,為設計中和裂縫檢測中的控制范圍…如土木建筑中的各種大型特種結構和設備基礎,般均存在裂縫,完全沒有裂縫是不可能的,科技工作者的主要任務是根據裂縫的部位所處環境配筋情況和結構形式,進行具體分析判斷和處理…..泵送劑多為高效減水劑復合以緩凝
泵送混凝土施工裂縫的成因和防治泵送混凝土不僅應能改善混凝土的施工性能,對薄壁密筋結構少振搗或不振搗施工,而且應能減少收縮、防止裂縫、提高抗滲性、改善耐久性。

1.泵送混凝土的特點

1.1 原材料和配合比

1.1.1 水泥用量較多

  強度等級C20~C60范圍為350~550kg/m3。

1.1.2 超細摻合料時有添加

 為改善混凝土性能,節約水泥和降低造價,混凝土中摻加粉煤灰、礦渣、沸石粉等摻合料。

1.1.3 砂率偏高、砂用量多

  為保證混凝土的流動性、粘聚性和保水性,以便于運輸、泵送和澆筑,泵送混凝土的砂率要比普通流動性混凝土增大砂率6%以上,約為38~45%。

1.1.4石子最大粒徑

  為滿足泵送和抗壓強度要求,與管道直徑比1∶2.5(卵石)、1∶3(碎石)~1∶4、1∶5。

1.1.5 水灰比宜為0.4~0.6

  水灰比小于0.4時,混凝土的泵送阻力急劇增大;大于0.6時,混凝土則易泌水、分層、離析,也影響泵送。

1.1.6 泵送劑

  多為高效減水劑復合以緩凝劑、引氣劑等,對混凝土拌合物流動性和硬化混凝土的性能有影響,因而對裂縫也有影響。

1.2 工藝

  a.混凝土拌制在攪拌站(樓)進行,原材料計量準確,攪拌均勻,但也偶有失控情況。

  b.多數攪拌站未設細摻合料、粉狀泵送劑、粉狀膨脹劑稱量和料侖,采用人工或容積法,使計量與分散存在問題,影響混凝土的均勻性。

  c.當混凝土拌合物過乾、過稀,運輸時間過長、停留時間過長且未進行攪拌均勻前入泵時,混凝土拌合物乾稀不勻。

  d.每個運輸車中混凝土的坍落度相差過大,加入泵車內輸送時,會澆筑的混凝土均勻性變壞。

  e.混凝土澆筑后振搗不足、振搗過度,特別是面積系數很大的板材,采用振搗棒密實不均勻。

  f.大體積混凝土施工,當技術措施不當或不完善時,易產生溫度裂縫。

  g.混凝土大面積板材,在澆筑后防風、防曬、養護不足時,易產生干縮裂縫。

  h.混凝土拌合物過乾、人工、無稱量的加入高效減水劑或水時,混凝土質量不易保證。

2.有關裂縫的一些概念

2.1 混凝土內部結構決定其產生裂縫

  混凝土是粗集料、細集料、水泥石、水和氣體所組成的非均質堆聚結構。混凝土混合料在不同溫濕度條件下凝結硬化,并同時產生體積變形。水泥石的干燥和冷卻收縮大,集料的干燥和冷卻收縮小,同時水泥石和集料之間相互粘結而約束,由于變形產生微裂縫。

2.2 混凝土裂縫的種類

2.2.1 按裂縫產生原因分類

a.由外荷載(靜、動荷載)直接應力引起的裂縫和次應力引起的裂縫。

  b.由變形變化引起的裂縫:包括結構因溫度濕度變化、收縮、膨脹、不均勻沉陷等原因引起的裂縫。其特征是結構要求變形,當受到約束和限制時產生內應力,應力超過一定數值后產生裂縫,裂縫出現后變形得到滿足,內應力松弛。這種裂縫寬度大、內應力小,對荷載的影響小,但對耐久性損害大。

  據國內外調查資料表明,工程結構產生屬于變形變化(溫濕度、收縮與膨脹、不均勻沉降)引起的裂縫約占80%;屬于荷載引起的裂縫約占20%。

2.2.2 按裂縫所處狀態分

  裂縫可分為運動、不穩定、穩定、閉合和愈合等狀態。

  對于處于運動和不穩定擴展狀態的裂縫,應考慮加固和補救措施。而對于穩定、閉合、愈合的裂縫則可持久的應用。例如有些防水結構,在0.1MPa水壓下,出現0.1~0.2mm裂縫時,可能開始時有輕微滲漏,但經過一段時間后,裂縫處水化的水泥析出Ca(OH)2,逐漸彌合了裂縫,并與大氣中CO2作用,形成CaCO3結晶,封閉和自愈合裂縫,防止了滲漏的產生。這種裂縫是穩定的,不會影響工程結構的使用和耐久性。

2.2.3 按裂縫形狀分

  裂縫按形狀可分為表面的、深入的、貫穿的、斷續的、縱向的、橫向的、斜向的、對角線的、上寬下窄、上窄下寬、外寬內窄的、囊核形的等等。

2.3 裂縫寬度

2.3.1 平均裂縫寬度

  在整條裂縫上,其寬度是不均勻的,有的位置寬,有的位置窄。平均裂縫寬度是指裂縫長度10%~15%范圍較寬區段平均裂縫寬度和裂縫長度10%~15%范圍較窄區段平均裂縫寬度的平均值即最大與最小平均裂縫的平均值。

2.3.2 最大裂縫寬度

  a.無侵蝕介質、無抗滲要求,結構處于正常狀態下,最大裂縫寬度不得大于0.3mm。

  b.有輕微侵蝕、無抗滲要求時,最大裂縫寬度不得大于0.2mm。

  c.有最重侵蝕和抗滲要求時,不得大于0.1mm。

  d.混凝土有自防水要求時,不得大于0.1mm。

  上述標準是從耐久強度考慮的,為設計中和裂縫檢測中的控制范圍。但在工程實踐中,有些結構存在數毫米寬的裂縫仍然正在使用,而且多年后也沒有破壞危險。如土木建筑中的各種大型、特種結構和設備基礎,一般均存在裂縫,完全沒有裂縫是不可能的,科技工作者的主要任務是根據裂縫的部位、所處環境、配筋情況和結構形式,進行具體分析、判斷和處理。一些專家和學者根據對結構物裂縫處理的實際經驗,認為規范中限制的裂縫寬度應當根據具體條件加以放寬,如像大量的表面裂縫,如果經過周密的研究分析確定是由變形作用引起的,其寬度可不受限制,只須作表面封閉處理即可。

3.變形裂縫產生的原因和特征

3.1 溫度裂縫

3.1.1 產生的原因和特征

 水泥水化過程中產生大量的熱量,每克水泥放出502J的熱量,如果以水泥用量350~550kg/m3來計算,每m3混凝土將放出17500~27500KJ的熱量,從而使混凝土內部溫度升高,在澆筑溫度的基礎上,通常升高35℃左右。如果按著我國施工驗收規范規定澆筑溫度為28℃則可使混凝土內部溫度達到65℃左右。但是,如果沒有降溫措施或澆筑溫度過高,混凝土內部溫度高達80~90℃的情況也時有發生,例如XX大廈在澆筑筏板反梁基礎的大體積混凝土的內部溫度,經實際測定高達95℃。水泥水化熱在1~3天可放出熱量的50%,由于熱量的傳遞、積存,混凝土內部的最高溫度大約發生在澆筑后的3~5天,因為混凝土內部和表面的散熱條件不同,所以混凝土中心溫度低,形成溫度梯度,造成溫度變形和溫度應力。溫度應力和溫差成正比,溫度越大,溫度應力也越大。當這種溫度應力超過混凝土的內外約束應力(包括混凝土抗拉強度)時,就會產生裂縫。這種裂縫的特點是裂縫出現在混凝土澆筑后的3~5天,初期出現的裂縫很細,隨著時間的發展而繼續擴大,甚至達到貫穿的情況。

3.1.2影響因素和防治措施

  混凝土內部的溫度與混凝土厚度及水泥品種、用量有關。混凝土越厚,水泥用量越大,水化熱越高的水泥,其內部溫度越高,形成溫度應力越大,產生裂縫的可能性越大。

  對于大體積混凝土,其形成的溫度應力與其結構尺寸相關,在一定尺寸范圍內,混凝土結構尺寸越大,溫度應力也越大,因而引起裂縫的危險性也越大,這就是大體積混凝土易產生溫度裂縫的主要原因。因此防止大體積混凝土出現裂縫最根本的措施就是控制混凝土內部和表面的溫度差。

3.1.2.1 混凝土原材料和配合比的選用

  a.水泥品種選擇和水泥用量控制

  大體積鋼筋混凝土引起裂縫的主要原因是水泥水化熱的大量積聚,使混凝土出現早期升溫和后期降溫,產生內部和表面的溫差。減少溫差的措施是選用中熱硅酸鹽水泥或低熱礦渣硅酸鹽水泥,在摻加泵送劑或粉煤灰時,也可選用礦渣硅酸鹽水泥。再有,可充分利用混凝土后期強度,以減少水泥用量。根據大量試驗研究和工程實踐表明,每m3混凝土的水泥用量增減10kg,其水化熱將使混凝土的溫度相應升高或降低1℃。因此,為更好的控制水化熱所造成的溫度升高、減少溫度應力,可以根據工程結構實際承受荷載的情況,對工程結構的強度和剛度進行復核與驗算,并取得設計單位的同意后,可用56天或90天抗壓強度代替28天抗壓強度作為設計強度。由于過去土木建筑物層數不多、跨度不大,且多為現場攪拌,施工工期短,混凝土標準試驗齡期定為28天,但對于具有大體積鋼筋混凝土基礎的高層建筑,大多數的施工期限很長,少則1~2年,多則4~5年,28天不可能向混凝土結構,特別是向大體積鋼筋混凝土基礎施加設計荷載,因此將試驗混凝土標準強度的齡期推遲到56天或90天是合理的,正是基于這點,國內外許多專家均提出這樣建議。如果充分利用混凝土的后期強度,則可使每m3混凝土的水泥用量減少40~70kg左右,則混凝土溫度相應降低4~7℃。最后,為減少水泥水化熱和降低內外溫差的辦法是減少水泥用量,將水泥用量盡量控制在450kg/m3以下。如果強度允許,可采用摻加粉煤灰來調整。

  b.摻加摻合料

  國內外大量試驗研究和工程實踐表明,混凝土中摻入一定數量優質的粉煤灰后,不但能代替部分水泥,而且由于粉煤灰顆粒呈球狀具有滾珠效應,起到潤滑作用,可改善混凝土拌合物的流動性、粘聚性和保水性,并且能夠補充泵送混凝土中粒徑在0.315mm以下的細集料達到占15%的要求,從而改善了可泵性。同時,依照大體積混凝土所具有的強度特點,初期處于較高溫度條件下,強度增長較快、較高,但是后期強度增長緩慢。摻加粉煤灰后,其中的活性Al2O3、SiO2與水泥水化析出的CaO作用,形成新的水化產物,填充孔隙、增加密實度,從而改善了混凝土的后期強度。但是應當值得注意的是,摻加粉煤灰混凝土的早期抗拉強度和極限變形略有降低。因此,對早期抗裂要求較高的混凝土,粉煤灰摻量不宜太多,宜在10~15%以內。

  特別重要的效果是摻加原狀或磨細粉煤灰之后,可以降低混凝土中水泥水化熱,減少絕熱條件下的溫度升高。摻加粉煤灰的水泥混凝土的溫度和水化熱,在1~28d齡期內,大致為:摻入粉煤灰的百分數就是溫度和水化熱降低的百分數,即摻加20%粉煤灰的水泥混凝土,其溫升和水化熱約為未摻粉煤灰的水泥混凝土的80%,可見摻加粉煤灰對降低混凝土的水化熱和溫升的效果是非常顯著的。目前許多商品混凝土廠家,由于認識、技術、設備(料倉)等原因,尚未有效、充分地利用粉煤灰。

  c.摻加外加劑

  摻加具有減水、增塑、緩凝、引氣的泵送劑,可以改善混凝土拌合物的流動性、粘聚性和保水性。由于其減水作用和分散作用,在降低用水量和提高強度的同時,還可以降低水化熱,推遲放熱峰出現的時間,因而減少溫度裂縫。

  例如,在泵送混凝土中,摻入占水泥重量0.25%的木質素磺酸鈣減水劑,不僅能使混凝土的泵送性能改善,而且可以減少拌合水和水泥用量,從而降低水化熱,延遲了水化熱釋放速度,推遲放熱峰。因此,不但減少了溫度應力,而且使初凝和終凝時間延緩3~8h,降低了大體積混凝土施工中出現冷縫的可能性。

  d.選用質量優良的粗細集料

  粗集料

  根據結構最小斷面尺寸和泵送管道內徑,選擇合理的最大粒徑,盡可能選用較大的粒徑。例如5~40mm粒徑可比5~25mm粒徑的碎石或卵石混凝土可減少用水量6~8kg/m3,降低水泥用量15kg/m3,因而減少泌水、收縮和水化熱。

  要優先選用天然連續級配的粗集料、使混凝土具有較好的可泵性,減少用水量、水泥用量,進而減少水化熱。

  細集料

  以采用級配良好的中砂為宜。實踐證明,采用細度模數2.8的中砂比采用細度模數2.3的中砂,可減少用水量20~25kg/m3,可降低水泥用量28~35kg/m3,因而降低了水泥水化熱、混凝土溫升和收縮。

  泵送混凝土也宜選用合理砂率,其砂率值較低流動性混凝土適當提高是必要的。但是砂率過大,不僅會影響混凝土的工作度和強度,而且能增大收縮和裂縫。

3.1.2.2 泵送混凝土施工工藝改進

  a.控制混凝土出機溫度和澆筑溫度

  為了降低混凝土的總溫升,減少大體積工程結構的內外溫差,控制混凝土的出機溫度和澆筑溫度也是一個重要措施。

  對于出機溫度和澆筑溫度的控制,世界各國都非常重視,并有較明確的規定:我國《水工混凝土施工規范》(SDJ207-82)中規定:高溫季節施工時,混凝土最高澆筑溫度,不得超過28℃。為求得統一,《混凝土結構工程施工及驗收規范》(GB50204-92)也規定了這個溫度值。日本規范規定,暑期混凝土的攪拌溫度為30℃以下,澆筑時的混凝土溫度應低于35℃;對于大體積混凝土的溫度,規定拌制時為25℃以下,澆筑時要在30℃以下。前蘇聯規范規定,暑期施工時,當澆筑表面系數大于3的結構混凝土時,混凝土拌合物從攪拌站運出時的溫度應當不超過30~35℃,而對于表面系數小于3的大體積結構,混凝土拌合物溫度應盡可能降低,且不超過20℃。美國規范規定,在炎熱的氣候條件下,澆筑溫度不得超過32℃。德國規范規定,在炎熱氣候時,新拌混凝土溫度,在卸車時不得超過30℃。

  為了降低混凝土的出機溫度和澆筑溫度。最有效的方法是降低原料溫度,混凝土中石子比熱較小,但每m3混凝土中石子所占重量最大,所以最有效的辦法是降低石子溫度。在氣溫較高時,為了防止太陽直接照射,可以在砂石堆場搭設簡易遮陽棚,必要時可向集料噴淋霧狀水,或者在使用前用冷水沖洗集料。國外也有的攪拌混凝土時加冰塊冷卻。除此之外,攪拌運輸車罐體、泵送管道保溫、冷卻也是必要的措施。

  b.改進工藝

  攪拌工藝

  采用二次投料的凈漿裹石或砂漿裹石工藝,可以有效地防止水分聚集在水泥砂漿和石子的界面上,使硬化后界面過渡層結構致密、粘結力增大,從而提高混凝土強度10%或節約水泥5%,并進一步減少水化熱和裂縫。

  振動工藝

  對已澆筑的混凝土,在終凝前進行二次振動,可排除混凝土因泌水,在石子、水平鋼筋下部形成的空隙和水分,提高粘結力和抗拉強度,并減少內部裂縫與氣孔,提高抗裂性。

  養護工藝

  為了嚴格控制大體積混凝土的內外溫差,確保混凝土質量,減少裂縫,養護是一個十分重要和關鍵的工序,必須切實做好。

  混凝土養護主要是保持適當的溫度和濕度條件。保溫能減少混凝土表面的熱擴散,降低混凝土表層的溫差,防止表面裂縫。由于散熱時間延長,混凝土強度和松弛作用得到充分發揮,使混凝土總溫差產生的拉應力小于混凝土的抗拉強度,防止了貫穿裂縫的產生。澆筑時間不長的混凝土,仍然處于凝結、硬化過程,水泥水化速度較快,適宜的潮濕條件可防止混凝土表面脫水而產生收縮裂縫。同時在潮濕條件下,可使水泥的水化充分、完全,從而提高混凝土的抗拉強度。

3.2 沉陷(塑性)收縮裂縫

3.2.1 產生的原因和特征

  在泵送混凝土現澆的各種鋼筋混凝土結構中,特別是板、墻等表面系數大的結構之中,經常出現一種早期裂縫。這種裂縫為斷續的水平裂縫,裂縫中部較寬、兩端較窄、呈梭狀。裂縫經常發生在板結構的鋼筋部位、板肋交接處、梁板交接處、梁柱交接處、結構變截面的地方。

  這種裂縫產生的原因主要是混動性過大和流動性不足以及不均勻,在凝結硬化前沒有沉實或者沉實不夠,當混凝土沉陷時受到鋼筋、模板抑制以及模板移動、基礎沉陷所致。裂縫在混凝土澆筑后1~3小時出現,裂縫的深度通常達到鋼筋上表面。

3.2.2 影響因素和防止措施

  a.要嚴格控制混凝土單位用水量在170kg/m3以下,水灰比在0.6以下,在滿足泵送和澆筑要求時,宜盡可能減少坍落度;

  b.摻加適量、質量良好的泵送劑和摻合料,可改善工作性和減少沉陷;

  c.混凝土攪拌時間要適當,時間過短、過長都會造成拌合物均勻性變壞而增大沉陷;

  d.混凝土澆筑時,下料不宜太快,防止堆積或振搗不充分;

  e.混凝土應振搗密實,時間以10~15秒/次為宜,在柱、梁、墻和板的變截面處宜分層澆筑、振搗。在混凝土澆筑1~1.5小時后,混凝土尚未凝結之前,對混凝土進行兩次振搗,表面要壓實抹光;

  f.在炎熱的夏季和大風天氣,為防止水分激烈蒸發,形成內外硬化不均和異常收縮引起裂縫,應采取措施緩凝和復蓋。

3.3 干縮裂縫

3.3.1 產生的原因和特征

 干燥收縮的主要原因是水分在硬化后較長時間產生的水分蒸發引起的。混凝土的干燥收縮由于集料的干燥收縮很小,因此主要是由于水泥石干燥收縮造成的。水泥石干燥收縮理論有毛細管張力學說、表面吸附學說和夾層水學說等,不論哪種學說,都是水分蒸發引起的。混凝土的水分蒸發、干燥過程是由外向內、由表及里,逐漸發展的。由于混凝土蒸發干燥非常緩慢,產生干燥收縮裂縫多數在一個月以上,有時甚至一年半載,而且裂縫發生在表層很淺的位置,裂縫細微,有時呈平行線狀或網狀,常常不被人們注視。但是應當特別注意,由于碳化和鋼筋銹蝕的作用,干縮裂縫不僅嚴重損害薄壁結構的抗滲性和耐久性,也會使大體積混凝土的表面裂縫發展成為更嚴重的裂縫,影響結構的耐久性和承載能力。

3.3.2 影響因素和防止措施

3.3.2.1 水泥品種

  一般來說,水泥的需水量越大,混凝土的干燥收縮越大,不同水泥混凝土的干燥收縮按其大小順序排列為:礦渣硅酸鹽水泥、普通硅酸鹽水泥、中低熱水泥和粉煤灰水泥。所以,從減少收縮的角度出發,宜采用中低熱水泥和粉煤灰水泥。

3.3.2.2 水泥用量

  混凝土干燥收縮隨著水泥用量的增加而增大,但是增加量不顯著。在有可能減少水泥用量時,還是盡可能降低水泥用量,因為泵送混凝土的水泥用量偏高,C20~C60混凝土的水泥用量一般約為350~600kg/m3。

3.3.2.3 用水量

  混凝土的干燥收縮受用水量的影響最大,在同一水泥用量條件下,混凝土的干燥收縮和用水量成正比、為直線關系;當水泥用量較高的條件下,混凝土的干燥收縮隨著用水量的增加而急劇增大。綜合水泥用量和用水量來說,水灰比越大,干燥收縮越大。

  沉陷裂縫、干縮裂縫都是由于混凝土單方用水量過大、混凝土過稀、坍落度過大,而且水分蒸發過快、過多造成的。因此嚴格控制泵送混凝土的用水量是減少裂縫的根本措施。為此,在混凝土配合比設計中應盡可能將單方混凝土用水量控制在170kg/m3以下,對于澆筑墻體和板材的單方混凝土用水量的控制尤為重要。特別值得注意的是,施工混凝土的坍落度(即用水量)絕對不允許大于配合比設計給定的坍落度(即用水量)。

  為了降低用水量,摻加適當數量、減水率高、分散性能好的外加劑是非常必要的。

3.3.2.4 砂率

  混凝土的干燥收縮隨著砂率的增大而增大,但增加的數值不大。泵送混凝土宜加大砂率,但不是籠統的和無限的,也應在最佳砂率范圍內,可以通過理論計算和工程實踐確定。

3.3.2.5 摻合料

  礦渣、硅藻土、煤矸石、火山灰、赤頁巖等粉狀摻合料,摻加到混凝土中,一般都會增大混凝土的干燥收縮值。但是質量良好、含有大量球形顆粒的一級粉煤灰,由于內比表面積小、需水量少,故能降低混凝土干燥收縮值。

3.3.2.6 化學外加劑

  摻加減水劑、泵送劑,特別是同時摻加粉煤灰的雙摻技術不會增大干燥收縮,但是對于某些減水劑、泵送劑,尤其是具有引氣作用時,有增大混凝土干燥收縮的趨勢。因此在選用外加劑時,必須選用干燥收縮小的減水劑或泵送劑。

3.3.2.7 膨脹劑

  在地下室和防水工程中,混凝土中加摻加膨脹劑,摻加適量的膨脹劑可以起到收縮補償作用,有利于防止裂縫。但是使用混凝土膨脹劑,一定要嚴格控制摻量和保證混凝土有足夠強度,否則會使混凝土腫脹和開裂。

3.3.2.8 養護時間和方法

  混凝土澆筑面受到風吹日曬,表面干燥過快,產生較大的收縮,受到內部混凝土的約束,在表面產生拉應力而開裂。如果混凝土終凝之前進行早期保溫、保溫養護,對減少干燥收縮有一定作用。

  綜上所述,泵送商品混凝土,特別是在高強度、大流動性條件下,由于水泥用量多,單位用水量大,砂率高和摻化學外加劑,使混凝土干燥收縮,產生裂縫的潛在危險大,對此必須引起足夠重視。為此要按施工要求選擇較低的坍落度,在滿足流動性和泵送性的條件下,使單位用水量降低到170kg/m3以下,在滿足強度條件下,盡可能降低水泥用量。同時,應選用對混凝土干燥收縮影響小的泵送劑。必要時摻加適量膨脹劑。在施工中采用二次振搗,加強抹面和濕養護也是必不可少的技術措施。

(林建寧 劉軍華 李生慶 宋揚)

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