泵送商品混凝土早期裂縫產(chǎn)生原因分析
1 前言
使用泵送商品混凝土代替現(xiàn)場攪拌混凝土已越來越得到普及,但在應(yīng)用的同時(shí)也產(chǎn)生了諸多以前不曾出現(xiàn)的問題。根據(jù)多年來的實(shí)踐觀察, 發(fā)現(xiàn)采用商品混凝土建造的建筑, 與采用傳統(tǒng)普通混凝土建造的建筑相比, 由于混凝土總收縮量增加,引起裂縫的現(xiàn)象大增, 施工期尤其嚴(yán)重。隨著泵送商品混凝土技術(shù)的推廣使用, 開裂問題, 尤其是早期各種收縮現(xiàn)象因受約束產(chǎn)生應(yīng)力而導(dǎo)致的開裂, 雖然早期產(chǎn)生的構(gòu)件裂縫并不一定影響結(jié)構(gòu)的承載力,但裂縫的存在會影響建筑物的外觀,并對結(jié)構(gòu)的正常使用和耐久性等造成一定的影響。
2 特點(diǎn)
2.1 泵送商品混凝土的特點(diǎn):泵送混凝土的原材料和配合比:粗骨料宜優(yōu)先選用礫石。當(dāng)水灰比相同時(shí), 礫石混凝土比碎石混凝土流動性好,與管道摩擦阻力小; 為減小摩擦力, 應(yīng)限制粗骨料最大粒徑與輸送管內(nèi)徑的比值: 當(dāng)粗骨料為碎石時(shí), 粗骨料最大粒徑不宜大于輸送管內(nèi)徑的1/3 ; 粗骨料為礫石時(shí), 粗骨料最大粒徑不宜大于輸送管內(nèi)徑的1/2.5 ;細(xì)骨料顆粒級配對混凝土的流動性有很大影響, 為提高混凝土的流動性和防止離析, 泵送商品混凝土中通過135mm 篩孔的砂應(yīng)不小于15% ,含砂率宜控制在40%~50% ,塌落度宜為80~180mm;為了防止離析, 泵送商品混凝土中最小水泥用量為300kg/m3,在泵送商品混凝土中宜滲入適量的添加劑。
2.2 早期裂縫的特點(diǎn):早期裂縫是指其產(chǎn)生時(shí)間較早,一般在結(jié)構(gòu)尚未受力或尚未承受結(jié)構(gòu)荷載的3~5 天內(nèi)發(fā)生, 屬于非荷載裂縫;占結(jié)構(gòu)裂縫的80 %以上,雖然早期裂縫并不一定影響結(jié)構(gòu)的承載力, 但它的存在卻嚴(yán)重的影響著建筑屋的使用, 是引起糾紛的主要原因,特別是在房地產(chǎn)走向市場經(jīng)濟(jì)的今天。
2.3 綜上所述:泵送商品混凝土在使用時(shí)與普通混凝土相比, 存在著水泥用量大、水灰比大、骨料粒徑小、塌落度大等特點(diǎn)。這些特點(diǎn)也是引起裂縫現(xiàn)象大增的原因。
3 裂縫產(chǎn)生原因
3.1 化學(xué)收縮裂縫
由水泥水化反應(yīng)而引起的混凝土體積變小稱為化學(xué)收縮。水泥水化反應(yīng)的主要產(chǎn)物是C-S-H凝膠。據(jù)報(bào)道, 水泥水化反應(yīng)所產(chǎn)生的C-S-H凝膠的體積小于水泥與水的體積之和。對于硅酸鹽水泥,每100Kg 水泥加水完全水化以后, 其體積總減少量可達(dá)7~9ml。如果每立方米混凝土中水泥用量為300Kg,則其總體積減少量為21~27ml左右。從硅酸鹽水泥的組分礦物來分析,C3A(鋁酸三鈣)水化后體積減少量可達(dá)23%左右,是化學(xué)收縮最嚴(yán)重的礦物, 其次分別是C4AF(鐵鋁酸四鈣)、C3S (硅酸三鈣) 、C2S (硅酸二鈣)。由此可見, 混凝土中水泥用量越多,混凝土的化學(xué)收縮也越大,在水泥品種方面,水泥中C3A (鋁酸三鈣)含量越高,混凝土的化學(xué)收縮也越大。
3.2 沉降收縮裂縫
混凝土澆灌振搗后,骨料顆料懸浮在一定稠度的水泥漿體中,漿體的重量密度較低, 對于W/C= 0.6 的漿體而言,大概只有骨料重度密度的一半,所以骨料在漿體中有下沉趨勢,而漿體中的水泥顆粒又遠(yuǎn)重于水,使得新拌混凝土中的水泥向上轉(zhuǎn)移, 即發(fā)生沉降與泌水現(xiàn)象, 形成豎向體積縮小沉落, 這種沉落直到混凝土硬化時(shí)才停止。骨料沉落若受到鋼筋、預(yù)埋件、模板、大的粗骨料以及先期凝固混凝土的局部阻礙?;蚧炷帘旧砀鞑糠殖谅洳煌蜁a(chǎn)生沉降收縮裂縫。
3.3 塑性收縮裂縫
這種裂縫發(fā)生在混凝土澆筑后數(shù)小時(shí)、硬化之前仍處于塑性狀態(tài)的時(shí)刻。發(fā)生這種裂縫的因素是多方面的,如混凝土早期養(yǎng)護(hù)不好, 混凝土澆筑后表面沒有及時(shí)覆蓋, 受風(fēng)吹日曬, 表面游離水蒸發(fā)過快, 產(chǎn)生急劇的體積收縮, 而此時(shí)混凝土強(qiáng)度很低, 不能抵抗這種變形應(yīng)力而導(dǎo)致塑性收縮裂縫。
3.4 干燥收縮裂縫
混凝土在塑性流動終止并進(jìn)入硬化階段,干燥收縮一直進(jìn)行, 即使達(dá)到28 天齡期也不能說已經(jīng)終止, 有的工程可以持續(xù)若干年甚至幾十年。所以說干燥收縮是水泥基于混凝土的固有特性,澆注時(shí)呈流動狀態(tài)的混合介質(zhì), 硬化呈固體狀態(tài), 除了硬化生成硅酸鈣等固有物質(zhì), 這是一個(gè)化學(xué)過程以外, 還伴隨著一個(gè)蒸發(fā)失水干燥的物理過程, 養(yǎng)護(hù)不好就容易出現(xiàn)干燥收縮裂縫。混凝土內(nèi)的固體水泥漿體體積會隨含水量而改變,而骨料對水泥漿體體積的變化則起很大的約束作用, 使混凝土的體積變化遠(yuǎn)低于水泥漿體的體積變化。
硬化水泥漿體內(nèi)富含孔隙, 理論上水灰比小于0.4 并有理想的養(yǎng)護(hù)條件, 可使孔隙率減至28%的最低值。而混凝土實(shí)際采用的水灰比都較大, 而且不可能完全水化,所以一般混凝土的漿體孔隙率約有50%左右或更大。
混凝土收縮值一般為0.2%~0.4% , 普通鋼筋混凝土0.2‰~0.5‰, 收縮量隨時(shí)間增長而不斷加大, 初期收縮快, 而后日趨緩慢(收縮變形發(fā)展很快,大約兩周即可完成全部收縮量的1/4 , 一個(gè)月可完成1/2 ,三個(gè)月后增長變慢,一般2年后趨于穩(wěn)定)。收縮裂縫的形成,必須同時(shí)存在兩個(gè)條件:收縮變形和約束。最常見的是施工中養(yǎng)護(hù)不當(dāng)引起的,如受到風(fēng)吹日曬, 表面水分散失過快,體積收縮大, 而內(nèi)部濕度變化很小,收縮也小,表面收縮變形受到內(nèi)部混凝土的約束,因此在構(gòu)件表面產(chǎn)生較大的拉應(yīng)力,當(dāng)拉應(yīng)力超過混凝土的極限抗拉強(qiáng)度時(shí),即產(chǎn)生干縮裂縫。此外,平臥薄構(gòu)件水分蒸發(fā)過快,產(chǎn)生的體積收縮受到地基墊層或臺座的約束,也出現(xiàn)干燥裂縫。收縮裂縫除與養(yǎng)護(hù)有關(guān)外,還與振搗、混凝土原材料收縮量等有關(guān)?;炷琳駬v過度,表面形成水泥含量較多的砂漿層,則收縮量過大,容易出現(xiàn)裂縫。采用含泥量較大的粉砂配制的混凝土,也會加大收縮, 從而容易產(chǎn)生收縮裂縫。干燥收縮裂縫為表面性裂縫,其寬度較小,大多數(shù)為0.05mm~0.2mm之間,其走向縱橫交錯(cuò),沒有規(guī)律性。
3.5 溫度收縮裂縫
溫度收縮裂縫大多數(shù)是由于溫差過大引起的。溫差一般分為共時(shí)溫差(在同一時(shí)間內(nèi),結(jié)構(gòu)內(nèi)任意兩點(diǎn)的溫度差值)和歷時(shí)溫差(同一結(jié)構(gòu)在任意兩個(gè)時(shí)間的溫度差值)。在泵送商品混凝土早期裂縫中主要是共時(shí)溫差的影響。
共時(shí)溫差的影響:混凝土結(jié)構(gòu), 特別是大體積混凝土結(jié)構(gòu)澆灌后,在硬化期間水泥釋放出大量的水化熱而不易散發(fā),內(nèi)部溫度不斷上升,達(dá)到較高溫度,而混凝土表面散熱較快,使混凝土表面和內(nèi)部溫差較大。如果施工過程中注意不夠或拆模過早;或冬季施工,過早拆除保溫層; 或受到寒流襲擊,均會導(dǎo)致混凝土表面溫度急劇變化而產(chǎn)生較大的降溫收縮,此時(shí)表面受到內(nèi)部混凝土的約束,將產(chǎn)生很大的拉應(yīng)力,而混凝土早期抗拉強(qiáng)度和彈性模量很低,因而使表面出現(xiàn)裂縫。深進(jìn)的和貫通的溫度裂縫大多數(shù)是由于結(jié)構(gòu)降溫差較大,受到外界的約束而引起的。
若混凝土澆筑后處于理想絕熱情況,其內(nèi)部溫度變化過程和拉壓狀態(tài)大體如下:
如圖1 所示, 圖中T。為澆筑溫度, 至?xí)r間t1溫度升至T1 , 混凝土硬化, 此時(shí)如果混凝土處于約束狀態(tài)則在繼續(xù)升溫的過程中受壓, 內(nèi)部溫度升至峰值Ta 的時(shí)間t2 視水泥品種、澆筑溫度, 特別是構(gòu)件的厚度、形狀和散熱條件而定。對于大體積的墻、板構(gòu)件,一般在澆注后的1~2 天內(nèi)部溫度達(dá)到峰值, 如墻板厚度超過1~2m,則達(dá)到峰值溫度時(shí)間在澆注后3~4天。水化熱引起的內(nèi)部混凝土溫升在較厚的墻板中可達(dá)25℃~35℃, 這樣加上原來的澆筑溫度后,峰值Ta??蛇_(dá)60 ℃以上,對于水泥用量較多的泵送商品混凝土有時(shí)可超過70℃~80℃。隨著混凝土溫度通過峰值后降溫并發(fā)生收縮,原先在約束狀態(tài)下形成的拉應(yīng)力很快下降至零圖1 (下圖),此時(shí)的溫度為Tzo,繼續(xù)降溫冷卻在混凝土內(nèi)引起拉應(yīng)力。問題在于零應(yīng)力溫度Tz0 的大小通常仍與峰值溫度相近,而混凝土中的溫度收縮拉應(yīng)力正是在Tzo 這一相當(dāng)高的溫度作為基準(zhǔn)下冷卻后產(chǎn)生的。
零應(yīng)力溫度越高,冷卻時(shí)的拉應(yīng)力愈大,愈容易開裂?;炷羶?nèi)部溫度冷卻到接近周圍氣溫的時(shí)間在幾十厘米厚的墻板中可達(dá)10~15 天?;炷恋臒崤蛎浵禂?shù)一般在10×10-5/ ℃左右。從表面上看,如發(fā)生1 ℃的溫差,溫度收縮應(yīng)變達(dá)到1×10-4,這在彈性狀態(tài)下引起的拉應(yīng)力已足能使早期混凝土發(fā)生開裂。
混凝土實(shí)際的升溫過程和達(dá)到的峰值溫度以及隨之而來的降溫過程取決于許多因素,主要有:環(huán)境大氣溫度, 混凝土的入模溫度, 模板的類型(熱學(xué)性能) 及拆模時(shí)間, 混凝土外露表面與其體積的比值, 混凝土澆筑后的截面厚度, 水泥類別與水泥用量,拆模后是否有隔溫措施, 以及養(yǎng)護(hù)方法等等?;炷帘砻鏈囟攘芽p的走向無一定規(guī)律性。梁、板式結(jié)構(gòu)或長度較大的結(jié)構(gòu), 裂縫多平行于短邊; 大面積結(jié)構(gòu), 裂縫??v橫交錯(cuò);深進(jìn)的和貫穿的溫度裂縫, 一般與短邊平行或接近于平行, 裂縫沿全長分段出現(xiàn), 中間較密; 裂縫寬度大小不一,一般在0.5mm 以下,且沿全長沒有多大變化; 溫度裂縫多半發(fā)生在施工期間,裂縫寬度受溫度變化較明顯,冬季較寬,夏季較細(xì);大多數(shù)溫度裂縫沿結(jié)構(gòu)截面呈上寬下窄情況。遇上下邊緣區(qū)配筋較多的梁,有時(shí)亦出現(xiàn)中間寬、兩端窄的梭形裂縫。對于受兩鄰邊約束的板,亦常由于雙向受力而出現(xiàn)45 ℃角斜裂縫。
3.6 歸納地講,造成現(xiàn)代商品混凝土裂縫難于控制的原因大致有以下幾個(gè)方面
3.6.1 材料方面
3.6.1.1 收縮及水化熱增加
從過去的干硬性、低流動性、現(xiàn)場攪拌混凝土轉(zhuǎn)向集中攪拌,轉(zhuǎn)向大流動性泵送混凝土,水灰比加大,水泥用量增加,膠結(jié)料用量增加,砂率增加,骨料粒徑減小,所有這些因素都增加了混凝土的可能收縮。
3.6.2.2 外加劑的負(fù)效應(yīng)
外加劑、摻合料種類繁多,通常只考慮強(qiáng)度指標(biāo), 缺乏對水化熱及收縮變形影響的長期試驗(yàn)資料, 有些試驗(yàn)資料并不嚴(yán)格, 有許多外加劑嚴(yán)重增加收縮變形, 有的甚至降低耐久性。
3.6.2.3 混凝土抗拉性能不足
這種裂縫在抗力方面都是由于混凝土抗拉性能不足(抗拉強(qiáng)度和極限拉伸)引起的。高強(qiáng)高性能混凝土得到廣泛的應(yīng)用, 但是混凝土的抗拉強(qiáng)度的提高幅度并沒有抗壓強(qiáng)度的提高幅度大。
3.6.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面
3.6.2.1 結(jié)構(gòu)的約束應(yīng)力不斷增大
結(jié)構(gòu)規(guī)模日趨增大,結(jié)構(gòu)形式日趨復(fù)雜, 超大、超長、超厚及超靜定結(jié)構(gòu)成為經(jīng)常采用的結(jié)構(gòu)形式并采用現(xiàn)澆施工, 這種結(jié)構(gòu)形式有顯著的約束作用, 對于各種變形作用必然引起較大約束應(yīng)力。
3.6.2.2 忽略結(jié)構(gòu)約束
國內(nèi)外結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中都經(jīng)常忽略構(gòu)造鋼筋的重要性,因而經(jīng)常出現(xiàn)構(gòu)造性裂縫。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中忽略結(jié)構(gòu)約束性質(zhì), 不善于利用“抗與放”的設(shè)計(jì)原則, 缺乏相應(yīng)的設(shè)計(jì)施工規(guī)范、規(guī)程。
3.6.2.3 梁、板、柱采用同一強(qiáng)度等級的混凝土
在高層建筑中,因考慮到施工的方便而對梁、板、柱普遍采用同一強(qiáng)度等級的混凝土, 造成梁、板混凝土強(qiáng)度偏高, 溫度收縮裂縫增加。
3.6.3 施工養(yǎng)護(hù)方面
目前在泵送商品混凝土施工中采用的養(yǎng)護(hù)方法基本沿用過去簡易的方法,已不能完全適應(yīng)現(xiàn)代混凝土技術(shù)的要求, 需要盡快建立新的規(guī)范規(guī)程。
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