敬 敏

大量的工程实践和理论分析表明,几乎所有的混凝土构件均是带裂缝工作的,只是有些裂缝很细,甚至肉眼看不见(＜0.05 mm),一般对结构的使用无大的危害,可允许其存在;有些裂缝在使用荷载或外界物理、化学因素的作用下,不断产生和扩展,引起混凝土碳化、保护层剥落、钢筋腐蚀,使混凝土的强度和刚度受到削弱,耐久性降低,严重时甚至发生垮塌事故,危害结构的正常使用,必须加以控制。

1 工程背景

本文研究的工程背景为某大跨度简支箱梁。箱梁全长32.6 m,宽为13.4 m,梁高3.05 m,顶板最厚处为 0.61 m,底板最厚处为0.7 m,腹板最厚处为1.05 m,合计每片箱梁需使用C50高性能混凝土327.62 m3。

2 大体积混凝土的裂缝

大体积混凝土内出现的裂缝按深度的不同,分为贯穿裂缝、深层裂缝及表面裂缝三种。但出现裂缝并不是绝对地影响结构安全,它都有一个最大允许值。处于室内正常环境的一般构件最大裂缝宽度不大于0.3 mm;处于露天或室内高湿度环境的构件最大裂缝宽度不大于0.2 mm。在地下工程中应尽量避免超过0.3 mm贯穿全断面的裂缝。如出现这种裂缝,将大大影响结构的使用,必须进行化学灌浆加固处理。

3 产生裂缝的原因

3.1 温度变化引起的裂缝

混凝土具有热胀冷缩性质,当外部环境或结构内部温度发生变化,混凝土将发生变形,若变形遭到约束,则在结构内将产生应力,当应力超过混凝土抗拉强度时即产生温度裂缝。

3.2 收缩引起的裂缝

混凝土收缩裂缝的特点是大部分属表面裂缝,裂缝宽度较细,且纵横交错,呈龟裂状,形状没有任何规律。

研究表明,影响混凝土收缩裂缝的主要因素有:1)水泥品种、标号及用量。2)骨料品种。3)水灰比。4)外掺剂。5)养护方法。6)外界环境。7)振捣方式及时间。

3.3 钢筋锈蚀引起的裂缝

由于混凝土质量较差或保护层厚度不足,混凝土保护层受二氧化碳侵蚀碳化至钢筋表面,引起钢筋表面氧化膜破坏,钢筋中铁离子与侵入到混凝土中的氧气和水分发生锈蚀反应,其锈蚀物氢氧化铁体积比原来增长约2倍～4倍,从而对周围混凝土产生膨胀应力,导致保护层混凝土开裂、剥离,沿钢筋纵向产生裂缝,并有锈迹渗到混凝土表面。由于锈蚀,使得钢筋有效断面面积减小,钢筋与混凝土握裹力削弱,结构承载力下降,并将诱发其他形式的裂缝,加剧钢筋锈蚀,导致结构破坏。

3.4 冻胀引起的裂缝

大气气温低于0℃时,吸水饱和的混凝土出现冰冻,游离的水转变成冰,体积膨胀9%,因而混凝土产生膨胀应力;同时混凝土凝胶孔中的过冷水(结冰温度在-78℃以下)在微观结构中迁移和重分布引起渗透压,使混凝土中膨胀力加大,混凝土强度降低,并导致裂缝出现。冬季施工时,采用电气加热法、暖棚法、地下蓄热法、蒸汽加热法养护以及在混凝土拌合水中掺入防冻剂(但氯盐不宜使用),可保证混凝土在低温或负温条件下硬化。

3.5 施工材料质量引起的裂缝

1)水泥。a.水泥安定性不合格,水泥中游离的氧化钙含量超标。b.水泥出厂时强度不足,水泥受潮或过期,可能使混凝土强度不足,从而导致混凝土开裂。c.当水泥含碱量较高(例如超过0.6%),同时又使用含有碱活性的骨料,可能导致碱骨料反应。

2)砂、石骨料。a.砂石的粒径、级配、杂质含量。砂石粒径太小、级配不良、空隙率大,将导致水泥和拌合水用量加大,影响混凝土的强度,使混凝土收缩加大。b.碱骨料反应。碱骨料反应裂缝的形状及分布与钢筋限制有关,当限制力小时,常出现地图状裂缝,并在缝中有白色或透明的浸出物;当限制力强时则出现顺筋裂缝。

3)拌合水及外加剂。拌合水或外加剂中氯化物等杂质含量较高时对钢筋锈蚀有较大影响。采用海水或含碱泉水拌制混凝土,或采用含碱的外加剂,可能对碱骨料反应有影响。

3.6 施工工艺质量引起的裂缝

1)混凝土保护层过厚,或乱踩已绑扎好的上层钢筋,使承受负弯矩的受力筋保护层加厚,导致构件的有效高度减小,形成与受力钢筋垂直方向的裂缝。2)混凝土振捣不密实、不均匀,出现蜂窝、麻面、空洞,导致钢筋锈蚀或其他荷载裂缝的起源点。3)混凝土浇筑过快,混凝土流动性较低,在硬化前因混凝土沉实不足,硬化后沉实过大,容易在浇筑数小时后发生裂缝,即塑性收缩裂缝。4)混凝土搅拌、运输时间过长,使水分蒸发过多,引起混凝土坍落度过低,使得在混凝土体积上出现不规则的收缩裂缝。5)混凝土初期养护时急剧干燥,使得混凝土与大气接触的表面上出现不规则的收缩裂缝。6)用泵送混凝土施工时,为保证混凝土的流动性,增加水和水泥用量,或因其他原因加大了水灰比,导致混凝土凝结硬化时收缩量增加,使得混凝土体积上出现不规则裂缝。7)采用分段现浇时,先浇混凝土接触面凿毛、清洗不好,新旧混凝土之间粘结力小,或后浇混凝土养护不到位,导致混凝土收缩而引起裂缝。8)混凝土早期受冻,使构件表面出现裂纹,或局部剥落,或脱模后出现空鼓现象。9)施工时模板刚度不足,在浇筑混凝土时,由于侧向压力的作用使得模板变形,产生与模板变形一致的裂缝。10)施工时拆模过早,混凝土强度不足,使得构件在自重或施工荷载作用下产生裂缝。11)施工前对支架压实不足或支架刚度不足,浇筑混凝土后支架不均匀下沉,导致混凝土出现裂缝。12)装配式结构,在构件运输、堆放时,支承垫木不在一条垂直线上,或悬臂过长,或运输过程中剧烈颠撞;吊装时吊点位置不当,T梁等侧向刚度较小的构件,侧向无可靠的加固措施等,均可能产生裂缝。13)安装顺序不正确,对产生的后果认识不足,导致产生裂缝。如钢筋混凝土连续梁满堂支架现浇施工时,钢筋混凝土墙式护栏若与主梁同时浇筑,拆架后墙式护栏往往产生裂缝;拆架后再浇筑护栏,则裂缝不易出现。14)施工质量控制差。任意套用混凝土配合比,水、砂石、水泥材料计量不准,结果造成混凝土强度不足和其他性能(和易性、密实度)下降,导致结构开裂。

4 防止裂缝产生的几种方法

4.1 混凝土的配制

1)粗骨料宜采用连续级配,细骨料宜采用中砂。2)外加剂宜采用缓凝剂、减水剂;掺合料宜采用粉煤灰、矿渣粉等。3)大体积混凝土在保证混凝土强度及坍落度要求的前提下,应提高掺合料及骨料的含量,以降低单方混凝土的水泥用量。4)应尽量选用水化热低、凝结时间长的水泥,优先采用中热硅酸盐水泥、低热矿渣硅酸盐水泥、大坝水泥、矿渣硅酸盐水泥、粉煤灰硅酸盐水泥、火山灰质硅酸盐水泥等。

4.2 混凝土的浇筑

浇筑方案除应满足每一处混凝土在初凝以前就被上一层新混凝土覆盖并捣实完毕外,还应考虑结构大小、钢筋疏密、预埋管道和地脚螺栓的留设、混凝土供应情况以及水化热等因素的影响,常采用的方法有:1)全面分层。2)分段分层。3)斜面分层。

4.3 混凝土养护时的温度控制

1)混凝土的中心温度与表面温度之间、混凝土表面温度与室外最低气温之间的差值均应小于20℃;当结构混凝土具有足够的抗裂能力时,不大于25℃～30℃。2)混凝土拆模时,混凝土的温差不超过20℃。其温差应包括表面温度、中心温度和外界气温之间的温差。3)采用内部降温法来降低混凝土内外温差。4)保温法是在结构物外露的混凝土表面以及模板外侧覆盖保温材料(如草袋、锯木、湿砂等),在缓慢的散热过程中,使混凝土获得必要的强度,以控制混凝土的内外温差小于20℃。5)混凝土表层布设抗裂钢筋网片,防止混凝土收缩时产生干裂。

4.4 SY-G膨胀抗裂剂

SY-G膨胀抗裂剂是一种新型混凝土外加剂,主要矿物成分为氧化铝,三氧化硫,同时添加一些改性组分及混凝土活性剂。抗裂原理是在弱碱性溶液中水化生成钙矾石,呈针状结晶体,填充了混凝土孔隙,失去了混凝土结构的收缩空间,起到了补偿收缩作用,达到抗裂作用,提高混凝土的密实度。

SY-G膨胀抗裂剂在现代大型工程建设中应用领域非常广泛,如体育场看台、城市雕塑像、博物馆、宾馆、高速公路路面、桥梁混凝土面板、涵洞等。

5 结语

大体积混凝土开裂可以说是“常发病”和“多发病”,经常困扰着工程技术人员。其实,如果采取一定的设计和施工措施,很多裂缝是可以克服和控制的。本文尽可能对混凝土裂缝的种类和产生原因作较全面的分析、总结,希望对设计、施工中混凝土裂缝的控制起到参考作用。