商品混凝土裂縫的原因與防治
2006-10-17 00:00
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[摘 要] 文章從分析混凝土開裂的原因入手，通過大量的工程實例調查，總結出混凝土結構開裂是多方面因素造成的，而主要因素則在于混凝土生產(chǎn)制造、施工及結構設計三方面。文章分別對這三個方面逐一進行了剖析，提出了防止裂縫出現(xiàn)的措施和方法，同時著重指出施工和養(yǎng)護方式不當是使混凝土產(chǎn)生裂縫的主要原因。
[關鍵詞] 商品混凝土； 裂縫； 對策
商品混凝土以其進度快、質量好、勞力省、消耗低、技術先進、現(xiàn)場文明等諸多優(yōu)點，已成為城市建筑業(yè)不可缺少的重要組成部分，越來越受到人們的歡迎，是國家建設部重點推廣項目，已列入建設部“十五”發(fā)展規(guī)劃和到2010 年十年發(fā)展規(guī)劃。目前我國許多城市都已制定了限制現(xiàn)場攪拌，推廣使用商品混凝土的強制性措施，有的城市甚至已經(jīng)取消了預制樓板，這給商品混凝土的發(fā)展帶來了大好的機遇。然而，商品混凝土裂縫的頻頻出現(xiàn)，也讓人非常頭疼。找出原因，拿出對策，落實措施，消滅裂縫是我們每一位混凝土工作者的責任。
嚴格地講，無裂縫的結構幾乎沒有，關鍵是如何控制有害裂縫的出現(xiàn)。區(qū)分裂縫有害、無害，日本學者對有害裂縫給出的這樣的定義：
前提條件：貫通性的收縮開裂為對象。室外受雨水作用及曝曬，擔心內(nèi)部鋼筋受到腐蝕的某種情況下，這時的有害裂縫寬度為0．3mm 以上。室內(nèi)的有害裂縫寬度為0．6mm 以上。
2 混凝土的收縮及其影響因素
混凝土的收縮主要有塑性收縮、自收縮、干燥收縮和碳化收縮。
2.1 塑性收縮
塑性收縮是新拌混凝土失水引起的收縮。它的失水是由表面脫水而引起。新拌混凝土顆粒之間的空間完全充滿水，當高風速、低相對濕度、高氣溫和高的混凝土溫度等因素作用時，水從漿體向表面移動，從表面脫水，這時，產(chǎn)生毛細管負壓力，隨著失水增加，毛細管負壓逐漸增大，產(chǎn)生收縮力，使?jié){體產(chǎn)生收縮。當收縮力大于基體的抗拉強度時，就會使表面產(chǎn)生開裂。據(jù)試驗，混凝土早期塑性收縮最大速率發(fā)生在澆筑后1～4 小時，此后收縮平緩。因此在收縮速度較大的時期特別要采取保護措施以避免混凝土開裂。
影響混凝土塑性收縮的主要因素是風速、相對濕度、氣溫和混凝土本身的溫度。高風速、低相對濕度、高氣溫和高的混凝土溫度將使混凝土的失水加劇，從而增加塑性收縮。混凝土的收縮在夏季最為嚴重。據(jù)認為，若混凝土表面脫水速率超過0．5kg/ （m2·h） ，則失水速率將大于滲出水到達混凝土表面的速率，并造成毛細管負壓，引起塑性收縮，如蒸發(fā)速率超過1．0kg/ （m2·h） ，需采取預防開裂的措施。
2.2 化學減縮
化學減縮主要是無水熟料與水起化學反應，使固相體積逐漸增加而水泥—水體系的總體積逐漸減少的緣故。具體地說是由水化前后反應物和生成物的平均密度不同所引起。如果進一步分析，則可以認為是水泥與水起化學反應過程中，原來的自由水成為水化產(chǎn)物的一部分，使它的比容由原來的1cm3/g 變成約0．75cm3/ g 的緣故。也就是說，硅酸鹽水泥的化學減縮量約為化學結合水的25 %。因此可以認為，化學結合水量大的水泥，其最終化學減縮量也大。硅酸鹽水泥的各個組成礦物有不同的化學減縮量，C3A 的化學減縮量最大。C3A 的收縮率是C2S 的3 倍，幾乎是C4AF 的5 倍。因此C3A 含量高的水泥易因早期的溫度收縮、自收縮和干燥收縮而開裂。為了防止混凝土開裂，應盡量使用C3A 含量低的水泥。
2.3 干燥收縮
干燥收縮的主要原因是水分在混凝土硬化后較長時間產(chǎn)生的水分蒸發(fā)引起的。由于集料的干燥收縮很小，因此混凝土的干燥收縮主要是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(fā)引起的。混凝土的水分蒸發(fā)、干燥過程是由外向內(nèi)、又表及里，逐漸發(fā)展的。由于混凝土蒸發(fā)、干燥非常緩慢，產(chǎn)生干燥收縮裂縫多數(shù)在一個月以上，有時甚至一年半載，而且裂縫產(chǎn)生在表層很淺的位置，裂縫細微，有時呈平行線狀或網(wǎng)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?jié)B性和耐久性，也會使大體積混凝土的表面裂縫發(fā)展成為更嚴重的裂縫，影響結構的耐久性和承載能力。
影響混凝土干燥收縮的因素主要有水泥品種、水泥用量、用水量、骨料品種、砂率、外加劑、摻合料、混凝土的養(yǎng)護等。水泥的干縮率為：礦渣硅酸鹽水泥> 普通硅酸鹽水泥> 中低熱水
泥> 粉煤灰水泥。水泥用量、用水量大，干縮也大，砂率也有這種傾向。不同品種粗骨料對收縮的抵抗性為：石灰?guī)r> 安山巖> 砂巖。使用石灰?guī)r為粗骨料的混凝土比使用砂巖的混凝土，收縮可以降低20 %～30 %，因為石灰?guī)r在干濕條件下基本上不產(chǎn)生伸縮變形，而砂巖則不同。質量良好、含有大量球形顆粒的一級粉煤灰由于其比表面積小、需水量少，能降低混凝土干燥收縮值。某些減水劑有增大混凝土干燥收縮的趨勢，使用時要注意?；炷琉B(yǎng)護不好，干縮增大。
2.4 碳化收縮
碳化收縮是大氣中的CO2 在存在水的條件下與水泥水化產(chǎn)物作用生成CaCO3 、硅膠、鋁膠和游離水而引起的收縮。產(chǎn)生收縮的原因在于這些游離水的蒸發(fā)。碳化作用必定產(chǎn)生游離水，這些游離水蒸發(fā)時產(chǎn)生毛細管張力，從而引起漿體收縮。碳化作用的實質是碳酸對水泥石的腐蝕作用。而碳化收縮則是由于碳化作用所產(chǎn)生的游離水的蒸發(fā)引起。但漿體在充分干燥和水飽和的場合都不易產(chǎn)生碳化作用。因為在完全干燥的場合毛細管水已蒸發(fā)，CO2 無法在毛細管中形成碳酸，因此無法與水化產(chǎn)物直接作用，當然也就不會產(chǎn)生碳化收縮。而在水飽和的狀態(tài)下，CO2 很難進入毛細孔內(nèi)，也無法在毛細管內(nèi)形成的碳酸。正因為如此，碳化作用和碳化收縮均發(fā)生在混凝土表面。對碳化收縮影響最大的是相對濕度。
3 混凝土裂縫產(chǎn)生的原因及其防治方法
如上所述，收縮是混凝土的固有特性，而混凝土結構的開裂除由于地基不均勻沉降、過早拆模或超負荷使用等因素外，一般都是由于混凝土收縮引起的。隨著商品混凝土的普遍使用，混凝土的坍落度普遍比現(xiàn)場攪拌的大。特別是泵送混凝土的大量采用，更加劇了混凝土的收縮，裂縫出現(xiàn)的可能性更大。然而也僅僅是可能性而已，絕非必然。
但在現(xiàn)實工程中，裂縫確實存在。究其根源不外乎材料、施工、設計等方面的因素。解決裂縫的問題也主要從這三方面著手。據(jù)有關報道，由施工因素造成的混凝土早期裂縫可能占80 %左右，因混凝土材料方面原因造成的裂縫可能占15 %左右，因設計不當造成的裂縫可能占5 %左右。下面本文就這三個方面，分別從產(chǎn)生裂縫的原因和如何進行防治等作一些探討。
3.1 混凝土材料方面
如前所述，混凝土是一種收縮性材料。雖然其收縮的絕對值不大，但由于其較高的彈性模量和很低的抗拉強度，即使很小一點的收縮變形也會產(chǎn)生很大的拉應力。當拉應力超過其抗拉強度時，混凝土即出現(xiàn)開裂。因此，我們應該做的事情就是設法盡最大可能地降低溫凝土的收縮值和最大程度地提高混凝土的抗拉強度。對于商品混凝土攪拌站來說，一是要盡量少用收縮量大的水泥，如礦渣水泥。礦渣硅酸鹽水泥的收縮比普通硅酸鹽水泥大25 %左右。二是在滿足施工和易性的條件下，應盡量減小混凝土的水灰比，盡量減小單位體積水泥漿量和砂漿量。
眾所周知，混凝土水灰比大，收縮將顯著增加，同時抗拉強度降低。如水灰比為0．6 的混凝土收縮比水灰比為0．4 的增加約40 %；而與混凝土相比，砂漿和水泥漿的收縮大約增加2～5 倍。
需要特別關注的是水泥的細度問題和石子的含泥量問題。水泥的細度越細，混凝土越容易開裂。這是由于： ① 細度大的水泥水化快，產(chǎn)生較大的水的消耗，易引起混凝土的自干燥收縮。② 水泥細度細，則使毛細管細化，較細的毛細管失水時將產(chǎn)生較大的張力。③ 細顆粒容易水化充分，產(chǎn)生更多的易于干燥收縮的凝膠和其他水化物。粗顆粒的減少，減少了穩(wěn)定體積的未水化顆料，因而影響到混凝土的長期性能。某國家重點電力工程的進廠道路的混凝土由我公司供應。由于需運送一千多噸的大型設備，道路混凝土強度設計等級為C35 ，而抗折強度要求達到5.5MPa。由于混凝土強度等級高，第一次供應混凝土時，我們怕水泥用量大了容易產(chǎn)生收縮裂縫，就采用525 #水泥拌制，結果事與愿違。我們總結分析認為可能是525 # 水泥細度細，比表面積比425 # 水泥大得多，雖然少用了幾十公斤水泥，但這里細度大收縮大則是主要矛盾。第二天我們改用425#水泥拌制，情況就大有好轉。
石子含泥量越高，混凝土也越容易開裂。這是由于石子表面所帶的泥份妨礙了石子與砂漿之間的咬合粘結，弱化了石子的界面結構，降低了界面強度，也就降低了混凝土的強度，特別是降低了抗拉強度。因而在相同收縮應變的情況下，石子含泥量高的混凝土更容易開裂。
關于因混凝土材料本身原因而造成混凝土結構開裂的問題，已有大量的研究報導，本文在此不多作探討。本文將重點探討因施工方面的原因造成混凝土開裂的問題。
3.2 施工方面
3.2.1 振搗方式
不正確的振搗方式造成混凝土分層離析、表面浮漿而使混凝土面層開裂或造成混凝土砂漿大量向低處流淌，致使混凝土產(chǎn)生不均勻沉降收縮，在結構厚薄交界處出現(xiàn)裂縫。如我公司泰興站供應的泰興某商城地下室底板混凝土工程，底板厚40cm ，地梁深達1m。在進行混凝土泵送澆筑時，施工人員不是先澆地梁后澆板，而是將泵管放在底板上面，任混凝土堆在板面上，然后用振動棒拼命地把穩(wěn)凝土往地梁里趕。結果地梁里的混凝土砂漿比例肯定比板上高。地梁由于本身深度比底板深一倍多，沉降本來就比底板大，加上這不恰當?shù)臐矒v方式，就進一步加劇了兩者之間的沉降差別，必然產(chǎn)生裂縫。事實也正是如此，混凝土硬化后在板梁交界處有規(guī)律地出現(xiàn)了許多互相平行的裂縫。
3.2.2 二次振搗和多次抹面
施工人員沒有根據(jù)商品混凝土的特點，配合做好二次振搗和多次抹面，讓塑性沉降裂縫和干縮裂縫及時得到愈合。商品混凝土由于采用攪拌車運送、泵送澆搗，混凝土坍落度比較大，凝結時間比較長。一般混凝土初凝時間都在10 小時以上，甚至更長。即使在炎熱的夏天，混凝土摻了高效緩凝減水劑后，表面被太陽曝曬，水分蒸發(fā)很快，表面形成一層幾毫米厚“被子”，看上去混凝土好像已凝結，實際上內(nèi)部還遠未達到初凝，甚至還能流動。我們曾多次用貫入阻力儀測定摻了高效緩凝減水劑的混凝土砂漿在太陽直曬之下的凝結時間，結果初凝時間都在12～16 小時。這樣的混凝土若不進行二次振搗和多次抹面，混凝土表面不可避免會出現(xiàn)裂縫。開始裂縫是淺表的、窄細的，若不及時處理，裂縫就會擴展，由于應力集中，最終的裂縫很可能是貫穿性的。
采用二次振搗可以消除因塑性沉降而引起的內(nèi)分層，阻斷因泌水而留下的連貫通道，改善骨料界面結構，提高混凝土強度和抗?jié)B透能力。進行二次以上抹面時，最好采用手扶抹壓機，可以有效提高因泌水而削弱的混凝土表面強度，消除“被子”現(xiàn)象，使混凝土因水分蒸發(fā)而引起的塑性裂縫及時得到愈合。如我公司供應混凝土的常州青龍汽車車身廠的廠區(qū)道路，由于是夏天施工，混凝土摻了高效緩凝減水劑，第一次抹面結束后不久就出現(xiàn)了“被子”現(xiàn)象，幾十公斤重的壓紋機一放上去“被子”即開裂，因為“被子”下面還是軟的。甲方看了一定要鏟掉重澆。為此我公司損失了幾十方混凝土。但邊上有一小塊沒有鏟掉，按照筆者的要求進行二次振搗、多次抹面，結果一點也沒裂。
有人怕二次振搗會影響混凝土強度。實際上對初凝前的混凝土進行二次振搗不僅不會降低強度，反而會使強度提高。我們曾做過試驗：在進行混凝土試塊制作的同時，留出一份試樣過三個小時后再去做試塊。試壓結果三小時后做的試塊強度反而高。這就說明由于二次振搗消除了混凝土內(nèi)分層，改善了骨料界面狀況，提高了強度。
3.2.3 現(xiàn)場養(yǎng)護
現(xiàn)場養(yǎng)護不當是造成混凝土收縮開裂最主要的原因。混凝土澆筑后，若表面不及時覆蓋、澆水養(yǎng)護，表面水分迅速蒸發(fā)，很容易產(chǎn)生收縮裂縫。特別是在氣溫高、相對濕度低、風速大的情況下，干縮更容易發(fā)生。有資料表明，當風速為16m/ s時，混凝土中的水分蒸發(fā)速度為無風時的四倍。一些高層建筑的樓面為什么更容易產(chǎn)生裂縫，就是因為高空中的風速比地面大。
目前，許多施工工地在澆筑混凝土時，都不能做到及時覆蓋保溫養(yǎng)護。一般總要等到最后一遍抹光結束后才覆蓋，還有好多工地根本不蓋。筆者曾碰到某毛紡廠的一大型車間二層樓面的泵送施工。樓面面積達1 萬m2 左右，混凝土強度等級為C30 ，并摻加了膨脹劑。時值盛夏，氣溫很高，混凝土的水分蒸發(fā)很快，施工人手不夠多，澆筑好的混凝土在烈日下曝曬。結果混凝土是前澆后裂。同樣的情況筆者還在泰興某商城三層樓面上見到過。新澆的混凝土在似火驕陽下曬了二天，一點遮蓋都沒有，表面就出現(xiàn)了裂縫，而施工方只是派人隔幾小時上去澆一次水。試想混凝土表面被太陽曬得高達四、五十度，冰冷的自來水澆上去無疑是雪上加霜。冷縮促使裂縫更快擴展。正確的做法是在第一次抹平后，立即用塑料薄膜覆蓋，不讓水分跑掉，依靠混凝土自身的水分進行保濕養(yǎng)護。需進行第二次抹光時，揭開薄膜，抹完了仍要蓋好。
對于高性能混凝土，由于水灰比小，膠凝材料用量大，混凝土密實性好，泌水少，若保養(yǎng)不好，干縮情況更嚴重。因此，有學者認為，當混凝土拌合物表面的水分蒸發(fā)速率超過0．5kg/m2·h 時，將引起混凝土的干縮。
對于保濕養(yǎng)護的時間，肯定是時間越長越好。養(yǎng)護14 天的收縮比只養(yǎng)護3 天的收縮降低約20 % 。因此，國家驗收規(guī)范規(guī)定混凝土澆筑后的保溫養(yǎng)護時間不得少于14 天。但在這一點上絕大多數(shù)施工人員都做不到，所以混凝土出現(xiàn)干縮裂縫就在所難免了。
3.2.4 模板質量
模板問題。我公司供應常州市木材公司辦公樓二層框架混凝土。施工單位因鋼模不夠，就地取材，用了一些木模。由于木模事先沒淋水，結果拆模后發(fā)現(xiàn)用木模的梁上出現(xiàn)了大量裂縫，而用鋼模的梁上一條裂縫也沒有。后來施工單位對裂縫用環(huán)氧樹脂進行了密閉處理。
3.2.5 正確使用膨脹劑
對膨脹混凝土的錯誤認識。有許多施工人員以為混凝土摻加了膨脹劑就萬事大吉了。其實不然。膨脹劑并非萬能之物。摻加膨脹劑的混凝土對養(yǎng)護的要求更高。膨脹混凝土在早期養(yǎng)護不好時的裂縫更易發(fā)生（因為膨脹劑要吸水） 。在W/ C 過低（小于0．4） 時尤為嚴重。另外，膨脹劑不能防止表層混凝土的塑性微裂縫的發(fā)生。在一些使用膨脹混凝土的工程上，樓面或屋面仍然出現(xiàn)裂縫，其根源就在于沒能進行良好的保濕養(yǎng)護。
3.2.6 控制內(nèi)外溫差和環(huán)境溫差
溫差應力產(chǎn)生裂縫。對于溫差收縮裂縫，施工單位往往只注重名義上的大體積混凝土，而忽視其他結構；只重視混凝土內(nèi)外的溫差，忽視環(huán)境溫差。對于大體積混凝土，美國混凝土協(xié)會給出了這樣的定義：任意體量的混凝土，其尺寸大到足以必須采取措施減小由于體積變形引起的裂縫，統(tǒng)稱為大體積混凝土。在實際工程中，真正的大體積混凝土，如厚大的地下室底板，由于其厚度大，抗拉力大，即使內(nèi)部溫度很高，也很少出現(xiàn)裂縫。如常州市椿庭大樓地下室底板和常州市一院病房大樓地下室底板，混凝土設計強度等級均為C50 ，底板厚度均達2m。當時由于原材料供應的限制，只能采用525# R 普水泥拌制。測溫顯示，內(nèi)部最高溫度曾接近90 ℃，但最終均未發(fā)生溫差收縮裂縫。相反，在常州金源大廈地下室墻板工程上，澆筑頂板前，墻板完好，等到頂板澆筑后沒幾天，墻板外側即出現(xiàn)許多裂縫。經(jīng)分析，一致認為是溫差濕差雙重因素造成的。因為當時正值冬季，墻板澆筑后又沒有及時回填土，頂板一澆，地下室里面由于地溫地濕而保持著較好的溫濕度，外墻則處在凜冽的寒風中，溫濕度都很低，墻板內(nèi)外兩側由于環(huán)境因素造成了溫濕度差而產(chǎn)生裂縫。因此，對于象地下室墻板這樣的雖非大體積卻存在環(huán)境溫濕度差的混凝土結構，更要注意防止溫差裂縫的發(fā)生。
3.3 設計方面
先看兩個實例：
?、?常州新區(qū)電信局綜合樓，地上七層，每層十間，地下為一半地下室。地上的一半除東西邊上兩間外，其余每間都開有一個氣窗。間與間之間有一根大梁橫跨南北，大梁由與地下室外墻連在一起的邊柱支撐著，中間無柱。工程竣工后兩個月，每個氣窗的下角處都出現(xiàn)了“八”字形的裂縫。而邊上兩間由于沒留窗洞，就沒有出現(xiàn)開裂。后經(jīng)分析，認為是基礎不均勻沉降引起的。因為氣窗下面的地基只需承受不足兩米高的墻體的重量，而氣窗兩側的地基則要承受七層樓的份量，沉降自然不一樣。裂縫即從最薄弱的窗角處開始。
② 常州市機關房產(chǎn)大樓地下室墻板，在邊柱與墻板之間的陰角處出現(xiàn)有規(guī)律的裂縫。經(jīng)專家們會診，一致認為主要是墻板配筋問題。
因此對地下室墻體，構造筋必須增強，配筋率要提高，宜不低于0．5 % ，同時宜采取直徑較小、間距不大于150mm的配筋，以提高鋼筋混凝土的極限拉伸變形值和分散收縮應力。邊柱與墻的配筋率不同，收縮落差不同。它們的連接處容易發(fā)生豎向裂縫。所以，此處應插入長1m～15m 的水平增強筋。
對于混凝土樓板宜采用細而密的雙層構造配筋，以抑制裂縫發(fā)生。有試驗證明，樓板配筋率如果由0．63 %增大到1．0 % ，那么0．2mm 以上寬度的裂縫均能抑制。把樓板加厚也是抑制裂縫的辦法之一。超長樓板也可采用部分預應力的補償收縮混凝土澆筑。樓板混凝土強度則不宜過高，以不超過C30 為宜。
混凝土結構的開口部位和突出部位容易開裂，應增強構造鋼筋，也可在混凝土中摻入鋼纖維或尼龍纖維。
4 結語
混凝土的收縮是客觀存在。為了防止混凝土結構出現(xiàn)開裂，應該從混凝土的生產(chǎn)制造、施工及結構設計等方面采取防治措施。而施工環(huán)節(jié)則是避免混凝土出現(xiàn)裂縫所在，務必引起每一位施工人員的高度重視。
?、?混凝土生產(chǎn)制造方面，應采用小的W/ C 和小的水泥用量，盡量減少混凝土中砂漿的比例。對于水泥品種，不宜采用細度很細的水泥，骨料要選用含泥量低、強度高、變形小的石子，如石灰?guī)r，盡量不用砂巖。細骨料宜用級配良好的長江中砂。
② 施工方面，正確的振搗和養(yǎng)護方式以及二次振搗和多次抹面是消除塑性收縮裂縫關鍵措施。此外對于補償收縮混凝土的使用更要注意保濕養(yǎng)護，才能發(fā)揮其作用，否則反而適得其反。對于由于環(huán)境溫濕度差而有可能引發(fā)裂縫的板式結構，要注意降低板兩側的溫濕度差。
?、?設計方面，一要采取措施防止不均勻沉降而產(chǎn)生結構裂縫；二要在窗角、拐角等易發(fā)生裂縫的薄弱部位增加構造鋼筋。三要適當提高樓板、墻板的配筋率，在配筋率不變的情況下應采取細而密的配筋方法。另外，樓面混凝土的強度等級以不超過C30 為宜。 |
| 原作者： 徐錚澄 |
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