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控制混凝土裂縫提高混凝土耐久性

來源:UC論文網2019-04-05 10:21

摘要:

  摘要:隨著我國基礎設施建設工程規模的不斷加快加大,混凝土成為用途最廣、用量最大的建筑材料之一。近百年來,混凝土強度不斷的提高成為它主要的發展趨勢。發達國家越來越多的使用50MPa以上的高強混凝土。有些遠見卓識的專家考慮到某些工程的需要,在提出高強度的同時,也提出耐久性和施工和易性的要求。混凝土的耐久性隨著科學技術和經濟的發展越來越被人們重視了,而混凝土耐久性除了受配合比自身的影響外,還有混凝土...

  摘要:隨著我國基礎設施建設工程規模的不斷加快加大,混凝土成為用途最廣、用量最大的建筑材料之一。近百年來,混凝土強度不斷的提高成為它主要的發展趨勢。發達國家越來越多的使用50MPa以上的高強混凝土。有些遠見卓識的專家考慮到某些工程的需要,在提出高強度的同時,也提出耐久性和施工和易性的要求。混凝土的耐久性隨著科學技術和經濟的發展越來越被人們重視了,而混凝土耐久性除了受配合比自身的影響外,還有混凝土結構在實際使用中,經常由于受相鄰部件牽制而處于不同程度的約束狀態,因而產生裂縫。裂縫將會導致混凝土構件承載力降低,影響混凝土的抗滲性和耐久性。


  關鍵詞:混凝土;裂縫;收縮;原因;控制


  中圖分類號;TU377.1文獻標識碼:A


  正文:混凝土裂縫是混凝土的一種常見病和多發病。絕大多數發生于施工階段,其原因復雜多變,一般可分為微觀裂縫和宏觀裂縫兩大類。


  微觀裂縫是指肉眼看不到的、砼內部固有的一種裂縫,它是不連貫的。寬度一般在0.05mm以下,這種砼本身固有的微觀裂縫,荷載不超過設計規定的條件下,一般視為無害。


  宏觀裂縫寬度在0.05mm以上,并且認為寬度小于0.2~0.3mm的裂縫是無害的,但是這里必須有個前提,即裂縫不再擴展,為最終寬度。


  裂縫產生的形式和種類很多,有設計方面的原因,但更多的是施工過程的各種因素組合產生的,要根本解決混凝土中裂縫問題,還是需要從混凝土裂縫的形成原因人手。正確判斷和分析混凝土裂縫的成因是有效地控制和減少混凝土裂縫產生的最有效的途徑。混凝土裂縫不僅影響橋梁外觀,而且影響了橋梁的耐久性。因此,我們應當重視混凝土裂縫,嚴格控制橋梁質量,針對我公司近年來生產的橋梁,提出以下相關建議或意見,僅供參考。


  一、引起高性能混凝土裂縫的主要原因


  1、塑性收縮


  塑性收縮發生硬化前的塑性階段。這里是指在塑性階段混凝土由于表面失水而產生的收縮,多見于道路、地坪、樓板等大面積工程,以夏季施工最為普遍。混凝土在新拌狀態下,拌合物中顆粒間充滿水,如果養護不足,表面失水速率超過內部水向表面遷移的速率時,則造成毛細管中產生塑性收縮。高性能混凝土的水膠比很低,自由水分少,礦物細摻料對水有更高的敏感性,在上述工程中容易發生塑性收縮而引起表面開裂。影響塑性收縮開裂的因素是風速、環境溫度和相對濕度等,內部因素是水灰比、細摻料、漿集比、混凝土的溫度和凝結時間等。通常,預防塑性收縮開裂的方法是降低混凝土表面的失水率。采取防風、降低混凝土的溫度、延緩混凝土凝結速率等措施都能控制塑性收縮。最有效的方法是終凝(開始常規養護)前保持混凝土表面濕潤,如在表面覆蓋塑料薄膜、噴灑養護劑等。


  2、溫度收縮


  隨著溫度的變化而發生膨脹或收縮變形稱為溫度變形。混凝土具有熱脹冷縮的性質。不同集料的熱膨脹相差很大。在同一混凝土中,不論集料和水泥漿之間或不同集料之間的熱膨脹差別是導致混凝土破壞的因素之一。混凝土的溫度膨脹系數為0.00001,即溫度升高1℃,每米膨脹0.01mm。大體積混凝土裂縫主要是由溫度變形而引起的。在混凝土硬化初期,水泥水化會放出較多的熱量,由于混凝土是熱的不導體,散熱緩慢,如不采取人工降溫措施,大體積混凝土內部的溫度將增高,有時可達到50~70℃,在混凝土內部產生較大的體積膨脹。而在混凝土外部卻隨氣溫降低而冷卻收縮。因此混凝土內部膨脹與外部收縮這種相反的作用使外部混凝土產生很大的拉應力。當外部混凝土所受的拉應力一旦超過混凝土的極限抗拉強度時,外部就會開裂,而這種裂縫會嚴重破壞混凝土結構物整體性和降低耐久性,所以如何減少溫度變形是一個很重要的問題。


  澆注大體積混凝土時,應確定大體積混凝土施工方案,作試算分析工作,在大體積混凝土澆筑塊體在澆筑前應進行溫度、溫度應力及收縮應力驗算分析。其目的為了確定溫控指標(溫升峰值、芯部與表層溫差、降溫速度、混凝土表層與環境溫差)及制定溫控施工的技術措施(包括混凝土原材料的選擇、混凝土拌制、運輸過程及混凝土養護的降溫和保溫措施,溫度監測方法等),以防止或控制有害裂縫的發生,確保施工質量。溫差以不超過20℃為宜,軌道板、預應力橋梁不得超過15℃,這一要求適用于最小邊長尺寸在1~3米范圍內的大體積混凝土。應采用以下措施減少溫度變形,防止出現裂縫:采用水化熱低的水泥;在保證強度的前提下,降低水泥用量和最大限度減少混凝土的單位用水量來降低水化熱;利用夜間或低溫季節澆注混凝土以降低澆筑溫度;適當減薄澆筑層的厚度,利用層面散熱;設法降低拌合水和原材料的溫度,以降低澆筑溫度;在混凝土中埋設冷卻水管,澆筑后通水冷卻以降低水化熱產生的溫升;應合理分縫分塊,改善約束條件,減輕約束作用;注意避免引起應力集中等不利結構形式;合理的安排施工程序,避免過大的高差和長期暴露面等。


  在控制大體積混凝土裂縫的措施方面,理論研究遠滯后于工程實踐,迄今為止,對于大體積混凝土溫度場變化和溫度裂縫產生的規律性,還缺乏系統研究,混凝土溫度及溫度應力的計算還不夠精確;在防止大體積混凝土開裂問題上,也是考慮外部因素比較多,而在提高大體積混凝土本身材料特性以及開發新的混凝土品種上研究得很少。在橋梁建設當中,屬于大體積混凝土的溫控防裂只采取了少量幾項措施,包括粉煤灰加減水劑和采用冷卻水管。但這遠遠不夠的,大體積混凝土的溫控要從材料做起,再加上合適的施工措施,才能達到避免開裂的目的。


  3、自身收縮(自縮)


  混凝土在恒溫絕濕條件下,由膠凝材料的水化作用引起體積變形稱為自身體積變形,而自身體積變形為收縮的稱自生收縮(自縮),這種收縮是由化學作用引起的。因此,自收縮是化學收縮之一。


  混凝土的自身收縮與水泥品種、水泥用量及摻用混合種類有關,水泥用量少時,自縮值小。普通硅酸鹽水泥拌制的水泥混凝土的自生體積變形一般是收縮,而礦渣水泥混凝土的自生體積變形早期是膨脹。近年來,隨著高強混凝土和高性能混凝土的應用和發展,發現低水膠比的高強混凝土和高性能混凝土的自收縮比普通混凝土的自收縮大的多。高性能混凝土的水膠比很低,能提供水泥水化的自由水分少,早期強度較高的發展率會使自由水消耗較快。在外界水分供應不足的情況下,水泥水化不斷消耗水分而自干燥產生自生的原始裂縫,影響混凝土的強度和耐久性。


  混凝土自收縮的大小不僅與水膠比、細摻和料的活性、水泥的細度等因素有關。摻外加劑也是制備高性能混凝土的關鍵技術之一。


  外加劑的性能品質、勻質性和與水泥的相容性是成功配制高性能混凝土的基本條件。由于目前外加劑品種繁多,產品質量參差不齊,市場管理又比較混亂,選用時,一定要注意不同外加劑的使用功能和特點。外加劑不但要與基準水泥還應與工程所用水泥具有良好的相容性。


  適量引氣能夠提高混凝土的抗凍性,同時能夠改善混凝土的其他性能。混凝土引氣的方式有兩種,一種是摻加引氣型減水劑,一種是減水劑和引氣劑雙摻。客運專線高性能混凝土前期施工采用摻加引氣型減水劑的方式引氣,但在過程中發現摻加引氣型減水劑引入的氣泡質量較差,混凝土結構表面氣孔較多。含氣量要求大于等于4%的混凝土采用減水劑和引氣劑雙摻的方式引氣,控制減水劑的含氣量不大于3%。為了減少由于收縮而引起的混凝土開裂,結合目前高效減水劑的生產技術水平,將減水劑的收縮率比規定為不大于125%。


  提高混凝土的耐久性,尤其是抗凍性,引氣劑起到十分重要作用。混凝土摻入少量引氣劑后,就能使每方混凝土中引入數千億個微小氣泡,使混凝土的抗凍融性能大大提高。國內外大量研究表明,混凝土中摻加引氣劑后,對混凝土的工作性和勻質性有所提高。引氣劑不僅能減少混凝土的用水量,降低泌水率,更重要的是混凝土引氣后,水在拌合物中懸浮狀態更加穩定,因而可以改善骨料底部漿體泌水、沉陷等不良現象。因此,適量引氣是配制抗凍高性能混凝土的重要手段之一。


  4、干縮變形


  混凝土在硬化過程中,由于水分的散失,體積發生收縮的現象稱為混凝土的干縮。


  水泥水化生成硅酸鈣膠體結晶體,一般結晶體不會受到干燥條件的影響,因此支配干縮的主要因素是膠凝體的數量和特征。膠凝體中有大量的微細孔隙,在干燥條件下,膠體中自由水逐漸蒸發產生毛細管壓力,壓縮管壁,膠體的體積也隨水分的蒸發而減少,因此引起混凝土的干縮。


  干縮與水泥品種、細度、水灰比、齡期、水泥的用量和單位用水量有關。礦渣水泥比普通水泥的收縮大;高強度水泥,細度較細,收縮較大。混凝土中若水泥用量多和單位用水量多,膠體數量就比較多,因而混凝土干縮較大。集料的絕對體積愈大,混凝土的干縮率愈小。在混凝土中增大集料絕對體積,對干縮有一定的抑制作用。干凈的砂石、搗固密實的混凝土,收縮率小;在水中或潮濕的條件下養護,可減少混凝土的收縮。經蒸汽養護的混凝土收縮率較小。


  5、施工現場外部原因


  (1)現場澆搗混凝土時,振搗或插入不當,漏振、過振或振搗棒抽撤過快,均會影響混凝土的密實性和均勻性,誘導裂縫的產生。


  (2)高空澆注混凝土,風速過大、烈日暴曬,混凝土收縮值大。


  (3)對大體積混凝土工程,缺少兩次抹面,易產生表面收縮裂縫。


  (4)現場養護措施不到位,混凝土早期脫水,引起收縮裂縫。


  現場模板拆除不當或拆模過早,引起拆模裂縫或拆模過。


  支撐混凝土構件的墩臺柱不均勻沉降,也容易造成開裂。


  合理選定混凝土配合比


  混凝土配合比選定的好壞,直接關系到結構物的壽命和整個工程的經濟效益。


  混凝土的適配強度嚴格按照《鐵路混凝土強度檢驗評定標準》TB10425-94的規定。混凝土的強度標準差應由強度等級相同,且混凝土配合比和施工工藝條件基本相同的混凝土標準試件統計求得。考慮到目前混凝土生產單位和管理水平,強度標準差取中等水平。


  混凝土的早期強度越高,混凝土早期開裂的可能性越大。為克服混凝土的這一不足,充分發揮礦物摻合料的后期火山灰效應,宜按56d齡期作為混凝土標準強度的驗收齡期。混凝土的抗裂性對于抵抗環境作用侵蝕甚微重要,我國現行標準還未對水泥(膠凝材料)或混凝土抗裂性檢驗的規定。通過傳統的混凝土干燥收縮試驗所獲得的收縮數據,并不能全面評價混凝土的抗裂性能,因為后者混凝土的抗拉強度、彈性模量特別是徐變或約束狀態下的應力松弛能力。采用收縮時受約束的環形試件和平板試件來評定混凝土的抗裂性可在一定程度上克服這些缺點,而且方法簡便,但不用作定量分析,只能用于不同原材料和配比混凝土之間的相對比較。


  不同環境下、不同程度水膠比混凝土礦物摻合料的范圍,均對混凝土耐久性有很大影響。以粉煤灰和礦渣粉為代表的摻合料賦予混凝土高工作性能、高耐久性、高體積穩定性,已達成共識,因此礦物摻合料已經成為鐵路混凝土的必要組分。礦物摻合料對混凝土力學性能的影響,在碳化環境、氯鹽環境、凍融破壞環境、鹽類結晶破壞環境以及磨蝕環境對礦物摻合料摻量有所規定,根據不同水膠比亦對摻量有規定。在化學侵蝕與氯鹽環境下,礦物摻合料能夠大幅度地提高混凝土的抗蝕性,在混凝土制備時必須摻加礦物摻合料。主要參考美國《混凝土結構設計規范》ACI318與《混凝土結構耐久性設計規范》GB/T50476-2008。


  配合比設計是確保混凝土耐久性最關鍵的環節,水膠比與最小膠凝材料用量限值是確保混凝土耐久性最關鍵的環節,水膠比與最小膠凝材料用量限值是保證混凝土耐久性所需要的抗滲性與力學性能的重要技術參數。由于混凝土拌合時間的用水量在其澆筑成型后被水化合的很少,大量游離水隨后成為混凝土的薄弱環節,給混凝土的開裂和耐久性帶來不利影響。近年來,從機理到工程應用都可以證實,控制混凝土拌合物最大用水量可以有效地改善其各項性能。


  碳化環境:混凝土碳化,一方面與CO2在混凝土中的擴散速度密切相關,其取決于混凝土的孔隙率和空隙結構,即取決于混凝土的水膠比;另一方面還與混凝土吸收CO2的能力有關,其取決于膠凝材料中Cao含量。碳化環境下,當采用能夠減水的摻合料配制混凝土時,這種混凝土也具有較強的抗碳化能力,但對于水膠比較大的混凝土,礦物摻合料摻量不宜過大。


  氯鹽環境:實踐及大量試驗表明低水膠比的摻合料混凝土比同水膠比的硅酸鹽水泥混凝土更具有更高的抗氯鹽侵蝕性能,因此氯鹽環境下,不宜單獨采用硅酸鹽水泥作為膠凝材料,宜采用礦物摻合料及水泥作為膠凝材料,摻量根據相關標準確定。


  化學侵蝕環境:提高混凝土耐硫酸鹽化學侵蝕的主要技術措施有三條,即第一選擇耐硫酸鹽性能的良好水泥,水泥中C3A盡量要少。第二是合理的摻用礦物摻合料,一般摻量不得少于40%,隨著摻合料增加,混凝土耐蝕性能提高,但應綜合考慮,不宜太高;第三通過摻高效減水劑,降低混凝土單方用水量,引氣能夠有效抑制或減緩混凝土在硫酸鹽化學侵蝕和硫酸鹽結晶引起的膨脹,即顯著降低硫酸鹽結晶造成的混凝土抗折強度降低及表面侵蝕。在化學侵蝕環境下,不得使用石灰石作為摻合料。


  鹽類結晶破壞環境:干濕交替情況下,水中的硫酸根離子濃度如大于200mg/L,或土中硫酸根離子濃度大于1000mg/L,就有可能損害混凝土。地下水、土中的硫酸鹽滲入到混凝土的內部,并在一定條件下使得毛細孔水溶液中硫酸鹽濃度不斷積累,當超過飽和濃度時就會析出結晶而產生很大壓力,導致混凝土破壞。采用適當引氣可以適當釋放硫酸鹽結晶破壞壓力。因此,鹽類結晶破壞環境,宜使用引氣混凝土。


  磨蝕環境:混凝土的抗磨蝕性能能主要取決于混凝土的強度、骨料的強度,硬度和韌性,對磨蝕環境下混凝土的原材料提出特殊要求,尤其骨料和膠凝材料方面。因而原材料、摻合料最大限量及水膠比、最低強度等級和膠凝材料用量予以規定,同時低水膠比,以便改善表面砂漿的強度和耐磨性。所以適當摻加補償早期收縮的膨脹劑或減水劑。


  凍融破壞環境:大量試驗與實踐證明,提高混凝土的抗凍性的途徑有兩方面,第一提高混凝土的密實度或強度;其二適當引氣。引氣混凝土具有較高的抗凍性事實已被證明,引氣不僅能夠提高混凝土的抗凍性,而且能夠提高混凝土的工作性能;然而,高強混凝土黏度大、施工難。因此嚴格控制混凝土的含氣量。氣泡大小與氣泡穩定性直接影響引氣劑的質量,目前采用氣泡間距系數來控制混凝土內部的氣泡質量,確保混凝土中引入的氣泡微細、均勻、穩定。


  通過以上,為了提高性能混凝土的耐久性,只有合理地選用配合比。


  二、減小混凝土收縮控制混凝土開裂的措施


  1、合理的養護溫度


  以20℃為標準養護的溫度在世界上已經有很長的歷史了。但是實際上混凝土內部的溫度遠非20℃。可在混凝土表面采取保溫保濕養護,采用溫水養護、外部包裹保溫材料和塑料布。對于大體積混凝土可采用預埋冷卻水管同低溫水冷卻。通水時間一般在15天左右。混凝土溫度與冷卻水溫之差不宜超過25℃,水流方向應每天改變一次,使構件冷卻較為均勻。


  2、改善混凝土性能


  (1)由于在低水膠比下存在水泥、高效減水劑和礦物細摻和料的相容問題,而且摻入高效減水劑和礦物細摻和料后的塑性和黏度有明顯的改變,使用現行檢測標準稠度用水量的方法不能確切判斷摻入高效減水劑和礦物細摻和料后的水泥真實的需水量,因此在水泥標準中應當有所反映。


  (2)在混凝土中使用外加劑已成為混凝土發展的必然趨勢。在水泥生產時摻入一定量的減水劑,不僅可以最大限度地發揮減水劑的效率,改變混凝土的流變性能,減小水泥的需水量,而且方便使用,還可以有一定的助磨作用。


  (3)采用水化熱較低的水泥,降低混凝土構件的內外溫差,減小混凝土的自應力可有效的防止混凝土裂縫的產生。


  (4)摻用高效減水劑、盡量減少混凝土的單位用水量和水泥用量。混凝土的干燥收縮是由于混凝土中的多余水分不斷蒸發造成的,因此減少混凝土的單位用水量是很有必要的。而混凝土水化熱的大小與水泥用量有很大的關系,因此減少混凝土單位水泥用量可有效的減小混凝土的溫升,對于防止混凝土出現溫度收縮裂縫很有好處。


  (5)關于礦物細摻料的使用


  因礦渣的細度影響混凝土的收縮和混凝土的溫升,并影響生產成本,故對磨細礦渣的細度規定不宜過細,一般以400~500m2/kg為宜。摻用優質的粉煤灰,粉煤灰摻量不超過25%時,對混凝土性能的影響不大,只是混凝土的溫升稍有降低。只有超過25%時,粉煤灰對混凝土的性能才會明顯改善。當使用粉煤灰時,不能是不改變原配合比而只用粉煤灰取代水泥,而是根據達到一定的目標強度和工作性時粉煤灰摻量和水膠比的關系來確定混凝土的配合比。粉煤灰的摻量要根據工程性質來確定。


  (6)關于骨料


  骨料的品種不同,其熱學、力學變形性能也不同。根據資料反映骨料的比熱可相差14%,導熱系數相差60%,線膨脹系數相差50%。彈性模量相差60%。不同的骨料配制的混凝土其性能相差很大。一般選用石灰巖骨料較好。砂石含泥量超過規定,不僅降低混凝土的強度和抗滲性,還會使混凝土干燥時產生不規則的網狀裂縫。砂石的級配差,或砂顆粒過細,用這種材料拌制的混凝土常造成側面裂縫、堿-骨料反應。骨料中含有泥性硅化物質與堿性物質相遇,水、硅反應會生成膨脹的膠質,吸水后造成局部膨脹和拉應力,則構件產生爆裂狀裂縫,在潮濕的地方較為多見。


  3、改善混凝土施工工藝


  (1)降低混凝土澆筑溫度。


  1)降低骨料的溫度。混凝土中骨料占有75%以上,對骨料降溫可有效地降低混凝土的溫度。一般可采用搭棚遮陽、從底部取料、冷氣吹風、和低溫水沖洗等方法降溫。


  2)降低拌和用水的溫度。拌和用水量雖不大,但它的比熱很大。若能降低拌和水的溫度,對混凝土降溫效果是顯著的。一般水溫降低1℃,可使混凝土溫度降低2.5℃。因此盡量采用地下水和自來水或采用冰塊降低拌和用水溫度對混凝土降溫是很有好處的。


  3)澆筑時間安排在低溫時間。低溫時間澆筑混凝土,不僅能降低混凝土的入模溫度,也可降低水化溫升。因此為防止混凝土開裂盡量把混凝土施工安排在低溫的時候。


  4)盡量延長拆模時間。延長拆模時間,使混凝土強度充分發展后拆模,能減輕冷沖擊對混凝土的危害作用。拆模時間應根據混凝土已達到的強度和混凝土的內外溫差來確定,應避免在夜間或氣溫驟降時間拆模,一般在中午時拆模,拆模后應立即把混凝土表面加以保溫保濕養護。


  5)設計采用混凝土防裂網片。采用混凝土防裂網片可有效的提高混凝土表面的抗拉裂能力,對防止混凝土開裂是有好處的。


  6)對于大體積混凝土采用纖維混凝土設計。采用纖維混凝土可提高混凝土的抗拉強度,提高混凝土防開裂能力,同時還可提高混凝土的抗彎和抗沖擊性能。


  結語:


  如何采取措施有效地控制裂縫的產生,得到均勻密實的、體積穩定的、化學性質安定的具有良好耐久性的優質混凝土是放在我們大家面前的一個重要課題。只有通過我們不斷的學習研究試驗才能取得進步。


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