浅析混凝土裂缝产生原因及预防处理措施

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  近年来,我国交通基础建设得到迅猛发展,各地兴建了大量的混凝土构造物。在施工过程中,混凝土裂缝可以说是“常发病”和“多发病”。为了进一步加强对混凝土裂缝的认识,尽量避免工程中出现危害较大的裂缝,本文对混凝土工程中常见的一些裂缝问题进行了探讨分析,并针对具体情况提出了一些预防、处理措施。
  1、混凝土裂缝成因
  混凝土是一种由砂石骨料、水泥、水及其他外加材料混合而形成的非均质脆性材料。由于混凝土施工和本身变形、约束等一系列问题,硬化成型的混凝土中存在着众多的微孔隙、气穴和微裂缝,正是由于这些混凝土建筑和构件通常都是带缝工作的,由于裂缝的存在和发展通常会使内部的钢筋等材料产生腐蚀,降低钢筋混凝土材料的承载能力、耐久性及抗渗能力,影响建筑物的外观、使用寿命,严重者将会威胁到人们的生命安全。
  混凝土结构裂缝的成因复杂而繁多,就其产生的原因,大致可划分如下几种:
  1.1材料质量引起的裂缝
  混凝土主要由水泥、砂、骨料、拌和水及外加剂组成。配置混凝土所采用材料质量不合格,可导致结构出现裂缝。比如:水泥安定性不合格,水泥中游离的氧化钙含量超标;水泥强度不足,水泥受潮或过期;水泥含碱量较高同时又使用含有碱活性的骨料;砂石粒径太小、级配不良、空隙率大;砂石中云母、泥沙、有机质和轻物质的含量较高;拌和水或外加剂中氯化物等杂质含量较高。
  1.2荷载引起的裂缝
  结构受荷后产生裂缝的因素很多,施工中和使用中都可能出现裂缝。例如早期受震、构件堆放、运输、吊装时的垫块或吊点位置不当、施工超载、张拉预应力值过大等均可能产生裂缝。而最常见的是钢筋砼梁、板受弯构件,在使用荷载作用下往往会出现不同程度的裂缝。
  1.3温度变化引起的裂缝
  温度裂缝多发生在大体积混凝土表面或温差变化较大地区的混凝土结构中。混凝土浇筑后,在硬化过程中,水泥水化产生大量的水化热,(当水泥用量在350~550kg/m3,每立方米混凝土将释放出17500~27500kJ的热量,从而使混凝土内部温度升达70℃左右甚至更高)。由于混凝土的体积较大,大量的水化热聚积在混凝土内部而不易散发,导致内部温度急剧上升,而混凝土表面散热较快,这样就形成内外的较大温差,较大的温差造成内部与外部热胀冷缩的程度不同,使混凝土表面产生一定的拉应力(当混凝土本身温差达到25℃~26℃时,混凝土内便会产生大致在10MPa左右的应力)。
  1.4干缩裂缝
  干缩裂缝多出现在混凝土养护结束后的一段时间或是混凝土浇筑完毕后的一周左右。水泥浆中水分的蒸发会产生干缩,且这种收缩是不可逆的。干缩裂缝的产生主要是由于混凝土内外水分蒸发程度不同而导致变形不同的结果,混凝土受外部各种条件的影响,尤其是温度,表面水分损失过快,变形较大,内部湿度变化较小变形较小,较大的表面干缩变形受到混凝土内部束约,产生较大拉应力而产生裂缝。
  1.5 沉陷裂缝
  沉陷裂缝的产生是由于结构地基土质不匀、松软,或回填土不实或浸水而造成不均匀沉降所致;或者因为模板刚度不足,模板支撑间距过大或支撑底部松动等导致,特别是在冬季,模板支撑在冻土上,冻土化冻后产生不均匀沉降,致使混凝土结构产生裂缝。此类裂缝多为深进或贯穿性裂缝,其走向与沉陷情况有关,一般沿与地面垂直或呈30°~45°角方向发展,较大的沉陷裂缝,往往有一定的错位,裂缝宽度往往与沉降量成正比关系。裂缝宽度受温度变化的影响较小。地基变形稳定之后,沉陷裂缝也基本趋于稳定。
  1.6冻胀引起的裂缝
  大气气温低于零度时,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。
  1.7碱骨料反应裂缝和钢筋锈蚀引起的裂缝
  碱骨料反应裂缝和钢筋锈蚀引起的裂缝是钢筋混凝土结构中最常见的由于化学反应而引起的裂缝。混凝土拌和后会产生一些碱性离子,这些离子与某些活性骨料产生化学反应并吸收周围环境中的水而体积增大,造成混凝土酥松、膨胀开裂。这种裂缝一般出现中混凝土结构使用期间,一旦出现很难补救,因此应在施工中采取有效措施进行预防。
  1.8施工工艺引起的裂缝
  施工工艺涉及的面很广,一般常见的有:砼的搅拌、运输、浇筑、振捣各道工序中的任何缺陷和疏漏,都可能是裂缝产生的直接或间接原因;模板构造不当,漏水、漏浆、支撑刚度不足、过早拆模等都可能造成砼开裂;砼养护,特别是早期养护质量与裂缝的关系密切;混凝土分层或分段浇筑时,接头部位处理不好,易在新旧混凝土和施工缝之间出现裂缝;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,造成混凝土强度不足和其他性能(和易性、密实度)下降,也可导致结构开裂。
  2、裂缝预防措施
  通过以上分析,在工程裂缝中有很大一部分是可以通过设计手段、施工手段来克服。
  2.1材料选用上应选用符合规范要求的合格材料。水泥应选用水化热较低的水泥,严禁使用安定性、强度不合格的水泥。粗骨料宜用表面粗糙、质地坚硬、级配良好、空隙率小、无碱性反应、有害物质及粘土含量不超过规定的石料。细骨料宜用颗粒较粗、空隙较小、含泥量较低的中砂。
  2.2 注意施工过程中混凝土构件的堆放、运输等,特别是预应力混凝土构件在施加预应力之前必须检验其强度是否满足施加应力的要求。
  2.3 对于温度变化和湿度变化引起的裂缝主要预防措施:一是尽量选用低热或中热水泥,如矿渣水泥、粉煤灰水泥等。二是减少水泥用量。三是降低水灰比。四是改善骨料级配,掺加粉煤灰或高效减水剂等来减少水泥用量,改善混凝土拌合物的流动性、保水性,降低水化热。五是加强混凝土温度的监控,及时采取冷却、保护措施。六是加强混凝土养护,混凝土浇筑后,及时用湿润的草帘、麻片等覆盖,并注意洒水养护,适当延长养护时间,保证混凝土表面缓慢冷却。
  2.4干缩裂缝主要预防措施:一是选用收缩量较小的水泥,一般采用水化热较低的水泥和粉煤灰水泥,降低水泥的用量。二是混凝土的干缩受水灰比的影响较大,水灰比越大,干缩越大,因此在混凝土配合比设计中应尽量控制好水灰比的选用,同时掺加适量的减水剂。三是严格控制混凝土搅拌和施工中的配合比,混凝土的用水量绝对不能大于配合比设计所给定的用水量。四是加强混凝土的早期养护,并适当延长混凝土的养护时间。冬季施工时要适当延长混凝土保温覆盖时间,并涂刷养护剂养护。五是在混凝土结构中设置合适的收缩缝。
  2.5 对于基础变形引起的沉陷裂缝主要预防措施:一是加强地基的检查与验收工作,对较复杂的地基,设计方在基坑开挖后应要求勘察补钻探,当探出有不利的地质情况时,必须先对其加固处理,并经验收合格后,方可进行下一步施工。二是开挖基槽时,要注意不扰动其原状结构。三是控制建筑物的长高比,长高比越小,整体刚度越大,调整不均匀沉降的能力越强。四是合理地调整各部分承重结构的受力情况,使荷载分布均匀,尽量防止受力过于集中。五是正确地设置沉降缝。
  2.6 对于冻胀引起的裂缝主要预防措施是: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和水中掺入防冻剂(但氯盐不宜使用),可保证混凝土在低温或负温条件下硬化。
  2.7 碱骨料反应裂缝和钢筋锈蚀引起的裂缝主要的预防措施:一是选用碱活性小的砂石骨料;二是选用低碱水泥和低碱或无碱的外加剂;三是选用合适的掺和料抑制碱骨料反应。由于混凝土浇筑、振捣不良或者是钢筋保护层较薄,有害物质进入混凝土使钢筋产生锈蚀,锈蚀的钢筋体积膨胀,导致混凝土胀裂,此种类型的裂缝多为纵向裂缝,沿钢筋的位置出现。
  2.8对于施工工艺产生的裂缝可采取的预防措施:一是配合比设计采用低水灰比、低用水量,以减少水泥用量。禁止任意增加水泥用量。配制砼时计量应准确,要严格控制水灰比和水泥用量,搅拌均匀,振捣应均匀适度。离析的砼必须重新拌匀后,方可浇筑。二是钢筋的配置应严格按施工图施工,尤应重视以下各点:钢筋品种、规格、数量的改变、代用,必须考虑对构件抗裂性能的影响。钢筋的位置要正确,保护层过大或过小都可能导致砼开裂,钢筋间距过大,易引起钢筋之间的砼开裂。三是模板构造要合理,模板和支架要有足够的刚度,合理选择拆模时机。 四是及早进行喷水养护,在浇水养护有因难时,或者不能保证其充分湿润时,可采用覆盖保湿材料等方法。 五是合理安排施工顺序。当相邻建(构)筑物间距较近时,一般应先施工较深的基础,以防基坑开挖破坏已建基础的地基础。当建(构)筑物各部分荷载相差较大时,一般应施工重、高部分,后施工轻、低部分。
  3、裂缝处理
  裂缝的出现不但会影响结构的整体性和刚度,还会引起钢筋的锈蚀、加速混凝土的碳化、降低混凝土的耐久性和抗疲劳、抗渗能力。因此根据裂缝的性质和具体情况我们要区别对待、及时处理。混凝土裂缝的修补措施主要有以下一些方法:表面修补法,灌浆、嵌逢封堵法,结构加固法,混凝土置换法,电化学防护法以及仿生自愈合法。
  3.1表面修补法
  表面修补法是一种简单、常见的修补方法,它主要适用于稳定和对结构承载能力没有影响的表面裂缝以及深进裂缝的处理。通常的处理措施是在裂缝的表面涂抹水泥浆、环氧胶泥或在混凝土表面涂刷油漆、沥青等防腐材料,在防护的同时为了防止混凝土受各种作用的影响继续开裂,通常可以采用在裂缝的表面粘贴玻璃纤维布等措施。
  3.2 灌浆、嵌逢封堵法
  灌浆法主要适用于对结构整体性有影响或有防渗要求的混凝土裂缝的修补,它是利用压力设备将胶结材料压入混凝土的裂缝中,胶结材料硬化后与混凝土形成一个整体,从而起到封堵加固的目的。常用的胶结材料有水泥浆、环氧树脂、甲基丙烯酸酯、聚氨酯等化学材料。
  嵌缝法是裂缝封堵中最常用的一种方法,它通常是沿裂缝凿槽,在槽中嵌填塑性或刚性止水材料,以达到封闭裂缝的目的。常用的塑性材料有聚氯乙烯胶泥、塑料油膏、丁基橡胶等等;常用的刚性止水材料为聚合物水泥砂浆。
  3.3 结构加固法
  当裂缝影响到混凝土结构的性能时,就要考虑采取加固法对混凝土结构进行处理。结构加固中常用的主要有以下几种方法:加大混凝土结构的截面面积,在构件的角部外包型钢、采用预应力法加固、粘贴钢板加固、增设支点加固以及喷射混凝土补强加固。
  3.4 混凝土置换法
  混凝土置换法是处理严重损坏混凝土的一种有效方法,此方法是先将损坏的混凝土剔除,然后再置换入新的混凝土或其他材料。常用的置换材料有:普通混凝土或水泥砂浆、聚合物或改性聚合物混凝土或砂浆。
  3.5 电化学防护法
  电化学防腐是利用施加电场在介质中的电化学作用,改变混凝土或钢筋混凝土所处的环境状态,钝化钢筋,以达到防腐的目的。阴极防护法、氯盐提取法、碱性复原法是化学防护法中常用而有效的三种方法。
  3.6 仿生自愈合法
  仿生自愈合法是一种新的裂缝处理方法,它模仿生物组织对受创伤部位自动分泌某种物质,而使创伤部位得到愈合的机能,在混凝土的传统组分中加入某些特殊组分(如含粘结剂的液芯纤维或胶囊),在混凝土内部形成智能型仿生自愈合神经网络系统,当混凝土出现裂缝时分泌出部分液芯纤维可使裂缝重新愈合。
  综上分析,钢筋砼结构裂缝应针对成因,贯彻预防为主的原则,加强设计施工及使用等方面的管理,确保结构安全和避免不必要的损失。针对出现的裂缝,采取相应的处理措施,确保混凝土构件的安全
  参考文献:
  [1]钢筋混凝土结构设计规范.中国建筑工业出版社,1999.2.
  [2]鞠丽艳,张雄.混凝土裂缝防治的两种新方法.施工技术,2002. 7.
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