混凝土是一种典型的人造材料。混凝土在水化凝结过程中水泥颗粒同时受到水泥胶体颗粒之间静电引力和自由水蒸发体积收缩产生的收缩应力作用。当收缩应力大于静电引力时,在混凝土内部逐渐产生微观裂缝,最终形成肉眼可见的宏观裂缝。
由于混凝土原材料都来自不同的地点,同时不同工地之间的搅拌设备、劳动力素养、现场作业环境等因素又各不相同,所以诸多的不利因素使混凝土产生裂缝的机率较高。裂缝已成为最普遍的混凝土质量通病。严格意义上说,裂缝或多或少或大或小地存在于每一个混凝土构件中。众多微观的裂缝并无实际的工程研究意义,而造成了显著质量缺陷的宏观裂缝才是我们探讨研究的重点所在。
1 混凝土裂缝的分类
混凝土构件裂缝有很多分类方法。按其形成原因,可分为塑性裂缝、干缩裂缝、温度裂缝、不均匀沉陷裂缝等种类。塑性裂缝大多出现在结构构件表面,形状不规则,长短不一且互不连贯;干缩裂缝缝宽较细,平面分布纵横交错且无规律性;温度裂缝缝宽大小不一,沿全长变化不大,平面分布多平行于构件短方向且中间较密;不均匀沉降裂缝绝大多数是贯穿裂缝,一般与地面垂直或呈30°~45° 的夹角,平面分布与沉陷情况有关。
按裂缝产生后对建筑构件基本使用功能的限制条件区分,可将裂缝分为非结构性裂缝和结构性裂缝两类。非结构裂缝是指对构件、结构没有产生实质力学性能改变的裂缝;结构性裂缝则是由于设计失误、建造质量以及不当使用等方面的原因,造成混凝土构件产生的裂缝,而该种裂缝的存在使混凝土构件、结构无法满足原设计应达到的力学性能要求。广义上说非结构性裂缝是微观裂缝,是裂缝的早期阶段,而结构性裂缝则是宏观裂缝,是裂缝的发展阶段。
2 裂缝产生的原因
砂石原材料的含泥量、混凝土的搅拌质量、浇筑工艺、养护效果以及使用环境等都是混凝土产生裂缝的重要因素。然而一种裂缝的形成往往是多种内外因素相互作用、相互促进的结果,这体现了裂缝成因的复杂性。同时一种因素往往又是不同类型裂缝发生的共同因素,这就是裂缝成因的关联性。通过对不同类型裂缝产生主要原因的分析,其目的在于抓住事物的主要矛盾,在工程施工中面对不同的裂缝有针对性地做好防控、治理工作。
2.1 非结构性裂缝产生的原因
2.1.1 塑性裂缝产生的主要原因
(1)混凝土中使用过量的粉砂;
(2)混凝土浇筑过程中水泥浆体与骨料相对分离,水泥浆体悬浮于骨料上部,在混凝土初凝期间,上部浆体部分相对于下部的骨料部分具有更大的变形模量,这种体积变形的差异致使混凝土表面浮浆层产生塑性裂缝。
2.1.2 干缩裂缝产生的主要原因
(1)拌制混凝土所采用的水泥收缩率较大;
(2)混凝土在养护初期表面游离水分蒸发过快,产生急剧的体积收缩,而内部则相对水分蒸发缓慢,体积变化也小,因而表面混凝土的收缩变形“突破”内部混凝土的约束力,引起混凝土产生干缩裂缝;
2.1.3 温度裂缝产生的主要原因
(1)表面型温度裂缝产生原因
①使用高水化热的水泥;
②混凝土浇筑后没有及时做好表面保温或内部降温措施,形成超临界的内外温度差,表面混凝土的收缩应力大于其内部拉应力,产生表面温度裂缝;
(2)进深贯穿的温度裂缝产生原因
①使用高水化热的水泥;
②混凝土构件浇筑时与周边接触物之间没有采取有效的隔离等放松约束措施,当环境温度降低时,新浇混凝土构件产生体积收缩的同时又受到其它外部结构的约束,内部产生较大拉应力,出现降温收缩裂缝。
2.1.4 不均匀沉陷裂缝产生的原因
(1)基础稳定性不足或产生压缩性变形,致使混凝土构件承受超过原设计允许的受力变形,产生破坏性裂缝;(2)模板刚度不足或拆模过早。
2.2 结构性裂缝产生的原因
由于裂缝的宽度、长度以及在构件中的分布位置等因素的变化发展,使混凝土构件的强度、刚度、稳定性遭到进一步破坏和改变,构件不满足原设计的结构使用要求,此时塑性裂缝、干缩裂缝、温度裂缝、沉降裂缝均有可能演变成结构性裂缝。
所以,塑性裂缝、干缩裂缝、温度裂缝、沉降裂缝是裂缝的初级阶段,而结构裂缝则是上述不同类型裂缝的发展阶段。
3 裂缝的预防
导致混凝土构件产生裂缝的原因不是单一的,有时一种裂缝的产生常常是多种原因重叠交叉作用的结果。所以,我们若想从根本上杜绝裂缝的产生,也要相应地采取综合预防措施。
包括混凝土设计、选材、施工、养护等诸多环节。只有扎扎实实地做好每一个工序每一个环节的控制工作,才能造就一个合格的工程产品。
3.1 科学合理的设计是保障工程质量,杜绝混凝土裂缝产生的首要前提条件
通过设计确定经济合理的配筋率、选择合理的钢筋品种、确定混凝土强度等级,同时有条件的还应进行材料应力——应变分析,尽量使所选用的钢筋和混凝土具有相对接近的应力——应变曲线,以便使钢筋在工作状态时能与混凝土在受力性质上达到较好的力学协调性。其次,要不断优化混凝土的配合比设计,使混凝土在浇筑前具有良好的和易性。
3.2 材料选用时要保障混凝土物理力学性能的前提下,尽量选用低水化热水泥
选用级配良好的砂石材料。使混凝土构件在不同的方向具有相近的变形模量。
3.3 混凝土施工时,要严格执行最短搅拌时间制度,使混凝土达到规定的和易性
在运输过程中,尽量避免混凝土产生离析现象。根据具体情况,对产生离析现象的混凝土采取二次搅拌。应特别注意在施工过程中对钢筋的修复。确保受力钢筋的支座连接、几何尺寸、空间位置、绑扎质量符合规范规定。
3.4 后期养护
虽然是混凝土施工工作最后一个环节,但其对混凝土的最终质量形成、控制混凝土裂缝发展起到重要作用。适宜的内外温度是水泥正常水化必不可少的条件之一。在混凝土初凝前,对混凝土表面采取覆盖措施,即可以保证水化反应的顺利进行,也可防止混凝土内外温差形成,降低混凝土早期裂缝形成的概率。
3.5 区分不同类型裂缝的形成原因,有针对性地做好施工过程中相关工序的防控工作
(1)防止塑性裂缝产生的首先措施是要严格按照《混凝土配合比报告》所确定的原材料重量进行配料搅拌,尤其是填充材料一定要计量准确,切忌超量使用。其次是在混凝土浇筑完毕进行表面清理时,应尽量将表面浮浆层清理掉。
(2)干缩裂缝的首要防控措施是采用低收缩率且安定性符合要求的水泥。其次是加强混凝土的早期养护,采取表面覆盖薄膜等措施。混凝土终凝后采取带水养护。
(3)温度裂缝防控的首要措施是采用低水化热水泥。其次是在混凝土浇筑前结合工程项目实际情况,制定混凝土构件内外温度平衡方案,确保混凝土在终凝前构件内外温差不超过25°C。
(4)不均匀沉陷裂缝的首要防控措施是处理好地基基础和混凝土模板支撑体系的不均匀沉陷问题,挖方地基要保证基底具有足够的强度和稳定性。而填方地基则要保证压实后的土壤具有符合力学要求的压实密度和压缩模量。其次要确保模板支撑体系具有足够的强度、刚度和稳定性,尤其是涉及高大模板体系,要按照《建筑安全施工规范》规定编制专项施工方案,按照经审批的施工方案完善架体支撑体系。
4 裂缝治理
非结构性裂缝对混凝土构件承载力没有太大影响,但会引起钢筋锈蚀、混凝土耐久性差以及建筑产品使用缺陷等质量问题。而结构性裂缝则直接影响结构承载力;所以,裂缝的治理必须针对不同类型裂缝采取不同措施,使混凝土结构既能满足建筑产品的使用功能又能确保建筑产品在使用寿命周期内安全可靠。裂缝治理通常可分为表面修补法、内部修补法和结构加固法三种。
4.1 表面修补法适用于表面型非结构裂缝的处理具体方法如下:
(1)将裂缝附近的混凝土表面凿毛,沿裂缝凿成深15-20mm、宽150-200mm 的凹槽。扫净并洒水润湿。
(2)刷水泥浆一道,然后用1:1 水泥砂浆分两遍涂压、填隙,并用铁板抹压密实。
(3)洒水养护,进行覆盖。
4.2 内部修补法适用于进深型非结构裂缝的处理具体方法如下:
(1)将裂缝表面用钢丝刷冲洗干净。将裂缝附近80-100mm 范围内的灰尘、浮渣用压缩空气吹净,如表面潮湿,应用喷灯烘烤干燥。
(2)在裂缝较宽处、纵横缝交叉处以及裂缝两端设置灌浆嘴(对于贯通缝应两面交错设置)。间距400-500mm。灌浆嘴用环氧腻子进行封闭。
(3)裂缝表面用环氧腻子或早强砂浆进行封闭。
(4)待环氧胶泥硬化后,进行试气,气压稳定在2-4kg/cm2 为合格 。
(5)按顺序依次从一侧灌浆嘴将环氧浆液压入裂缝中,待浆液从邻近灌浆嘴喷出后,用小木塞将第一个灌浆嘴封闭。以此类推完成所有灌浆工作。
4.3 结构加固法
适用于对单一构件的强度、刚度、稳定性造成影响的结构性裂缝处理。其具体方法如下:
(1)对需要处理的构件表面和钢板表面进行打磨处理,使其具有良好的附着性。
(2)配制粘合剂。
(3)分别在混凝土表面和钢板表面均匀涂刷粘合剂,然后按照事先测量好的位置将两者进行粘贴。
(4)在钢板的外围利用千斤顶等加压设备对钢板施加压力,使混凝土表面与钢板进行紧密的连接。
(5)待混凝土与钢板完全形成一个受力整体后,即可拆除支架系统。
(6)对钢板外部进行防腐、粉刷处理。
5 结语
综上所述,高标准的设计、高质量的原材料和精心的施工是我们尽量控制混凝土裂缝产生的先决条件。也是我们开展混凝土裂缝治理工作必须牢牢把握的原则。在此需要强调的是:
文章所阐述的裂缝类型划分、裂缝治理措施仅针对单一结构构件,治理措施也仅是轮廓性概述。在工程实践过程中,我们需要通过对所有结构构件的细心观测并借助于设计单位的精心验算,才能科学地界定裂缝的具体类型,尤其对于结构性裂缝的治理,必须形成专项方案经原结构设计单位审批后方可实施。