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泵送混凝土施工裂縫的成因和防治
發(fā)布時間:2014-08-09
泵送混凝土施工裂縫的成因和防治泵送混凝土不僅應(yīng)能改善混凝土的施工性能,對薄壁密筋結(jié)構(gòu)
1 泵送混凝土的特點
(1)原材料和配合比
a、水泥用量較多
強(qiáng)度等級C20~C60范圍為350~550kg/m3。
b、超細(xì)摻合料時有添加
為改善混凝土性能,節(jié)約水泥和降低造價,混凝土中摻加粉煤灰、礦渣、沸石粉等摻合料。
c、砂率偏高、砂用量多
為保證混凝土的流動性、粘聚性和保水性 ,以便于運(yùn)輸、泵送和澆筑,泵送混凝土的砂率要比普通流動性混凝土增大砂率6%以上,約為38~45%。
d、石子最大粒徑
為滿足泵送和抗壓強(qiáng)度要求,與管道直徑比1∶2.5(卵石)、1∶3(碎石)~1∶4、1∶5。
e、水灰比宜為0.4~0.6
水灰比小于0.4時,混凝土的泵送阻力急劇增大;大于0.6時,混凝土則易泌水、分層、離析,也影響泵送。
f、泵送劑
多為高效減水劑復(fù)合以緩凝劑、引氣劑等,對混凝土拌合物流動性和硬化混凝土的性能有影響,因而對裂縫也有影響。
(2)工藝
a.混凝土拌制在攪拌站(樓)進(jìn)行,原材料計量準(zhǔn)確,攪拌均勻,但也偶有失控情況。
b.多數(shù)攪拌站未設(shè)細(xì)摻合料、粉狀泵送劑、粉狀膨脹劑稱量和料侖,采用人工或容積法,使計量與分散存在問題,影響混凝土的均勻性。
c.當(dāng)混凝土拌合物過乾、過稀,運(yùn)輸時間過長、停留時間過長且未進(jìn)行攪拌均勻前入泵時,混凝土拌合物乾稀不勻。
d.每個運(yùn)輸車中混凝土的坍落度相差過大,加入泵車內(nèi)輸送時,會澆筑的混凝土均勻性變壞。
e.混凝土澆筑后振搗不足、振搗過度,特別是面積系數(shù)很大的板材,采用振搗棒密實不均勻。
f.大體積混凝土施工,當(dāng)技術(shù)措施不當(dāng)或不完善時,易產(chǎn)生溫度裂縫。
g.混凝土大面積板材,在澆筑后防風(fēng)、防曬、養(yǎng)護(hù)不足時,易產(chǎn)生干縮裂縫。
h.混凝土拌合物過乾、人工、無稱量的加入高效減水劑或水時,混凝土質(zhì)量不易保證。
2 有關(guān)裂縫的一些概念
(1)混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)決定其產(chǎn)生裂縫
混凝土是粗集料、細(xì)集料、水泥石、水和氣體所組成的非均質(zhì)堆聚結(jié)構(gòu)。混凝土混合料在不同溫濕度條件下凝結(jié)硬化,并同時產(chǎn)生體積變形。水泥石的干燥和冷卻收縮大,集料的干燥和冷卻收縮小,同時水泥石和集料之間相互粘結(jié)而約束,由于變形產(chǎn)生微裂縫。
(2)混凝土裂縫的種類
按裂縫產(chǎn)生原因分類
a.由外荷載(靜、動荷載)直接應(yīng)力引起的裂縫和次應(yīng)力引起的裂縫。
b.由變形變化引起的裂縫:包括結(jié)構(gòu)因溫度濕度變化、收縮、膨脹、不均勻沉陷等原因引起的裂縫。其特征是結(jié)構(gòu)要求變形,當(dāng)受到約束和限制時產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力,應(yīng)力超過一定數(shù)值后產(chǎn)生裂縫,裂縫出現(xiàn)后變形得到滿足,內(nèi)應(yīng)力松弛。這種裂縫寬度大、內(nèi)應(yīng)力小,對荷載的 影響小,但對耐久性損害大。
據(jù)國內(nèi)外調(diào)查資料表明,工程結(jié)構(gòu)產(chǎn)生屬于變形變化(溫濕度、收縮與膨脹、不均勻沉降)引起的裂縫約占80%;屬于荷載引起的裂縫約占20%。
按裂縫所處狀態(tài)分
裂縫可分為運(yùn)動、不穩(wěn)定、穩(wěn)定、閉合和愈合等狀態(tài)。
對于處于運(yùn)動和不穩(wěn)定擴(kuò)展?fàn)顟B(tài)的裂縫,應(yīng)考慮加固和補(bǔ)救措施。而對于穩(wěn)定、閉合、愈合 的裂縫則可持久的應(yīng)用。例如有些防水結(jié)構(gòu),在0.1MPa水壓下,出現(xiàn)0.1~0.2mm裂縫時,可能開始時有輕微滲漏,但經(jīng)過一段時間后,裂縫處水化的水泥析出Ca(OH)2,逐漸彌合了裂縫,并與大氣中CO2作用,形成CaCO3結(jié)晶,封閉和自愈合裂縫,防止了滲漏的產(chǎn)生。這種裂縫是穩(wěn)定的,不會影響工程結(jié)構(gòu)的使用和耐久性。
按裂縫形狀分
裂縫按形狀可分為表面的、深入的、貫穿的、斷續(xù)的、縱向的、橫向的、斜向的、對角線的、上寬下窄、上窄下寬、外寬內(nèi)窄的、囊核形的等等。
(3)裂縫寬度
A、平均裂縫寬度
在整條裂縫上,其寬度是不均勻的,有的位置寬,有的位置窄。平均裂縫寬度是指裂縫長度10%~15%范圍較寬區(qū)段平均裂縫寬度和裂縫長度10%~15%范圍較窄區(qū)段平均裂縫寬度的平均 值即最大與最小平均裂縫的平均值。
B、最大裂縫寬度
a.無侵蝕介質(zhì)、無抗?jié)B要求,結(jié)構(gòu)處于正常狀態(tài)下,最大裂縫寬度不得大于0.3mm。
b.有輕微侵蝕、無抗?jié)B要求時,最大裂縫寬度不得大于0.2mm。
c.有最重侵蝕和抗?jié)B要求時,不得大于0.1mm。
d.混凝土有自防水要求時,不得大于0.1mm。
上述標(biāo)準(zhǔn)是從耐久強(qiáng)度考慮的,為設(shè)計中和裂縫檢測中的控制范圍。但在工程實踐中,有些結(jié)構(gòu)存在數(shù)毫米寬的裂縫仍然正在使用,而且多年后也沒有破壞危險。如土木建筑中的各種大型、特種結(jié)構(gòu)和設(shè)備基礎(chǔ),一般均存在裂縫,完全沒有裂縫是不可能的,科技工作者的主要任務(wù)是根據(jù)裂縫的部位、所處環(huán)境、配筋情況和結(jié)構(gòu)形式,進(jìn)行具體分析、判斷和處理。一些專家和學(xué)者根據(jù)對結(jié)構(gòu)物裂縫處理的實際經(jīng)驗,認(rèn)為規(guī)范中限制的裂縫寬度應(yīng)當(dāng)根據(jù)具體條件加以放寬,如像大量的表面裂縫,如果經(jīng)過周密的研究分析確定是由變形作用引起的,其寬度可不受限制,只須作表面封閉處理即可。
3 變形裂縫產(chǎn)生的原因和特征
(1)溫度裂縫
a、產(chǎn)生的原因和特征
水泥水化過程中產(chǎn)生大量的熱量,每克水泥放出502J的熱量,如果以水泥用量350~550kg/m3來計算,每m3混凝土將放出17500~27500KJ的熱量,從而使混凝土內(nèi)部溫度升高, 在澆筑溫度的基礎(chǔ)上,通常升高35℃左右。如果按著我國施工驗收規(guī)范規(guī)定澆筑溫度為28℃ 則可使混凝土內(nèi)部溫度達(dá)到65℃左右。但是,如果沒有降溫措施或澆筑溫度過高,混凝土內(nèi)部溫度高達(dá)80~90℃的情況也時有發(fā)生,例如XX大廈在澆筑筏板反梁基礎(chǔ)的大體積混凝土的內(nèi)部溫度,經(jīng)實際測定高達(dá)95℃。水泥水化熱在1~3天可放出熱量的50%,由于熱量的傳遞、積存,混凝土內(nèi)部的最高溫度大約發(fā)生在澆筑后的3~5天,因為混凝土內(nèi)部和表面的散熱條件不同,所以混凝土中心溫度低,形成溫度梯度,造成溫度變形和溫度應(yīng)力。溫度應(yīng)力和溫差成正比,溫度越大,溫度應(yīng)力也越大。當(dāng)這種溫度應(yīng)力超過混凝土的內(nèi)外約束應(yīng)力( 包括混凝土抗拉強(qiáng)度)時,就會產(chǎn)生裂縫。這種裂縫的特點是裂縫出現(xiàn)在混凝土澆筑后的3~5天,初期出現(xiàn)的裂縫很細(xì),隨著時間的發(fā)展而繼續(xù)擴(kuò)大,甚至達(dá)到貫穿的情況。
b、影響因素和防治措施
混凝土內(nèi)部的溫度與混凝土厚度及水泥品種、用量有關(guān)。混凝土越厚,水泥用量越大,水化熱越高的水泥,其內(nèi)部溫度越高,形成溫度應(yīng)力越大,產(chǎn)生裂縫的可能性越大。
對于大體積混凝土,其形成的溫度應(yīng)力與其結(jié)構(gòu)尺寸相關(guān),在一定尺寸范圍內(nèi),混凝土結(jié)構(gòu)尺寸越大,溫度應(yīng)力也越大,因而引起裂縫的危險性也越大,這就是大體積混凝土易產(chǎn)生溫度裂縫的主要原因。因此防止大體積混凝土出現(xiàn)裂縫最根本的措施就是控制混凝土內(nèi)部和表面的溫度差。
(4)混凝土原材料和配合比的選用
a.水泥品種選擇和水泥用量控制
大體積鋼筋混凝土引起裂縫的主要原因是水泥水化熱的大量積聚,使混凝土出現(xiàn)早期升溫和后期降溫,產(chǎn)生內(nèi)部和表面的溫差。減少溫差的措施是選用中熱硅酸鹽水泥或低熱礦渣硅酸鹽水泥,在摻加泵送劑或粉煤灰時,也可選用礦渣硅酸鹽水泥。再有,可充分利用混凝土后期強(qiáng)度,以減少水泥用量。根據(jù)大量試驗研究和工程實踐表明,每m3混凝土的水泥用量增減10kg,其水化熱將使混凝土的溫度相應(yīng)升高或降低1℃。因此,為更好的控制水化熱所造成的溫度升高、減少溫度應(yīng)力,可以根據(jù)工程結(jié)構(gòu)實際承受荷載的情況,對工程結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度進(jìn)行復(fù)核與驗算,并取得設(shè)計單位的同意后,可用56天或90天抗壓強(qiáng)度代替28天抗壓強(qiáng)度作為設(shè)計強(qiáng)度。由于過去土木建筑物層數(shù)不多、跨度不大,且多為現(xiàn)場攪拌,施工工期短,混凝土標(biāo)準(zhǔn)試驗齡期定為28天,但對于具有大體積鋼筋混凝土基礎(chǔ)的高層建筑,大多數(shù)的施工期限很長,少則1~2年,多則4~5年,28天不可能向混凝土結(jié)構(gòu),特別是向大體積鋼筋混凝土基礎(chǔ)施加設(shè)計荷載,因此將試驗混凝土標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度的齡期推遲到56天或90天是合理的,正是基于這點,國內(nèi)外許多專家均提出這樣建議。如果充分利用混凝土的后期強(qiáng)度,則可使每m3混凝土的水泥用量減少40~70kg左右,則混凝土溫度相應(yīng)降低4~7℃。最后,為減少水泥水化熱和降低內(nèi)外溫差的辦法是減少水泥用量,將水泥用量盡量控制在450kg/m3以下。如果強(qiáng)度允許,可采用摻加粉煤灰來調(diào)整。
b.摻加摻合料
國內(nèi)外大量試驗研究和工程實踐表明,混凝土中摻入一定數(shù)量優(yōu)質(zhì)的粉煤灰后,不但能代替部分水泥,而且由于粉煤灰顆粒呈球狀具有滾珠效應(yīng),起到潤滑作用,可改善混凝土拌合物的流動性、粘聚性和保水性,并且能夠補(bǔ)充泵送混凝土中粒徑在0.315mm以下的細(xì)集料達(dá)到占15%的要求,從而改善了可泵性。同時,依照大體積混凝土所具有的強(qiáng)度特點,初期處于較高溫度條件下,強(qiáng)度增長較快、較高,但是后期強(qiáng)度增長緩慢。摻加粉煤灰后,其中的活性Al2O3、SiO2與水泥水化析出的CaO作用,形成新的水化產(chǎn)物,填充孔隙、增加密實度,從而改善了混凝土的后期強(qiáng)度。但是應(yīng)當(dāng)值得注意的是,摻加粉煤灰混凝土的早期抗拉強(qiáng)度和極限變形略有降低。因此,對早期抗裂要求較高的混凝土,粉煤灰摻量不宜太多,宜在10~15%以內(nèi)。
特別重要的效果是摻加原狀或磨細(xì)粉煤灰之后,可以降低混凝土中水泥水化熱,減少絕熱條件下的溫度升高。摻加粉煤灰的水泥混凝土的溫度和水化熱,在1~28d齡期內(nèi),大致為:摻入粉煤灰的百分?jǐn)?shù)就是溫度和水化熱降低的百分?jǐn)?shù),即摻加20%粉煤灰的水泥混凝土,其溫升和水化熱約為未摻粉煤灰的水泥混凝土的80%,可見摻加粉煤灰對降低混凝土的水化熱和溫升的效果是非常顯著的。目前許多商品混凝土廠家,由于認(rèn)識、技術(shù)、設(shè)備(料倉)等原因,尚未有效、充分地利用粉煤灰。
c.摻加外加劑
摻加具有減水、增塑、緩凝、引氣的泵送劑,可以改善混凝土拌合物的流動性、粘聚性和保水性。由于其減水作用和分散作用,在降低用水量和提高強(qiáng)度的同時,還可以降低水化熱,推遲放熱峰出現(xiàn)的時間,因而減少溫度裂縫。
例如,在泵送混凝土中,摻入占水泥重量0.25%的木質(zhì)素磺酸鈣減水劑,不僅能使混凝土的泵送性能改善,而且可以減少拌合水和水泥用量,從而降低水化熱,延遲了水化熱釋放速度 ,推遲放熱峰。因此,不但減少了溫度應(yīng)力,而且使初凝和終凝時間延緩3~8h,降低了大體積混凝土施工中出現(xiàn)冷縫的可能性。
d.選用質(zhì)量優(yōu)良的粗細(xì)集料
粗集料
根據(jù)結(jié)構(gòu)最小斷面尺寸和泵送管道內(nèi)徑,選擇合理的最大粒徑,盡可能選用較大的粒徑。例如5~40mm粒徑可比5~25mm粒徑的碎石或卵石混凝土可減少用水量6~8kg/m3,降低水泥用量15kg/m3,因而減少泌水、收縮和水化熱。
要優(yōu)先選用天然連續(xù)級配的粗集料、使混凝土具有較好的可泵性,減少用水量、水泥用量,進(jìn)而減少水化熱。
細(xì)集料
以采用級配良好的中砂為宜。實踐證明,采用細(xì)度模數(shù)2.8的中砂比采用細(xì)度模數(shù)2.3的中砂,可減少用水量20~25kg/m3,可降低水泥用量28~35kg/m3,因而降低了水泥水化熱、混凝土溫升和收縮。
泵送混凝土也宜選用合理砂率,其砂率值較低流動性混凝土適當(dāng)提高是必要的。但是砂率過大,不僅會影響混凝土的工作度和強(qiáng)度,而且能增大收縮和裂縫。
(5)泵送混凝土施工工藝改進(jìn)
a.控制混凝土出機(jī)溫度和澆筑溫度
為了降低混凝土的總溫升,減少大體積工程結(jié)構(gòu)的內(nèi)外溫差,控制混凝土的出機(jī)溫度和澆筑溫度也是一個重要措施。
對于出機(jī)溫度和澆筑溫度的控制,世界各國都非常重視,并有較明確的規(guī)定:我國《水工混凝土施工規(guī)范》(SDJ207-82)中規(guī)定:高溫季節(jié)施工時,混凝土最高澆筑溫度,不得超過28℃。為求得統(tǒng)一,《混凝土結(jié)構(gòu)工程施工及驗收規(guī)范》(GB50204-92)也規(guī)定了這個溫度值。日本規(guī)范規(guī)定,暑期混凝土的攪拌溫度為30℃以下,澆筑時的混凝土溫度應(yīng)低于35℃;對于大體積混凝土的溫度,規(guī)定拌制時為25℃以下,澆筑時要在30℃以下。前蘇聯(lián)規(guī)范規(guī)定,暑期施工時,當(dāng)澆筑表面系數(shù)大于3的結(jié)構(gòu)混凝土?xí)r,混凝土拌合物從攪拌站運(yùn)出時的溫度應(yīng)當(dāng)不超過30~35℃,而對于表面系數(shù)小于3的大體積結(jié)構(gòu),混凝土拌合物溫度應(yīng)盡可能降低,且不超過20℃。美國規(guī)范規(guī)定,在炎熱的氣候條件下,澆筑溫度不得超過32℃。德國規(guī)范規(guī)定,在炎熱氣候時,新拌混凝土溫度,在卸車時不得超過30℃。
為了降低混凝土的出機(jī)溫度和澆筑溫度。最有效的方法是降低原料溫度,混凝土中石子比熱較小,但每m3混凝土中石子所占重量最大,所以最有效的辦法是降低石子溫度。在氣溫較高時,為了防止太陽直接照射,可以在砂石堆場搭設(shè)簡易遮陽棚,必要時可向集料噴淋霧狀水,或者在使用前用冷水沖洗集料。國外也有的攪拌混凝土?xí)r加冰塊冷卻。除此之外,攪拌運(yùn)輸車罐體、泵送管道保溫、冷卻也是必要的措施。
b.改進(jìn)工藝
攪拌工藝
采用二次投料的凈漿裹石或砂漿裹石工藝,可以有效地防止水分聚集在水泥砂漿和石子的界面上,使硬化后界面過渡層結(jié)構(gòu)致密、粘結(jié)力增大,從而提高混凝土強(qiáng)度10%或節(jié)約水泥5%,并進(jìn)一步減少水化熱和裂縫。
振動工藝
對已澆筑的混凝土,在終凝前進(jìn)行二次振動,可排除混凝土因泌水,在石子、水平鋼筋下部形成的空隙和水分,提高粘結(jié)力和抗拉強(qiáng)度,并減少內(nèi)部裂縫與氣孔,提高抗裂性。
養(yǎng)護(hù)工藝
為了嚴(yán)格控制大體積混凝土的內(nèi)外溫差,確保混凝土質(zhì)量,減少裂縫,養(yǎng)護(hù)是一個十分重要和關(guān)鍵的工序,必須切實做好。
混凝土養(yǎng)護(hù)主要是保持適當(dāng)?shù)臏囟群蜐穸葪l件。保溫能減少混凝土表面的熱擴(kuò)散,降低混凝土表層的溫差,防止表面裂縫。由于散熱時間延長,混凝土強(qiáng)度和松弛作用得到充分發(fā)揮, 使混凝土總溫差產(chǎn)生的拉應(yīng)力小于混凝土的抗拉強(qiáng)度,防止了貫穿裂縫的產(chǎn)生。澆筑時間不 長的混凝土,仍然處于凝結(jié)、硬化過程,水泥水化速度較快,適宜的潮濕條件可防止混凝土表面脫水而產(chǎn)生收縮裂縫。同時在潮濕條件下,可使水泥的水化充分、完全,從而提高混凝土的抗拉強(qiáng)度。
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