探讨水工混凝土施工控制及预防裂缝的措施
关键词:混凝土;裂缝;预防;处理
1前言
在水利工程建设中,水工混凝土的裂缝较为普遍,尤其在薄壁结构的水工建筑物中裂缝几乎无所不在。尽管工程技术人员在施工中采取各种措施,但裂缝仍然时有出现。因此本文仅对施工中水工混凝土裂缝的成因和防治措施做一探讨。
2水工混凝土产生裂缝的原因
混凝土中产生裂缝有多种原因,主要是温度和湿度的变化,混凝土的脆性和不均匀性,以及结构不合理,原材料不合格(如碱骨料反应),模板变形,基础不均匀沉降等。混凝土硬化期间水泥放出大量水化热,内部温度不断上升,在表面引起拉应力。后期在降温过程中,由于受到基础或老混凝土的约束,又会在混凝土内部出现拉应力。气温的降底也会在混凝土表面引起很大的拉应力。当这些拉应力超出混凝土的抗裂缝能力时,即会出现裂缝。许多混凝土的内部湿度变化很小或变化较慢,但表面湿度可能变化较大或发生剧烈变化。如养护不周。时干时湿,表面干缩形变受到内部混凝土的约束,也往往导致裂缝。混凝土是一种脆性材料,抗拉强度是抗压强度的1/10左右,由于原材料不均匀,水灰比不稳定及运输和浇筑过程中的离析现象,在同一块混凝土中其抗拉强度又是不均匀的,存在着许多抗拉能力很低,易于出现裂缝的薄弱部位。在钢筋混凝土中,拉应力主要是由钢筋承担,混凝土只是承受压应力。在素混凝土内或钢筋混凝土的边缘部位如果结构内出现了拉应力,则须依靠混凝土自身承担。一般设计中均要求不出现拉应力或者只出现很小的拉应力。但是在施工中混凝土由最高温度冷却到运转时期的稳定温度,往往在混凝土内部引起相当大的拉应力。有时温度应力可超过其它外荷载所引起的应力,因此掌握温度应力的变化规律对于进行合理的结构设计和施工极为重要。
3造成混凝土裂缝的温度应力分析
根据温度应力的形成过程可分为以下三个阶段早期自浇筑混凝土开始至水泥放热基本结束,一般约30天。这个阶段的两个特征,一是水泥放出大量的水化热,二是混凝土弹性模量的急剧变化。由于弹性模量的变化,这一时期在混凝土内形成残余应力。中期:自水泥放热作用基本结束时起至混凝土冷却到稳定温度时止,这个时期中,温度应力主要是由于混凝土的冷却及外界气温变化所引起,这些应力与早期形成的残余应力相叠加,在此期间混凝土的弹性模量变化不大。晚期:混凝土完全冷却以后的运转时期。温度应力主要是外界气温变化所引起,这些应力与前两种的残余应力相迭加。
根据温度应力引起的原因可分为两类:第一类,自生应力。边界上没有任何约束或完全静止的结构,如果内部温度是非线性分布的,由于结构本身互相约束而出现的温度应力。例如,渡槽槽墩、压力管道镇墩结构尺寸相对较大,混凝土冷却时表面温度低,内部温度高,在表面出现拉应力,在中间出现压应力。第二类,约束应力。结构的全部或部分边界受到外界的约束,不能自由变形而引起的应力。如泵站厂房的人行道板混凝土、箱形暗渠顶板混凝土,以上这两种温度应力往往和混凝土的干缩所引起的应力共同作用。要想根据已知的温度准确分析出温度应力的分布、大小是一项比较复杂的工作。在大多数情况下,需要依靠模型试验或数值计算。混凝土的徐变使温度应力有相当大的松弛,计算温度应力时,必须考虑徐变的影响。
4混凝土施工控制及防止裂缝的措施
根据多年施工质量管理经验,为了防止裂缝,减轻温度应力,可以着重从控制温度和改善约束条件两个方面着手,同时也要全面管理,才能真正避免混凝土的各种裂缝间题。因此,建议从以下几方面采取相应措施。
4．1控制温度的措施
(1)采用改善骨料级配,用干硬性混凝土,掺混合料,加引气剂或塑化剂等措施以减少混凝土中的水泥用量;
(2)拌合混凝土时加水或用水将碎石冷却以降低混凝土的浇筑温度;
(3)热天浇筑混凝土时减少浇筑厚度,利用浇筑层面散热;
(4)在混凝土中埋设水管,通入冷水降温;
(5)规定合理的拆模时间,气温骤降时进行表面保温,以免混凝土表面发生急剧的温度梯度;
(6)施工中长期暴露的混凝土浇筑块表面或薄壁结构,在寒冷季节采取保温措施。
4.2改善约束条件的措施
(1)合理地分缝分块,或及时切割伸缩缝;
(2)避免因基础过大水平面起伏,使同一构筑物混凝土厚度保持一致;
(3)合理的安排施工工序,避免过大的高差和侧面长期暴露。
4.3改善混凝土性能提高抗裂的措施
改善混凝土的性能,提高抗裂能力,加强养护,防止表面干缩,是保证混凝土的质量防止裂缝十分重要的措施。许多实践证明通过改善混凝土性能,能够避免产生贯穿裂缝,一旦出现后要恢复其结构的整体性是十分困难的,因此施工中应以预防贯穿性裂缝的发生为主。
4.4掌握混凝土合适的拆模时间防止裂缝的产生
在混凝土的施工中,为了提高模板的周转率,往往要求新浇筑的混凝土尽早拆模。当混凝土温度高于气温时应适当考虑拆模时间,以免引起混凝土表面的早期裂缝。新浇筑的混凝土早期拆模,在表面引起相当大的拉应力,出现“温度冲击”现象。在混凝土浇筑初期,由于水化热的散发,表面引起相当大的拉应力,此时表面温度亦较气温为高,此时拆除模板,表面温度骤降,必然引起温度梯度,从而在表面附加一拉应力,与水化热应力迭加,再加上混凝土干缩,表面的拉应力达到很大的数值,就有导致裂缝的危险,但如果在拆除模板后及时在表面覆盖一轻型保温材料,如泡沫海棉等,对于防止混凝土表面产生过大的拉应力,具有显著的效果。
4.5加筋对大体积混凝土温度应力的影响
加筋对大体积混凝土的温度应力影响很小,因为大体积混凝土的含筋率极低。只是对一般钢筋混凝土有影响。在温度不太高及应力低于屈服极限的条件下,钢的各项性能是稳定的,而与应力状态、时间及温度无关。钢的线膨胀系数与混凝土线膨胀系数相差很小,在温度变化时两者间只发生很小的内应力。由于钢的弹性模量为混凝土弹性模量的7倍～15倍,当内混凝土应力达到抗拉强度而开裂时,钢筋的应力将不超过100kg/cm2～200kg/cm2。因此,在混凝土中想要利用钢筋来防止细小裂缝的出现很困难。但加筋后结构内的裂缝一般就变得数目多、间距小、宽度与深度较小了。而且如果钢筋的直径细而间距密时,对提高混凝土抗裂性的效果较好。混凝土和钢筋混凝土结构的表面常常会发生细而浅的裂缝,其中大多数属于干缩裂缝。虽然这种裂缝一般都较浅,但它对结构的强度和耐久性仍有一定的影响。
4.6选用混凝土外加剂防止裂缝形成
为保证混凝土工程质量,防止开裂,提高混凝土的耐久性,正确使用外加剂也是减少混凝土开裂的措施之一。许多外加剂都有缓凝、增加和易性、改善塑性的功能,在工程实践中应多进行这方面的实验对比和研究,比单纯的靠改善外部条件,可能会更加简捷、经济。
4.7加强混凝土的早期养护,防止早期裂缝发生
实践证明,混凝土常见的裂缝,大多数是不同深度的表面裂缝,其主要原因是温度梯度造成。尤其在北方地区寒冷或炎热造成的温差也容易形成裂缝。因此说混凝土的保温和保湿对防止表面早期裂缝尤其重要。适宜的温湿度条件是相互关联的。混凝土的保温措施常常也有保湿的效果。从理论上分析,新浇混凝土中所含水分完全可以满足水泥水化的要求而有余。但由于蒸发等原因常引起水分损失,从而推迟或防碍水泥的水化,表面混凝土最容易而且直接受到这种不利影响。因此混凝土浇筑后的最初几天是养护的关键,在施工中应切实重视起来,最好采用混凝土养护剂养护措施。
5结语
本文对水工混凝土裂缝成因与防治措施之间的关系进行了理论和实践上的初步探讨,虽然学术界对于混凝土裂缝在成因和计算方法有不同的理论,但对于具体的预防和改善措施意见还是比较统一,同时在实践中的应用效果也是比较好的。这就要求技术人员在具体施工中要多观察、多比较、多分析、多总结,根据工程的不同情况,采取不同的方法进行防止混凝土的裂缝是完全可以避免。