混凝土裂縫的形成和控制
混凝土結(jié)構(gòu)物的裂縫可分為微觀裂縫和宏觀裂縫。微觀裂縫是指那些肉眼看不見的裂縫，主要有三種，一是骨料與水泥石粘合面上的裂縫，稱為粘著裂縫；二是水泥石中自身的裂縫，稱為水泥石裂縫；三是骨料本身的裂縫，稱為骨料裂縫。微觀裂縫在混凝土結(jié)構(gòu)中的分布是不規(guī)則、不貫通的。反之，肉眼看得見的裂縫稱為宏觀裂縫，這類裂縫的范圍一般不小于0.05mm。宏觀裂縫是微觀裂縫擴(kuò)展而來的。因此在混凝土結(jié)構(gòu)中裂縫是絕對存在的，只是應(yīng)將其控制在符合規(guī)范要求范圍內(nèi)，以不致發(fā)展到有害裂縫。
混凝土裂縫產(chǎn)生的主要原因
混凝土結(jié)構(gòu)的宏觀裂縫產(chǎn)生的原因主要有三種，一是由外荷載引起的，這是發(fā)生最為普遍的一種情況，即按常規(guī)計(jì)算的主要應(yīng)力引起的；二是結(jié)構(gòu)次應(yīng)力引起的裂縫，這是由于結(jié)構(gòu)的實(shí)際工作狀態(tài)與計(jì)算假設(shè)模型的差異引起的；三是變形應(yīng)力引起的裂縫，這是由溫度、收縮、膨脹、不均勻沉降等因素引起結(jié)構(gòu)變形，當(dāng)變形受到約束時(shí)便產(chǎn)生應(yīng)力，當(dāng)此應(yīng)力超過混凝土抗拉強(qiáng)度時(shí)就產(chǎn)生裂縫。
當(dāng)混凝土結(jié)構(gòu)物產(chǎn)生變形時(shí)，在結(jié)構(gòu)的內(nèi)部、結(jié)構(gòu)與結(jié)構(gòu)之間，都會(huì)受到相互影響、相互制約，這種現(xiàn)象稱為約束。當(dāng)混凝土結(jié)構(gòu)截面較厚時(shí)，其內(nèi)部溫度和濕度分布不均勻，引起內(nèi)部不同部位的變形相互約束，這樣的約束稱之為內(nèi)約束；當(dāng)一個(gè)結(jié)構(gòu)物的變形受到其他結(jié)構(gòu)的阻礙所受到的約束稱為外約束。外約束又可分為自由體、全約束和彈性約束。建筑工程中的大體積混凝土結(jié)構(gòu)所承受的變形，主要是因溫差和收縮而產(chǎn)生的。
建筑工程中的大體積混凝土結(jié)構(gòu)中，由于結(jié)構(gòu)截面大，水泥用量多，水泥水化所釋放的水化熱會(huì)產(chǎn)生較大的溫度變化和收縮作用，由此形成的溫度收縮應(yīng)力是導(dǎo)致鋼筋混凝土產(chǎn)生裂縫的主要原因。這種裂縫有表面裂縫和貫通裂縫兩種。表面裂縫是由于混凝土表面和內(nèi)部的散熱條件不同，溫度外低內(nèi)高，形成了溫度梯度，使混凝土內(nèi)部產(chǎn)生壓應(yīng)力，表面產(chǎn)生拉應(yīng)力，表面的拉應(yīng)力超過混凝土抗拉強(qiáng)度而引起的。貫通裂縫是由于大體積混凝土在強(qiáng)度發(fā)展到一定程度，混凝土逐漸降溫，這個(gè)降溫差引起的變形加上混凝土失水引起的體積收縮變形，受到地基和其他結(jié)構(gòu)邊界條件的約束時(shí)引起的拉應(yīng)力，超過混凝土抗拉強(qiáng)度時(shí)所可能產(chǎn)生的貫通整個(gè)截面的裂縫。這兩種裂縫不同程度上，都屬有害裂縫。
高強(qiáng)度的混凝土早期收縮較大，這是由于高強(qiáng)混凝土中以30%~60%礦物細(xì)摻合料替代水泥，高效減水劑摻量為膠凝材料總量的1%~2%，水膠比為0.25~0.40，改善了混凝土的微觀結(jié)構(gòu)，給高強(qiáng)混凝土帶來許多優(yōu)良特性，但其負(fù)面效應(yīng)最突出的是混凝土收縮裂縫幾率增多。高強(qiáng)混凝土的收縮，主要是干燥收縮、溫度收縮、塑性收縮、化學(xué)收縮和自收縮�；炷脸醅F(xiàn)裂紋的時(shí)間可以作為判斷裂紋原因的參考：塑性收縮裂紋大約在澆筑后幾小時(shí)到十幾小時(shí)出現(xiàn)；溫度收縮裂紋大約在澆筑后2到10d出現(xiàn)；自收縮主要發(fā)生在混凝土凝結(jié)硬化后的幾天到幾十天；干燥收縮裂紋出現(xiàn)在接近1年齡期內(nèi)。
干燥收縮：當(dāng)混凝土在不飽和空氣中失去內(nèi)部毛細(xì)孔和凝膠孔的吸附水時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生干縮，高性能混凝土的孔隙率比普通混凝土低，故干縮率也低。
塑性收縮：塑性收縮發(fā)生在混凝土硬化前的塑性階段。高強(qiáng)混凝土的水膠比低，自由水分少，礦物細(xì)摻合料對水有更高的敏感性，高強(qiáng)混凝土基本不泌水，表面失水更快，所以高強(qiáng)混凝土塑性收縮比普通混凝土更容易產(chǎn)生。
自收縮：密閉的混凝土內(nèi)部相對濕度隨水泥水化的進(jìn)展而降低，稱為自干燥。自干燥造成毛細(xì)孔中的水分不飽和而產(chǎn)生負(fù)壓，因而引起混凝土的自收縮。高強(qiáng)混凝土由于水膠比低，早期強(qiáng)度較快的發(fā)展，會(huì)使自由水消耗快，致使孔體系中相對濕度低于80%，而高強(qiáng)混凝土結(jié)構(gòu)較密實(shí)，外界水很難滲入補(bǔ)充，導(dǎo)致混凝土產(chǎn)生自收縮。高強(qiáng)混凝土的總收縮中，干縮和自收縮幾乎相等，水膠比越低，自收縮所占比例越大。與普通混凝土完全不同，普通混凝土以干縮為主，而高強(qiáng)混凝土以自收縮為主。
溫度收縮：對于強(qiáng)度要求較高的混凝土，水泥用量相對較多，水化熱大，溫升速率也較大，一般可達(dá)35~40℃，加上初始溫度可使最高溫度超過70~80℃。一般混凝土的熱膨脹系數(shù)為10×10-6/℃，當(dāng)溫度下降20~25℃時(shí)造成的冷縮量為2~2.5×10-4，而混凝土的極限拉伸值只有1~1.5×10-4，因而冷縮常引起混凝土開裂。
化學(xué)收縮：水泥水化后，固相體積增加，但水泥-水體系的絕對體積則減小，形成許多毛細(xì)孔縫，高強(qiáng)混凝土水膠比小，外摻礦物細(xì)摻合料，水化程度受到制約，故高強(qiáng)混凝土的化學(xué)收縮量小于普通混凝土。
當(dāng)混凝土發(fā)生收縮并受到外部或內(nèi)部約束時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生拉應(yīng)力，并有可能引起開裂。對于高強(qiáng)混凝土雖然有較高的抗拉強(qiáng)度，可是彈性模量也高，在相同收縮變形下，會(huì)引起較高的拉應(yīng)力，而由于高強(qiáng)混凝土的徐變能力低，應(yīng)力松弛量較小，所以抗裂性能差。
大體積混凝土控制溫度和收縮裂縫的技術(shù)措施
為了有效地控制有害裂縫的出現(xiàn)和發(fā)展，必須從控制混凝土的水化升溫、延緩降溫速率、減小混凝土收縮、提高混凝土的極限拉伸強(qiáng)度、改善約束條件和設(shè)計(jì)構(gòu)造等方面全面考慮，結(jié)合實(shí)際采取措施。
降低水泥水化熱和變形
1、選用低水化熱或中水化熱的水泥品種配制混凝土，如礦渣硅酸鹽水泥、火山灰質(zhì)硅酸鹽水泥、粉煤灰水泥、復(fù)合水泥等。
2、充分利用混凝土的后期強(qiáng)度，減少每立方米混凝土中水泥用量。根據(jù)試驗(yàn)每增減10kg水泥，其水化熱將使混凝土的溫度相應(yīng)升降1℃。
3、使用粗骨料，盡量選用粒徑較大、級配良好的粗細(xì)骨料；控制砂石含泥量；摻加粉煤灰等摻合料或摻加相應(yīng)的減水劑、緩凝劑，改善和易性、降低水灰比，以達(dá)到減少水泥用量、降低水化熱的目的。
4、在基礎(chǔ)內(nèi)部預(yù)埋冷卻水管，通入循環(huán)冷卻水，強(qiáng)制降低混凝土水化熱溫度。
5、在厚大無筋或少筋的大體積混凝土中，摻加總量不超過20%的大石塊，減少混凝土的用量，以達(dá)到節(jié)省水泥和降低水化熱的目的。
6、在拌合混凝土?xí)r，還可摻入適量的微膨脹劑或膨脹水泥，使混凝土得到補(bǔ)償收縮，減少混凝土的溫度應(yīng)力。
7、改善配筋。為了保證每個(gè)澆筑層上下均有溫度筋，可建議設(shè)計(jì)人員將分布筋做適當(dāng)調(diào)整。溫度筋宜分布細(xì)密，一般用φ8鋼筋，雙向配筋，間距15cm。這樣可以增強(qiáng)抵抗溫度應(yīng)力的能力。上層鋼筋的綁扎，應(yīng)在澆筑完下層混凝土之后進(jìn)行。
8、設(shè)置后澆縫。當(dāng)大體積混凝土平面尺寸過大時(shí)，可以適當(dāng)設(shè)置后澆縫，以減小外應(yīng)力和溫度應(yīng)力；同時(shí)也有利于散熱，降低混凝土的內(nèi)部溫度。
降低混凝土溫度差
1．選擇較適宜的氣溫澆筑大體積混凝土，盡量避開炎熱天氣澆筑混凝土。夏季可采用低溫水或冰水?dāng)嚢杌炷�，可對骨料噴冷水霧或冷氣進(jìn)行預(yù)冷，或?qū)橇线M(jìn)行覆蓋或設(shè)置遮陽裝置避免日光直曬，運(yùn)輸工具如具備條件也應(yīng)搭設(shè)避陽設(shè)施，以降低混凝土拌合物的入模溫度。
2．摻加相應(yīng)的緩凝型減水劑，如木質(zhì)素磺酸鈣等。
3．在混凝土入模時(shí)，采取措施改善和加強(qiáng)模內(nèi)的通風(fēng)，加速模內(nèi)熱量的散發(fā)。
加強(qiáng)施工中的溫度控制
1．在混凝土澆筑之后，做好混凝土的保溫保濕養(yǎng)護(hù)，緩緩降溫，充分發(fā)揮徐變特性，減低溫度應(yīng)力，夏季應(yīng)注意避免曝曬，注意保濕，冬期應(yīng)采取措施保溫覆蓋，以免發(fā)生急劇的溫度梯度發(fā)生。
2．采取長時(shí)間的養(yǎng)護(hù)，規(guī)定合理的拆模時(shí)間，延緩降溫時(shí)間和速度，充分發(fā)揮混凝土的“應(yīng)力松弛效應(yīng)”。
3．加強(qiáng)測溫和溫度監(jiān)測與管理，實(shí)行信息化控制，隨時(shí)控制混凝土內(nèi)的溫度變化，內(nèi)外溫差控制在25℃以內(nèi)，基面溫差和基底面溫差均控制在20℃以內(nèi)，及時(shí)調(diào)整保溫及養(yǎng)護(hù)措施，使混凝土的溫度梯度和濕度不至過大，以有效控制有害裂縫的出現(xiàn)。
4．合理安排施工程序，控制混凝土在澆筑過程中均勻上升，避免混凝土拌合物堆積過大高差。在結(jié)構(gòu)完成后及時(shí)回填土，避免其側(cè)面長期暴露。
改善約束條件，削減溫度應(yīng)力
1．采取分層或分塊澆筑大體積混凝土，合理設(shè)置水平或垂直施工縫，或在適當(dāng)?shù)奈恢迷O(shè)置施工后澆帶，以放松約束程度，減少每次澆筑長度的蓄熱量，防止水化熱的積聚，減少溫度應(yīng)力。
2．對大體積混凝土基礎(chǔ)與巖石地基，或基礎(chǔ)與厚大的混凝土墊層之間設(shè)置滑動(dòng)層，如采用平面澆瀝青膠鋪砂、或刷熱瀝青或鋪卷材。在垂直面、鍵槽部位設(shè)置緩沖層，如鋪設(shè)30 ~50mm厚瀝青木絲板或聚苯乙烯泡沫塑料，以消除嵌固作用，釋放約束應(yīng)力。
提高混凝土的極限拉伸強(qiáng)度
1．選擇良好級配的粗骨料，嚴(yán)格控制其含泥量，加強(qiáng)混凝土的振搗，提高混凝土密實(shí)度和抗拉強(qiáng)度，減小收縮變形，保證施工質(zhì)量。
2．采取二次投料法，二次振搗法，澆筑后及時(shí)排除表面積水，加強(qiáng)早期養(yǎng)護(hù)，提高混凝土早期或相應(yīng)齡期的抗拉強(qiáng)度和彈性模量。
3．在大體積混凝土基礎(chǔ)內(nèi)設(shè)置必要的溫度配筋，在截面突變和轉(zhuǎn)折處，底、頂板與墻轉(zhuǎn)折處，孔洞轉(zhuǎn)角及周邊，增加斜向構(gòu)造配筋，以改善應(yīng)力集中，防止裂縫的出現(xiàn)。
