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混凝土裂缝的成因.doc

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混凝土裂缝的成因.doc

路桥求职路桥招聘路桥英才网英才网地下工程主体结构自防水是整个地下工程防水的基础。但地下工程主体结构往往容易产生裂缝,从而导致不同程度的渗漏,给工程的使用及寿命造成不同程度的影响。本文旨在通过对地下工程主体结构裂缝成因的分析,介绍一种新型防水技术的应用,从根本上预防或根治地下工程渗漏,减少渗漏维修的烦恼和不必要的经济损失。该项防水新技术,是由浙江金华市欣生沸石开发有限公司与清华大学等有关单位和专家共同研究开发的欣生牌JX抗裂硅质防水剂系列产品。该产品应用科技手段利用优质天然沸石的理化性能经一系列改性、改型、表面活化等工艺处理而成。产品具有防渗抗裂、提高强度无机耐久、绿色环保施工简便、成本低廉,根治渗漏、国内首创。在砂浆、混凝土中掺水泥或胶凝材料用量的5,即可达到永久性防渗抗裂的目的。一、结构混凝土裂缝成因结构混凝土裂缝产生的原因很复杂,根据工程实践及资料显示主要有两方面,一是由环境温度、混凝土干缩、自生体积变形、结构不均匀沉降等引起的混凝土裂缝,其机率约占80二是由荷载结构次应力引起的裂缝,其机率约占20。1、干燥收缩混凝土的干缩变形与内部水的存在形式有关。一般将内部水划分为不可蒸发水和可蒸发水两类。不可蒸发水包括水泥水化后形成的凝胶中所含的水,即凝胶与水化物晶格组成的化学结合水即晶格结合水。可蒸发水分为①毛细孔水,指的是直径小于0.1µm的毛细孔中的水②吸附水,是由凝胶颗粒表面张力而吸附的水③层间水,是晶体中一定平面间所吸收的水,又称沸石水④游离水,存在于大毛细管和空隙中的水。混凝土中游离水失去几乎不引起收缩,毛细孔水、吸附水和层间水散失能引起干缩。毛细孔水迁出引起的表面张力使毛细管壁受压,水泥石体积收缩,吸附水和层间水散失后表面张力增大,凝胶颗粒受压缩,导致水泥石体积收缩。影响混凝土干缩的主要因素如下1)水泥品种与混合材料对混凝土的干缩影响较大,水泥净浆的干缩主要取决于它的矿物成分SO3和细度等。通常情况下,水泥中C3A含量、碱含量较高、细度较细的水泥干缩较大。就水泥而言,干缩从大到小的顺序依次为火山灰水泥>矿渣水泥>普通水泥>中热水泥。混合材料比表面积决定水泥石干缩的大小,很大的比表面积掺入水泥中使水泥标准稠度用水量增大,毛细管增多,故干缩增大。2)配合比。在原材料一定的情况下,混凝土单位用水量大,胶凝材料用量多,混凝土干缩就大。混凝土用水量每增加1,干缩可增大2,在用水量一定的前提下,干缩随胶凝材料用量的增多而增大。3)骨料。骨料可约束水泥石的干缩,骨料最大粒径越大、级配越好,水泥浆含量越少,混凝土干缩就越小。混凝土砂率越大,干缩就越大。4)养护条件和养护期。在相对湿度为100时,混凝土膨胀当相对湿度降为70时,混凝土收缩。相对湿度越小,收缩越大。延长混凝土的养护时间可推迟其干缩的发生与发展,但对最终的干缩并无显著的影响。混凝土的干缩可以持续很长时间,但干缩的速度随龄期的增长而迅速地减慢。例如混凝土20年收缩总量的30~40发生在2周内,20年收缩量的40~80发生在3个月内。混凝土的干缩率通常在0.02~0.1范围内。2、温差收缩1)绝热温升。水泥水化过程中放出的热量称为水泥的水化热。在混凝土结构中,由于混凝土的导热能力很低,水泥的水化热聚集在混凝土结构内部长时间不易散失,使混凝土内部温度升高,与其外部形成温差,引起温度应力和变形,当差值大于25℃时,其所产生的温度应力有可能大于混凝土本身的抗拉强度。造成混凝土的开裂,给工程带来不同程度的危害。混凝土绝热温升达到峰值温度后,随着龄期的增长逐渐降温,从而产生体积收缩,也就是冷缩。有资料表明,降温10℃所引起的变形,即冷缩值相当于混凝土在相对湿度70的通常环境下10~14d龄期的干缩值。因此由于温度骤降冷缩引起的开裂事故比干缩更为严重。路桥求职路桥招聘路桥英才网英才网混凝土绝热温升是指混凝土在绝热条件下,由水泥水化热引起的混凝土的温度升高值。影响混凝土绝热温升的主要因素与水泥品种和用量有关,应优选发热量较低的水泥。其次水泥用量与绝热温升成正比,水泥周围介质环境温度对水化速度有显著影响,如40℃时比4℃条件下的水化热散发率高1倍多水泥细度的增加会使水化速度增加和强度的快速增长,并使水化热增加。2)比热。比热是指单位质量物质温度每上升1℃时所需要的热量。普通混凝土的比热在0.84~1.17KJ/(㎏℃)之间。混凝土密度降低,比热升高水灰比大,用水量多,比热也大,这是由于水的热容量大而引起的结果混凝土温度提高,比热增大水泥用量多,比热增加。3)热膨胀系数。混凝土随着温度变化而发生的线性变化称为热膨胀系数,又称为线膨胀系数,其单位为1105/℃。线膨胀系数与混凝土的配合比及温度变化时混凝土的湿度状态有关。配合比的影响主要取决于水泥和骨料的线膨胀系数。混凝土在空气中养护的热膨胀系数大于水中养护以及空气与湿气联合养护的热膨胀系数。骨料热膨胀系数大,其配制的混凝土热膨胀系数亦大。混凝土的主要两个组分是骨料和水泥,如果粗骨料与水泥浆体(或胶凝材浆体)的热膨胀系数差别较大(比如两者热膨胀系数差值大于0.55105/℃),在温度发生剧烈变化时(如冻融循环试验),就能引起两种材料的膨胀变形差较大而破坏骨料与周围浆体之间的粘结,从而形成不均匀受力,降低并影响混凝土抗冻性及耐久性。为了分析混凝土结构的温度和温度引起的应力或变形,以及进行温度控制,混凝土的热学性能是重要的基本资料。混凝土的绝热温升、比热、导温、导热系数和热膨胀系数是其热学性能的主要指标。3、塑性收缩混凝土和易性差,初凝前出现泌水或水分急剧蒸发,引起失水收缩,此时骨料与水泥浆体之间也产生不均匀的沉缩变形,它发生在混凝土终凝之前的塑性阶段,故称为塑性收缩。通常情况下其收缩量可高达1左右,使混凝土表面出现塑性收缩裂缝,其宽度可达2mm,深度30mm左右的裂缝。发生塑性收缩的主要因素是混凝土水灰比过大,水泥用量大,外加剂保水性差,骨料集配差,施工环境温度高等。此时如果不便调整混凝土配合比,通常可采取在混凝土表面及时压入一层干拌石子的方法处理。以最大限度地减少表面塑性收缩裂缝。4、自生体积变形混凝土由于胶凝材料自身水化引起的体积变形称之为自生体积变形。1)收缩型变形。水泥加水后生成的水化物的体积,要比未拌和时水泥和水的总体积小。例如用126g的水泥(水泥密度3.15g/cm3)相当于40ml体积水泥和60ml水拌和(水灰比为0.476)放在一个容器中。当水泥完全水化后,此时产生的水化物固体体积为61.6,凝胶水的体积为24,毛细孔体积为14.4。含有凝胶水的水化物体积为85.6。毛细孔体积中含有7属于毛细孔水的体积,那么在总体积中有7.4为体积收缩量,这就是由于水泥水化后产生的收缩变形,准确的说是水泥的化学减缩。水泥中四种主要矿物成分水化作用引起的体积收缩率分别为C3A为0.234102C3S为0.079102C2S为0.077102C4AF为0.049102。2)膨胀型变形。与普通水泥水化作用引起的体积收缩相反,一些具有膨胀组分的水泥加调和水后,生成的体积大于水泥和水的总体积,其膨胀源主要分为三种类型一是钙矾石型,二是氧化镁型,三是复合型。①钙矾石型UEA膨胀水泥是以高铝水泥、明矾石和石膏作为膨胀组分AEA膨胀水泥是以高铝水泥熟料明矾石和石膏作为膨胀组分UEAH膨胀水泥是以硅铝酸盐、明矾石和石膏作为膨胀组分。这类膨胀水泥主要反应机理如下C4A3S6CaOH28CaSO490H2O→3C3A3CaSO432H2O2KAL3SO42OH613CaOH25CaSO478H2O→3C3A3CaSO432H2O2KOH②氧化镁型MgO膨胀水泥是以MgO作为膨胀源。MgO膨胀源是轻烧菱镁石(一般煅烧温度为900℃),在水泥中掺量不超过6,这类膨胀水泥机理是由于MgO(方镁石)与水反应生成水镁石而产生体积膨胀,其化学反应式为MgOH2O→MgOH2.以钙矾石为膨胀源的膨胀混凝土,在绝湿养护条件下,其自生体积膨胀变形达到最大值后(一般为5~7d),膨胀量逐渐回缩,回缩值取决于最大膨胀量,膨胀量越大回缩值也越大。路桥求职路桥招聘路桥英才网英才网混凝土收缩产生的拉应力导致混凝土裂缝,多年来国内外专家学者一直致力于解决这个问题,办法之一是使混凝土水化硬化过程中使其产生一定的微膨胀性能,以补偿水泥凝胶这部分的化学减缩,达到减少收缩裂缝的目的。对于大体积混凝土,不仅要求控制混凝土膨胀量在100µm左右,而且对混凝土的膨胀时间和膨胀速率更为重视,由其是钙矾石型单膨胀源的混凝土,与水泥水化温升峰值时间同步产生膨胀,当混凝土逐渐降温时,产生一定的冷缩,此时膨胀量也已达最大值而逐渐回缩。很难发挥补偿收缩效果。此时,一旦遇到气温骤降,极易形成内外较大温差,表面受冷的混凝土受到内部热的混凝土约束,这时混凝土温度变形超过其同龄期极限拉伸值时,极易导致混凝土开裂。如果能够控制混凝土的膨胀速率,使其最大膨胀量与混凝土降温收缩发生的时间相匹配(降温时发挥膨胀),那么补偿收缩的效果才能充分发挥。在工程界对于使用膨胀混凝土都有很多疑虑,对于单膨胀源的钙钒石型膨胀混凝土,其膨胀发生在早期,难以达到预期补偿收缩目的,对于氧化镁MgO作为膨胀源的混凝土,在绝湿条件下养护,其膨胀峰值一般在60~90d后随龄期逐渐减小,膨胀速率较缓慢,但其连续性和均匀性都优于钙矾石型。膨胀量的大小取决于方镁石颗粒大小、结构致密度、掺量及混凝土温度等。方镁石颗粒小于5µm,水化速度较快,轻烧(750~900℃)水化速度快,其膨胀速率相对加快。MgO的掺量应根据混凝土所须膨胀量多少来确定。内含于水泥中的MgO一般在4左右,最大限量不超过为6,主要适用于大体积混凝土。从膨胀机理和膨胀速率来分析得之,将钙矾石型和氧化镁型按合适比例复合在一起组成双膨胀源,才能获得适宜的膨胀速率,从而起到较理想的补偿收缩效果。为此产生了复合型膨胀水泥。③复合型膨胀水泥是吸收了钙矾石型和氧化镁型膨胀水泥的优点,其膨胀来源于轻烧氧化镁和钙矾石的双生作用,这类膨胀水泥主要反应机理如下MgH2O→MgOH22KAL3SO42OH613CaOH25CaSO478H2O→C3A3CaSO432H2O2KOH总的来说,无论是钙矾石型还是氧化镁型膨胀水泥在混凝土中作为膨胀组分,理想的结果都是使混凝土始终处于受压状态,使膨胀变形以预应力的形式储存起来,以期达到补偿混凝土收缩而产生的拉应力,抵消一部分自生体积收缩(水泥凝胶的化学减缩)。应该指出的是膨胀混凝土与普通混凝土同样都会随龄期的延长而发生干缩、冷缩现象,因此在混凝土配合比设计、选材、施工等诸多方面应予以充分考虑,才能最大限度地减少裂缝,避免有害裂缝的发生。5、减水剂的影响20世纪60年代,减水剂的发展到了一个新的时代,这就是化学高效减水剂的问世,促进了混凝土加工技术的发展。在不改变混凝土工作度的前提下,能大幅度地减少混凝土拌合物水用量,并且可显著地提高混凝土强度,推动了混凝土向高强化、流态化和高性能方向发展。我国自80年代中期推广商品混凝土以来,结构混凝土开裂现象并没有减少,实践分析表明,过去混凝土多为施工现场加工浇筑,混凝土坍落度较小,设计强度也不高,相对每立方米水泥用量也不多,混凝土的收缩率较小,通常在3~5104而现在的泵送混凝土的砂率都高于过去的混凝土,也有许多泵送混凝土与过去的混凝土用水量差别不大,主要表现在增加了坍落度,使用方违规追求大坍落度(190㎜以上),以减轻劳动强度。导致现在的泵送混凝土的收缩率较大,通常为4~6104因此地下工程防水技术规范规定,防水混凝土采用预拌混凝土时,入泵坍落度宜控制在120±20㎜。另外混凝土外加剂GB8076行业标准中规定掺减水剂(泵送剂的主要成分)的混凝土与基准混凝土收缩率比≤135。试验表明掺入不同类型的减水剂,混凝土的收缩率比是不同的,依次为木钙减水剂>萘系减水剂>三聚氰胺系减水剂>聚羧酸系减水剂。因此对于地下工程结构混凝土来讲,仅采用减水剂(泵送剂)配制的混凝土,来充当防水混凝土,显然是不够的,防水混凝土有其特殊性,选用外加剂应从其功能角度出发亦应首选防水剂,如果单掺防水剂不能满足泵送要求时,在掺入泵送剂,即双掺技术。目前许多地下工程结构混凝土仅采用泵送剂配制的混凝土来充当防水混凝土,也有其原因,其一是按规范要求防水混凝土抗渗等级≥P6,如C35泵送混凝土抗渗等级一般均可达到P6的要求,这与我国对混凝土抗渗等级的检验还不够完善有关,因为在检验渗透高度比时,其一是加压时间较短,其二是成型试件内部无约束,不能表征实际施工状态其三是试件在试验室成型(水中养护,温度(20±2)℃)与实际施工环境条件差异较大。众所周知混凝土在绝湿环境下体积不发生收缩,也就是混凝土存在湿胀干缩路桥求职路桥招聘路桥英才网英才网这一特性,另一特性是混凝土在无约束前提下自由收缩不开裂受到约束时开裂。而微膨胀混凝土则正好相反,受到约束时不开裂,无约束时开裂。因此仅采用泵送剂配制的混凝土浇筑在地下结构中受到钢筋、基底和模板的约束,即发生不同程度的开裂。其四是混凝土的干缩、化学减缩、温差等收缩。在者即使泵送剂配制的混凝土抗渗等级达到P8时,即使裂缝控制得好也难以保证混凝土不透水,因其毛细孔和微裂缝等在经过一定时间后才会发生透水,(一般需要1~2年)据规范显示抗渗等级达P8的普通防水混凝土渗透系数为5~81010cm/s。混凝土是一种典型的脆性材料,其抗拉强度只有抗压强度的1/10左右,同时其体积稳定性差,这就导致混凝土极易开裂。混凝土一旦出现有害裂缝,就会降低其耐久性,加速混凝土劣化,依次排列为钢筋锈蚀、冻融循环、碱-骨料反应和硫酸盐侵蚀等,每一种因素引起的开裂往往又会加剧另一种因素的破坏。总之混凝土的抗裂性能是一项综合性能,它与抗拉强度、极限拉伸变形能力、弹性模量、自生体积变形、干缩、绝热温升、热学性能等有关。当混凝土原材料和配合比变化时,这些特性也随之发生变化。可以说没有一个直接的物理参数能够完全表征混凝土的抗裂性能。可以说混凝土有裂缝是绝对的,无裂缝是相对的,所谓混凝土结构的抗裂质量只是把裂缝控制在一定的范围内而已。因此我国地下防水施工质量验收规范中规定防水混凝土裂缝宽度不得大于0.2㎜并不得贯通。从提高混凝土抗裂性角度考虑,在原材料选择和配合比设计时应遵循以下原则。1)采用较小的水灰比、掺微膨胀防水剂引气高效减水剂同时掺适量的掺合料2)使用低碱水泥控制水泥粉磨细度,尽量减少水泥用量3)使用三元胶凝体系,抵消混凝土组成材料中脆性组分的不利影响4)尽量减少混凝土的各种收缩变形,增加混凝土的体积稳定性6、不均匀沉降引起结构裂缝1)地下建(构)筑物的设计,应与上部结构综合考虑,几何平面力求均衡、整齐、简约,与使用时所承受的静荷载大致相近。力求其重心和形心一致,防止产生不均匀沉降。2)采取抗与放的裂缝控制原则,以整体刚性基础抵抗差异沉降抗法和以设置沉降缝将基础分割成若干区段以适应差异沉降的放法相结合,即抗放兼施的方法,使结构不均匀沉降产生的应力得以释放,避免结构开裂。沉降缝或伸缩缝的设置距离一直是工程界关心的问题,国外对变形缝间距有三种情况。一是前苏联、东欧、法国等国家,变形缝间距为30~40m,而英国变形缝最小间距为7m二是美国,没有明确规定变形缝间距,而要求设计者根据结构、温度应力和配筋合理设置变形缝或后浇带三是日本变形缝间距为30m。我国规定变形缝间距为30m。后浇带。在原留设伸缩缝的部位采用补偿收缩混凝土,在两侧混凝土龄期达到42d或更长时间后再浇筑的部位。宽度700~1000mm,间距为30~60m。后浇缝(带)是一种扩大伸缩间距和取消结构中永久伸缩缝的有效措施,是施工期间保留的临时性释放温度收缩和部分干缩变形的缝,保留一定时间后,再进行填充封闭,后浇成连续整体的无缝结构,这是一种抗放兼备,以放为主,先放后抗的传统设计原则。技术较成熟早已列入规范而广泛应用。虽然后浇带(缝)普遍存在渗水现象,主要原因除振捣不够密实外,在浇筑混凝土前末刷混凝土界面处理剂或带边混凝土几何尺寸不平整、止水钢板、钢筋未做除锈处理等因素。加强带。在原留设伸缩缝或后浇带的位置,留出一定宽度,一般为2000mm,采用膨胀率较大的混凝土与带外相邻小膨胀混凝土同时浇筑的部位。加强带的设置初衷,是为了施工简便、降低成本,又可避免由于留缝而带来渗漏隐患,所谓无缝设计是个相对概念,具体工程应根据结构特点,地基情况,环境温度等,可采取加强带与后浇带相结合的设计理念。适当放宽后浇缝间距,但它不宜用于沉降差异较大的工程。因此地基应具有较高的承载力确保沉降较小而均匀,同时结构底板与地基接触面应平整以最大限度地减小对结构混凝土(基底)的约束应力。加强带间距亦应控制在30~60m,工程结构采取那种设计原则合适,要在综合分析具体技术条件、使用要求和经济效果后方可做出抉择。目前加强带无缝设计技术在我国尚属探索阶段。路桥求职路桥招聘路桥英才网英才网

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