现代混凝土的癌症——裂缝.pdf

Beton Chinese Edition Ready mixed Concrete 2013年第2期 商品混凝土 64 博文天地 现代混凝土的癌症 裂缝 杨文科 中国民航机场建设集团公司 北京 100101 摘 要 混凝土裂缝是现代混凝土遇到的严峻挑战 本文总结了混凝土裂缝产生的原因 分类 并主要讲述失水裂缝产生的 原因 危害及防治的措施 关键词 混凝土 裂缝 控制 1 总论 三十年前 谁敢说自己施工的混凝土工程有裂缝 今 天 谁敢说自己施工的混凝土工程无裂缝 这就是当前裂缝 问题的现状 裂缝问题愈演愈烈 可以这样讲 它已成为 影响现代混凝土耐久性的不可救药的 癌症 特别是在房 建 桥梁等领域 钢筋混凝土构件的裂缝已成为普遍现象 梁 板 柱无处不裂 这牵动着每一个工程技术人员的心 以下是作者近几年所做工程中裂缝情况的照片 图 1 是西安某立交桥桥墩裂缝的照片 左图为全景照 右图为同一桥墩局部清晰照片 可以看出 纵向横向裂缝布 满桥墩 像这样的裂缝 西安几乎每座桥都有 图 1 西安某城市立交桥桥墩裂缝的照片 图 2 是机场跑道三种不同类型的裂缝照片 第一张照片 裂缝没有裂透 但已严重影响了道面板的使用寿命 第二张 照片是表面浅裂缝 也使道面板的实际抗折强度大幅下降 经作者试验 有的下降幅度高达 20 以上 第三张照片是道 面板全部裂通裂透 道面板已经无法使用 图 2 三种不同类型的裂缝照片 以上几组在道路 桥梁工程上的裂缝照片 可以用触目 惊心来形容 面对如此严重的情况 作为现场工程师的作者 也是束手无策 在现代混凝土中 对裂缝问题 没有人能找到可靠的 切实可行的解决办法 在这种情况下 有人甚至宣布 裂缝 无害 论和 必然产生 论 在我国现有的许多规定和规范 中 只对裂缝的宽度进行了适当的限制 而不是要求不能有 裂缝产生 这更助长了人们对裂缝熟视无睹 听之任之 裂缝真的无害吗 大家看看上面几组照片中裂缝的严 重程度 对混凝土的强度 使用寿命都造成了严重影响 现 在 耐久性已成为混凝土科学一个最重要的理念 裂缝如此 严重 谁还相信这样的构件是耐久的 更确切地说 裂缝才 是耐久性真正的 最可怕的 第一杀手 所以 作者认为 为什么有人说裂缝无害还有人附和 主要是在现代混凝土环境下 找不到解决根治裂缝的方法 裂缝是现代混凝土遇到的严峻挑战 二十多年来 作者一直在施工一线对裂缝问题进行观 察 分析 整理 总结 对产生的原因进行研究 希望能够 找到解决问题的办法和出路 无奈此问题过于复杂 绝非一 人之力所能及 本文中作者对裂缝产生的原因进行不成熟的 分析总结 并对裂缝的类型进行了划分 对失水裂缝产生的 原因 危害和处理方法进行分析总结 对干缩裂缝产生的原 因及危害将另分章节专门阐述 对温度裂缝的防治措施和办 法作者没有找到 在本文中也没有述及 全为经验之谈 和大家共同探讨 2 原因分析 2013年第2期 Beton Chinese Edition Ready mixed Concrete 商品混凝土 65 博文天地 现代混凝土裂缝的产生原因牵涉到方方面面复杂的因 素 如设计 施工工艺 混凝土的原材料及配比 气候环境 等 解决裂缝问题是一个庞大 系统的工程 总之 混凝土 内各种因素产生的内应力和其抗拉能力是一对矛盾体 当拉 应力大于其抗拉能力的时候 就必然产生裂缝 相反 当其 抗拉能力大于其拉应力时 就不产生裂缝 那么产生裂缝的原因具体都有哪些呢 作者根据自己的 施工经验总结共有 23 个 按严重程度 并从一个施工工程师 的角度 分为无法解决 难以解决和可以解决三大类 分述 如下 2 1 现场工程师无法解决的原因有五个 1 许多梁 板结构的长度越来越长 面积越来越大 超静定结构越来越多 目前 房建设计 20 多米长的梁已是普遍现象 笔者施 工过的最长的梁已达 61 米 而且都是超静定结构 混凝土都 要热胀冷缩 这么长的超静定结构现场工程师有多少办法能 保证它在温度应力的作用下不裂 有些现浇板的面积达几千 平方米 设计上要求一次现浇成功 有时一块现浇板需要连 续几天浇注才能完成 在这么长的时间里怎能保证它没有裂 缝 2 设计上钢筋用量越来越大 排布越来越密 20 世纪 90 年代以后 混凝土的板 梁 柱 其钢筋用 量几乎成倍增大 特别是一些承重大梁 直径 20mm 以上的 螺纹钢都是紧密排布 间距为 1 5cm 2cm 3cm 的最为常 见 使混凝土的施工极为困难 甚至用常规的振捣棒无法插 振 施工单位不得不采用大坍落度混凝土 众所周知 要使 混凝土产生较大的坍落度 除使用减水剂外 还不得不减少 混凝土中的粗骨料用量 增加细骨料 水泥和粉煤灰用量和 水的用量 这些都会使混凝土的体积稳定性变差 抗拉能力 变小 裂缝产生的机会变大 3 高强度等级混凝土的普遍使用 从 C40 到 C80 及其以上强度等级混凝土现在被广泛应用 于桥梁 房屋建筑等工程中 高强度等级和大收缩 几乎在 任何工程结构中都能找到关联性 而收缩就是裂缝产生的一 个非常主要的原因 4 水泥的细度越来越细 特别是三天强度越来越高 水泥实行新标准后 细度比过去有大幅度提高 特别是 三天强度提高过大 再加上现场有时使用不当 R 型水泥到 处滥用 甚至误认为高强度等级水泥一切都好 这一切都使 混凝土水化热集中 产生裂缝的可能性增大 5 施工中泵送混凝土越来越普遍 泵送混凝土是混凝土施工新工艺 对减轻工人劳动强 度 缩短工程工期 增加城市摩天大楼的高度 都提供了非 常有利的先决条件 但对工程质量和裂缝产生的可能性来 说 就有其不利的一面 为了增加可泵性 施工单位在做混 凝土配比时不得不减少粗骨料的用量 增加细骨料和水泥的 用量 同时也增加了裂缝产生的机会 2 2 现场工程师难以解决的问题有七个 2 2 1 水泥细度 以 P O42 5 为例 我国水泥大部分生产厂的比表面积在 350m2 kg 以上 也有一些厂甚至到 400m2 kg 以上 特别是比 表面积在 400m2 kg 以上的水泥 水化速度快 放热量集中 很容易产生比较严重的裂缝 2 2 2 水泥中 C3A 的含量 水泥中 C3A 的含量对混凝土的初凝 终凝影响很大 过 高的 C3A 含量 其凝结时间很快并和减水剂的适应性很差 经常出现假凝现象 在混凝土终凝前也容易出现较大的裂 缝 2 2 3 水泥的颗粒级配 有些水泥厂的水泥颗粒分布过于集中 50 m 以上的颗粒 几乎没有 很难与混凝土中粗细骨料组成混凝土大系统内连 续而又合理的级配 使混凝土在微观上抗拉能力变差 特别 是在三天之内 容易在混凝土表面产生一些不连续的微小裂 缝 2 2 4 混凝土中粗细骨料的用量 尽可能增加混凝土中的骨料用量 特别是粗骨料用量 给混凝土增加骨料也是防止裂缝产生的一个有效措施 骨料 用量多了 水泥用量就会相对降低 水泥产生的水化热也会 降低 混凝土产生裂缝的可能性也会降低 但这与构件的几 何形状和钢筋密集程度有关 特别是在防止裂缝出现的板梁 结构中 钢筋密集 为了增加坍落度 施工单位只好将骨料 的用量降到最低 2 2 5 水泥用量 尽可能降低水泥用量也是防止裂缝产生的有效措施 但 这个问题和上一个问题一样 处理起来都比较困难 2 2 6 水泥中 C3S 的含量 水泥中 C3S 的含量过高 水泥水化时放热量就会过大 就会使混凝土升温过快 就容易产生收缩裂缝 我国水泥的 C3S 含量一般在 55 左右 但也有一些厂达到 60 以上 2 2 7 现代水泥生产的某些工艺 在现代水泥生产中 个别生产工艺对混凝土裂缝的产生 有重要影响 比如高效选粉机和闭路磨 使水泥颗粒变得更 细 级配也过于集中 这使混凝土水化热集中 收缩变大 产生裂缝的可能性增大 助磨剂的使用 使混凝土和外加剂 的适应性变差 2 3 现场工程师可以解决的问题有十一个 2 3 1 水灰比 水灰比过大 混凝土表面的抗拉能力变差 就容易出 现收缩裂缝 同时 水灰比过小 使混凝土的相对失水量过 快 也容易出现假凝和裂缝 2 3 2 水泥品种 一般的矿渣水泥由于混合材掺量过高 为了提高其 28 天 强度 厂家一般将其磨得更细 这就容易使混凝土产生收缩 裂缝 2 3 3 水泥强度等级 过高的水泥强度等级可以更好地帮助你配制出更高强度 的混凝土 但同时也可能使混凝土的水化热集中 终凝时间 缩短 从而使裂缝产生的可能性增大 2 3 4 混凝土配合比 配合比选用不当也容易使混凝土产生裂缝 这些选用不 当的内容可能包括 细料 包括水泥 含量过大 水 灰比选用不合适 混凝土中各种材料的颗粒组成级配不合 理 等等 2 3 5 配合比中的细粉掺合料 Beton Chinese Edition Ready mixed Concrete 2013年第2期 商品混凝土 66 博文天地 现在的高强度等级混凝土 许多都采用 双掺 技术 但如果掺用不当 也容易使混凝土产生裂缝 特别是硅粉 掺用不当最容易引起裂缝 2 3 6 外加剂 我国实行水泥新标准后 水泥和外加剂的适应性变差 掺有外加剂的混凝土 出现假凝 裂缝等现象的事时有发 生 据我们多次调查总结 出现这类问题在很多情况下都是 由于水泥的原因 与水泥的石膏品种 碱含量 C3A 含量 助磨剂和高效选粉机的使用等因素有关 2 3 7 施工现场的空气相对湿度 在我国西北干旱地区 由于空气相对湿度较低 使混凝 土表面蒸发速度过快 容易产生塑性收缩裂缝 一般采用木 抹子和铁抹子多次抹面的工艺 可以解决这一问题 2 3 8 施工现场的风速 施工现场的风速超过 4 级时 混凝土表面由于失水过快 很容易产生塑性开裂 特别是一些面积较大的现浇板结构 容易出现较严重的宽裂缝 2 3 9 施工现场的环境相对温差 施工现场的环境温差过大 高温时施工的混凝土在低温 时就容易因温度应力的作用产生裂缝 特别是夏季 白天施 工的混凝土在夜间就容易产生裂缝 夏天施工的混凝土到了 冬季也容易产生裂缝 这些裂缝一般都较大 较严重 2 3 10 振捣工艺 欠振和过振都是混凝土产生裂缝的原因 2 3 11 养生 养生不及时不到位也容易产生干缩裂缝 一般及早养生 和养生时间越长越好 以上是作者总结的裂缝产生的 23 个原因 其中有现场工 程师能够解决或可以解决的 也有无法解决的 这就是为什 么裂缝问题不能根治的原因 作者认为这是现代混凝土最大 的技术难题 需要大家共同研究攻关 下面是作者这些年来 对这一问题的粗浅研究 对不同的裂缝进行了分类 对失水 裂缝和干缩裂缝产生的原因 危害进行了总结 并提出了一 些简单的解决办法供大家参考 3 裂缝的分类 不同的裂缝产生的原因不尽相同 只有找到它们不同 的原因才能有效治理 学术界对裂缝的分类也是说法不一 作者按照裂缝发生的不同时间进行划分 因为不同时间发生 的裂缝原因各不相同 按照这个思路 作者将裂缝共分为四 类 分述如下 3 1 失水裂缝 混凝土在塑性阶段 包括在终凝前后的一段时间里 水 泥颗粒的水化大部分才刚刚开始 此时混凝土中绝大部分水 还是以自由水的形式存在的 如果此时受到环境高温 大风 和水泥水化速度过快等因素影响 自由水就会大量蒸发或消 失 使表面产生空隙 从而引起裂缝的产生 失水裂缝小的 只有几毫米 几厘米长 深度也差不多 大的可以贯穿整个 构件 甚至形成断裂 这是作者要说的第一种裂缝 发生的 时间主要集中在混凝土还处于塑性阶段 一般来说是在混凝 土搅拌结束后的 48 小时之内 所以 也有人称它为塑性裂缝 或塑性开裂 水泥的水化使混凝土由流塑型最终变为有强度的结构 物 这个过程从外观看就是一个失水的过程 主要是混凝土 中的自由水变为水泥水化颗粒中的结合水 失水会使混凝土 产生收缩应力 如果失水速度过快 就会使由于强度增长产 生的抗拉能力低于这种收缩应力 从而引发裂缝的产生 所 以 这种裂缝都是失水过快造成的 失水过快的原因有外因 和内因两种 外因主要是环境的高温 大风等造成蒸发速度 过快 内因主要是水泥水化速度过快造成的混凝土内部局部 高温 下面将进一步详述 作者将其命名为失水裂缝以便 和后面说的干缩裂缝进行区别 干缩裂缝也是失水造成的 但失去的是水泥水化物中的结合水 而失水裂缝失去的是混 凝土中的自由水 进一步说前者是物理失水 后者是化学失 水 3 2 温度裂缝 和其他材料一样 热胀冷缩是混凝土的一个基本特性 在温度降低时 混凝土中会产生收缩应力 当这种应力超过 了混凝土的抗拉能力时 就会产生温度裂缝 温度裂缝是人 们最常见 也是数量最大的一种裂缝 更是对混凝土构件 危害最大的一种裂缝 这种裂缝一般都是贯穿整个构件的通 裂 或者是断裂 使构件失去工作的能力 产生的时间一般 从混凝土终凝以后开始 到混凝土构件整个使用期 寿命期 内 都有可能产生这种裂缝 3 3 干缩裂缝 混凝土在高温和干燥等因素的影响下 水泥水化分子中 的化学结合水就会散失 从而产生收缩 这是混凝土最大的 特性之一 收缩对混凝土表面产生的拉应力超过了混凝土的 抗拉能力时就有可能产生裂缝 这就是干缩裂缝产生的唯一 原因 由于混凝土不是热的良导体 所以干缩对混凝土表面的 影响比内部大得多 因此干缩裂缝一般只产生在混凝土结构 表面与阳光或空气直接接触的部分 道路 桥梁桥墩直接与 空气接触的表面 房屋的散水及抹面等是干缩裂缝产生的主 要部位 由于这种裂缝一般比较浅 深度一般不大于 1mm 所以也有人称它为浅裂缝 小的干缩裂缝其形状像渔网一 样 也有人把它称为网状裂缝 这种裂缝在大多数情况下肉 眼是看不见的 只有在雨后 在混凝土结构处于潮湿状态的 时候 或用水直接浇在结构表面 网状裂缝才能很明显地显 现出来 3 4 受力裂缝 混凝土梁 柱 道路等结构由于承受了超过其抗拉和抗 压能力的外力作用时产生裂缝 道路由于地基冻胀 盐胀或 外界的化学腐蚀 或地基承载能力不足等原因引起裂缝 此 等裂缝是危害最大的裂缝 它可以使构件彻底被破坏 此种 裂缝不是本文研究的重点 不再详述 第一 二 三种裂缝产生的原因 时间等对比如表 1 所 示 4 失水裂缝产生的原因 危害及防治 上面是对不同裂缝的分类 现在主要讲述失水裂缝产生 的原因 危害及防治的措施 混凝土从搅拌完毕进入模板的 2013年第2期 Beton Chinese Edition Ready mixed Concrete 商品混凝土 67 博文天地 那一时刻起 水泥开始水化 其抗拉强度从零开始不断地增 加 如果我们通俗地把裂缝比喻为人生病的话 那么人的婴 儿期是最容易生病的 随着人的生长 抗病能力不断提高 生病的可能性就会越来越小 而这一段时间的裂缝 也就是 这 48 小时之内的裂缝 作者称之为失水裂缝 4 1 失水裂缝产生的原因 其产生的原因主要有以下 18 个 1 水泥的细度越来越细 特别是三天强度越来越高 2 水灰比 3 水泥中 C3A 的含量 4 水泥细度 5 水泥的颗粒级配 6 混凝土中粗 细骨料的用量 7 水泥用量 8 施工现场的风速 9 施工现场的环境温度 10 水泥中 C3S 的含量 11 水泥品种 水泥中的混合材掺量及种类 12 外加剂 13 施工现场的空气相对湿度 14 混凝土振捣工艺 15 混凝土的抹面工艺 16 混凝土养生 17 混凝土表面水泥浆及砂浆的厚度 18 现代化水泥的个别生产工艺 以上这 18 个产生裂缝的原因是通过现场施工总结的初步 经验 在施工现场看到的失水裂缝 基本上都是由这 18 个原 因引起的 对任何一个具体的工程来说 一条裂缝的产生 是以上这些原因中的几个或十几个综合作用所致 4 2 失水裂缝的危害 失水裂缝由于其长度 宽度和深度不同 对混凝土的危 害也各不相同 根据作者多年的现场经验总结认为 它的危 害主要可分为如下几种情况 1 使混凝土的抗冻和抗渗能力大大下降 由于这种裂缝产生于混凝土的表面 自然而然就形成了 外界水渗入混凝土内部的一个下渗通道 使混凝土的抗冻和 抗渗能力大幅度下降 2 形成了混凝土的薄弱面 由于它是产生于混凝土表面的裂缝 自然就成为一个薄 弱环节 使混凝土的抗拉能力降低 3 影响了混凝土的耐久性 由于它直接降低了混凝土的抗冻和抗渗能力 又加剧了 其他裂缝对混凝土的破坏程度 那么它自然就会使混凝土的 使用寿命下降 4 部分短 浅 小的失水裂缝 也可能变为无害裂 缝 收缩裂缝由于其长度 深度及宽度不同 其产生的危害 程度自然不同 根据现场调查 长度不大于 20cm 深度不大 于 2 3mm 宽度不大于 1mm 的收缩裂缝 由于对抗冻抗渗 能力影响较小 对产生断裂的可能性影响较小 甚至可以忽 略不计 也可以称为无害裂缝 另外 这种裂缝在混凝土自 愈合能力的帮助下 经过一段时间也会自然消失 4 3 失水裂缝的防治 如上所述 作者总结了 20 个失水裂缝产生的原因 对