混凝土裂縫的成因.doc

路橋求職路橋招聘路橋英才網英才網地下工程主體結構自防水是整個地下工程防水的基礎。但地下工程主體結構往往容易產生裂縫，從而導致不同程度的滲漏，給工程的使用及壽命造成不同程度的影響。本文旨在通過對地下工程主體結構裂縫成因的分析，介紹一種新型防水技術的應用，從根本上預防或根治地下工程滲漏，減少滲漏維修的煩惱和不必要的經濟損失。該項防水新技術，是由浙江金華市欣生沸石開發(fā)有限公司與清華大學等有關單位和專家共同研究開發(fā)的欣生牌JX抗裂硅質防水劑系列產品。該產品應用科技手段利用優(yōu)質天然沸石的理化性能經一系列改性、改型、表面活化等工藝處理而成。產品具有防滲抗裂、提高強度；無機耐久、綠色環(huán)保；施工簡便、成本低廉，根治滲漏、國內首創(chuàng)。在砂漿、混凝土中摻水泥或膠凝材料用量的5%，即可達到永久性防滲抗裂的目的。一、結構混凝土裂縫成因結構混凝土裂縫產生的原因很復雜，根據工程實踐及資料顯示主要有兩方面，一是由環(huán)境溫度、混凝土干縮、自生體積變形、結構不均勻沉降等引起的混凝土裂縫，其機率約占80%；二是由荷載結構次應力引起的裂縫，其機率約占20%。1、干燥收縮混凝土的干縮變形與內部水的存在形式有關。一般將內部水劃分為不可蒸發(fā)水和可蒸發(fā)水兩類。不可蒸發(fā)水包括水泥水化后形成的凝膠中所含的水，即凝膠與水化物晶格組成的化學結合水即晶格結合水?？烧舭l(fā)水分為：毛細孔水，指的是直徑小于0.1m的毛細孔中的水；吸附水，是由凝膠顆粒表面張力而吸附的水；層間水，是晶體中一定平面間所吸收的水，又稱沸石水；游離水，存在于大毛細管和空隙中的水?；炷林杏坞x水失去幾乎不引起收縮，毛細孔水、吸附水和層間水散失能引起干縮。毛細孔水遷出引起的表面張力使毛細管壁受壓，水泥石體積收縮，吸附水和層間水散失后表面張力增大，凝膠顆粒受壓縮，導致水泥石體積收縮。影響混凝土干縮的主要因素如下：1）水泥品種與混合材料對混凝土的干縮影響較大，水泥凈漿的干縮主要取決于它的礦物成分SO3和細度等。通常情況下，水泥中C3A含量、堿含量較高、細度較細的水泥干縮較大。就水泥而言，干縮從大到小的順序依次為火山灰水泥礦渣水泥普通水泥中熱水泥?；旌喜牧媳缺砻娣e決定水泥石干縮的大小，很大的比表面積摻入水泥中使水泥標準稠度用水量增大，毛細管增多，故干縮增大。2）配合比。在原材料一定的情況下，混凝土單位用水量大，膠凝材料用量多，混凝土干縮就大?；炷劣盟棵吭黾?%，干縮可增大2%，在用水量一定的前提下，干縮隨膠凝材料用量的增多而增大。3）骨料。骨料可約束水泥石的干縮，骨料最大粒徑越大、級配越好，水泥漿含量越少，混凝土干縮就越小?；炷辽奥试酱螅煽s就越大。4）養(yǎng)護條件和養(yǎng)護期。在相對濕度為100%時，混凝土膨脹；當相對濕度降為70%時，混凝土收縮。相對濕度越小，收縮越大。延長混凝土的養(yǎng)護時間可推遲其干縮的發(fā)生與發(fā)展，但對最終的干縮并無顯著的影響?；炷恋母煽s可以持續(xù)很長時間，但干縮的速度隨齡期的增長而迅速地減慢。例如：混凝土20年收縮總量的3040%發(fā)生在2周內，20年收縮量的4080%發(fā)生在3個月內。混凝土的干縮率通常在0.020.1%范圍內。2、溫差收縮1）絕熱溫升。水泥水化過程中放出的熱量稱為水泥的水化熱。在混凝土結構中，由于混凝土的導熱能力很低,水泥的水化熱聚集在混凝土結構內部長時間不易散失,使混凝土內部溫度升高，與其外部形成溫差，引起溫度應力和變形，當差值大于25時，其所產生的溫度應力有可能大于混凝土本身的抗拉強度。造成混凝土的開裂，給工程帶來不同程度的危害?；炷两^熱溫升達到峰值溫度后，隨著齡期的增長逐漸降溫，從而產生體積收縮，也就是冷縮。有資料表明，降溫10所引起的變形，即冷縮值相當于混凝土在相對濕度70%的通常環(huán)境下1014d齡期的干縮值。因此由于溫度驟降冷縮引起的開裂事故比干縮更為嚴重。路橋求職路橋招聘路橋英才網英才網混凝土絕熱溫升是指混凝土在絕熱條件下，由水泥水化熱引起的混凝土的溫度升高值。影響混凝土絕熱溫升的主要因素與水泥品種和用量有關，應優(yōu)選發(fā)熱量較低的水泥。其次水泥用量與絕熱溫升成正比，水泥周圍介質環(huán)境溫度對水化速度有顯著影響，如40時比4條件下的水化熱散發(fā)率高1倍多；水泥細度的增加會使水化速度增加和強度的快速增長，并使水化熱增加。2）比熱。比熱是指單位質量物質溫度每上升1時所需要的熱量。普通混凝土的比熱在0.841.17KJ/（）之間。混凝土密度降低，比熱升高；水灰比大，用水量多，比熱也大，這是由于水的熱容量大而引起的結果；混凝土溫度提高，比熱增大；水泥用量多，比熱增加。3）熱膨脹系數?；炷岭S著溫度變化而發(fā)生的線性變化稱為熱膨脹系數，又稱為線膨脹系數，其單位為110-5/。線膨脹系數與混凝土的配合比及溫度變化時混凝土的濕度狀態(tài)有關。配合比的影響主要取決于水泥和骨料的線膨脹系數?；炷猎诳諝庵叙B(yǎng)護的熱膨脹系數大于水中養(yǎng)護以及空氣與濕氣聯合養(yǎng)護的熱膨脹系數。骨料熱膨脹系數大，其配制的混凝土熱膨脹系數亦大。混凝土的主要兩個組分是骨料和水泥，如果粗骨料與水泥漿體（或膠凝材漿體）的熱膨脹系數差別較大（比如兩者熱膨脹系數差值大于0.5510-5/），在溫度發(fā)生劇烈變化時（如凍融循環(huán)試驗），就能引起兩種材料的膨脹變形差較大而破壞骨料與周圍漿體之間的粘結，從而形成不均勻受力，降低并影響混凝土抗凍性及耐久性。為了分析混凝土結構的溫度和溫度引起的應力或變形，以及進行溫度控制，混凝土的熱學性能是重要的基本資料?；炷恋慕^熱溫升、比熱、導溫、導熱系數和熱膨脹系數是其熱學性能的主要指標。3、塑性收縮混凝土和易性差，初凝前出現泌水或水分急劇蒸發(fā)，引起失水收縮，此時骨料與水泥漿體之間也產生不均勻的沉縮變形，它發(fā)生在混凝土終凝之前的塑性階段，故稱為塑性收縮。通常情況下其收縮量可高達1%左右,使混凝土表面出現塑性收縮裂縫，其寬度可達2mm，深度30mm左右的裂縫。發(fā)生塑性收縮的主要因素是混凝土水灰比過大，水泥用量大，外加劑保水性差，骨料集配差，施工環(huán)境溫度高等。此時如果不便調整混凝土配合比，通常可采取在混凝土表面及時壓入一層干拌石子的方法處理。以最大限度地減少表面塑性收縮裂縫。4、自生體積變形混凝土由于膠凝材料自身水化引起的體積變形稱之為自生體積變形。1）收縮型變形。水泥加水后生成的水化物的體積,要比未拌和時水泥和水的總體積小。例如用126g的水泥（水泥密度3.15g/cm3）相當于40ml體積水泥和60ml水拌和（水灰比為0.476）放在一個容器中。當水泥完全水化后，此時產生的水化物固體體積為61.6%，凝膠水的體積為24%，毛細孔體積為14.4%。含有凝膠水的水化物體積為85.6%。毛細孔體積中含有7%屬于毛細孔水的體積，那么在總體積中有7.4%為體積收縮量，這就是由于水泥水化后產生的收縮變形，準確的說是水泥的化學減縮。水泥中四種主要礦物成分水化作用引起的體積收縮率分別為：C3A為0.23410-2；C3S為0.07910-2；C2S為0.07710-2；C4AF為0.04910-2。2）膨脹型變形。與普通水泥水化作用引起的體積收縮相反，一些具有膨脹組分的水泥加調和水后，生成的體積大于水泥和水的總體積，其膨脹源主要分為三種類型：一是鈣礬石型，二是氧化鎂型，三是復合型。鈣礬石型UEA膨脹水泥是以高鋁水泥、明礬石和石膏作為膨脹組分；AEA膨脹水泥是以高鋁水泥熟料明礬石和石膏作為膨脹組分；UEA-H膨脹水泥是以硅鋁酸鹽、明礬石和石膏作為膨脹組分。這類膨脹水泥主要反應機理如下：C4A3S+6Ca(OH)2+8CaSO4+90H2O3(C3A3CaSO432H2O)2KAL3(SO4)2(OH)6+13Ca(OH)2+5CaSO4+78H2O3(C3A3CaSO432H2O)+2KOH氧化鎂型MgO膨脹水泥是以MgO作為膨脹源。MgO膨脹源是輕燒菱鎂石（一般煅燒溫度為900），在水泥中摻量不超過6%，這類膨脹水泥機理是由于MgO（方鎂石）與水反應生成水鎂石而產生體積膨脹，其化學反應式為：MgO+H2OMg(OH)2.以鈣礬石為膨脹源的膨脹混凝土，在絕濕養(yǎng)護條件下，其自生體積膨脹變形達到最大值后（一般為57d），膨脹量逐漸回縮，回縮值取決于最大膨脹量，膨脹量越大回縮值也越大。路橋求職路橋招聘路橋英才網英才網混凝土收縮產生的拉應力導致混凝土裂縫，多年來國內外專家學者一直致力于解決這個問題，辦法之一是使混凝土水化硬化過程中使其產生一定的微膨脹性能，以補償水泥凝膠這部分的化學減縮，達到減少收縮裂縫的目的。對于大體積混凝土，不僅要求控制混凝土膨脹量在100m左右，而且對混凝土的膨脹時間和膨脹速率更為重視，由其是鈣礬石型單膨脹源的混凝土，與水泥水化溫升峰值時間同步產生膨脹，當混凝土逐漸降溫時，產生一定的冷縮，此時膨脹量也已達最大值而逐漸回縮。很難發(fā)揮補償收縮效果。此時，一旦遇到氣溫驟降，極易形成內外較大溫差，表面受冷的混凝土受到內部熱的混凝土約束，這時混凝土溫度變形超過其同齡期極限拉伸值時，極易導致混凝土開裂。如果能夠控制混凝土的膨脹速率，使其最大膨脹量與混凝土降溫收縮發(fā)生的時間相匹配（降溫時發(fā)揮膨脹），那么補償收縮的效果才能充分發(fā)揮。在工程界對于使用膨脹混凝土都有很多疑慮，對于單膨脹源的鈣釩石型膨脹混凝土，其膨脹發(fā)生在早期,難以達到預期補償收縮目的，對于氧化鎂MgO作為膨脹源的混凝土,在絕濕條件下養(yǎng)護,其膨脹峰值一般在6090d后隨齡期逐漸減小，膨脹速率較緩慢，但其連續(xù)性和均勻性都優(yōu)于鈣礬石型。膨脹量的大小取決于方鎂石顆粒大小、結構致密度、摻量及混凝土溫度等。方鎂石顆粒小于5m，水化速度較快，輕燒（750900）水化速度快，其膨脹速率相對加快。MgO的摻量應根據混凝土所須膨脹量多少來確定。內含于水泥中的MgO一般在4%左右，最大限量不超過為6%，主要適用于大體積混凝土。從膨脹機理和膨脹速率來分析得之，將鈣礬石型和氧化鎂型按合適比例復合在一起組成雙膨脹源，才能獲得適宜的膨脹速率，從而起到較理想的補償收縮效果。為此產生了復合型膨脹水泥。復合型膨脹水泥是吸收了鈣礬石型和氧化鎂型膨脹水泥的優(yōu)點，其膨脹來源于輕燒氧化鎂和鈣礬石的雙生作用，這類膨脹水泥主要反應機理如下：Mg+H2OMg(OH)22KAL3(SO4)2(OH)6+13Ca(OH)2+5CaSO4+78H2O(C3A3CaSO432H2O)+2KOH總的來說，無論是鈣礬石型還是氧化鎂型膨脹水泥在混凝土中作為膨脹組分，理想的結果都是使混凝土始終處于受壓狀態(tài)，使膨脹變形以預應力的形式儲存起來，以期達到補償混凝土收縮而產生的拉應力，抵消一部分自生體積收縮（水泥凝膠的化學減縮）。應該指出的是膨脹混凝土與普通混凝土同樣都會隨齡期的延長而發(fā)生干縮、冷縮現象，因此在混凝土配合比設計、選材、施工等諸多方面應予以充分考慮，才能最大限度地減少裂縫，避免有害裂縫的發(fā)生。5、減水劑的影響20世紀60年代，減水劑的發(fā)展到了一個新的時代，這就是化學高效減水劑的問世，促進了混凝土加工技術的發(fā)展。在不改變混凝土工作度的前提下，能大幅度地減少混凝土拌合物水用量，并且可顯著地提高混凝土強度，推動了混凝土向高強化、流態(tài)化和高性能方向發(fā)展。我國自80年代中期推廣商品混凝土以來，結構混凝土開裂現象并沒有減少，實踐分析表明，過去混凝土多為施工現場加工澆筑，混凝土坍落度較小，設計強度也不高，相對每立方米水泥用量也不多，混凝土的收縮率較小，通常在3510-4；而現在的泵送混凝土的砂率都高于過去的混凝土，也有許多泵送混凝土與過去的混凝土用水量差別不大，主要表現在增加了坍落度，使用方違規(guī)追求大坍落度（190以上），以減輕勞動強度。導致現在的泵送混凝土的收縮率較大，通常為4610-4；因此地下工程防水技術規(guī)范規(guī)定，防水混凝土采用預拌混凝土時，入泵坍落度宜控制在12020。另外混凝土外加劑GB8076行業(yè)標準中規(guī)定：摻減水劑（泵送劑的主要成分）的混凝土與基準混凝土收縮率比135%。試驗表明摻入不同類型的減水劑，混凝土的收縮率比是不同的，依次為木鈣減水劑萘系減水劑三聚氰胺系減水劑聚羧酸系減水劑。因此對于地下工程結構混凝土來講，僅采用減水劑（泵送劑）配制的混凝土，來充當防水混凝土，顯然是不夠的，防水混凝土有其特殊性，選用外加劑應從其功能角度出發(fā)亦應首選防水劑，如果單摻防水劑不能滿足泵送要求時，在摻入泵送劑，即雙摻技術。目前許多地下工程結構混凝土僅采用泵送劑配制的混凝土來充當防水混凝土，也有其原因，其一是按規(guī)范要求防水混凝土抗?jié)B等級P6，如C35泵送混凝土抗?jié)B等級一般均可達到P6的要求，這與我國對混凝土抗?jié)B等級的檢驗還不夠完善有關，因為在檢驗滲透高度比時，其一是加壓時間較短，其二是成型試件內部無約束，不能表征實際施工狀態(tài)；其三是試件在試驗室成型（水中養(yǎng)護，溫度（202）與實際施工環(huán)境條件差異較大。眾所周知混凝土在絕濕環(huán)境下體積不發(fā)生收縮，也就是混凝土存在濕脹干縮路橋求職路橋招聘路橋英才網英才網這一特性，另一特性是混凝土在無約束前提下自由收縮不開裂；受到約束時開裂。而微膨脹混凝土則正好相反，受到約束時不開裂，無約束時開裂。因此僅采用泵送劑配制的混凝土澆筑在地下結構中受到鋼筋、基底和模板的約束，即發(fā)生不同程度的開裂。其四是混凝土的干縮、化學減縮、溫差等收縮。在者即使泵送劑配制的混凝土抗?jié)B等級達到P8時，即使裂縫控制得好也難以保證混凝土不透水，因其毛細孔和微裂縫等在經過一定時間后才會發(fā)生透水，（一般需要12年）據規(guī)范顯示抗?jié)B等級達P8的普通防水混凝土滲透系數為5810-10cm/s?；炷潦且环N典型的脆性材料，其抗拉強度只有抗壓強度的1/10左右，同時其體積穩(wěn)定性差，這就導致混凝土極易開裂。混凝土一旦出現有害裂縫，就會降低其耐久性，加速混凝土劣化，依次排列為鋼筋銹蝕、凍融循環(huán)、堿骨料反應和硫酸鹽侵蝕等，每一種因素引起的開裂往往又會加劇另一種因素的破壞?？傊炷恋目沽研阅苁且豁椌C合性能，它與抗拉強度、極限拉伸變形能力、彈性模量、自生體積變形、干縮、絕熱溫升、熱學性能等有關。當混凝土原材料和配合比變化時，這些特性也隨之發(fā)生變化?？梢哉f沒有一個直接的物理參數能夠完全表征混凝土的抗裂性能?？梢哉f混凝土有裂縫是絕對的，無裂縫是相對的，所謂混凝土結構的抗裂質量只是把裂縫控制在一定的范圍內而已。因此我國地下防水施工質量驗收規(guī)范中規(guī)定防水混凝土裂縫寬度不得大于0.2并不得貫通。從提高混凝土抗裂性角度考慮，在原材料選擇和配合比設計時應遵循以下原則。1）采用較小的水灰比、摻微膨脹防水劑；引氣高效減水劑同時摻適量的摻合料；2）使用低堿水泥控制水泥粉磨細度，盡量減少水泥用量；3）使用三元膠凝體系，抵消混凝土組成材料中脆性組分的不利影響；4）盡量減少混凝土的各種收縮變形，增加混凝土的體積穩(wěn)定性；6、不均勻沉降引起結構裂縫1）地下建（構）筑物的設計，應與上部結構綜合考慮，幾何平面力求均衡、整齊、簡約，與使用時所承受的靜荷載大致相近。力求其重心和形心一致，防止產生不均勻沉降。2）采取“抗”與“放”的裂縫控制原則，以整體剛性基礎抵抗差異沉降“抗”法和以設置沉降縫將基礎分割成若干區(qū)段以適應差異沉降的“放”法相結合，即“抗放兼施”的方法，使結構不均勻沉降產生的應力得以釋放，避免結構開裂。沉降縫或伸縮縫的設置距離一直是工程界關心的問題，國外對變形縫間距有三種情況。一是前蘇聯、東歐、法國等國家，變形縫間距為3040m，而英國變形縫最小間距為7