浅谈高强混凝土的早期裂缝控制

发布时间：2022-10-05 10:07 热度：

　　摘要：本文就工程实际中和参考资料，对高强混凝土施工早期裂缝出现的原因进行了分析，同时也有针对性的介绍了一些防治措施，以求为日后高强混凝土施工有益的参考。

　　关键词：高强混凝土;裂缝;温度梯度;湿度梯度;变形应力

　　Abstract: this paper the engineering practice and reference materials, the high strength concrete construction early cracks are analyzed the reason of, also targeted introduced some prevention and cure measures for future for high strength concrete construction the beneficial reference.

　　Keywords: high strength concrete; Crack; Temperature gradient; Humidity gradient; Deformation stress

　　中图分类号：TU528 文献标识码：A 文章编号：

　　引言

　　近年来,随着对混凝土结构耐久性重视程度的提高,以及大量低水灰比高强混凝土的应用,混凝土早期开裂的问题再度引起了人们的关注。高强混凝土已被证明是对早期开裂非常敏感的材料，如何预防早期裂缝的产生是摆在工程技术人员面前的新课题。

　　1、高强混凝土的相关概念及特点

　　1.1高强混凝土：根据《高强混凝土结构技术规程》CECS104：99的定义为：采用水泥、砂、石、高效减水剂等外加剂和粉煤灰、超细矿渣、硅灰等矿物掺合料，以常规工艺配制的C50-C80级混凝土。

　　1.2高强混凝土具有以下特点：

　　强度和弹性模量均较高，结构变形小，刚度大，稳定性、耐久性、抗渗抗冻性均优于普通混凝土。

　　2、高强混凝土早期裂缝按形成的原因的分类

　　高强混凝土早期大致可按成因分为荷载和变形作用造成的裂缝两大类。

　　2.1 荷载原因造成的裂缝

　　施工单位浇注混凝土后过早上人、堆放荷载，导致结构开裂。

　　2.2变形作用造成裂缝

　　高强混凝土的早期裂缝，很多时候是由变形作用引起，包括温度变形(水泥的水化热、气温变化、环境生产热)，收缩变形(塑性收缩、干燥收缩)。

　　由于荷载原因造成的早期裂缝可以通过简单的施工组织控制措施进行有效的控制，因此在此不再赘述，主要着重介绍变形作用引起的裂缝。

　　3、高强混凝土早期变形裂缝的成因分析

　　3.1混凝土材料和生产工艺本身的原因

　　近年随着混凝土强度和生产工业化程度的提高，开裂现象反而来越来越严重。不容否认，水泥和混凝土技术进步了，但我们混凝土工作者对许多新的技术、新材料本身的认识却相对滞后，这是混凝土早期开裂的主观原因。

　　3.1.1混凝土强度等级日趋提高，收缩及水化热增加

　　配置高强且易于泵送的高塌落度混凝土基本上通过增加水泥标号或水泥用量，调小骨料粒径，调大砂率以及添加活性矿渣和外加剂等途径来实现，而以上途径除添加活性矿渣外，都可能会使混凝土水化热及收缩增加。

　　3.1.2水泥性能提高，混凝土中水泥用量过多

　　从水泥工业来看，新法烧成水泥厂生产了更多的优质水泥，而高强混凝土正是大量使用这些水泥。其特点是C3S含量较高，比表面增大 (从过去3 0 0 0～ 3 2 0 0cm2 / g增加到 3 60 0cm2 / g左右 ) 。在水泥性能上表现为早期水化快，水化热发展快，早期强度很高，特别是早强型 (R型 )水泥。

　　3.1.3外加剂的负效应

　　随着混凝土配制技术的发展，混凝土中添加外加剂及掺合料日益频繁，外加剂和掺合料的工作性能指标多只有强度指标而缺乏对水化热及收缩变形影响的试验指标，导致许多外加剂严重的增加收缩变形，有的甚至降低耐久性。施工经验表明，用保水性强的外加剂早期开裂的风险较大，拌合出的混凝土保水性强、泌水小，混凝土表面水的蒸发速率大于泌水的速率，水份得不到补充，表面会产生很大的湿度梯度和温度梯度，有的甚至在养护前就已产生表面裂纹甚至贯穿裂纹。

　　3.1.4混凝土本身抗拉性能不足

　　众所周知，混凝土抗拉性能较低，特别是高强混凝土的脆性更是比普通混凝土大，这是国际上钢筋混凝土的共性难题。

　　3.2结构设计的原因

　　3.2.1结构约束应力不断增大且忽略结构约束

　　结构规模日趋增大，形式日趋复杂，超长超厚及超静定结构成为经常采用的结构形式，另外现浇施工的结构形式也有显著的约束作用，对于各种变形作用必然引起较大约束应力。

　　忽略构造钢筋重要性是结构设计中经常出现的问题，因而经常出现构造性裂缝。

　　3.2.2不恰当地使用高强混凝土

　　随着建筑逐渐向高层发展，为扩大实用面积，最有效的方法是缩小结构尺寸、增大混凝土结构强度。混凝土的设计标号比过去提高，是技术进步，但问题在于有许多结构设计不适当地选择了过高的混凝土强度等级，有时甚至迁就施工方便，盲目加高混凝土强度。

　　3.3混凝土施工的原因

　　3.3.1养护方法不当

　　目前在混凝土施工中采用的养护方法基本沿用过去简易的人工浇水养护的方法，这种方法存在效率低下，无法保证对混凝土早期水化的温度梯度和湿度梯度的精确控制，因此无法满足高强混凝土早期水化程度高、需水量大、对温差敏感的特点，而且人工浇水瞬时水量大，容易造成混凝土表面热量大量流失，更加剧了混凝土里表温差。

　　3.3.2忽视混凝土的温差控制

　　传统观念认为，只有大体积混凝土才需要进行温差的控制，对于非大体积混凝土就不必进行。因此一般高强混凝土均未设置温差控制措施。而在表面系数大的构件中，中心温度不是很高，但表面层的温度梯度可以很大，也成为早期开裂的一个因素。

　　3.3.3新的模板技术令混凝土过早暴露

　　另外，爬模或顶升模板技术对高层建筑进度的积极作用使其越来越受到施工单位的青睐，因此高强混凝土墙柱的施工经常伴生这两项技术中的一种，而这两项技术均存在拆模时间短、养护不便的特点，这使得混凝土过早地暴露在自然环境中，加大了混凝土表面层的温度和湿度梯度。

　　3.3.4混凝土配合比设计超标号、高早强、高流动性

　　为配合赶进度的要求，施工单位在配合比设计上经常要求搅拌站设计过高的早期强度配合比的混凝土，因此出现了大量 14天就达到100%强度，2 8天强度超标号现象。

　　从理论上讲，高强度混凝土的高强度与耐久性是不矛盾的，但高水泥用量在早期易产生温度裂纹，因为早期快速水化，在水泥颗粒表面生成较坚硬的水化物膜，阻碍后期水化的进行，后期水化在受约束条件下进行，易产生内应力而产生内部结构微裂纹，而裂纹对耐久性是致命伤。

　　另外，为了满足高层混凝土泵送的需要，必须调大混凝土的坍落度，以达到高流动性，高流动性混凝土伴随的是高收缩变形风险。

　　3.3.5没有重视天气对混凝土施工的影响

　　现在很多施工单位为赶进度，很少重视天气对混凝土施工的影响，以致经常出现夏季及多风季节施工的情况，在这些天气下，混凝土表面的温度和湿度梯度都较大，较易开裂。

　　由此我们可以得到结论 ，引起混凝土早期开裂的原因是：

　　混凝土内部或表面的湿度梯度和温度梯度的在水化的过程中不断变化引起变形应力，当应力由于受到约束的影响而在局部产生应力集中，或者水化反应在短时间内过分集中，以致变形应力的发展超过抗拉强度的发展，就会产生早期裂缝。

　　4、高强混凝土早期裂缝控制预防措施

　　经过对高强混凝土早期变形裂缝的成因分析，不难找出预防裂缝出现的思路：控制混凝土水化过程变形应力的发展，不至于超过混凝土抗拉强度的发展出现裂缝。

　　4.1加强混凝土施工的全过程控制

　　4.1.1从混凝土生产着手，优化混凝土配合比

　　4.1.1.1减少水泥用量或用低热水泥，适量增加活性矿物掺量，降低水化热

　　经验表明，低水泥用量，开裂的风险就越小。采用低热水泥，利用大粒径的粗骨料、非常低的水泥用量，可进一步获得降低水化温峰的效果。

　　在容许的范围下适量增加粉煤灰、火山灰、硅灰、细磨矿渣的掺量，可有效减少早期水泥的水化热产生。掺加矿物掺合料必然抑制早期水化，降低一些早期强度，带来的好处是减少早期裂纹风险，提高后期混凝土性能和耐久性。

　　4.1.1.2采用预冷拌合物原材料，降低水化峰值

　　4.1.1.3在混凝土中适量添加如钢纤维或聚丙烯纤维，改善混凝土的抗拉强度

　　4.1.1.4配合比设计避免追求高流动性的倾向

　　尽可能减少混凝土塌落度，针对高流动性、高塌落度带来高收缩风险的矛盾，寻求两者的最佳平衡点。

　　4.1.1.5配合比设计避免追求早高强的倾向

　　4.1.1.6掺加膨胀剂要慎重

　　无可否认 ，掺膨胀剂补偿收缩是技术进步。但膨胀剂补偿收缩是有条件的 ，主要条件是混凝土结构的约束条件，包括外部条件和配筋条件以及膨胀量和水化热的控制。

　　4.1.1.7外加剂的性能应进行收缩方面的试验

　　4.1.2浇筑过程控制

　　4.1.2.1控制好入模温度和塌落度，减少初期温度和混凝土收缩

　　4.1.2.2优化泵送管道设计以利减少塌落度

　　施工单位在混凝土泵送管道的设计时也要尽量减少直角弯头，尽可能采取加大管道弯曲半径平缓过渡的形式进行管道转向，从而达到较少爆管和泵送压力损失的效果，以此为减少混凝土塌落度提供良好的条件。

　　4.1.2.3限制浇注层高，控制水化规模

　　4.1.2.4预埋管道冷却降低水化温峰

　　4.1.3浇筑后养护的温度和湿度控制

　　从上面的原因分析可知，后期养护对裂缝的控制作用很大。对竖向构件应尽可能采用自动化程度高的自动喷淋方式进行保湿，水平构件可采用覆膜、蓄水、盖麻袋的方式进行保温保湿养护。

　　养护过程应特别注意竖向构件的拆模时间控制，对温度和湿度均比较敏感的高强混凝土来说，过早的拆模会引起温度和湿度梯度的急剧变化，不利于裂缝的预防。

　　另外木模板的保温效果比钢模板好，因此钢模板应适当考虑保温措施。

　　养护过程中，天气的影响不容忽视，对大风天气和高温天气应加大保湿和控温的力度。

　　对于爬模和顶升模板施工，应设计特别的混凝土养护措施，维持早期水化反应的温度和湿度稳定，避免过早令混凝土暴露在自然环境当中。

　　4.2设计上减少混凝土变形约束，避免盲目采用早高强度混凝土

　　建议在征得设计院和质量监督部门的同意后，采用60天的抗压强度作为高强混凝土的强度评定标准，以利进一步调整配合比，延长混凝土水化反应的时间。

　　结构设计时尽可能通过后浇带、或其他形式设立应力释放带，减少结构相互间的约束，避免局部应力集中，出现裂缝。如果后浇带或应力释放带设置困难，就必须对产生应力集中的部位进行构造加强处理。

　　5、结语

　　避免混凝土早期裂缝这一课题，是一项需要坚实的理论知识与广泛的工程经验的工作。采取以上的措施可有效地减少高强混凝土早期裂缝的发生，但是，在该问题的研究上还有不少的未知领域，要完全杜绝还有一定的难度，还需工程技术人员的不断探索研究。