基于材料性能的混凝土早期裂缝成因与控制.pdf

第 22 卷 第 7 期2023 年 7 月中国建筑金属结构CHINA CONSTRUCTION METAL STRUCTUREVol22 No7Jul2023750 引言一直以来，建筑行业属于我国社会经济发展的支柱行业，建筑施工作业过程的安全性和有效性关系到建筑行业的整体发展。根据李曼的研究，在水化作用以及不饱和环境的影响下，混凝土能够出现收缩变形情况1，胡栋等2认为在变形现象持续累积的背景下，混凝土体极易发生早期开裂，并且混凝土的收缩变形及早期裂缝的出现，与其中的细观结构具有密切关联性，即材料性能能够影响混凝土早期裂缝的形成和发展，蒋林华等3根据以上提出，先进的混凝土材料，例如水溶性渗透结晶材料、KLJ 型抗裂防渗复合材料等，对于混凝土裂缝的影响更加显著。在以上内容的基础上，本文主要针对材料性能对于混凝土早期裂缝的影响进行分析，并提出相应的控制措施。1 工程概况以某一牛奶存储厂楼板为例，其板长度为 143m，宽度为41m，厚度为 0.35m 支撑网格柱为 3 呈 4.1m2，双面配筋，双向间距为 0.15m，F16mm，在正常的工作荷载作用下，其竖向位移能够受到柱子的强烈影响，同时楼板的自由膨胀或是收缩也能受到柱子的强烈约束。针对 8 层柱进行浇筑，于 3d 后脱模，完成脱模后，施工人员发现部分柱上出现裂缝情况。3d 后针对八层顶板进行浇筑，尚未拆模时即已发现部分顶板位置出现贯通裂缝。八层柱及顶板所应用的混凝土设计强度均为 C40，使用商品混凝土，并采用泵送的方式。选择其中裂缝较为明显的 8 层柱一根以及 8 层顶板一块，针对其上的裂缝分布情况以及裂缝的宽度和深度进行检测。8层顶板上表面位置存在大面积的裂缝现象，整体上呈不规则分布状态，其中上表面宽度较大的裂缝已经贯通顶板，宽度较小的裂缝尚未实现贯通，已经贯通的裂缝为上宽下窄，宽度最大已经达到 1.04mm。2 基于材料性能的混凝土早期裂缝成因混凝土体早期裂缝形成的原因主要如表 1 所示，但是从材料性能的角度来看，混凝土出现早期裂缝的原因主要如下。2.1 水泥混凝土中水泥材料占比较大，并且能够混凝土早期裂缝产生重要影响，其影响主要来自四个方面：（1）水泥品种：不同品种的水泥，矿物成分各不相同，能够产生的干缩作用各不相同，铝酸三钙收缩率较大，铁铝四钙和硅酸二钙收缩率较小，所以低热水泥和耐硫酸盐水泥中的铁铝酸四钙和硅酸二钙含量极多，另外，因为不同品种的水泥凝结时间及收缩值各不相同，所以应该尽量避免多种类型的水泥进行混用；（2）水泥细度：水泥颗粒的细度能够对水泥功能产生重要影响，在水泥成分相同时，其颗粒越小，凝结硬化和水化的速度就越快，早期强度相对更高，比表面积也更大，但是水泥颗粒过细时，其在空气中的收缩性也就过大，所以更易导致混凝土早期裂缝出现；（3）大体积混凝土结构：该结构一般需要一次性浇筑完成，受到水化热作用影响，大体积混凝土内部的水化热难以对外散发，导致其内外温差不断增加，进而引起大体积混凝土表面拉应力和内部压应力的同时出现，此时若大体积混凝土的表面拉应力大于极限抗拉强度，即能够出现早期裂缝，在本次工程中，即存在大体积混凝土的情况，温度应力因素引起开裂；（4）水泥中缓慢水化成分：通常游离氧化钙发生水化反应的速度较慢，需要在混凝土表面硬化较长时间以后才能发生水化，并且其水化产物体积相对混凝土固化之前的体积更大，所以硬化混凝土内部能够出现体积变化，并导致混凝土上因内部膨胀而出现裂缝。作者简介：蒋超（1989-），男，硕士研究生，工程师，研究方向：房地产建筑工程管理。基于材料性能的混凝土早期裂缝成因与控制蒋 超（中铁四院集团房地产开发有限公司，湖北 武汉 430070）摘 要：为了控制建筑施工的质量、进度及安全性，本文主要通过了解水泥、骨料、掺合料等建筑材料性能，分析建筑材料性能对于建筑混凝土早期裂缝形成产生的影响，同时总结混凝土早期裂缝易出现的位置，以根据实际情况提出适宜的基于材料性能的混凝土早期裂缝成因及控制措施，例如保障原材料质量、加强现场控制、设计混凝土配合比等。研究结果显示，可以从建筑材料性能的角度出发，以各项措施，有效控制混凝土早期裂缝，并为建筑的质量及安全性提供保障。关键词：建筑材料性能；混凝土；早期裂缝中图分类号：TU755.7 文献标识码：ADOI：10.20080/ki.ISSN1671-3362.2023.07.026表 1 混凝土体早期裂缝形成原因序号原因具体情况1边界约束边界约束强度过大导致竖向裂缝增加2养护早期养护工作不完善3配合比外加剂的应用量不合适4结构尺寸楼板或墙板的厚度增加5其他配筋、振捣方式、外界温度、外界湿度、拆模时间等76中国建筑金属结构2023 年2.2 骨料使用各类原材料配置混凝土的过程中，骨料表面粗糙程度越大，其与水泥之间的粘结力就越大，所以配制混凝土时，在原材料以及坍落度均保持一致的状态下，使用碎石作为骨料的混凝土，相对使用卵石作为骨料的混凝土强度更大。并且骨料粒径增加时，可以降低混凝土中的用水量，并使混凝土的泌水性及收缩性降低。但是在本次工程中，应用卵石作为粗骨料，导致混凝土整体上出现强度不足的情况，使后续混凝土开裂提供的基础条件。在混凝土中，骨料及水泥二者的质量之比可称为骨灰比，超过 35Mpa 的混凝土，其强度能够在较大程度上受到骨灰比影响，若其中的水灰比及坍落度完全一致，骨灰比越大，混凝土的强度也就能随之提升，但是在实际施工时，为了保障泵送混凝土过程的顺利，必须针对骨料的粒径提出明确要求，通常商品混凝土中的含砂率应超过 40%，相对普通混凝土的含砂量略高，石子粒径最小可为 5mm，最大不可超过20mm，相对普通混凝土中的石子粒径也略小，由此，混凝土结构粘结能力相对减弱，混凝土部分出现裂缝的可能性就随之增加。2.3 掺合料矿物掺合料为无机矿物细粉，可以对混凝土的性能起到改善作用，属于一类辅助性的材料，能提升混凝土耐久性。常见的矿物掺合料即为粉煤灰，其能够在水化产物氢氧化钙进行二次水化时起到促进作用，加速胶体生成，以快速填充混凝土缝隙，并使混凝土内部的毛细孔被隔断，有利于提升混凝土内部的紧凑效果，从而在一定程度上避免混凝土发生收缩。实际施工时，必须严格控制矿物掺合料在混凝土中的添加量，若出现超量使用的情况，将导致混凝土其强度提升速度过于缓慢，混凝土中更易出现严重裂缝。所以实际应用矿物掺合料时，必须首先了解建筑工程的施工情况，并以此为基础确定适宜的矿物掺合料使用量。因为混凝土浇筑工作初完成时，混凝土的强度相对较低，所以极易在外界荷载的影响下形成裂缝，而矿物掺合料密度相对水泥来说更小，若未进行充分振捣，将出现掺合料上浮情况，能致使混凝土的表层上出现裂缝，且混凝土中水分快速蒸发时，混凝土体中能够出现塑性收缩，并导致其内部产生拉应力，也就能导致混凝土早期裂缝增加。2.4 碱骨料反应在环境条件较为特殊的情况下，如果混凝土中的碱量超出合理的范围，其能够与具有碱活性的骨料共同产生膨胀反应，此即为碱骨料反应。混凝土中发生碱骨料反应以后，能够出现显著的体积膨胀情况，进而发生开裂，使混凝土内部微结构发生改变，抗压强度、弹性模量以及抗折强度等各方面力学性能均受此影响显著下降，最终导致混凝土结构的整体安全性受到严重影响。2.5 水胶比和坍落度在混凝土中，胶凝材料使用量不变的前提下，水胶比越小，水泥石强度越大，与骨料之间的粘结也更加紧密，混凝土强度也就能随之提升，但是不可盲目降低水胶比，以防影响混凝土整体的使用性能。一般来说，为了提升泵送混凝土的便捷程度，商品混凝土通常应采用20cm左右的坍落度，进行高层建筑施工，可适当提升坍落度。降低水胶比、提升坍落度，可以改善混凝土的泵送效果，但必须注意的是，将混凝土由预制站运输至施工现场的过程较为漫长，若混凝土质量不符合相关标准，在已经完成配制的混凝土中再次加水和搅拌，即能导致其中的水胶比过大，并使混凝土质量降低，混凝土出现早期裂缝的概率也就更大。3 混凝土早期裂缝的控制优化方案3.1 保障原材料质量在进行建筑工程建设施工作业时，应该首先明确，混凝土质量能够对工程整体质量产生重要影响，所以必须保障各项原材料的质量。以此为基础，建筑施工单位应该将建筑工程设计规范作为主要依据，选择水泥材料时，充分考虑该类型材料的特点，掌握不同品种水泥的优劣，明确水泥选择结果能够对混凝土施工产生的影响。一般来说，应选择收缩性能良好并且水化热量较小的水泥，该类型的水泥在初凝和终凝的过程中，对外释放的热量均相对更小，混凝土体内外温差相对更小，出现早期裂缝的可能性也就更小。此时需要注意，硅酸盐水泥虽然强度更高，但是水化热量也更大，能导致混凝土整体质量受到影响4。在水泥水化热量难以充分控制的情况下，施工人员应该根据实际情况适量应用掺合料，也就是将粉煤灰适量混合于水泥当中，以降低混凝土整体的水化热量，且在选择骨料时，应该针对骨料规格进行严格控制，细骨料控制工作的重点在于含砂量，若含砂量过大，混凝土质量将随之下降，粗骨料控制工作的重点在于粒径及孔隙率，保障其粒径及孔隙率完全适宜，才能提升混凝土的整体稳定性，并使混凝土的质量得以提升。3.2 加强现场控制针对混凝土施工的各个环节进行现场控制，有利于降低混凝土早期裂缝的发生率。在对混凝土进行配制的过程中，必须根据实际施工需求以及各类原材料的特点，合理把控混凝土的内部组成，不可擅自取消任何原材料，同时也不可随意混入其他材料，特别是需要严格把控其中的用水量。之后还应开展坍落度试验，确认混凝土坍落度与设计标准相符合，方可进入到运输泵送阶段，若其坍落度超出设计标准，则必须重新配制。因为当前所应用的混凝土均为预制式，应在即将需要使用混凝土时将其由预制厂运输至施工现场，由此，应该严格控制混凝土运输过程中的颠簸，避免卸料时幅度过大，也就可以降低混凝土中出现离析情况的可能性。在现场浇筑混凝土时，应注意控制混凝土泵送的高度、速度等，保障混凝土浇筑的均匀性，避免单次混凝土入模量过多，同时避免出现离析现象，完成浇筑工作以后，应及时进行有效振捣，将泌水生成的空隙和水分逐渐排出，尽量减少其中裂缝的形成，若有裂缝形成，也可起到控制发展的作用，同时也有利于提升钢筋与混凝土之间的握裹力，可以促使混凝土密实程度进一步提升，其抗压强度也可上升约 20%5。振捣工作结束后，应立即开始养护工作，在混凝土表面覆盖一层塑料薄膜，针对难以完整覆盖的位置刷涂养护剂，避免水分过快蒸发，降低出现干缩裂缝和塑性裂缝的概率，以保障混凝土的质量及应用效果。3.3 设计混凝土配合比进行混凝土配合比设计工作，应该在保障混凝土工作性良好的基础上，尽量减少其中的单位用水量。为了提升混凝土的可操作性，应该以强度高、流动性好和收缩小为混凝土配置目标，同时遵循“三低二掺”的设计原则，保持混凝土中的低水灰比、低坍落度、低砂率，同时掺高效外加剂以及矿物掺合料，77第 7 期中国建筑金属结构从而提升混凝土的整体质量和应用效果。3.4 使用适宜的外加剂对了控制混凝土中外加剂的使用量，同时保障混凝土的质量，可以采用二次添加的方式，将相同剂量的外加剂分两次填入到混凝土中，第一次添加时间为混凝土预制搅拌的过程中，添加量应为总量的 70%，将混凝土运输至施工现场时，再将剩余 30%添加到混凝土中。由此，混凝土的水灰比以及坍落度损失均可得到控制。将粉煤灰的实际使用量控制在适宜的程度上，还有利于提升混凝土的基本性能，且不易影响混凝土的收缩状态。需要注意的是，实际添加粉煤灰时，必须严格控制添加的剂量，避免超细矿物料对高强度混凝土的整体性能产生影响，一般可以借助微膨胀剂调控混凝土收缩性，以避免混凝土收缩引起裂缝6。3.5 设置膨胀加强带和后浇带混凝土受到温度变化影响时，能够出现热胀冷缩的现象，设置加强带或后浇带的目的，即在于减少混凝土收缩控制裂缝产生。通常后浇带适合应用于分段浇筑的情况下，原因在于，缩短一次浇筑混凝土的长度，采用分段硬化的形式，可以减少收缩裂缝出现的概率。使用膨胀加强带替代后浇带时，则应主要采用连续浇筑的方式保障结构构件具有适宜的膨胀应力，降低混凝土的膨胀强度，以实现无缝施工。3.6 加强后期维护完成混凝土施工作业以后，应及时针对其实施保温养护，特别是需要针对回填土进行养护，以降低裂缝出现的概率。进行养护的过程中，可以采用通入冷循环水的方式，保持混凝土表面的湿润，提升其内部热量的散发速度，工作人员应根据具体的温度控制标准适当调整养护策略，以降低混凝土体的自约束应力，从而提升混凝土的抗裂性能。并且，应该尽量提升环境温度，以降低混凝土体的内外温差，避免降温速度过快，以减少温度应力的影响，也就可以提升混凝土体的强度，降低塑性收缩出现的概率。在养护过程中，混凝土体的中心温度与表面温度之间的差距应在 25以下，如果遭遇暴风雨天气，应该使用防雨条等设施进行遮盖，同时采用明沟排水的方式提升排水效率，以保障施工质量，另外，现浇板的浇筑养护也属于养护重点之一，特别是在环境温度较高时，还应适当增加浇水频率，以控制其中的温度应力，并避免温度裂缝产生7。3.7 裂缝处理措施针对混凝体上的裂缝，若其深度尚未涉及钢筋表面，因为浆料灌入难度较大，所以可以及时采用表面处理法进行修补，而对于能够顺利灌入浆料的裂缝，则可选用灌浆法，借助压送设备将浆液注入裂缝中进行填补，如果混凝土的损坏较为严重，可以选用混凝土替代法，即使用新的混凝土材料，对已经出现裂缝的混凝土进行替换，而若裂缝的数量或深度已经影响混凝土体的正常承载能力，则应使用加固法，包括预应力加固法、外包钢加固法、加大截面加固法等。在本次工程之中，针对裂缝宽度不超过 0.3mm 的位置，使用水溶性聚氨酯以及环氧树脂进行封闭修补，对于裂缝宽度在 0.3mm 以上的位置，使用改性环氧树脂进行封闭修补，直至浆体凝固至一定的强度之后，再针对裂缝实施灌浆处理，需要将灌加压力控制在 0.2 0.5Mpa之间。对于楼板位置的裂缝，为了避免后续其出现漏水情况，应在其中应用高渗透性水溶环氧材料，并且应将灌浆压力控制在 0.5 0.8Mpa 之间，在裂缝较大的情况下，应首先沿裂缝方向垂直粘贴一层碳纤维布，之后再进行灌浆处理，裂缝已经贯通，但是尚不具有漏水风险，则可直接使用环氧树脂进行补强处理，之后再粘贴碳纤维材。4 结论根据上文可以了解到，混凝土中出现早期裂缝的原因不唯一，但是建筑材料性能属于其中的关键性影响因素，所以需要针对建筑材料性能这一方面重点研究，研究结果如下：（1）保障原材料质量，降低水化热量；（2）加强现场控制，保障混凝土配制、运输、浇筑的合理性，提升混凝土的使用质量；（3）设计混凝土配合比，提升混凝土的强度，减少收缩；（4）使用适宜的外加剂，对混凝土的强度等合理调控；（5）设置膨胀加强带和后浇带，提升混凝土对于热胀冷缩的适应能力。以上各项措施既有利于避免建筑材料性能因素引起混凝土裂缝，另外，还应注意加强后期维护，避免混凝土体受温度影响出现裂缝，在出现裂缝以后，也应及时应用适宜的措施进行补救，从而保障混凝土的使用质量，并起到推动建筑行业发展进步的作用。参考文献1 李曼.混凝土材料质量检测技术要点 J.中国建筑金属结构,2023,22(05):73-75.2 胡栋,左程,宋嘉城,等.水溶性渗透结晶材料对混凝土性能影响的研究 J.新型建筑材料,2023,50(02):132-136+161.3 蒋林华,牛亚露,刘政权,等.KLJ 型抗裂防渗复合材料对混凝土性能影响研究 J.粉煤灰综合利用,2022,36(06):73-80.4 陈仪.C30 石灰岩不发火混凝土的配制与性能研究 J.中国建筑金属结构,2023,22(04):36-38.5 陆宸宇,姚淇耀,彭林欣,等.新型早强高延性水泥基复合材料的超短龄期力学性能研究 J.混凝土,2022(10):95-100+105.6 蒋松涛,万朝栋,张坚,等.明挖法地铁车站顶板混凝土防裂技术应用研究 J.新型建筑材料,2022,49(11):70-74.7 崔佳,苏昂,李明,等.现浇隧道高抗裂清水混凝土制备与性能研究 J.新型建筑材料,2022,49(11):65-69+74.