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收缩裂缝的问题详细解读

    早期收缩裂缝怎么形成?

    引起混凝土收缩的驱动力可分为两类:温度作用与湿度作用。

    温度作用引起的早期收缩包括水化热与昼夜温差引起的温降收缩,其中前者在大体积混凝土中尤为显著。

    湿度作用引起的早期收缩包括塑性收缩、自收缩与干燥收缩。值得注意的是,温度作用与湿度作用引起的收缩是同时发生,相互作用的,因此使得研究的难度增大。

    1、水化热引起的温度收缩

    温度收缩主要是混凝土在水泥水化放热出现温峰后的降温过程中产生的。水泥在早期水化过程中将放出大量的热,一般每克水泥可放出502J热量,在条件下,每45kg水泥水化将产生5~8℃绝热温升。在没有缓凝剂的条件下,通常在开始的12h左右出现温度峰值。随后,由于水化放缓放热减小,在与外界环境热交换下温度开始下降。由于混凝土内、外散热条件的不一致,表层混凝土温度降低得快,沿混凝土截面出现温度梯度,使得温降过程中出现收缩沿截面的不一致,从而导致表层混凝土受拉,当拉应力超过混凝土抗拉强度时产生温度裂缝。这在大体积混凝土中温升可高达60℃,是造成这类混凝土早期裂缝的主要因素。另外需要解释的是水化温升阶段通常不会出现胀裂,因为温升膨胀过程中混凝土尚处于流塑性状态,且温升过程迅速,沿截面也相对均匀。而随后的散热温降过程由于较为缓慢、均匀性又较差,且混凝土已逐渐硬化,往往容易在此时出现温度收缩裂缝。

    2、昼夜温差引起的温度收缩

    昼夜温差也会引起相应的温度变形。如对于混凝土板,在早晨太阳的照射下,表层混凝土的温度显著升高,其膨胀受到底层混凝土的限制而使表层拱起;在白天,随着全截面温度趋于相同,变形表现为自由伸长;而夜晚,随着表层温度的开始降低,又出现表层弯起的现象。因此对于新浇筑的混凝土,昼夜温差大时极易出现早期的这类温度裂缝。

    3、塑性收缩

    塑性收缩发生在混凝土终凝前的塑性阶段,通常在浇筑后4~15h左右出现,绝大部分发生在初凝前的流塑性阶段。这一阶段水泥水化反应激烈,分子链逐渐形成,出现泌水、水分急剧蒸发以及骨料与浆体的不均匀沉降等现象。因此,塑性收缩又可以细分为失水凝缩、化学减缩、沉降收缩三类。

    失水凝缩是新拌混凝土水化过程中因泌水等因素水分从混凝土内部向外迁移,并在表面迅速蒸发造成的,多发生在干热与刮风天气中;

    化学减缩在此特指早期塑性阶段表现出的由于水化反应前后生成物的平均密度比反应物小而产生的体系宏观体积的收缩;

    沉降收缩是混凝土在浇捣后各组成材料发生不均匀沉落,出现分层离析,粗骨料下沉,水泥净浆上浮,当受到钢筋等阻挡时使混凝土相互分离造成开裂的现象。

    相对而言塑性收缩造成的早期裂缝较为容易处理,即通常在施工中振捣充分且做好养护是可以避免这类收缩裂缝的,一旦出现,采用二次抹压或二次浇灌层加以平整即可,不会影响后期的结构耐久性能。

    4、干燥收缩

    干燥收缩通常是混凝土停止养护后,在不饱和的空气中失去内部毛细孔和凝胶孔的吸附水而发生的不可逆收缩,随着相对湿度的降低,水泥浆体的干缩增大。干缩机理与水泥浆体内部孔隙有关,水泥水化的结果是生成水化硅酸钙及在内部形成大量被水填充的微细孔(>5nm的毛细孔与0.5~2.5nm的凝胶孔),这些微细孔中储存有水化未消耗的多余水分。混凝土干燥的时候,混凝土表层水的蒸发速度可能超过混凝土向外泌水的速度,因此,表层的水面降低,并随着蒸发的继续,水分的失去从表层逐渐向混凝土内部不断发展,毛细孔与凝胶孔中的吸附水相继失去。这些微细孔内水分的失去将在孔中产生毛细管负压,并促使气液弯月面的形成,从而对孔壁(也即水化硅酸钙凝胶骨架)产生拉应力,造成水泥浆体收缩。

    以往通常认为干缩主要发生在浇筑后3~90天龄期内,事实上,若早期不及时养护,加水搅拌起龄期3天内的干缩相当大,文献对此曾有专门研究。

    对水灰比分别为0.42、0.32的OTC3、OTC4两组试件在初凝后敞开干燥条件下测得的龄期3d内的各种变形曲线,其中OTC3未掺减水剂,OTC4则掺了1.8%的脂肪族高效减水剂,从测试的结果看,两者龄期3d时的干燥收缩均非常大,前者约585×10-6m/m,而后者则约1110×10-6m/m,几乎是前者的2倍。而通常混凝土的极限拉应变仅有300×10-6m/m左右,可见浇筑后若早期不及时做好密封或保湿养护,干燥收缩足以导致早期收缩裂缝的产生。

    5、自收缩

    混凝土的自收缩是指混凝土在没有与周围环境发生湿度交换的情况下由于混凝土的自干燥引起的体积变化。所谓自干燥是指在水泥水化过程中由于没有外界水供应或外界水通过毛细孔迁移到体系内部的速度小于水化耗水的速度时,水化所需的水分将从毛细孔中吸收,于是在毛细孔中形成气液弯月面,同时水化反应体积的减小将以在内部形成微细孔的形式得到补偿。而毛细孔水的降低使混凝土内部饱和蒸气压也随之降低,即相对湿度将降低,但毛细孔水的减少并没有使水泥石的质量发生损失,这一现象被称为自干燥。可见自干燥对于自收缩的作用机理与干燥收缩在本质上是一致的,即都与失水造成的毛细孔压力有关系,所不同的是两者的失水方式不同。

    值得说明的是自干燥在任何水灰比条件下都有可能发生,只是不同混凝土在表现的程度上有所不同而已。当水灰比较低时,这一微观现象在毛细孔中的普遍发生将表现为宏观上的自收缩;而当水灰比较高时,自干燥现象仅在局部毛细孔中发生,而在宏观上则可以忽略。对于W/C≥0.42的不掺减水剂的普通混凝土,置于干燥环境下的收缩主要是干燥收缩,自收缩可以忽略。应该注意到混凝土早期的这一自收缩量值已经相当大,若再加之水化热引起的温降收缩,单这两个收缩量值之和便很容易超过混凝土的极限拉伸应变,由此也不难理解,当前一些高强高性能混凝土,即使在恒温水养的过程中早期也出现裂缝。

    讲讲塑性收缩裂缝

    塑性收缩开裂出现于混凝土浇筑后数小时内,通常在表面收光前。正如它的名字暗示的那样,这类开裂发生在混凝土尚处于塑性状态时,其原因是混凝土表面收缩引起的。塑性收缩开裂主要发生在混凝土平板结构上,如地坪、楼板、路面等处,也可以发生在其他水平结构的表面,如梁体、基础、和墙体的顶部。

    塑性收缩开裂形成的裂缝大部分为相互平行、长短不一,相距0.3米到1米左右。当然也会看到各种各样其他形状的裂缝,通常不会是贯通裂缝。

    塑性收缩开裂通常都是表层的浅缝,一般对结构的安全没有影响,很少需要维修。但影响观感。另外,也可能对混凝土的耐久性产生负面影响,特别是对钢筋混凝土,潜在的危害更大。



    典型的塑性收缩裂缝





    塑性收缩开裂一般不会形成贯通裂缝

    环境和施工因素

    1、施工环境和施工条件:风速大于10km/hr,相对湿度较低,环境温度和(或)混凝土温度较高等。

    2、养护不正确、不及时、不彻底:养护是避免出现塑性收缩开裂的为简单有效的手段,正确、及时、彻底的养护是唯一能避免出现塑性收缩开裂的办法。

    3、表面抹平和收光的工具和工艺:如果抹平和收光的工具和工艺正确,则可以避免并修复塑性开裂。反之,可能会加剧塑性收缩开裂的严重程度。

    4、气候寒冷或基层温度较低,会影响到混凝土的固化时间,从而加大出现塑性收缩开裂的风险。

    混凝土本身因素

    1、硅酸盐水泥的用量和种类会影响到泌水及内部温度,因此也会影响到塑性收缩开裂出现的几率和严重程度。

    2、矿物外掺料--如粉煤灰、硅粉等,在提高混凝土密实度的同时,也降低了泌水率,因此此类混凝土更易发生塑性收缩开裂。

    3、外加剂的种类和用量,比如缓凝剂延缓了混凝土的固化时间,因此加大了出现塑性收缩开裂的风险。

    4、水灰比过高也会延缓混凝土的固化时间,从而加大出现塑性收缩开裂的风险。


    事实上,塑性收缩开裂往往是多因素所致,而不是单一因素造成的。但控制混凝土表面水分的蒸发速度是避免塑性收缩开裂的重要手段

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