靳 龍 李永波 李云朋
中國建筑第七工程局有限公司華北公司(300000)
自從20世紀70年代末我國混凝土施工工藝產(chǎn)生了巨大的進步—泵送商品混凝土工藝。從過去的干硬性、低動性、現(xiàn)場攪拌混凝土轉(zhuǎn)向集中攪拌、大流動性泵送澆筑,水泥用量增加,水灰比增加,砂率增加,骨料粒徑減小,用水量增加等導致收縮及水化熱增加。
建筑結(jié)構(gòu)混凝土強度等級日趨提高,但有許多結(jié)構(gòu)不適當?shù)倪x擇了過高的強度等級。習慣上認為:“強度等級越高安全度越大,就高不就低,提高強度等級沒壞處”。有時遷就施工方便,采用高強混凝土,這是一種誤導,導致水泥標號增加,水泥用量增加,水用量增加,細骨料及粗骨料徑偏小,砂率偏大等都使水化熱及收縮增加。
結(jié)構(gòu)規(guī)模日趨增大,結(jié)構(gòu)形式日趨復雜,超長超厚及超靜定結(jié)構(gòu)成為經(jīng)常采用結(jié)構(gòu)形式并采用現(xiàn)澆施工,這種結(jié)構(gòu)形式有顯著的約束作用,對于各種變形作用必然引起較大約束應力。
外加劑及摻合料種類繁多,只有強度指標缺乏對水化熱及收縮變形影響的長期實驗資料,有些試驗資料并不嚴格,有許多外加劑嚴重的增加收縮變形,有的甚至降低耐久性。
國內(nèi)外結(jié)構(gòu)設計中都經(jīng)常忽略構(gòu)造鋼筋的重要性,因而經(jīng)常出現(xiàn)構(gòu)造性裂縫。結(jié)構(gòu)設計中經(jīng)常忽略結(jié)構(gòu)約束性質(zhì),不善于利用“抗與放”的設計原則,缺乏相應的設計施工規(guī)范、規(guī)程。
目前在混凝土施工中采用的養(yǎng)護方法基本沿用過去簡易的方法,這種方法已遠不適應泵送混凝土的較大溫度收縮變形的要求。
這種裂縫在抗力方面都是由于混凝土抗拉性能不足(抗拉強度和極限拉伸)引起的,這方面的材料級配研究很少。
綜合上述,國際公認泵送商品混凝土對混凝土的質(zhì)量(均質(zhì)性)有很大的提高,對供應方式有重要的改進,但是對混凝土的裂縫控制的難度大大增加了。因此,這類問題不是我國特有的技術(shù)問題,是國際上鋼筋混凝土的共性難題。
在工民建領(lǐng)域,大部分結(jié)構(gòu)構(gòu)件(板墻梁等構(gòu)件)均屬薄壁結(jié)構(gòu),泵送混凝土澆筑的構(gòu)件收縮量很大,因此經(jīng)常出現(xiàn)收縮裂縫?;炷恋氖湛s機理至今尚未統(tǒng)一,但大多數(shù)的研究成果認為混凝土是具有大量孔隙的材料。
養(yǎng)護條件對混凝土的收縮影響很大,養(yǎng)護14 d的收縮比養(yǎng)護3 d的收縮降低約20%。環(huán)境的相對濕度越高,收縮越小,許多結(jié)構(gòu)所處的環(huán)境濕度波動很大,如最低30%~40%,最高達80%~90%。環(huán)境溫度越高,風速越大,收縮越大,高空澆灌容易引起開裂,如高架橋梁及橋墩。
混凝土的配筋對于收縮值起一定的約束作用,但是與配筋率的高低有關(guān),按目前構(gòu)造配筋率的情況看來,降低收縮的影響是比較小的。根據(jù)泵送商品混凝土的收縮試驗,其收縮值約在 6×10-4~8×10-4,有的試驗還遠遠超過了這個數(shù)量,有些大橋的橋墩和高層建筑的厚壁立柱由于施工質(zhì)量及過大的坍落度,形成了中部骨料多,外部或上表面砂漿厚,從而形成極不均勻的收縮,砂漿和水泥漿的收縮比混凝土的收縮大約增加2~5倍,并由于表面水份蒸發(fā)快從而形成大面積的表面裂縫?;炷链旨毠橇系暮嗔亢头哿虾慷荚黾邮湛s。
混凝土的徐變機理也有許多種,如彈性徐變理論、老化徐變理論、繼效徐變理論等等。作為工程裂縫控制的應用,我們只能應用其中主要的成果,以常系數(shù)的形式,考慮在彈性計算的結(jié)果中,從而簡化非線形分析。由于混凝土的徐變作用,給鋼筋混凝土和預應力鋼筋混凝土帶來有利和不利兩方面的影響。從不利方面來看,它可以造成預應力損失,增加撓度,降低鋼筋和混凝土的粘著力等。從有利方面來看,可以使彈性的溫度收縮應力大大的松弛,根據(jù)變形速率及混凝土齡期,它對應力降低的程度約0.3~0.8倍,保溫保濕養(yǎng)護越好,降溫越慢,松弛系數(shù)越小,具體數(shù)字可參考文獻[1-2]。
泵送混凝土澆筑后,其抗壓強度和抗拉強度都隨著時間而增長,但增長的速率,抗拉滯后于抗壓,水泥標號的提高及水泥用量的增加,對抗壓強度增長較為顯著,而對抗拉強度增長較小。
相對變形約束應力,混凝土的極限拉伸尤為重要,國內(nèi)外曾進行過一些試驗研究。通過對雙摻(減水劑及粉煤灰)混凝土的抗拉試驗,發(fā)現(xiàn)混凝土隨著荷載速率及養(yǎng)護條件,其極限拉伸和抗拉強度波動很大,在極慢速(接近實際溫度和濕度緩慢變化速度)條件下,其極限拉伸可達(2~3)×10-4,顯然這里包含了徐變變形,這對溫度收縮應力是很有利的(在強度計算中用松弛系數(shù)乘以彈性應力與按變形計算增加極限拉伸是等同的)。
特別值得注意的是,混凝土中的較大含泥量及其它雜質(zhì)可以明顯地降低混凝土的抗拉性能,有的混凝土骨料中混入了有害膨脹物引起混凝土的崩裂,因此要求泵送混凝土必須遵循“精料供應”的原則。
合理的配筋,特別是構(gòu)造配筋,細一點密一點可以提高混凝土的極限拉伸。
鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的裂縫是不可避免的,但其有害程度是可以控制的,有害與無害的界限是由結(jié)構(gòu)使用功能決定的。裂縫控制的主要方法是通過設計、施工、材料等方面綜合技術(shù)措施將裂縫控制在無害范圍內(nèi)。綜合技術(shù)措施包括:合理選擇結(jié)構(gòu)形式,降低結(jié)構(gòu)約束程度,對與水平構(gòu)件梁、板、墻等采用中低強度級混凝土,加強構(gòu)造配筋,如板頂部的受壓區(qū)連續(xù)配筋,板的陽角及陰角配置放射筋,增加梁的腰筋間距200 mm。優(yōu)選有利于抗拉性能的混凝土級配,盡力減小水灰比、減少坍落度、降低砂率增加骨料粒徑,降低含泥量及雜質(zhì)含量。選用影響收縮和水化熱較小的外加劑和摻合料。采取保溫保濕的養(yǎng)護技術(shù),盡量利用混凝土后期強度(60 d)。對于超長結(jié)構(gòu)可采取跳倉澆灌或后澆帶方法施工。對于復雜的結(jié)構(gòu)難免出現(xiàn)少量裂縫影響正常使用和耐久性。裂縫分為表面裂縫、淺層裂縫、縱深裂縫(深層裂縫)、貫穿裂縫等。少量有害裂縫采用近代化學灌漿技術(shù)處理,滿足設計使用和耐久性要求,不應因此降低工程質(zhì)量評定標準。
為保證混凝土工程質(zhì)量,防止開裂,提高混凝土的耐久性,正確使用外加劑也是減少開裂的措施之一。
1)混凝土中存在大量毛細孔道,水蒸發(fā)后毛細管中產(chǎn)生毛細管張力,使混凝土干縮變形。增大毛細孔徑可降低毛細管表面張力,但會使混凝土強度降低。這個表面張力理論早在20世紀60年代就已被國際上所確認。
2)水灰比是影響混凝土收縮的重要因素,使用減水防裂劑可使混凝土用水量減少25%。
3)水泥用量也是混凝土收縮率的重要因素,摻加減水防裂劑的混凝土,在保持混凝土強度的條件下可減少15%的水泥用量,其體積用增加骨料用量來補充。
4)減水防裂劑可以改善水泥漿的稠度,減少混凝土泌水,減少沉縮變形。
5)提高水泥漿與骨料的粘結(jié)力,可提高混凝土的抗裂性能。
6)混凝土在收縮時受到約束產(chǎn)生拉應力,當拉應力大于混凝土抗拉強度時,裂縫就會產(chǎn)生。減水防裂劑可有效的提高混凝土抗拉強度,大幅提高混凝土的抗裂性能。
7)摻加外加劑可使混凝土密實性好,可有效地提高混凝土的抗碳化性,減少碳化收縮。
8)摻減水防裂劑后混凝土緩凝時間適當,在有效防止水泥迅速水化放熱基礎上,避免因水泥長期不凝而帶來的塑性收縮增加。
9)摻外加劑混凝土和易性好,表面易摸平,形成微膜,減少水分蒸發(fā),減少干燥收縮。
許多外加劑都有緩凝、增加和易性、改善塑性的功能,我們在工程實踐中應多進行這方面的試驗對比和研究,比單純的靠改善外部條件,會更加簡捷、經(jīng)濟。