混凝土建筑結(jié)構(gòu)裂縫成因淺析

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摘要：混凝土作為一種重要的建筑材料在各個(gè)行業(yè)得到了廣泛應(yīng)用，但是裂縫問題嚴(yán)重影響了建筑物的安全性和耐久性。本文實(shí)驗(yàn)研究了三種藥劑和水灰比在敞開和密封保濕工況下，混凝土試件的收縮量，從力學(xué)角度分析了收縮量和影響裂縫的影響因素之間的關(guān)系，最后從預(yù)防措施和補(bǔ)救措施兩個(gè)方面提出了裂縫的應(yīng)對(duì)措施，以期為混凝土材料的安全合理使用提供參考。

關(guān)鍵詞：裂縫；混凝土建筑；收縮；實(shí)驗(yàn)研究

1概述

來源廣泛、價(jià)格低廉、強(qiáng)度高、具有防水、耐久性好以及配制過程簡(jiǎn)單、易操作的優(yōu)點(diǎn)使混凝土成為重要的土木材料，廣泛應(yīng)用于房屋建筑、橋梁建設(shè)、公路施工等工程中。但在混凝土建筑的成型過程中，因?yàn)榛炷敛牧媳旧淼囊蛩鼗蛘咄獠凯h(huán)境的因素，混凝土建筑往往因?yàn)槭湛s而會(huì)出現(xiàn)裂縫缺陷，裂縫的出現(xiàn)大大降低了混凝土建筑的強(qiáng)度和耐久性[1-2]。為了減少材料和環(huán)境因素造成的混凝土收縮裂縫，查明裂縫出現(xiàn)原因，本研究通過實(shí)驗(yàn)的方法，對(duì)比了減水劑、減縮劑以及膨脹劑以及水灰比對(duì)混凝土構(gòu)件收縮的影響，基于實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析了混凝土建筑結(jié)構(gòu)裂縫的成因，并提出了相對(duì)應(yīng)的解決措施，以期為混凝土材料的安全合理使用提供參考。

2實(shí)驗(yàn)材料及方法

2.1實(shí)驗(yàn)材料

因?yàn)闇囟取⑺终舭l(fā)等引起的收縮往往是造成混凝土建筑裂縫的主要原因，為了探究不同添加劑和水灰比對(duì)混凝土建筑收縮的影響情況，設(shè)計(jì)了本實(shí)驗(yàn)研究。用到的實(shí)驗(yàn)材料主要有水泥、砂石、碎石、減水劑、減縮劑和膨脹劑。其中水泥的強(qiáng)度等級(jí)為42.5，砂石選用中砂，細(xì)度模數(shù)為2.3，平均粒徑約為0.35mm，石英碎石選擇13石子，粒徑為16~31.5mm，減水劑、減縮劑和膨脹劑分別選擇TA201、ZDD-A和UEA-Y，建議添加量為1.6%、0.6%和8%。實(shí)驗(yàn)過程中需要對(duì)試件的收縮進(jìn)行測(cè)量，除了上述材料外還需要用于試件制備的攪拌機(jī)、阻力測(cè)定儀，測(cè)量溫度變化的熱電偶溫度計(jì)、數(shù)字溫度測(cè)定儀，測(cè)量收縮量的千分表等[3]。

2.2實(shí)驗(yàn)方法

采用單因素控制變量法，實(shí)驗(yàn)研究為了三種添加劑和水灰比，在敞開和密閉保濕工況下，混凝土試件的收縮規(guī)律。如圖1所示，混凝土試件在最內(nèi)層，混凝土外層覆蓋塑料薄膜，薄膜層外側(cè)包覆特富綸板，最外層是剛試膜。在混凝土試件中，埋有剛測(cè)頭，測(cè)頭兩側(cè)分別安裝千分表，用來測(cè)量收縮量。試件的尺寸為0.1m×0.1m×0.5m，特富綸板厚度為0.03m。在敞開工況下，測(cè)試裝置中塑料膜之外的特富綸板和鋼試膜去掉，使其自然干燥；在密閉保持工況下，拆模后在混凝土試件上涂抹凡士林并重新覆蓋塑料薄膜，保證密封性防止與外界發(fā)生濕度交換?？紤]到混合前期混凝土試件具有較高的流變性，因此從混凝土與水混合后5h作為收縮量記錄的起點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)安排如表1所示，考察四個(gè)因素對(duì)混凝土試件的收縮情況，表中材料的用量為單位體積用量并非絕對(duì)用量。考察減水劑因素時(shí)，在敞開和密閉保濕兩種工況下，分別不添加和添加1.6%的TA201減水劑；考察減縮劑因素時(shí)，在敞開和密閉保濕兩種工況下，以添加了減水劑的工況為基準(zhǔn)，分別添加0.8%和1.2%的ZDD-A減縮劑；考察膨脹劑因素時(shí)，在敞開工況下，以添加TA201的混凝土試件為基準(zhǔn)，分別添加膨脹劑和同時(shí)添加膨脹劑與減縮劑；考察水灰比因素時(shí)，則保持水泥量不變，改變水的用量，配置水灰比分別為0.66、0.51、0.42和0.34。

3實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1減水劑對(duì)混凝土收縮的影響

圖1為敞開和保濕兩種工況下，混凝土試件收縮量隨時(shí)間變化曲線。從圖2（a）中可以看出，隨著時(shí)間的增加，試件都有不同程度的收縮；相比于沒有任何添加劑的情況，添加1.6%減水劑時(shí)，混凝土試件的收縮量大幅增加，增幅約為140%。從圖2（b）可以看出，在密封保濕工況下，隨著時(shí)間的增加，無論是否添加減水劑混凝土試件都進(jìn)行了收縮，添加減水劑整體上增加了混凝土試件的收縮量。對(duì)比圖2（a）和圖2（b）可以發(fā)現(xiàn)，敞開工況的收縮量遠(yuǎn)大于密封保濕工況的收縮量，這是因?yàn)橄啾扰c密封保濕，敞開工況的收縮量還包含干燥收縮的影響。3.2減縮劑對(duì)混凝土收縮的影響在添加1.6%減水劑的情況，探究了添加和不添加減縮劑以及添加減縮劑用量對(duì)混凝土試件收縮的影響。從圖3（a）中可以看出，在敞開工況下，減縮劑的添加明顯降低了混凝土的縮減變形，隨著減縮劑用量的增加，混凝土試件縮減的比例增加。圖3（b）也表現(xiàn)出了類似的結(jié)果，這說明在敞開或者密封保濕的工況下，減縮劑均能降低混凝土建筑的收縮，收縮量的降低，可有效防止裂縫的形成。

3.3膨脹劑對(duì)混凝土收縮的影響

膨脹劑可以有效防止混凝土建筑的收縮，起到防止裂縫發(fā)生的作用。從減水劑和減縮劑對(duì)混凝土試件收縮規(guī)律可以發(fā)現(xiàn)，敞開或者密封不影響藥劑的作用規(guī)律；另一方面，膨脹劑還可能和縮水劑配合使用，因此這部分研究了減水劑+膨脹劑和減水劑+減縮劑+膨脹劑兩種工況下，膨脹劑對(duì)混凝土收縮的影響，其中減水劑用量為1.6%。從圖4（a）和圖4（b）中可以看出，膨脹劑的使用明顯減小了混凝土試件的收縮量。對(duì)比（a）和（b）兩圖可以發(fā)現(xiàn)，除去減水劑的作用，減縮劑+膨脹劑對(duì)混凝土收縮量的降低明顯大于膨脹劑單作用時(shí)的效果，這說明雙摻可以有效減少混凝土的收縮，起到防止裂縫發(fā)生的作用。

4裂縫原因分析與應(yīng)對(duì)措施

宏觀來說，裂縫的形成原因與混凝土本身的強(qiáng)度、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性以及施工過程等有關(guān)系，但從力學(xué)角度來看，裂縫的形成主要是混凝土在干燥過程中，因?yàn)樽允湛s、干燥收縮和熱收縮等因素在混凝土建筑中產(chǎn)生的應(yīng)力大于混凝土所能承受的應(yīng)力[4]。因此收縮量在一定程度上決定了混凝土裂縫的發(fā)生概率和裂縫程度，收縮量越大，越容易產(chǎn)生裂縫；反之，越不容易產(chǎn)生裂縫。另外，許多收縮裂縫的計(jì)算、毛細(xì)孔負(fù)壓的計(jì)算等均與收縮量有關(guān)，因此從收縮量分析裂縫的產(chǎn)生具有較高的可信度[5]。溫度收縮ε1一般假設(shè)與溫度成正比，可通過公式（1）計(jì)算，α為溫度收縮系數(shù)一般為8~12×10-6，假設(shè)試件溫度變化范圍為40℃，則試件溫度收縮量為3.2~4.8×10-4[6]。（1）本研究中密封保濕過程可認(rèn)為混凝土試件沒有發(fā)生干燥收縮，主要由自收縮和溫度收縮構(gòu)成，忽略溫度收縮則可認(rèn)為密封保濕過程的收縮即為自收縮。而敞開工況得到的收縮量則由三個(gè)收縮量共同構(gòu)成，同行忽略溫度收縮的影響，可認(rèn)為敞開收縮由自收縮和干燥收縮組成。假設(shè)密封保濕和敞開工況下試件的收縮量分別為εm和εc，則自收縮量ε2和干燥收縮量ε3可通過公式（2）和（3）分別計(jì)算得到。（2）（3）通過實(shí)驗(yàn)部分的結(jié)果可以看出，對(duì)于敞開工況，添加和不添加減水劑時(shí)，混凝土試件的收縮量變化值約為4.0×10-4；添加減縮劑和不添加減縮劑時(shí)，混凝土試件的收縮量變化值為2.0×10-4；添加膨脹劑后混凝土試件的收縮量變化值約為0.5×10-4；水灰比變化時(shí)，混凝土試件的收縮量變化值約為1.5×10-4。通過以上數(shù)值的對(duì)比，可以看出溫度變化和減水劑作用效果相當(dāng)，減縮劑對(duì)收縮量的貢獻(xiàn)與水灰比相當(dāng)，膨脹劑的影響最小。因此。對(duì)裂縫形成的貢獻(xiàn)排序?yàn)椋簻p水劑>溫度變化>減縮劑>水灰比>膨脹劑。對(duì)于密封保濕養(yǎng)護(hù)工況，在添加和不添加減水劑時(shí)，混凝土試件的收縮量變化值約為0.2×10-4；添加減縮劑和不添加減縮劑時(shí)，混凝土試件的收縮量變化值為0.12×10-4；水灰比變化時(shí)，混凝土試件的收縮量變化值約為2.0×10-4。通過以上數(shù)據(jù)對(duì)比，可以發(fā)現(xiàn)在密封保濕時(shí)，對(duì)裂縫形成的貢獻(xiàn)排序?yàn)椋簻囟茸兓?gt;水灰比>減水劑>減縮劑?？偟膩硭?，養(yǎng)護(hù)方式對(duì)混凝土裂縫的發(fā)生具有重要影響，當(dāng)養(yǎng)護(hù)方式相同時(shí)，減水劑、溫度變化、減縮劑、水灰比、膨脹劑對(duì)裂縫的形成重要程度不一。但整體上，溫差較大時(shí)，溫度的影響最重要，當(dāng)溫差變化不大時(shí)，三種添加劑對(duì)裂縫影響最大的是減水劑，其次是減縮劑，最后是膨脹劑。水灰比的影響與養(yǎng)護(hù)方式相關(guān)，敞開時(shí)水灰比的影響小于藥劑的作用，密封保濕時(shí)水灰比的影響大于藥劑。

5結(jié)論

以混凝土試件為對(duì)象，通過實(shí)驗(yàn)的方法研究了敞開和密封保濕工況下，減水劑、減縮劑、膨脹劑以及水灰比對(duì)收縮量的影響規(guī)律，對(duì)裂縫的產(chǎn)生原因進(jìn)行了分析，并提出了相應(yīng)的應(yīng)對(duì)措施，得到如下結(jié)論：

5.1研究了減水劑、減縮劑、膨脹劑、水灰比因素對(duì)混凝土收縮涼的影響規(guī)律。

5.2從力學(xué)角度，通過收縮量指標(biāo)分析了上述四個(gè)因素對(duì)混凝土裂縫產(chǎn)生的貢獻(xiàn)。

5.3針對(duì)混凝土產(chǎn)生裂縫的原因，從預(yù)防性措施和補(bǔ)救措施兩個(gè)角度提出了應(yīng)對(duì)裂縫的建議。

作者:王玉虎 單位:北京鐵研建設(shè)監(jiān)理有限責(zé)任公司