大体积混凝土裂缝产生的原因和处理方法

前文我们说过《普通混凝土产生裂缝的原因》和《混凝土混凝土裂缝的处理方法》,今天我们来看看,大体积混凝土产生裂缝的原因和处理方法

[buy]大体积混凝土结构中,由于结构截面大,水泥用量多,水泥水化所释放的水化热会产生较大的温度变化和收缩作用,由此形成的温度收缩应力是导致钢筋混凝土产生裂缝的主要原因。这种裂缝有表面裂缝和贯通裂缝两种。表面裂缝是由于混凝土表面和内部的散热条件不同,温度外低内高,形成了温度梯度,使混凝土内部产生压应力,表面产生拉应力,表面的拉应力超过混凝土抗拉强度而引起的。贯通裂缝是由于大体积混凝土在强度发展到一定程度,混凝土逐渐降温,这个降温差引起的变形加上混凝土失水引起的体积收缩变形,受到地基和其他结构边界条件的约束时引起的拉应力,超过混凝土抗拉强度时所可能产生的贯通整个截面的裂缝。这两种裂缝不同程度上,都属有害裂缝。[/buy]

一、原因分析

高强度的混凝土早期收缩较大,这是由于高强混凝土中以30%~60%矿物细掺合料替代水泥,高效减水剂掺量为胶凝材料总量的1%~2%,水胶比为0.25~0.40,改善了混凝土的微观结构,给高强混凝土带来许多优良特性,但其负面效应最突出的是混凝土收缩裂缝几率增多。高强混凝土的收缩,主要是干燥收缩、温度收缩、塑性收缩、化学收缩和自收缩。混凝土初现裂纹的时间可以作为判断裂纹原因的参考:塑性收缩裂纹大约在浇筑后几小时到十几小时出现;温度收缩裂纹大约在浇筑后2到10d出现;自收缩主要发生在混凝土凝结硬化后的几天到几十天;干燥收缩裂纹出现在接近1年龄期内。

01、干燥收缩

当混凝土在不饱和空气中失去内部毛细孔和凝胶孔的吸附水时,就会产生干缩,高性能混凝土的孔隙率比普通混凝土低,故干缩率也低。

02、塑性收缩

塑性收缩发生在混凝土硬化前的塑性阶段。高强混凝土的水胶比低,自由水分少,矿物细掺合料对水有更高的敏感性,高强混凝土基本不泌水,表面失水更快,所以高强混凝土塑性收缩比普通混凝土更容易产生。

03、自收缩

密闭的混凝土内部相对湿度随水泥水化的进展而降低,称为自干燥。自干燥造成毛细孔中的水分不饱和而产生负压,因而引起混凝土的自收缩。高强混凝土由于水胶比低,早期强度较快的发展,会使自由水消耗快,致使孔体系中相对湿度低于80%,而高强混凝土结构较密实,外界水很难渗入补充,导致混凝土产生自收缩。高强混凝土的总收缩中,干缩和自收缩几乎相等,水胶比越低,自收缩所占比例越大。与普通混凝土完全不同,普通混凝土以干缩为主,而高强混凝土以自收缩为主。

04、温度收缩

对于强度要求较高的混凝土,水泥用量相对较多,水化热大,温升速率也较大,一般可达35~40℃,加上初始温度可使最高温度超过70~80℃。一般混凝土的热膨胀系数为10×10-6/℃,当温度下降20~25℃时造成的冷缩量为2~2.5×10-4,而混凝土的极限拉伸值只有1~1.5×10-4,因而冷缩常引起混凝土开裂。

05、化学收缩

水泥水化后,固相体积增加,但水泥-水体系的绝对体积则减小,形成许多毛细孔缝,高强混凝土水胶比小,外掺矿物细掺合料,水化程度受到制约,故高强混凝土的化学收缩量小于普通混凝土。
当混凝土发生收缩并受到外部或内部约束时,就会产生拉应力,并有可能引起开裂。对于高强混凝土虽然有较高的抗拉强度,可是弹性模量也高,在相同收缩变形下,会引起较高的拉应力,而由于高强混凝土的徐变能力低,应力松弛量较小,所以抗裂性能差。

二、大体积混凝土有害、无害裂缝判别标准

原则上与核安全有关的钢筋混凝土不允许出现裂缝,尤其是反应堆厂房底板、安全壳筒身及穹顶、汽轮机厂房蜗壳泵等重要部位严禁产生裂缝,其他部位应尽可能控制裂缝的产生。但是由于各种原因不可避免的产生各种裂缝,为了明确当混凝土出现裂缝时如何判别其是否有害、无害?为此,福清核电各单位(业主、监理、工程公司、施工单位)经过认真研讨,确定了混凝土裂缝判别标准:

1、无害裂缝:

δf≤0.3mm 深度h≤0.5H
δf≤0.2mm 贯穿(自愈性)
1.0mm≥δf>0.3mm L≤0.1B

2、有害裂缝(满足下列条件之一):

δf>0.3mm 纵深裂缝、 h>0.5H;
δf>0.2mm 贯穿全截面;
裂缝影响使用功能(有渗透、透气、透射线等要求,且满足其中之一即可);
δf>0.3mm 非贯穿,可能引起钢筋锈蚀裂缝;
降低结构承载力的裂缝。

3、各符号的含义:

Δf——裂缝宽度 L——裂缝长度
h——裂缝深度 H——裂缝深度
B——沿裂缝长方向的结构宽度,如浇筑后的沉缩(塑性裂缝)

三、无害裂缝处理方法

1、二次压面法

对于新浇混凝土收缩裂缝,该裂缝多在新浇筑并暴露于空气中的结构构件表面出现,有塑态收缩、沉降收缩、干燥收缩、碳化收缩、凝结收缩等收缩裂缝,这种裂缝不深也不宽,处理方法如下:
(1)如混凝土仍有塑性,可采取压抹一遍的方法,并加强养护。
(2)如混凝土已硬化,可向裂缝内渗入水泥浆,然后用铁抹子抹平压实。

2、表面涂抹砂浆法

处理时将裂缝附近的混凝土表面凿毛或沿裂缝凿成深15—20mm宽100—200mm凹槽,扫净并洒水湿润。先刷水泥净浆(业主批准适用的界面剂)一度,然后用1:1~2水泥砂浆分2~3层,涂抹总厚10~20mm压光。有渗漏水时,应用水泥净浆(厚2mm)和1:2.5水泥砂浆(厚4-5mm,可惨入1—3%于水泥重量的氯化铁防水剂)交替抹压4-5层,涂抹后3-4小时进行覆盖并洒水养护。
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3、表面涂抹环氧胶泥(或粘贴环氧玻璃布)法

涂抹前,将裂缝附近表面清洗干净(油污应用丙酮或二甲苯擦洗净)、干燥。较宽裂缝用环氧胶泥填塞,并将胶泥均匀地涂刮压裂缝表面,宽80-100mm。基层干燥有困难时可以用环氧煤焦油胶泥。需要粘贴环氧玻璃布时,先将玻璃布脱钠、干燥,视具体情况可作成一布二油(或二布三油,第二层布的周围应比下一层宽10~15mm)。

4、表面凿槽嵌补法

当裂缝稀少,但深度较深时,沿混凝土裂缝凿一条V型或U型槽,槽内表面应修理平整,清洗干净,并保持槽内干燥。槽内嵌入刚性材料如水泥砂浆、环氧胶泥,或填灌柔性材料如聚氯乙烯胶泥、沥青油膏等密封。密封材料嵌入前,先涂刷与嵌填材料混凝土性质的稀释涂料(表面可作砂浆保护层或不作保护层),具体做法见图1。

图1 表面凿槽修补裂缝的处理方法
(a) 一般裂缝处理 (b)渗水裂缝处理 (c)活动裂缝处理 (d)活动裂缝扩展后的情况 1—裂缝; 2—水泥砂浆或环氧胶泥; 3—聚氧乙烯; 4—1:2.5水泥砂浆或刚性防水五层做法;5—密封材料;6—隔离缓冲区;B—槽宽;δ—裂缝活动距离
注:对于施工缝表面的裂缝,处理时可在与其连接的施工段混凝土浇筑前,按表面凿槽嵌补法的要求在裂缝位置处凿V型或U型槽,该槽内不再填充其他填充物,由该连接施工段浇筑的结构混凝土填充,以保证施工缝处混凝土。

5、表面贴条法

对于裂缝移动范围不限于一个平面并有防水要求不便凿槽修补的活裂缝,可将一条具有柔性的聚丁橡胶密封条置于裂缝上面,用聚丁橡胶粘结剂将周边粘结于混凝土上(见图2),使密封条中部能随裂缝活动而自由活动,长的裂缝可分段为粘结,分段为密封条的连接采用聚丁橡胶粘贴搭接,搭接处上下压搓应切成斜面搭接,长度100mm。

图2 柔性密封带表面粘贴
1—裂缝 2—油毡或塑料隔离层;3—聚丁橡胶密封条;4—粘结剂

四、有害裂缝处理方法

1、水泥灌浆法

——钻孔:采用风钻钻孔,孔距1-1.5m除浅孔采用骑缝孔外一般占孔轴线与裂缝呈30—45·斜角(见图3),孔深应穿过裂缝面0.5m以上,当钻孔有两排或两排以上时,宜交叉或呈梅花形布置。

图3钻孔示意
1—裂缝,2—齐缝口,3—斜孔
——冲洗:钻孔完毕后,应用水冲洗,按竖向排列自上而下逐孔进行。
——密封:缝面冲洗净后,在裂缝表面用1:1~2水泥砂浆或环氧胶泥涂抹。
——埋管:一般用ø19-38的钢管作灌浆管(钢管上端加工丝扣),安装前在钢管外壁用生胶带缠紧,然后旋入孔中,孔中管壁周围的空隙用水泥砂浆或硫磺砂浆封堵,以防冒浆或灌浆管冲孔中脱出。
——试压:用0.1-0.2MPa压力水作渗水试验,采取灌浆孔压水,排水孔排水的方法检查裂缝和管路畅通情况,然后关闭排气孔检查止浆堵漏效果,并湿润缝面,以利粘结。
——灌浆:合格的经设计批准使用的填缝用注射性水泥,水泥净将水灰比为0.4,灌浆压力0.3—0.5MPa。在整条裂缝处理完毕后,孔内应充满净浆,并填入净砂用棒捣实。

2、化学灌浆法

——钻孔:采用风钻钻孔,孔距1-1.5m除浅孔采用骑缝孔外一般占孔轴线与裂缝呈30—45·斜角(见图3),孔深应穿过裂缝面0.5m以上,当钻孔有两排或两排以上时,宜交叉或呈梅花形布置;
——密封:缝面冲洗净后,在裂缝表面用1:1~2水泥砂浆或环氧胶泥涂抹。
——埋管:一般用ø19-38的钢管作灌浆管(钢管上端加工丝扣),安装前在钢管外壁用生胶带缠紧,然后旋入孔中,孔中管壁周围的空隙用水泥砂浆或硫磺砂浆封堵,以防冒浆或灌浆管冲孔中脱出。
—试压:用0.2-0.3MPa压缩空气进行压力实验;
——灌浆:采用环氧树脂浆液进行灌浆。

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