中国科技期刊数据库 工业 A 2016 年 12 月 10 319 混凝土管片裂缝问题分析 聂春鹏 沈阳市政地铁管片有限公司,辽宁 沈阳 110166 摘要:混凝土作为多组材料组成的脆性材料,开裂可以说是“常发病”和“多发病”。该文针对混凝土管片裂缝的常见类型,从生产和施工角度按照裂缝出现时间先后顺序的全新方式分析了产生的原因,详细论述了缓解和减少裂缝的预防方法及措施。 关键词:混凝土管片;裂缝;原因分析;预防 中图分类号:U454 文献标识码:A 文章编号:1671-5799(2016)12-0319-02 混凝土管片作为一种尺寸精度和耐久性都有较高要求的混凝土预制衬砌,裂缝宽度不得超过 0.2mm[1] ,但由于专业性较强等客观原因对管片裂缝的认识主要来自商品混凝土裂缝的经验及文献资料等宏观方面,近几年随着城市轨道交通和管廊工程建设步伐不断加快,研究混凝土管片裂缝具有重要的理论和现实意义。笔者根据自己的实际工作经验,通过对混凝土管片配合比、生产工艺和盾构推进过程等方面的试验研究和摸索改进,分析了管片裂缝产生的机理,总结出减少混凝土管片出现概率的经验,以便生产、施工技术管理人员在分析和控制混凝土管片裂缝方面作为参考。 1 混凝土管片裂缝类型:非结构性裂缝、结构性裂缝 1.1 非结构性裂缝 由混凝土变形引起的,成因复杂而繁多,甚至多种因素相互影响,有时会融合在一起,在管片裂缝中常见的有相当部分都是由于混凝土收缩而造成的。 1.1.1 沉缩裂缝 一般在混凝土浇筑后 1~3 小时发生,沿钢筋水平分布的裂缝居多,呈两端细中间粗的枣核状。 1.1.2 塑性收缩裂缝 一般在干热或大风天气时出现较多,裂缝形态与沉缩裂缝相似,多呈中间宽、两端细且长短不一,互不连贯状态。易以龟裂形式出现在管片外弧面, 并且在刚脱模时就会存在。 1.1.3 自生收缩裂缝 低水胶比的高性能混凝土在没有温度变化,没有和外界发生水分交换,也不受力条件下,宏观上表现出来体积缩小的自生变形裂缝,主要发生在脱模前后的早期,使混凝土管片在一开始就出现大量微裂纹,后续有可能发展为贯通裂缝。 1.1.4 温度裂缝 混凝土在升降、温过程产生的温度裂缝在管片中比较常见,冷却时的温缩裂缝出现的几率更多些,宽度冬季较宽,夏季较窄,形态为枣核状。 1.1.5 干缩裂缝 在混凝土硬化后,随周围介质温度、湿度变化而发生的干燥失水产生的变形裂缝,多为表面性的平行线状或网状浅细裂缝,宽度多在 0.05~0.2mm 之间,走向没有规律。干缩裂缝通常会影响混凝土的抗渗性,引起钢筋的锈蚀影响混凝土的耐久性,在水压力的作用下会产生水力劈裂影响混凝土的承载力。干缩仅仅是混凝土硬化后阶段发生,属于后期裂缝。 1.2 结构性裂缝 由外荷载引起的,也称荷载裂缝或受力裂缝,这种裂缝规律性极强,一般通过计算分析可以得出确切的结论。荷载裂缝在隧道衬砌混凝土病害中占有的比例逐年增大,已经引起了广大工程技术人员的重视。 2 2 管片 裂缝形成 影响因素、机理 分析 混凝土开裂的本质在于其粒子与粒子之间仅存在弱物理键的相互作用,抗拉强度比抗压强度要小一个数量级甚至更多,而且强度等级越高混凝土徐变就越小、延伸性就越差、脆性越大进而越易开裂。管片的两类裂缝有明显区别,危害程度也不尽相同,但每一条裂缝均有其产生的一种或几种主要原因,考虑目前研究情况和各因素对管片裂缝的影响程度,主要讨论以下几个方面: 2.1 非结构性裂缝产生的 主要原因 2.1.1 沉缩裂缝 (1)管片表面为弧形,使混凝土在自身重力作用下,表现出微弱的自流性,顶部混凝土位移比两端大,产生较大的拉应力[2] ,如果混凝土水胶比及混凝土流动性过大,将使混凝土凝结时间过长并产生明显泌水下沉,同时骨料因自重下沉,若受到钢筋阻挡,便形成沿钢筋方向的裂缝。实际管片生产过程中收水时为了抹面方面喷水的现象比较普遍,造成表面水胶比明显增大,容易在浇筑数小时后在混凝土表面出现不规则裂缝的现象; (2)浇筑过快,振捣不充分,混凝土未沉实或沉实不均匀,而在不均匀的地方凝固速度就不可能相同,就会形成一定数量的小裂缝。 2.1.2 塑性收缩裂缝 (1)水泥活性大水化反应激烈,分子链逐渐形成时混凝土的泌水明显减少,浇筑后表面如受高温或较大风力的影响,表面水分向外蒸发过快不能及时得到补充,造成毛细管中产生较大的负压而使混凝土体积失水急剧收缩,而此时混凝土尚处在塑性状态,表面抗拉强度的发展滞后于收缩拉应力的发展,稍微受到一点拉力,表面抗拉强度不足以抵抗收缩所产生的拉应力而出现分布不均匀的塑性收缩开裂。出现裂缝以后,混凝土体内的水分蒸发进一步加大,于是裂缝进一步扩展; (2)水胶比太低,管片混凝土体内自由水少,矿物细粉和水化生成物又迅速填充毛细孔,阻碍泌水上升,因此表面更易于出现塑性收缩裂缝; (3)收光方法不当,收光没有使用木板先抹出水泥浆,而直接使用表面光滑的铁板抹面,导致混凝土表面凸凹不平、水泥浆分布不均匀,收缩拉应力不均衡[2] ,管片外弧面最后一次收光时间结束太早,而覆盖时间又太晚或者最后一次收光收得太晚,管片表层失水,硬化速度大于泌水渗出时(已经形成蛋壳状)会造成更多的龟裂现象,这在当时是看不出来的,有些厂家(监理)过于追求外弧面光滑,最易出现这种龟裂。 2.1.3 自生收缩裂缝 (1)存在错误认识误区,觉得强度越高管片性能越好,增加了单位体积水泥用量,或为了加快模具周转速度而采用偏细水泥,造成水泥水化反应速度和程度加大,加快了混凝土化学收缩,体现在外观体积减小增速明显而开裂; (2)采用偏低水胶比的混凝土配合比,然而水胶比越低,混凝土中可供水泥水化的自由水就越少,使混凝土在早期就可能产生自干燥而引起自收缩[3] 。 2.1.4 温度收缩裂缝 (1)混凝土硬化期间由于水泥水化放热产生的温升而膨胀,到达峰值后降温时产生收缩变形,升温时由于混凝土模量还很低,只产生较小的压应力,且因徐变作用而松弛;降温期收缩变形因弹性模量增长,而松弛作用减小,受约束时形成大得多的拉应力,当超过抗拉强度(断裂能)时出现开裂比较普遍; (2)蒸养时升降温梯度过快以及水养时温差超过 20℃时,管片内部和表面的温差陡变而使混凝土内外凝固收缩不同步,再加上管片的形状原因以及配筋限制会发生不规则的 学术争鸣 320 2016 年 12 月 10 变形,若变形遭到约束则在管片内产生应力,当应力超过混凝土抗拉强度即产生温度裂缝,特别是管片外弧面上和止水槽外几厘米的位置更严重。 2.1.5 干缩裂缝 (1)硬化混凝土与周围环境存在湿度梯度,引起水分逐渐向外蒸发迁移,使水泥石中的凝结胶体干燥收缩产生变形。由于混凝土内外水分蒸发程度不同而导致变形不同:管片表面水分损失过快变形较大,内部湿度变化较小变形较小,较大的表面干缩变形应力值超过混凝土内部抗拉强度的约束时,就会出现干缩裂缝; (2)管片在进洞前露天存放时的相对湿度偏低,湿度越低,水泥浆体干缩越大,越易增加裂缝出现的几率。 2.2 结构性 裂缝 产生的主要原因 (1)脱模时方法不当(受震)或过早脱模使较低强度混凝土管片超负荷承受外力; (2)管片环面不平整,盾构机千斤顶作用于管片上将产生较大的劈裂力矩而造成管片开裂[4] ; (3)盾构机姿态与管片姿态相互关系不一致,不能保持理想状态,引起管片受力不均匀,从而导致管片应力集中的部位开裂。 3 3 混凝土裂缝的 预防控制措施 3.1 非结构性裂缝 3.1.1 沉缩裂缝 (1)在满足管片施工工作性要求的情况下尽量减小坍落度,适当放慢灌注速度,加强过程监督控制,严禁抹面时喷水现象发生; (2)混凝土灌注过程中必须振捣密实,振捣捧要快插慢拔,根据混凝土不同的坍落度正确掌握振捣时间,避免过振或漏振; (3)提倡采用二次振捣、二次抹面收水压实技术,以排除混凝土泌水、内部的水分和气泡,减少内部微裂缝和气孔,提高混凝土的密实度、均质性和抗裂性。 3.1.2 塑性收缩裂缝 (1)采用细度适当的水泥,尽量减少水泥及水的用量; (2)浇筑混凝土之后,严格控制收光工艺(时间、次数、工具等),最后一次收面后还应及时覆盖塑料薄膜或者潮湿的草垫、麻片等,防止脱落及漏角,保持混凝土终凝前表面湿润,避免混凝土早期脱水; (3)积极采用补偿收缩混凝土技术,可在混凝土中掺用膨胀剂来补偿混凝土的收缩,对膨胀剂应充发考虑到不同品种、不同掺量所起到的不同膨胀效果,膨胀剂掺量为水泥用量的 8%~12%,具体掺量需经过大量的试验确定膨胀剂的最佳掺量。实践证明,掺加适量的膨胀剂可以补偿混凝土的收缩,增加密实度,提高混凝土防渗抗裂能力效果是很好的。 3.1.3 自生收缩裂缝主要预防措施 (1)在满足管片强度和生产进度的情况下,合理控制水泥用量和细度; (2)通过试配优选合适水胶比,保证水化反应足够水量。 3.1.4 温度收缩裂缝主要预防措施 (1)水泥的细度不宜太细,尽量减少单位水泥用量,不同品牌、不同规格、不同批次的不得混用; (2)在水泥中掺入原状或磨细粉煤灰后,可以降低混凝土中水泥的水化热,推迟水化热峰值的出现,减少绝热条件下的温升,有利于控制温度裂缝的产生。粉煤灰掺量一般为水泥用量的 15%~20%; (3)羧酸高性能减水剂能够有效减少拌合用水,降低水化热,延缓水化热释放速度,从而减少温度裂缝,但掺量过多,会引起混凝土的肿胀和开裂,施工时必须慎重选择外加剂的品种和掺量; (4)加大粗骨料粒径; (5)夏季施工尽量避免高温的中午时间,控制混凝土的入模温度。管片蒸养升温速度控制在 10~15°C/h;降温速度每小时不得超过 20℃,管片表面温度与水温相差不超过20℃才可起吊管片至水池中养生。 3.1.5 干缩裂缝主要预防措施 (1)选用收缩量较小的水泥,一般采用中低热水泥和粉煤灰水泥,降低水泥的用量; (2)是严格控制混凝土搅拌和施工中的配合比,混凝土的干缩受水灰比的影响较大,水灰比越大,干缩越大,因此在混凝土配合比设计中应尽量控制好水灰比的选用,混凝土的用水量绝对不能大于配合比设计所给定的用水量,同时掺加合适的聚羧酸高性能减水剂来增加混凝土的坍落度和和易性; (3)加强混凝土的早期养护,传统的混凝土水养效果较好,但应保证最少水养 7 天和水养温度不低于 15℃,并适当延长混凝土的养护时间,使混凝土早期强度得不到保证。使用喷涂混凝土养护液的方法进行养护时必须喷涂均匀无露点。冬季施工时要适当延长混凝土保温覆盖时间,并涂刷养护剂养护。 3.2 结构性 裂缝 主要预防措施 (1)管片脱模前首先测试同步蒸养的标准试块强度,当其强度达到设计强度 40%时才可以脱模,拆模中严格按照钢模的使用要求拆开模具的各个螺栓,严禁捶打、敲击等野蛮外力; (2)保证纠偏锲子(贴片)位置的准确性,以保证拼装后环面的平整度; (3)在隧道施工过程中,必须逐环测量盾构姿态和管片姿态,根据测量资料及时调整各项推进参数保证管片与盾构机基本保持同心,管片法面与盾构机推进方向基本垂直。特别在曲线段盾构机应缓慢掘进控制盾构机每环的纠偏量,防止盾构机轴线与隧道管片的轴线间夹角过大[4] 。 4 结论 综上所述,混凝土裂缝形成的原因非常复杂,往往是多种不利因素综合作用的结果,要根本解决混凝土中裂缝问题,还是需要从混凝土裂缝的形成原因人手,正确判断和分析混凝土裂缝的成因是有效地控制和减少裂缝产生的最有效的途径,文中的相关观点有待进一步深入探讨。 参考文献 [1]GB/T22082-2008,预制混凝土衬砌管片[S].北京:中国建筑工业出版社,2008. [2]蔡茂涛,丁庆军,曾波.大直径、大手孔钢筋混凝土管片裂缝问题探析[J].混凝土与水泥制品,2007(02):58. [3]巴恒静,高小建,张武满.高性能混凝土自生收缩的研究进展[J].工业建筑,2003(03):119. [4]彭飞,田文杰.盾构隧道管片开裂缝原因及应对措施[J].建筑技术,2009(10):96. 作者简介:聂春鹏(1972-),男,汉族,辽宁省沈阳市人,职务:沈阳市政地铁管片有限公司,副总工程 师,职称:高级工程师,学历:本科,研究方向:预制、预拌混凝土。