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凝土裂缝防治与外观质量控制

1. 高强度混凝土制作的关键技术
自从钢筋混凝土结构问世以来，世界各国在工程中所用混凝土的强度等级，随着水泥制造和混凝土配制技术水平而逐渐提高。20世纪30年代以前，普遍采用的结构混凝土的强度，以现行的强度等级表示仅为C10～C15；50年代提高至C20～C30；70年代，C50～C60的技术已经普及各国，工程中屡见不鲜。至今，一些国家普遍使用C30～C50级混凝土，高强混凝土C80～C100、甚至C120也时而在重大工程中应用。试验室配置的混凝土，强度已高达300N
2／mm，很接近于混凝土(亦即粗骨料)的绝对最大抗压强度极限。
目前，在我国的实际工程中普遍使用的混凝土强度等级为C20～C40，各地都有若干工程使用了C50～C60级混凝土，个别工程已达C60～C80。有关的设计和施工指南已面世，可供实践使用。今后，随着施工技术水平的提高和高强混凝土技术的普及，高强混凝土的用量必将逐年扩大，强度等级继续提高。
至于划分高强混凝土的范围，国内外没有一个确定的标准。从我国现今的结构设计和施工技术水平出发，也考虑到混凝土材性的变化，一般认为将强度等级≥C50的混凝土称为高强混凝土。这一划分范围，大致与模式规范CEB-FIP MC90、美国ACI、日本等国的标准一致。
制备高强混凝土的途径一般有三类：
(1)提高水泥的强度，加速其水化作用，增强混凝土的密实性
如采用高标号水泥，将水泥磨细等是比较有效的措施；混凝土制作过程的振动成型、高 温蒸压养护等工艺也可提高混凝土强度，但提高幅度有限。
(2)减小水灰比
经研究得知，水泥充分水化作用所需的水量约为W／C=0.2已足够。但是，为了使拌合的湿混凝土满足施工的和易性(或坍落度)要求，常采用更大的水灰比。多余的水分在混凝土凝固过程和以后逐渐蒸发散失，在混凝土内部留下缝隙，降低了其强度。在搅拌混凝土时加入添加剂和掺合料，使之减小水灰比，又能保证正常的施工操作。混凝土的原材料相同，减小水灰比后，其强度可获显著增长（表1）。
(3)使用各种聚合物作为胶结材料替代水泥
如塑料浸渍混凝土的抗压强度很容易超过150N／mm2。但必须经过加热、抽真空、浸入、聚合等复杂的工艺过程，不适合广泛应用，更难以在大型结构物的施工现场应用，而且造价昂贵。
因此，制备高强混凝土的最现实、经济的途径是降低其水灰比。70年代，国内外研制成多种高效减水剂，又称超塑性剂。它是表面活性剂，在搅拌混
凝土时掺人，吸附在水泥颗粒的表面，使各颗粒相互排斥，保持分散状态，大大地提高水泥浆的流动性，使得很低水灰比配制的混凝土获得高坍落度。它又能促进水泥的水化作用，提高早期强度。
此外，还可在搅拌混凝土时掺加进粉煤灰、硅粉、矿粉等颗粒细微的活性材料，以改善混凝土的和易性，提高强度，替代水泥，并降低造价。一般，这些掺合料需要和减水剂配合使用。这样就可以用制造普通混凝土的简单工艺制备高强混凝土，并制作各种构件和结构，很便于普遍推广应用。
现在，在工程中应用高强混凝土较多的领域有：高层建筑、桥梁、地下结构和隧道、防护工事、港口和海洋工程、预应力结构等。工程经验显现了高强混凝土的主要优点是：抗压强度高，缩小构件截面，增大建筑的有效净空，减轻结构自重；早期强度高，加速施工进程；材料密实，耐久性好，抗渗、抗冻、耐冲刷性能好；总体造价不贵。同时，在设计和施工高强混凝土结构时应注意：高强混凝土的塑性变形小，延性稍逊于普通混凝土，宜加强构造措施；沿用普通混凝土的构件计算公式将降低高强混凝土结构的安全度；施工管理和制配技术需严格控制，以确保结构的质量和安全度。
2.混凝土裂缝类型、成因与防治
2.1混凝土裂缝类型
混凝土是一种非匀质脆性材料，由骨料、水泥、砂子、石子以及存留其中的气体和水分组成。在温度变化的条件下，在硬化过程中，会产生体积变形。由于各种材料的线膨胀系数不同，由互相约束而产生初始压应力、拉应力或剪应力，造成在骨料与水泥石的粘结面上或水泥石本身之间出现肉眼难以看到的细微裂缝，一般称之为微裂缝。这种裂缝的分布是不规则的，且不连贯，但在荷载或进一步的温度作用下，或在干缩的情况下，裂缝开始扩展，并逐渐互相贯通，从而出现较大的肉眼可以看到的裂缝。一般宽度达到0.03～0.05mm时，称为宏观裂缝，即通常所称的裂缝。因此说，混凝土的裂缝，实际上是微裂缝的扩展。微裂缝在混凝土中是不可避免的，对使用影响不大。钢筋混凝土规范明确规定：结构在所处的不同条件下，允许存在一定宽度的裂缝。但在施工中，应尽可能采取有效措施控制裂缝产生，使结构尽可能不出现裂缝或尽量减少裂缝的数量和宽度，尤其要尽量避免有害裂缝的出现，从而确保工程质量。
混凝土由外荷载作用(包括动载和静载)会引起裂缝；由变形(包括温度、不均匀沉降)会引起裂缝；由施工操作不当(制作、脱模、养护、堆放、运输、吊装)会引起裂缝；设计不当也会引起裂缝。例如，当桥梁总长度在30～70m时，在巨大的温差下，当梁的伸长率超过板时，板就会出现温度裂缝；如果板的刚度和温度应力超过梁时，梁就会产生温度裂缝，出现水平裂缝或斜裂缝。据初步研究，裂缝的类型大致有以下几种：塑性裂缝，干缩裂缝，温度裂缝，荷载及其他作用裂缝。
2.2塑性裂缝
2.2.1特征
一般出现在结构表面，形状不规则，且长短不一，类似干燥后的泥浆面。塑性裂缝大都出现在混凝土浇筑初期，一般在浇筑几小时之后出现。当混凝土本身与外界气温相差悬殊，或本身温度长时间过高，而气候又很干燥时，
便会出现塑性裂缝。这种裂缝在工程中出现较多。塑性收缩裂缝多出现在暴露于空气中的混凝土表面。裂缝较浅，长短不一，短的仅20mm～30cm，长的可达2m～3m，宽lmm～5mm。裂缝互不连贯，类似干燥的泥浆面。
2.2.2成因
多是由于混凝土浇筑后，表面没有及时覆盖，受到风吹日晒，表面游离水分蒸发过快，体积急剧收缩，而此时混凝土早期强度低，不能抵抗这种变形能力，因而开裂。另外，使用收缩率较大的水泥和使用过量的细砂和粉砂以及水灰比过大、模板过于干燥也会导致塑性裂缝。
2.2.3预防措施
防止出现塑性裂缝的原理：一是降低混凝土表面游离水的蒸发速度；二是减小混凝土的面层干缩；三是增大混凝土面层早期抗裂强度。影响混凝土塑性裂缝的主要因素与防止措施有：
(1)选用于缩较小早期强度较高的硅酸盐或普通硅酸盐水泥，严格控制水泥用量和掺合料的用量，选用级配良好的砂子和石子。气温较低时，在混凝土中添加促凝剂，以加速混凝土的凝结和强度发展。或加一定量的纤维，如钢纤维、聚丙烯纤维等。
(2)浇筑混凝土前，将基层和模板浇水湿透。
(3)振捣密实，减少混凝土的收缩量。
(4)混凝土烧筑后，在初凝前完成抹平工作，终凝前完成压光工作。抹光后及时用潮湿的草袋或塑料薄膜覆盖，认真养护，也可喷涂混凝土养护剂。
(5)在气温高、风速大、干燥的天气施工时，加挡风设施。混凝土浇筑后应及早进行喷水养护，使其保持湿润。大面积混凝土宜浇完一段，养护一段。在炎热季节，需加强表面的抹压和养护，必要时加设遮阳挡风及喷雾设施等。
2.3干缩裂缝
2.3.1特征
一般处于结构的表面，缝宽较细，多在0.05—0.20mm之间，其走向纵横交错，没有规律性。较薄的梁板构件的干缩裂缝多沿短边方向分布；整体性结构的干缩裂缝多发生在截面变化处；预制构件的干缩裂缝多发生在箍筋位置。干缩裂缝一般在混凝土露天养护完毕一段时间后，在表层和侧面出现，并随温度和湿度变化而逐渐发展。
2.3.2成因
一般缘于养护不当。在风吹日晒下，混凝土表面水分散失过快，体积迅速收缩，而内部温度变化小，收缩小，表面的收缩变形受到内部混凝土的约束，产生拉应力，引起混凝土表面裂缝，或者构件因水分蒸发而产生体积收缩，受到地基或垫层的约束而出现干缩裂缝。
干燥收缩主要是由水分在硬化后较长时间产生的水分蒸发引起的。混凝土的干燥收缩由于骨料的收缩很小，因此主要是水泥石干燥收缩造成的。混凝土的水分蒸发、干燥过程是由外向内、由表及里逐渐发展的。由于混凝土蒸发干燥非常缓慢，产生干燥收缩裂缝多数在一个月以上，有时甚至一年半裁，而且裂缝发生在表层很浅的位置，裂缝细微。有时呈平行线状或网状，常常不被人们注视。但是要特别注意，由于碳化和钢筋锈蚀的作用，干燥裂缝不仅损害薄壁结构的抗渗性和耐久性，也会使大体积混凝土的表面裂缝发展成为更严重的裂缝，影响结构的耐久性和承载能力。
另外，采用含泥量大的粉砂、施工中振捣过度使混凝土表面形成水泥含
量较多的砂浆层，也容易产生干缩裂缝。
2.3.3预防措施
(1)选择适合的水泥品种和用量：一般来说，水泥的需水量越大，混凝土的干燥收缩越大，不同水泥混凝土的干燥收缩按其大小顺序排列为：矿渣水泥、普通水泥、中低热水泥和粉煤灰水泥。所以，从减少收缩的角度来看，宜采用中低热水泥和粉煤灰水泥。干燥收缩随水泥用量的增加而增大，但是增加量不显著。C20～C60混凝土的水泥用量一般约为350kg/m3～600kg／m3。
(2)混凝土的干缩受用水量影响很大，在同一水泥用量条件下，混凝土的干燥收缩和用水量成正比。综合水泥用量和用水量来考虑，水灰比越大，干燥收缩越大。因此，在混凝土配合比设计中应尽可能将每m3混凝土的用水量控制在170kg以下，对于浇筑墙体和板材的单方混凝土用水量的按制尤为重要。特别值得注意的是，施工混凝土的用水量绝对不允许大于配合比设计给定的用水量。
(3)矿渣、火山灰等粉状混合料，掺加到混凝土中，一般都会增大混凝土的干缩值，但是质量好，含有大量球形颗粒的一级粉煤灰，由于内比表面积小，需水量少，故能降低湿混凝土干缩值。
(4)掺加减水剂，特别是同时掺加粉煤灰的双掺技术不会增大干缩值，但是对于某些减水剂，尤其是具有引气作用时，有增大混凝土干缩的趋势。因此，要选用干燥收缩小的外加剂。
(5)混凝土浇筑面受到风吹日晒，表面干燥过快，受到内部混凝土的约束，在表面产生拉应力而开裂。如果混凝土终凝之前进行早期保温、保湿养护，对减少干燥收缩有一定的作用。
2.4温度裂缝
2.4.1特征
一般走向无一定规律。梁、板类长度尺寸较大的构件，裂缝多平行于短边；大面积的构件，裂缝常纵横交错；深入的和贯穿性的温度裂缝一般与短边方向平行或接近平行，裂缝沿着长边分段出现，中间较密，裂缝宽度一般在0.5一10mm之间。热胀引起的温度缝是中间粗，两端细。冷缩裂缝的粗细变化不太明显，其宽度在0.5mm以下，且从上至下没有太大变化。温度裂缝大多发生在施工的中后期，缝宽受温度变化影响较明显。
2.4.2成因
多缘于较大温差。水泥水化过程中放出大量的热，且主要集中在浇筑后的前7天内，一般每克水泥可以放出502J的热量，如果以水泥用量350kg～550kg／m3来计算，每m3混凝土将放出17500kJ一27500kJ的热量，从而使混凝土内部温度升高（可达70℃左右．甚至更高）。尤其对大体积混凝土来说，这种现象更严重。因为混凝土土内部和表面的散热条件不同，所以混凝土中心温度高，形成温度梯度，造成温度变形和温度应力。温度应力和温度差成正比。当这种温度应力超过混凝土的内外约束应力（包括混凝土抗拉强度）时，就会产生裂缝。这种裂缝初期出现时很细，随着时间的发展而继续扩大，甚至达到贯穿的情况。
2.4.3预防措施
(1)混凝土内部的温度与混凝土厚度及水泥品种、用量有关。对于大体积混凝土，其形成的温度应力与结构尺寸相关，在一定尺寸范围内，混凝土结构尺寸越大，温度应力也越大，因而引起裂缝的危险性也越大。因此防止大
体积混凝土出现裂缝最根本的措施就是控制混凝土内部和表面的温度差。
(2)应考虑选择粉煤灰水泥、矿渣水泥、火山灰水泥或复合水泥，对于体积较大的结构，应优先选择中热水泥甚至低热水泥。
(3)可充分利用混凝土后期强度，以减少水泥用量。根据大量试验研究和工程实践表明，每m3混凝土的水泥用量增减10kg，其水化热将使混凝土的温度相应升高或降低l℃。因此，为更好地控制水化热所造成的温度升高、减少温度应力，可根据工程结构实际承受荷载的情况，并和设计单位协商，将56d或90d抗压强度代替28d抗压强度作为设计强度。对于大体积钢筋混凝土基础的桥梁，大多数的施工期限很长，少则l一2年，多则4—5年，28d不可能向混凝土结构，特别是大体积钢筋泥凝土基础施加设计荷载，因此将试验混凝土标准强度的龄期推迟到56d或90d是合理的，正是基于这一点，国内外许多专家均提出类似的建议。如果充分利用混凝土的后期强度，则可使每m3混凝土的水泥用员减少40kg～70kg左右，混凝土温度相应降低4℃～7℃。最后，减少水泥水化热和降低内外温差的办法是减少水泥用量，将水泥用量尽量控制在450kg／m3以下。如果强度允许，可采用掺加粉煤灰来调整。 浇筑大体积混凝土结构不得已而采用硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥时，应考虑在保证强度指标的情况下，掺加一定量活性掺合料(如粉煤灰、矿渣微粉等)，活性掺合料对水泥的替代率越大，降低混凝土温升的效果越好。掺加粉煤灰混凝土的温度和水化热，在28d龄期内，大致为：掺入粉煤灰的百分数就是温度和水化热降低的百分数，即掺加20％粉煤灰的水泥混凝土，其温升和水化热约为未掺粉煤灰的水泥混凝土的80％，可见掺加粉煤灰对降低混凝土的水化热和温升的效果是非常显著的。
(4)在混凝土中掺加一定量的具有减水、增塑、引气的外加剂，可以改善混凝土拌合物的流动性、粘聚性和保水性。由于其减水作用和分散作用，在降低用水量和提高强度的同时，还可以降低水化热，推迟放热峰的出现时间，因而减少温度裂缝。
(5)对于大体积混凝土，应控制混凝土料的入模温度。掌握好浇筑的时间。加强养护，一般在浇筑完成后，对混凝土表面进行覆盖，并进行测温跟踪，以保证混援土内外温差不超过25℃，否则应立即采取措施来改善。
2.5 荷载或其他作用引起的裂缝
2.5.1特征
混凝土构件或结构在使用荷载、施加预应力、台座（施工时）或基础（使用时）变形时可能产生裂缝。特征因荷载而异。
2.5.2成因
荷载和其它作用在构件内所产生的拉应力超过了混凝土抗拉强度。
2.5.3预防措施
在不改变混凝土等级的情况下，要使混凝土不产生裂缝，关键是通过设计验算和改变施工方法控制应力值。
2.6 混凝土裂缝修补办法
2.6.1混凝土置换法
该方法是将严重损坏或失效的混凝土除掉，置换新的混凝土或其他材料。其具体工艺是：
(1)剔除混凝土；
(2)混凝土面层及钢筋处理；
(3)置换材料的配置；
(4)养护及粉刷。
其中置换材料应根据使用条件和处理要求选择，主要考虑其环境适应性、耐久性、耐腐蚀性、弹性模量、强度、热膨胀系数和与基层的结合性能等。目前常用的置换材料有：水泥质混凝土或砂浆、聚合物或改性聚合物混凝土(砂浆)。
2.6.2表面封闭法
这是一种在微细裂缝(宽度一般＜0.2mm)的表面涂膜以提高其防水性及耐久性的方法，是一种较简单的裂缝修补方法。通过密封裂缝表面达到防止水分、二氧化碳以及其它有害介质侵入的目的。这种方法的缺点是修补工作无法深入到裂缝内部，不适合有明显水压的裂缝。表面封闭所采用的密封材料因修补目的及使用环境不同而异，通常采用弹性密封胶、聚合物水泥等。
2.6.3 灌浆法
化学灌浆是采用化学灌浆料来处理混凝土形成的裂缝，一般采用化学灌浆料、快速凝结剂和膨胀水泥砂浆配合使用。当需要对裂缝全深度范围注入修补材料，以提高其防水性和耐久性时，化学灌浆是经常使用的方法。这种方法一般适用于开裂较为严重的部位，它们的裂缝一般是贯通的。这是比较困难的处理方法，需要严格的操作和养护。但是恢复效果很好，能将混凝土结构恢复到使用初期的整体状况，在很大程度上使结构强度得到恢复。
1.材料及其制配要求
（1）材料
主剂：K-801结构胶，比重1.09、促进剂、固化剂、活性单体
填充料：普通硅酸盐水泥P.O.32.5
砂：干燥的石英砂，细度模数40目左右
注：K-801结构胶为环氧树脂的一种。
（2）结构胶参考配合比
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近年来，预拌泵送混凝土在高层建筑施工中广泛应用，收到了提高工效、节约施工成本的良好效果，但是，由于预拌泵送混凝土有固有的收缩特性，且属于大流态性的混凝土，具有坍落度大、水泥用量大、含砂率高等特点，因此，在施工中产生裂缝的概率较高。如何防治是施工企业值得关注的课题？
一、干缩裂缝的防治浇混凝土表面，若无恰当措施，极易失水过快产生干缩裂缝。因此必须进行恰当的养护，保证新浇筑的混凝土有适宜的硬化条件。
1.要在混凝土浇筑完毕后及时覆盖塑料薄膜或湿草袋，对混凝土进行保湿养护。接缝处搭接盖严，避免混凝土水份蒸发，保持混凝土表面处在湿润状态下养护。混凝土终凝后继续浇水养护7天。
2.经过二次抹压混凝土初凝后，轻微洒水润湿，混凝土终凝后，每天分几次浇水，保持一周时间使混凝土湿润。
此外，为防止墙、柱、梁等的侧模板过早拆卸，导致混凝土表面产生干燥收缩裂缝，应在混凝土表面刷养护液。
二、水化热引起裂缝的防治大体积混凝土由于水化热产生的升温较高、降温幅度大、速率快，使混凝土产生较大的温度和收缩应力是导致混凝土产生裂缝的主要原因。因此，为防治水化热引起的裂缝，施工前应计算升温峰值、内外温差及降温速率，制定相应的技术措施，防止和控制温度裂缝，确保工程质量。
1.降低混凝土入模温度（1）降低原材料进入搅拌机的温度如夏季在水箱内加冰块，降低水温；粗骨料遮阳防晒，并洒冷水降温；细骨料遮阳防晒；散装水泥提前储备，避免新出厂水泥温度过高。采取以上措施最大限度降低混凝土出机温度。
（2）夏季，混凝土运输车加保温套或对罐体喷淋冷水降温。混凝土泵送管道遮阳防晒。
（3）混凝土浇筑作业面遮阳，减少混凝土冷量损失。
2.降低混凝土水化热（1）选择中低热品种水泥，优先选用矿渣硅酸盐水泥。
（2）利用混凝土后期强度用，R60或R90替代R28作为设计强度。
（3）掺人一定比例的粉煤灰。
（4）掺人高效减水剂。
（5）掺加缓凝剂。
3.掺UEA膨胀剂掺人UEA膨胀剂，在最初14天潮湿养护中，使混凝土体积微膨胀，补偿混凝土早期失水收缩产生的收缩裂缝。
4.采用二次抹压技术混凝土大模振捣，表层刮平抹压1-2小时后，即在混凝土初凝前在混凝土表面进行二次抹压，消除混凝土干缩、沉缩和塑性收缩产生的表面裂缝，增加混凝土内部的密实度。但是，二次抹压时间必须掌握恰当，过早抹压没有效果；过晚抹压混凝土已进入初凝状态，失去塑性，消除不了混凝土表面已出现的裂缝。
5.混凝土自然养护（1）保湿养护混凝土表面经过二次抹压后，立即覆盖塑料薄膜，防止表面水份蒸发，保持混凝上处于潮湿状态下养护。特别是对于掺入UEA膨胀剂的混凝土，在最初14天内，必须潮湿养护，方能促使膨胀剂充分发挥膨胀作用。
（2）保湿养护根据混凝土绝热温升计算，确定中心最高温度，按温控技术措施，确定养护材料及覆盖厚度和养护时间。保温养护的目的：①减少混凝土表面热扩散，减少内外温度；②延缓散热时间，控制降温速率，有利于混凝土强度增长和应力松驰，避免产生贯穿裂缝。养护一般不少于15天。
（3）在常温季节，混凝土终凝后也可采取蓄水养护的办法，替代前两种保湿保温养护办法。根据混凝土内外温差数据，及时调整蓄水高度，也能收到预期效果。
三、采用膨胀剂防治裂缝现浇钢筋混凝土结构施工中，采用大流态预拌泵送混凝土，为防止混凝土干缩和温差收缩产生裂缝，在混凝土拌合物中掺入一定量的UEA膨胀剂，拌合后生成膨胀性结晶水化物，使混凝土产生适度膨胀，补偿混凝土收缩，提高混凝土抗裂防渗能力，通常称为微膨胀混凝土。诸如大体积混凝土、抗渗混凝土、钢管混凝土、后浇带、超长超宽结构不留伸缩缝后浇带一次整体浇筑的结构，在施工中，我们采用掺UEA膨胀剂的办法来消除混凝土收缩产生的裂缝。要求混凝土在浇筑后，立即在混凝土表面覆盖塑料薄膜，保持混凝土处于潮湿状态下养护14天，使膨胀剂充分发挥膨胀作用。这种方法在大体积混凝土中已广泛采用，效果十分显著。
同时，要消除泵送混凝土施工裂缝的产生，应注意原材料质量的把关和混凝土配合比的设计。尽量选用低中水化热水泥，以降低水化热；采用高强水泥以减少水泥用量。根据情况，掺入粉煤灰等掺合材料，则可以改善混凝土的和易性和可泵性，降低水化热，从而增强密实度，提高混凝土强度和耐久性，保证混凝土的拌合物的均匀性。泵送预拌混凝土配合比设计应符合国家现行有关标准，除满足用户提出的强度、耐久性要求外，还要考虑运距、泵送距离、具体施工条件等因素。科学设计配合比，确定适宜的坍落度，适当的砂率、水灰比、水泥用量，选用适宜掺合料。总之，在保证强度的前提下，不宜过多增加水泥用量；在保证泵送和浇筑的前提下，坍落度不宜过大。
（作者单位：浙江八达建设集团有限公司）