水利工程中泵送砼裂缝产生的原因及防治措施

水利工程中泵送砼裂缝产生的原因及防治措施

摘要：泵送混凝土在现代水利工程建设中占有极其重要的地位，其裂缝问题是混凝土工程中最普遍存在的技术问题之一。裂缝会威胁水利工程建（构）筑物的安全，也会诱发其它质量安全问题，因此，在施工管理过程中必须严加控制，减轻、消除裂缝带来的危害，确保水利工程建（构）筑物的运行安全。本文通过分析泵送混凝土的特点，针对裂缝产生的原因和防治措施进行探讨和分析。关键词：水利工程；泵送混凝土；裂缝产生的原因；防治措施Abstract：Concreteplaysanimportantroleinmodernwaterconservancyproject，anditscrackproblemisacommontechnicalprobleminconcreteengineering.Inthispaper，throughanalysisofthecharacteristicsofpumpingconcrete，thecausesofcrackandpreventionmeasuresarediscussedandanalyzed.Keywords：waterconservancyproject；pumpingconcrete；causesofcrack；preventionmeasures一、泵送混凝土的定义混凝土泵是连续式运输机具之一，它以混凝土泵为动力，将混凝土从混凝土搅拌运输车或贮料斗中卸入泵的料斗后，利用泵的压力将混凝土沿管道直接输送到浇筑地点，可以同时完成水平和垂直运输，是发展较快的一种混凝土运输方法，在水利工程中应用广泛，特别是应用于大体积混凝土和采用现浇、滑模施工，泵送混凝土具有明显的综合效益。泵送混凝土输送量大，速度快，效率高，节省人力，能连续作业，技术要求高，一般需要设备先进、有严格质量控制系统的集中制备站相配合，不仅混凝土拌合物质量能得到保证，而且可以在输送量、流动性等方面满足输送要求。同时避免了现场制备对混凝土质量的各种不利影响，改善了现场的施工环境，减少了浪费，在合理的浇筑方案的指导下，可有序、快捷地完成浇筑任务，加快了施工速度。利用混凝土泵进行混凝土运输，要求混凝土在运输过程中保持均匀性，避免产生分离、泌水、砂浆流失、流动性减小等现象，要求浇筑工作能够连续进行，保证管道通畅，在混凝土初凝之前浇筑完毕。因此，对原材料、配合比要严格控制，要组织严密，采用科学的方法进行管理。二、泵送混凝土的特点1、泵送混凝土的原材料和配合比（1）水泥用量较多。为保证混凝土具有良好的可泵性，水利工程中常用的强度等级为C20～C60，期混凝土中水泥用量多为350～550kg/m3；（2）常添加掺合料。为改善混凝土性能，节约水泥和降低造价，混凝土中常添加粉煤灰、矿渣、沸石粉等掺合料；（3）砂率偏高、砂用量多。为保证混凝土的流动性、粘聚性和保水性，以便于运输、泵送和浇筑，泵送混凝土的砂率一般要比普通流动性混凝土大；（4）粗骨料最大粒径。为满足泵送和抗压强度要求，规范规定粗骨料最大粒径与管道直径比≤1：3；（5）水灰比宜为0.4～0.6。水灰比小于0.4时，混凝土的泵送阻力急剧增大；水灰比大于0.6时，混凝土则易泌水、分层、离析，也影响泵送；（6）泵送剂。对混凝土拌合物流动性和硬化混凝土的性能有影响，对裂缝也有影响。2、泵送混凝土坍落度要求水利工程对于泵送混凝土的性能要求比较高，要求混凝土和易性（流动性、保水性、粘聚性）比较好，特别是混凝土的压力泌水率要符合要求，否则的话容易引起混凝土在泵送过程中发生堵泵现象。泵送混凝土的坍落度从规范角度要求120mm以上，但是实际施工过程中，120mm的坍落度有时候也不好泵送，这跟混凝土的标号有直接的关系，对于高标号混凝土可能要达到200mm左右的坍落度才能满足泵送要求，但是也不是坍落度越大越好，如果坍落度过大，混凝土发生离析，也一样要发生堵泵。此外，泵送混凝土对材料的级配有一定的要求，要求砂、石料的级配比较好。泵送砼可以提高工作效率，特别是在大体积砼施工中，例如闸室底板、混凝土坝等。但对砼的和易性（主要是流动性）要求比较高，一般要求砼塌落度大于120mm。一般砼在搅拌中要添加泵送剂，以达到较大的塌落度而不影响砼强度。三、泵送混凝土裂缝产生的原因水泥水化过程中产生大量的热量，所以混凝土中心温度低，形成温度梯度，造成温度变形和温度应力，温度应力和温差成正比，温度越大，温度应力也越大。当这种温度应力超过混凝土的内外约束应力时，就会产生裂缝。这种裂缝的特点是裂缝出现在混凝土浇筑后的3～5天，初期出现的裂缝很细，随着时间的发展继续扩大，严重的情况下能够达到贯穿的情况。裂缝产生的原因主要包括以下几个方面：1、化学收缩裂缝由水泥水化反应而引起的混凝土体积变小称为化学收缩。水泥水化反应的主要产物是C-S-H凝胶。据报道，水泥水化反应所产生的C-S-H凝胶的体积小于水泥与水的体积之和。对于硅酸盐水泥，每100Kg水泥加水完全水化以后，其体积总减少量可达7～9ml。如果每立方米混凝土中水泥用量为300Kg，则其总体积减少量为21～27ml左右。从硅酸盐水泥的组分矿物来分析，C3A（铝酸三钙）水化后体积减少量可达23%左右，是化学收缩最严重的矿物，其次分别是C4AF（铁铝酸四钙）、C3S（硅酸三钙）、C2S（硅酸二钙）。由此可见，混凝土中水泥用量越多，混凝土的化学收缩也越大，在水泥品种方面，水泥中C3A（铝酸三钙）含量越高，混凝土的化学收缩也越大。2、沉降收缩裂缝混凝土浇灌振捣后，骨料颗料悬浮在一定稠度的水泥浆体中，浆体的重量密度较低，对于W/C=0.6的浆体而言，大概只有骨料重度密度的一半，所以骨料在浆体中有下沉趋势，而浆体中的水泥颗粒又远重于水，使得新拌混凝土中的水泥向上转移，即发生沉降与泌水现象，形成竖向体积缩小沉落，这种沉落直到混凝土硬化时才停止。骨料沉落若受到钢筋、预埋件、模板、大的粗骨料以及先期凝固混凝土的局部阻碍。或混凝土本身各部分沉落不同就会产生沉降收缩裂缝。3、塑性收缩裂缝这种裂缝发生在混凝土浇筑后数小时、硬化之前仍处于塑性状态的时刻。发生这种裂缝的因素是多方面的，如混凝土早期养护不好，混凝土浇筑后表面没有及时覆盖，受风吹日晒，表面游离水蒸发过快，产生急剧的体积收缩，而此时混凝土强度很低，不能抵抗这种变形应力而导致塑性收缩裂缝。4、干燥收缩裂缝混凝土在塑性流动终止并进入硬化阶段，干燥收缩一直进行，即使达到28天龄期也不能说已经终止，有的工程可以持续若干年甚至几十年。所以说干燥收缩是水泥基于混凝土的固有特性，浇注时呈流动状态的混合介质，硬化呈固体状态，除了硬化生成硅酸钙等固有物质，这是一个化学过程以外，还伴随着一个蒸发失水干燥的物理过程，养护不好就容易出现干燥收缩裂缝。混凝土内的固体水泥浆体体积会随含水量而改变，而骨料对水泥浆体体积的变化则起很大的约束作用，使混凝土的体积变化远低于水泥浆体的体积变化。硬化水泥浆体内富含孔隙，理论上水灰比小于0.4并有理想的养护条件，可使孔隙率减至28%的最低值。而混凝土实际采用的水灰比都较大，而且不可能完全水化，所以一般混凝土的浆体孔隙率约有50%左右或更大。混凝土收缩值一般为0.2%～0.4%，普通钢筋混凝土0.2‰～0.5‰，收缩量随时间增长而不断加大，初期收缩快，而后日趋缓慢（收缩变形发展很快，大约两周即可完成全部收缩量的1/4，一个月可完成1/2，三个月后增长变慢，一般2年后趋于稳定）。收缩裂缝的形成，必须同时存在两个条件：收缩变形和约束。最常见的是施工中养护不当引起的，如受到风吹日晒，表面水分散失过快，体积收缩大，而内部湿度变化很小，收缩也小，表面收缩变形受到内部混凝土的约束，因此在构件表面产生较大的拉应力，当拉应力超过混凝土的极限抗拉强度时，即产生干缩裂缝。此外，平卧薄构件水分蒸发过快，产生的体积收缩受到地基垫层或台座的约束，也出现干燥裂缝。收缩裂缝除与养护有关外，还与振捣、混凝土原材料收缩量等有关。混凝土振捣过度，表面形成水泥含量较多的砂浆层，则收缩量过大，容易出现裂缝。采用含泥量较大的粉砂配制的混凝土，也会加大收缩，从而容易产生收缩裂缝。干燥收缩裂缝为表面性裂缝，其宽度较小，大多数为0.05mm～0.2mm之间，其走向纵横交错，没有规律性。5、温度收缩裂缝温度收缩裂缝大多数是由于温差过大引起的。温差一般分为共时温差（在同一时间内，结构内任意两点的温度差值）和历时温差（同一结构在任意两个时间的温度差值）。在泵送商品混凝土早期裂缝中主要是共时温差的影响。共时温差的影响：混凝土结构，特别是大体积混凝土结构浇灌后，在硬化期间水泥释放出大量的水化热而不易散发，内部温度不断上升，达到较高温度，而混凝土表面散热较快，使混凝土表面和内部温差较大。如果施工过程中注意不够或拆模过早；或冬季施工，过早拆除保温层；或受到寒流袭击，均会导致混凝土表面温度急剧变化而产生较大的降温收缩，此时表面受到内部混凝土的约束，将产生很大的拉应力，而混凝土早期抗拉强度和弹性模量很低，因而使表面出现裂缝。深进的和贯通的温度裂缝大多数是由于结构降温差较大，受到外界的约束而引起的。6、其他方面（1）材料方面1）收缩及水化热增加从过去的干硬性、低流动性、现场搅拌混凝土转向集中搅拌，转向大流动性泵送混凝土，水灰比加大，水泥用量增加，胶结材料用量增加，砂率增加，骨料粒径减小，所有这些因素都增加了混凝土的可能收缩。2）外加剂的负效应外加剂、掺合料种类繁多，通常只考虑强度指标，缺乏对水化热及收缩变形影响的长期试验资料，有些试验资料并不严格，有许多外加剂严重增加收缩变形，有的甚至降低耐久性。3）混凝土抗拉性能不足这种裂缝在抗力方面都是由于混凝土抗拉性能不足（抗拉强度和极限拉伸）引起的。高强高性能混凝土得到广泛的应用，但是混凝土的抗拉强度的提高幅度并没有抗压强度的提高幅度大。（2）结构设计方面1）结构的约束应力不断增大结构规模日趋增大，结构形式日趋复杂，超大、超长、超厚及超静定结构成为经常采用的结构形式并采用现浇施工，这种结构形式有显著的约束作用，对于各种变形作用必然引起较大约束应力。2）忽略结构约束国内外结构设计中都经常忽略构造钢筋的重要性，因而经常出现构造性裂缝。结构设计中忽略结构约束性质，不善于利用“抗与放”的设计原则，缺乏相应的设计施工规范、规程。3）梁、板、柱采用同一强度等级的混凝土在小型水利建筑中，因考虑到施工的方便而对梁、板、柱普遍采用同一强度等级的混凝土，造成梁、板混凝土强度偏高，温度收缩裂缝增加。（3）施工养护方面目前在泵送商品混凝土施工中采用的养护方法基本沿用过去简易的方法，已不能完全适应现代混凝土技术的要求，需要尽快建立新的规范规程。四、裂缝防治措施混凝土裂缝问题是混凝土工程中普遍存在的技术问题，尤其是泵送混凝土的防裂问题。当前，泵送混凝土技术已经在水利工程中得到了广泛的应用，其主要基于其污染少、占地小、功效高、能够减少收缩和开裂、提高混凝土的施工性能等优点。然而，泵送混凝土会由于本身具有的特性与具体施工条件的限制，容易导致产生裂缝，从而使抗渗和耐久性受到影响。7、化学裂缝防治措施砂石骨料的碱活性要小，水泥的碱性要低，添加的试剂要低碱或无碱，通过添加合适的添加剂来抑制碱骨料反应。8、沉降裂缝防治措施在混凝土进行浇筑时加强基坑排水，严格控制地下水位，防止地基被水浸泡而影响基础；同时使用强度、刚度好的模板，在混凝土浇筑完成后控制模板拆除的时间。9、干缩裂缝防治措施混凝土的干燥程度与水泥的种类有很大的关系，不同的水泥种类，会导致混凝土的干燥程度有所差异，因此选择合适的水泥种类尤为重要，如粉煤灰水泥，中低热水泥等，对混凝土的干燥程度影响较小。混凝土的干燥程度与水泥的用量也有关系，水泥用量越多，混凝土的干燥程度就越快，容易产生干缩裂缝，因此，水泥的用量必须严格按照配合比。另外，还可以通过添加一些化学试剂来减缓混凝土的干燥程度，主要指泵送剂，减水剂等，其中粉煤灰的双掺技术在实际应用中效果特别明显。10、温度裂缝防治措施选用水化热低的混凝土，减少水泥用量，把混凝土的水灰比降到0.6以下，通过添加一些外加剂来减缓混凝土中混合物的流动性，降低水化热，延迟混凝土温度上升的时间；改进传统的搅拌工艺，使浇筑时混凝土的温度有所下降，采取预埋管道，循环液体降温；浇筑后，延长养护时间，及时洒水和覆盖，加强监管，保证混凝土表面得以缓慢冷却。11、其他方面的防治措施一些客观原因也可能导致裂缝的产生：施工操作不规范、质量意识不高、混凝土配比不好等都会产生裂缝，人为造成的裂缝是可以预防的，操作人员必须严格遵守规则，提高操作水平，提升质量意识。五、结束语混凝土对于水利工程建筑结构的安全和防渗起着重要的作用，所以混凝土的质量问题就显得尤为重要。泵送混凝土裂缝产生的原因有很多，有材料本身特性的影响，也有人为的因素，裂缝不仅影