淺談大體積混凝土裂縫成因及控制

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摘要：大體積混凝土施工中普遍會遇到裂縫控制問題，這是因為混凝土體積大，聚集的大量水化熱會導致混凝土內(nèi)外散熱不均勻，在受到內(nèi)外約束的情況下，混凝土內(nèi)部會產(chǎn)生較大的溫度應力并很可能導致裂縫產(chǎn)生，最終為工程結構埋下嚴重質(zhì)量隱患。因此，大體積混凝土施工中應嚴格控制裂縫產(chǎn)生和發(fā)展，以保證工程質(zhì)量。

  關鍵詞：大體積混凝土裂縫成因   1大體積混凝土裂縫類型及裂縫產(chǎn)生原因分析   大體積混凝土結構裂縫主要包括干燥收縮裂縫、塑性收縮裂縫、自身收縮裂縫、安定性裂縫、溫差裂縫、碳化收縮裂縫等。   1.1收縮裂縫混凝土在逐漸散熱和硬化過程中會導致其體積的收縮，對于大體積混凝土，這種收縮更加明顯。如果混凝土的收縮受到外界的約束，就會在混凝土體內(nèi)產(chǎn)生相應的收縮應力，當產(chǎn)生的收縮應力超過當時的混凝土極限抗拉強度，就會在混凝土中產(chǎn)生收縮裂縫。影響混凝土收縮的主要因素主要是混凝土中的用水量、水泥用量及水泥品種?；炷林械挠盟亢退嘤昧吭礁?，混凝土收縮就越大。水泥品種對干縮量及收縮量也有很大的影響，一般中低熱水泥和粉煤灰水泥的收縮量較小。   自身收縮是混凝土收縮的一個主要來源。自身收縮與干縮一樣，是由于水的遷移而引起的。但它不是由于水向外蒸發(fā)散失，而是因為水泥水化時消耗水分造成凝膠孔的液面下降形成彎月面，產(chǎn)生所謂的自干燥作用，導致混凝土體的相對濕度降低及體積減小而最終自身收縮。水灰比對自身收縮影響較大，一般來說，當水灰比大于0.5時，其自干燥作用和自身收縮與干縮相比小得可以忽略不計；但是當水灰比小于0.35時，體內(nèi)相對濕度會很快降低到80%以下，自身收縮與干縮則幾乎各占一半。   自身收縮主要發(fā)生在混凝土拌合后的初期。因此在模板拆除之前，混凝土的自身收縮大部分甚至全部已經(jīng)完成。在大體積混凝土里，即使水灰比并不低，自身收縮量值也不大，但是它與溫度收縮疊加到一起，就要使應力增大，所以在水工大壩施工時早就將自身收縮作為一項性能指標進行測定和考慮。但是，許多斷面尺寸雖不很大，且水灰比也不算小的混凝土，也必須考慮水化熱及隨之引起的體積變形問題，以最大限度減少開裂影響，也需要考慮將溫度收縮和自身收縮疊加的影響。   塑性收縮也是大體積混凝土收縮一個主要來源。在水泥活性大、混凝土溫度較高或者水灰比較低的條件下，混凝土的泌水明顯減少，表面蒸發(fā)的水分不能及時得到補充，這時混凝土尚處于塑性狀態(tài)，稍微受到一點拉力，混凝土的表面就會出現(xiàn)分布不規(guī)則的裂縫。出現(xiàn)裂縫以后，混凝土體內(nèi)的水分蒸發(fā)進一步加快，于是裂縫迅速擴展。所以在這種情況下混凝土澆筑后需要及早覆蓋養(yǎng)生。   1.2溫差裂縫混凝土內(nèi)部和外部的溫差過大會產(chǎn)生裂縫。溫差裂縫產(chǎn)生的主要原因是水泥水化熱引起的混凝土內(nèi)部和混凝土表面的溫差過大。特別是大體積混凝土更易發(fā)生此類裂縫。溫差的產(chǎn)生主要有三種情況：第一種是在混凝土澆筑初期，這一階段產(chǎn)生大量的水化熱，形成內(nèi)外溫差并導致混凝土開裂，這種裂縫一般產(chǎn)生在混凝土澆筑后的第3天(升溫階段)。另一種是在拆模前后，這時混凝土表面溫度下降很快，從而導致裂縫產(chǎn)生。第三種情況是當混凝土內(nèi)部溫度高達峰值后，熱量逐漸散發(fā)而達到使用溫度或最低溫度，它們與最高溫度的差值即內(nèi)部溫差。這三種溫差都會產(chǎn)生裂縫，但最嚴重的是水化熱引起的內(nèi)外溫差。   1.3安定性裂縫安定性裂縫表現(xiàn)為龜裂，主要是由于水泥安定性不合格而引起。   2裂縫的防治措施   2.1設計措施   2.1.1精心設計混凝土配合比。在保證混凝土具有良好工作性的情況下，應盡可能降低混凝土的單位用水量，采用“三低（低砂率、低坍落度、低水膠比）二摻（摻高效減水劑和高性能引氣劑）一高（高粉煤灰摻量）”的設計準則，生產(chǎn)出“高強、高韌性、中彈、低熱和高抗拉值”的抗裂混凝土。   2.1.2增配構造筋，提高抗裂性能。應采用小直徑、小間距的配筋方式，全截面的配筋率應在0.3～0.5%之間。   2.1.3避免結構突變產(chǎn)生應力集中。在易產(chǎn)生應力集中的薄弱環(huán)節(jié)采取加強措施。   2.1.4在易裂的邊緣部位設置暗梁，提高該部位的配筋率，提高混凝土的極限抗拉強度。   2.1.5在結構設計中應充分考慮施工時的氣候特征，合理設置后澆縫，在正常施工條件下，后澆縫間距20～30m，保留時間一般不小于60天。如不能預測施工時的具體條件，也可臨時根據(jù)具體情況作設計變更。   2.2原材料控制措施   2.2.1盡量選用低熱或中熱水泥(如礦渣水泥、粉煤灰水泥)，或利用混凝土的后期強度(90d～180d)以降低水泥用量，減少水化熱(因為每加減10kg水泥，溫度會相應增減1℃，水化熱與水泥用量成正比)。在條件許可的情況下，應優(yōu)先選用收縮性小的或具有微膨脹性的水泥。因為這種水泥在水化膨脹期（1～5d）可產(chǎn)生一定的預壓應力，而在水化后期預壓應力可部分抵消溫度徐變應力，減少混凝土內(nèi)的拉應力，提高混凝土的抗裂能力。   2.2.2適當攙加粉煤灰?；炷林袚接梅勖夯液螅商岣呋炷恋目?jié)B性、耐久性，減少收縮，降低膠凝材料體系的水化熱，提高混凝土的抗拉強度，抑制堿骨料反應，減少新拌混凝土的泌水等。   2.2.3選擇級配良好的骨料。骨料在大體積混凝土中所占比例一般為混凝土絕對體積的80%～83%，因此在選擇骨料時，應選擇線膨脹系數(shù)小、巖石彈模較低、表面清潔無弱包裹層、級配良好的骨料。一般來說，可以選用粒徑4mm～40mm的粗骨料，盡量采用中砂，嚴格控制砂、石子的含泥量(石子在1%以內(nèi)，砂在2%以內(nèi))。控制水灰比在0.6以下。還可以在混凝土中摻緩凝劑，減緩澆筑速度，以利于散熱。另外還可以考慮在大體積混凝土中摻加堅實無裂縫、沖洗干凈、規(guī)格為150mm～300mm的大塊石。摻加大塊石不僅減少了混凝土總用量，降低了水化熱，而且石塊本身也吸收了熱量，使水化熱能進一步降低，對控制裂縫有一定好處。   2.2.4適當選用高效減水劑和引氣劑，這對減少大體積混凝土單位用水量和膠凝材料用量，改善新拌混凝土的工作度，提高硬化混凝土的力學、熱學、變形、耐久性等性能起著極為重要的作用。   2.3施工方法控制措施大體積混凝土施工時內(nèi)部應適當預留一些孔道，在內(nèi)部通循環(huán)冷水或冷氣冷卻，降溫速度不應超過0.5℃～1.0℃/h。對大型設備基礎可采用分塊分層澆筑(每層間隔時間5d～7d)，分塊厚度為1.0m～1.5m，以利于水化熱散發(fā)和減少約束作用。當混凝土澆筑在巖石地基或厚大的混凝土墊層上時，在巖石地基或混凝土墊層上鋪設防滑隔離層(澆二度瀝青膠撒鋪5mm厚砂子或鋪二氈三油)，底板高低起伏和截面突變處，做成漸變化形式，以消除或減少約束作用。此外，還應加強混凝土的澆灌振搗，提高密實度。盡可能晚拆模，拆模后混凝土表面溫度不應下降15℃以上。盡量采用兩次振搗技術，改善混凝土強度，提高抗裂性。還可根據(jù)具體工程特點，采用UEA補償收縮混凝土技術。   2.4溫度控制措施混凝土溫度和溫度變化對混凝土裂縫是極其敏感的。當混凝土從零應力溫度降低到混凝土開裂溫度時，混凝土拉應力超過了此時的混凝土極限拉應力。因此，通過應降低混凝土內(nèi)水化熱溫度和混凝土初始溫度，減少和避免裂縫風險。   人工控制混凝土溫度的措施對早期因熱原因引起的裂縫作用不明顯。比如表面保溫材料保護可以減少內(nèi)外溫差，但不可避免地招致混凝土體內(nèi)溫度很高，從受約束而導致貫穿裂縫的角度看，是一個潛在惡化裂縫的條件。因為體內(nèi)熱量遲早是要散發(fā)掉的。另外人工控制混凝土溫度還需注意的問題是防止過速冷卻和超冷，過速冷卻不僅會使混凝土溫度梯度過大，而且早期的過速超冷會影響水泥——膠體體系的水化程度和早期強度，更易產(chǎn)生早期熱裂縫。超冷會使混凝土溫差過大，引起溫差裂縫澆筑時間盡量安排在夜間，最大限度降低混凝土的初凝溫度。白天施工時要求在沙、石堆場搭設簡易遮陽裝置，或用濕麻袋覆蓋，必要時向骨料噴冷水。混凝土泵送時，可在水平及垂直泵管上加蓋草袋并噴冷水。   所以，大體積混凝土施工重點主要是將溫度應力產(chǎn)生的不利影響減少到最小，防止和降低裂縫的產(chǎn)生和發(fā)展。