淺談大體積混凝土裂縫成因及施工措施

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摘要：大體積混凝土的澆筑一直以來是個困擾工程人員的問題，本文以安徽開發(fā)礦業(yè)有限公司750萬t/a選礦廠主廠房球磨機基礎(chǔ)、磨礦倉筏板基礎(chǔ)工程為例，分析了容易產(chǎn)生混凝土裂縫的原因，并提出了不同條件下工程施工時如何預(yù)防混凝土裂縫產(chǎn)生的措施。 關(guān)鍵詞：大體積混凝土，裂縫，施工， 1前言 近年來，在高層結(jié)構(gòu)、大型設(shè)備基礎(chǔ)以及大規(guī)模的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)中常常采用大體積混凝土施工。大體積混凝土開裂屢見不鮮，已經(jīng)成為困擾混凝土工程界的焦點問題。開裂的裂縫降低了混凝土結(jié)構(gòu)的承載能力，引發(fā)了安全隱患。同時裂縫的出現(xiàn)為水和其他有害侵蝕性介質(zhì)向混凝土內(nèi)部擴散提供了通道，侵蝕性介質(zhì)的侵入加劇了混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋修飾，劣化了工程的耐久性。為了保證大體積混凝土結(jié)構(gòu)具有可靠的服役性能和耐久性能，必須在施工過程中將大體積混凝土開裂的潛在危險性降至最低。 2009年9月在我公司李樓鐵礦和吳集鐵礦（北段）聯(lián)合建設(shè)工程750萬t/a主廠房球磨機基礎(chǔ)及磨礦倉筏板基礎(chǔ)工程施工中，經(jīng)過有效措施的預(yù)防，取得良好的效果。主廠房內(nèi)設(shè)3臺球磨機，其基礎(chǔ)尺寸為長12.27m，寬9.62m，高13.1m，每個基礎(chǔ)混凝土量達1500m3；磨礦倉筏板基礎(chǔ)長138.1m，寬10.8m，厚2.1m，混凝土量達3130m3 。2大體積混凝土 大體積混凝土是一個相對的概念。美國混凝土協(xié)會(aci)這樣定義：任何就地澆筑的大體積混凝土，必須要求采取措施解決水化熱及隨之引起的體積變形問題，以最大限度地減少開裂。日本建筑學(xué)會這樣定義：結(jié)構(gòu)斷面最小尺寸在80cm以上，同時水化熱引起的混凝土內(nèi)最高溫度與外界氣溫之差預(yù)計超過25℃的混凝土，稱之為大體積混凝土。我國學(xué)界的定義也不盡相同。有的規(guī)定建筑物的基礎(chǔ)最小邊尺寸在1～3m范圍內(nèi)就是大體積混凝土。也有的規(guī)定混凝土結(jié)構(gòu)物實體最小尺寸等于或大于1m，或預(yù)計會因為水化熱引起混凝土內(nèi)外溫差過大而導(dǎo)致裂隙的混凝土稱為大體積混凝土。故不能簡單規(guī)定混凝土的某個尺寸或某個內(nèi)外溫差，而應(yīng)根據(jù)實際澆筑時候的外界情況而需采取溫控措施最小體積的混凝土稱為大體積混凝土。 

3大體積混凝土開裂的特征  大體積混凝土溫度裂縫屬變形荷載引發(fā)裂縫，有別于外荷載引發(fā)裂縫，主要體現(xiàn)在以下兩個方面：一方面溫度裂縫的起因為水化導(dǎo)致內(nèi)部溫升從而引發(fā)混凝土發(fā)生體積變形，在外部約束與內(nèi)部約束共同作用下產(chǎn)生溫度應(yīng)力，當(dāng)溫度應(yīng)力超過混凝土抗拉強度時溫度開裂發(fā)生?；炷岭m然屬于脆性材料，但早期混凝土處于粘彈狀態(tài)，在內(nèi)部拉應(yīng)力的作用下產(chǎn)生拉伸徐變，拉伸徐變在很大程度上釋放了大體積混凝土內(nèi)部的溫度應(yīng)力。故拉伸徐變是大體積混凝土早期溫度開裂區(qū)別于荷載產(chǎn)生裂縫的主要特點，在進行大體積混凝土早期內(nèi)部應(yīng)力計算時應(yīng)充分考慮。另外一方面大體積混凝土內(nèi)部早期溫度應(yīng)力產(chǎn)生是溫度變形的作用，而內(nèi)部的溫升是受膠凝材料水化反應(yīng)放熱過程控制、決定，而膠凝材料水化反應(yīng)是隨齡期逐漸進行的，故大體積混凝土早期內(nèi)部溫度應(yīng)力隨水化反應(yīng)進行發(fā)展變化，應(yīng)力的發(fā)展直至溫度開裂產(chǎn)生是一個逐漸進行的過程，故大體積混凝土的溫度應(yīng)力應(yīng)按分段疊加的方法來求得。而按普通外荷載計算原則，從外荷載作用，結(jié)構(gòu)內(nèi)力形成，直至裂縫的出現(xiàn)與擴展，似乎都是在一瞬間完成的，是某個“瞬間過程”。4 大體積混凝土裂隙成因 大體積混凝土很難完全防止裂縫，但如果重視溫控設(shè)計并注意改善影響的各種因素，最大限度地減少裂縫及避免嚴重裂縫是可以做到的。對于重要部位超過溫控標(biāo)準可能發(fā)生裂縫的情況，最好進行裂縫的穩(wěn)定分析，提出臨界縫長及臨界溫度應(yīng)力，采取重點防護措施，避免產(chǎn)生大縫(超過臨界縫長)及嚴重縫，做到防患于未然。  4.1 混凝土早期內(nèi)部溫度影響 在大體積混凝土中，溫升是由水化熱引起的。混凝土內(nèi)部溫度升高并且膨脹，而混凝土表面處于冷卻和收縮狀態(tài)，如果內(nèi)外形成溫差過大，則在混凝土表面產(chǎn)生拉應(yīng)力引起開裂。裂縫的寬度和深度取決于熱的混凝土內(nèi)部和冷的混凝土外表面之間的溫度差大小。圖1為早期混凝土內(nèi)部典型的溫度及溫度應(yīng)力隨時間發(fā)展曲線，可見在澆筑后的幾個小時后混凝土內(nèi)部由于溫度升高會產(chǎn)生壓應(yīng)力作用，但由于此時混凝土彈性模量較低，故壓應(yīng)力值不大。溫度峰值達到之后，混凝土內(nèi)部的壓應(yīng)力由于溫度不斷降低而迅速減小。混凝土逐漸處于零應(yīng)力狀態(tài)。處于零應(yīng)力狀態(tài)時，混凝土內(nèi)部的溫度往往僅比溫度峰值低幾度。隨著混凝土內(nèi)部溫度進一步降低，拉應(yīng)力逐漸產(chǎn)生，而此時混凝土已具有較高的彈性模量，同時隨著硬度和剛度的不斷提高，混凝土對于應(yīng)力的釋放作用減弱，故混凝土內(nèi)部拉應(yīng)力發(fā)展較快導(dǎo)致開裂潛在可能性增加。    溫度應(yīng)力可表達成溫差、彈性模量以及混凝土熱膨脹系數(shù)的方程，而混凝土早期的熱膨脹系數(shù)往往與混凝土內(nèi)部濕度狀況相關(guān)。若要對大體積混凝土早期溫度應(yīng)力做出準確的評估與預(yù)測，必須研究混凝土早期熱膨脹系數(shù)及其隨時間發(fā)展變化情況。而早期混凝土屬于彈塑體，因此應(yīng)用線形變形測試手段監(jiān)測其熱膨脹系數(shù)存在一定困難。對此一些混凝土學(xué)者開展的具有針對性的研究。日本學(xué)者i.shi-masaki等人應(yīng)用非接觸式高精度位移傳感器測定了混凝土早期的熱膨脹系數(shù)。其研究結(jié)果見圖2，可見混凝土早期熱膨脹系數(shù)并非定值，而是隨齡期逐漸發(fā)展變化，在澆筑后的幾個小時后，混凝土熱膨脹系數(shù)變化尤為明顯。以往的混凝土溫度應(yīng)力計算中經(jīng)常常將混凝土的熱膨脹系數(shù)視為定值處理，這種方法顯然與實際情況存在較大偏差。 同時，由于混凝土是熱的不良導(dǎo)體，水泥水化過程中釋放出的水化熱短時間內(nèi)不容易散發(fā)。特別是大體積混凝土，當(dāng)產(chǎn)生大量水化熱時，混凝土內(nèi)外產(chǎn)生很大溫差，從而導(dǎo)致混凝土內(nèi)部存在溫度梯度，溫度梯度的產(chǎn)生導(dǎo)致溫度變形梯度以及層間約束形成，從而加劇了表層混凝土內(nèi)部所受拉應(yīng)力作用，導(dǎo)致表層混凝土開裂危險性的提高。 4.2外界氣候條件變化 大體積混凝土在施工階段，內(nèi)部溫度、溫度應(yīng)力往往受到外界氣溫變化影響。外界氣溫愈高，混凝土的澆筑溫度也愈高；而外界溫度下降則增加混凝土的降溫幅度。特別是氣溫驟降會大大增加外層混凝土與內(nèi)部混凝土的溫度梯度，對大體積混凝土是極為不利。混凝土內(nèi)部的溫度是水化熱的絕熱溫度，澆注溫度和結(jié)構(gòu)物的散熱降溫等各種溫度疊加，而溫度應(yīng)力則是由溫差引起的溫度變形造成的；溫差愈大，溫度應(yīng)力越大，當(dāng)溫度應(yīng)力超出了混凝主的抗拉強度時，就會出現(xiàn)溫度開裂。 4.3早期養(yǎng)護不良 早期混凝土處于凝結(jié)硬化過程，內(nèi)部結(jié)構(gòu)相對疏松，當(dāng)表面養(yǎng)護不當(dāng)時，水分很容易向干燥環(huán)境散失。水分的蒸發(fā)、散失導(dǎo)致表面干燥和干縮變形的產(chǎn)生，表層混凝土的干縮變形受到基體的約束使得內(nèi)部產(chǎn)生拉應(yīng)力。干縮變形受到約束產(chǎn)生的拉應(yīng)力與溫度應(yīng)力的疊加效果和綜合作用增加了大體積混凝土表面干裂的潛在可能性。5大體積混凝土控制溫度開裂措施 為防止出現(xiàn)開裂，建設(shè)工程中的設(shè)備基礎(chǔ)工程、房屋筏板基礎(chǔ)工程或其他無筋混凝土(抗壓強度相對較低)的構(gòu)件要考慮溫度控制。其內(nèi)部溫度不能比當(dāng)?shù)丨h(huán)境年平均溫度高出11℃～4℃(aci 308)。  5.1 降低膠凝材料早期水化放熱 減少水泥水化熱主要是通過減少水泥用量和選擇低水化熱水泥品種。具體可以通過以下幾項措施來達到目的。 5.1.1 優(yōu)化混凝土的配合比設(shè)計 在保證強度的前提下，盡可能降低水泥用量，從而降低混凝土水化熱溫度升值，選料要選用粗細骨料粒徑和級配連續(xù)的、粒徑較大的粗骨料配置混凝土。水泥用量一般為120～270kg／m3；粗骨料直徑為75～150mm，可占總集料量的80％。5.1.2摻加摻合料和外加劑 混凝土內(nèi)適當(dāng)摻加ⅱ級以上的粉煤灰來部分取代水泥以減少水泥用量，粉煤灰取代水泥劑量百分率不得超過規(guī)范規(guī)定，同時也摻加緩凝劑與減水劑，使緩凝時間在8h以上，從而改善混凝土拌和物的流動性、粘聚性和保水性，在降低用水量和提高后期強度的同時，降低水化熱、推遲放熱峰值出現(xiàn)時間。 5.1.3選擇低水化熱水泥 采用低水化熱的粉煤灰水泥或礦渣硅酸鹽水泥，控制混凝土內(nèi)部溫升。  5.1.4 高水泥用量的大體積混凝土措施  高水泥用量的(300～600kg／m3)大體積鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件不能用上面提及的澆注工藝和控制措施去控制裂縫。對這類混凝土(常用于板式基礎(chǔ)和球磨機基礎(chǔ))，比較適用的技術(shù)有：①對整個混凝土構(gòu)件進行連續(xù)澆注：②避免來自相鄰混凝土構(gòu)件的外部束縛，③防止混凝土內(nèi)外產(chǎn)生過高的溫差以控制內(nèi)部的熱應(yīng)力梯度。后者是通過絕熱，如用帳蓬遮蓋、被覆棉被和在聚乙烯膜上鋪砂使混凝土保溫來實現(xiàn)的。研究結(jié)果和經(jīng)驗表明如果混凝土內(nèi)外溫差最大不超過20℃可防止混凝土表面開裂(fitzgibbon 1977、fintel和ghosh 1978)，相應(yīng)的內(nèi)部裂縫也減少。5.2優(yōu)化大體積混凝土澆筑施工工藝 優(yōu)化澆筑工藝，采用斜面分層、薄層澆筑、連續(xù)推進的方式。分層厚度應(yīng)控制在300mm～500mm之間，采用插入式振動器振搗，插點間距和振搗時間應(yīng)按施工規(guī)范要求執(zhí)行。布置冷卻管，在澆筑前預(yù)先在混凝土模內(nèi)按1.0m層距布設(shè)降溫冷卻水管，待每層循環(huán)水管被混凝土覆蓋后進行該層水管通水，使混凝土內(nèi)部溫度降低。埋設(shè)測溫管，及時觀察和掌握混凝土內(nèi)外溫差，以便采取相應(yīng)的措施防止溫度裂縫。 5.3確保大體積混凝土前期的養(yǎng)護時間 為確保大體積混凝土的質(zhì)量，做好混凝土的保溫保濕養(yǎng)護，在混凝土上方搭蓋保溫棚，以及表面蓄水，噴灑養(yǎng)護液形成保濕膜或直接灑水養(yǎng)護等，降低混凝土內(nèi)外溫差，慢降溫，發(fā)揮徐變特性，減少溫度應(yīng)力。采取長時間的養(yǎng)護，規(guī)定合理的拆模時間，延緩降溫的時間和速度?；炷僚c周圍環(huán)境進行熱交換的速度很慢是由于混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)小?；炷翢嵘l(fā)的速度與其最小尺寸的平方成反比。例如厚度為0.15m的墻體，如從墻體兩側(cè)冷卻，散發(fā)所放出熱量的95％約需1.5h，而厚度為1.5m的墻體散發(fā)同樣的熱量則需整整一周(aci 207)?？捎脙r廉的熱電偶來監(jiān)測混凝土的溫度。6結(jié)語混凝土裂縫不僅會降低建筑物的抗?jié)B能力，影響建筑物的使用功能，而且會引起鋼筋的銹蝕、混凝土的碳化，降低材料的耐久性，影響建筑物的承載能力，因此，在施工中需要采取各種措施來預(yù)防裂縫特別是重點部位大體積混凝土裂隙的出現(xiàn)和發(fā)展，以保證建筑物和構(gòu)件安全、穩(wěn)定地工作。