大體積混凝土裂縫的形成與控制

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 大體積混凝土裂縫的形成與控制

柴江明 摘要：從水泥水化熱、內(nèi)外約束條件、外界氣溫、混凝土塑性收縮幾方面分析了大體積混凝土裂縫的形成原因，介紹了施工過(guò)程中應(yīng)采取的有效技術(shù)措施，以減少或避免裂縫的產(chǎn)生。 關(guān)鍵詞：大體積混凝土，溫度裂縫，粗骨料，水泥用量，溫度控制 1 大體積混凝土裂縫的形成 　　　混凝土凝結(jié)時(shí)，水泥與水發(fā)生水化反應(yīng)而放出大量的水化熱，混凝土的溫度隨著水化反應(yīng)的不斷進(jìn)行而逐步升高。當(dāng)混凝土體積較大和散熱條件不好時(shí)，水化熱基本上積蓄于混凝土內(nèi)，從而引起混凝土內(nèi)部溫度明顯升高?；炷羶?nèi)外溫度的不均勻變化，會(huì)引起混凝土體積的不均勻變化及溫度變形。當(dāng)溫度變形受到約束而不能自由收縮時(shí)，就會(huì)引起溫度應(yīng)力，從而產(chǎn)生溫度裂縫。大體積混凝土施工階段產(chǎn)生的溫度裂縫，是其內(nèi)部變化發(fā)展的結(jié)果。一方面混凝土由于內(nèi)外溫差產(chǎn)生應(yīng)力和應(yīng)變，另一方面結(jié)構(gòu)的外約束和混凝土各質(zhì)點(diǎn)的約束阻止了這種應(yīng)變，一旦溫度應(yīng)力超過(guò)混凝土能承受的極限抗拉強(qiáng)度，就會(huì)產(chǎn)生不同程度的裂縫。這種裂縫的寬度在允許范圍內(nèi)時(shí)，一般不會(huì)影響結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度，但對(duì)結(jié)構(gòu)的耐久性有所影響?？偨Y(jié)大體積混凝土產(chǎn)生裂縫的工程實(shí)例，產(chǎn)生裂縫的主要原因有以下幾個(gè)方面。 1.1 水泥水化熱的影響 　　　水泥在水化反應(yīng)過(guò)程中產(chǎn)生大量的熱量，試驗(yàn)證明每克普通硅酸鹽水泥放出的熱量可達(dá)500 J。由于大體積混凝土截面厚度大，水化熱聚集在結(jié)構(gòu)內(nèi)部不易散發(fā)，所以會(huì)引起混凝土內(nèi)部急驟升溫。試驗(yàn)表明：大體積混凝土水泥水化熱在1 d～3 d放出的熱量最多，占總熱量的5O％左右；澆筑后的3 d～5 d內(nèi)，混凝土內(nèi)部的溫度最高。混凝土的導(dǎo)熱性較差，澆筑初期混凝土的彈性模量和強(qiáng)度都很低，對(duì)水泥水化熱急劇溫升引起的變形約束不大，溫度應(yīng)力自然也較小，不會(huì)產(chǎn)生溫度裂縫。隨著混凝土齡期的增長(zhǎng)，其彈性模量和強(qiáng)度相應(yīng)不斷提高，對(duì)混凝土降溫收縮變形的約束愈來(lái)愈強(qiáng)，即產(chǎn)生很大的溫度應(yīng)力，當(dāng)混凝土的抗拉強(qiáng)度不足以抵抗該溫度應(yīng)力時(shí)，便產(chǎn)生溫度裂縫。 1.2 內(nèi)外約束條件的影響 　　　大體積混凝土與地基澆筑在一起，當(dāng)溫度變化時(shí)受到下部地基的限制，因而產(chǎn)生外部的約束應(yīng)力。混凝土在早期溫度上升時(shí)，產(chǎn)生的膨脹變形受到約束面的約束而產(chǎn)生壓應(yīng)力，此時(shí)混凝土的彈性模量很小，徐變和應(yīng)力松弛大，混凝土與基礎(chǔ)連接不太牢固，因而壓應(yīng)力較小。但當(dāng)溫度下降時(shí)，則產(chǎn)生較大的拉應(yīng)力，若超過(guò)混凝土的極限抗拉強(qiáng)度，混凝土將會(huì)出現(xiàn)垂直裂縫。 1.3 外界氣溫變化的影響 　　　混凝土的內(nèi)部溫度是澆筑溫度、水泥水化熱的絕熱溫升和結(jié)構(gòu)的散熱溫度等各種溫度的疊加。大體積混凝土由于厚度大，不易散熱，其內(nèi)部溫度高達(dá)90℃ 以上，而且持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)。澆筑溫度與外界氣溫有著直接關(guān)系，外界氣溫愈高，混凝土的澆筑溫度也愈高；如果外界氣溫下降，會(huì)增加混凝土的溫度梯度，特別是氣溫驟然下降，會(huì)大大增加內(nèi)外混凝土的溫差，因而會(huì)造成過(guò)大的溫度應(yīng)力，混凝土容易出現(xiàn)裂縫。 1.4 混凝土塑性收縮變形的影響 　　　在混凝土硬化前，處于塑性狀態(tài)，如果上部混凝土的均勻沉降受到限制，如遇到鋼筋或大的混凝土骨料或者平面面積較大的混凝土，其水平方向的減縮比垂直方向更難時(shí)，就容易形成不規(guī)則的混凝土塑性收縮性裂縫。 2 控制大體積混凝士裂縫的主要技術(shù)措施 2.1 水泥品種選擇和用量控制 　　　大體積混凝土結(jié)構(gòu)引起裂縫的主要原因是：混凝土的導(dǎo)熱性較差，水泥水化熱的大量積聚，使混凝土出現(xiàn)早強(qiáng)溫升和后期降溫現(xiàn)象。因此，控制水泥水化熱引起的溫升，即減少混凝土內(nèi)外溫差，對(duì)降低溫度應(yīng)力、防止產(chǎn)生溫度裂縫將起到較大作用。 1)選用中熱或低熱的水泥品種?；炷羶?nèi)部溫升的熱源主要是水泥水化熱，選用中熱或低熱水泥品種，是控制混凝土溫升的最根本方法。試驗(yàn)表明：選用425強(qiáng)度等級(jí)硅酸鹽水泥，比選用425強(qiáng)度等級(jí)礦渣硅酸鹽水泥，3 d內(nèi)水化熱平均升溫高5℃～ 8℃。 2)控制水泥的用量。大量的試驗(yàn)資料表明，每立方米混凝土中的水泥用量每增減10 kg，其水化熱將使混凝土的溫度相應(yīng)升降l℃。因此，為控制混凝土溫升，降低溫升應(yīng)力，防止溫度裂縫，一方面在滿(mǎn)足混凝土強(qiáng)度和耐久性的前提下，盡量減少水泥的用量，對(duì)于普通混凝土控制在每立方米混凝土水泥用量不超過(guò)400 kg；另一方面可根據(jù)結(jié)構(gòu)實(shí)際承受荷載的情況，采用f45，f60,f90替代f28作為混凝土的設(shè)汁強(qiáng)度，這樣可使每立方米混凝土的水泥用量減少40 kg～70 kg左右，混凝土水化熱溫升也相應(yīng)降低4℃～7℃ 。 2.2 摻加外加料 　　　　工程實(shí)踐證明，在施工中優(yōu)化混凝土級(jí)配，摻加適量的外加料，以改善混凝土的特性，是大體積混凝土施工中的一項(xiàng)重要技術(shù)措施。大體積混凝土中摻加的外加劑主要是木質(zhì)素磺酸鈣(簡(jiǎn)稱(chēng)木鈣)。在泵送混凝土中摻入木鈣為水泥質(zhì)量的0．2％～0．3％，它不僅能使混凝土的和易性有明顯地改善，而且可減少10％左右的拌合水，混凝土28 d的強(qiáng)度可提高l0％～20％；若不減少拌合水，坍落度可提高10 cm左右；若保持強(qiáng)度不變，可節(jié)省水泥l(xiāng)0％，從而可降低水化熱。大量試驗(yàn)證明，存混凝土中摻入一定量的粉煤灰后，除了起增強(qiáng)作用外，在混凝土用水量不變的條件下，還可顯著改善混凝土的和易性。若保持混凝土拌合物原有的流動(dòng)性不變，則可減少單位用水量，從而提高混凝土的密實(shí)性和強(qiáng)度。所以，在混凝土中摻入適量的粉煤灰，不僅可以滿(mǎn)足混凝土的可泵性，而且還可以降低水化熱。 2.3 骨料的選擇 1)粗骨料的選擇。大體積混凝土宜優(yōu)先選用以自然連續(xù)級(jí)配的粗骨料配制。這樣混凝土?xí)哂辛己玫暮鸵仔?、較少的用水量、節(jié)約水泥用量、較高的抗壓強(qiáng)度等優(yōu)點(diǎn)。試驗(yàn)證明，采用5 cm- 40cm石子比采用5cm～20cm石子每立方米混凝土可減少用水量15 kg左右，在相同水灰比的情況下，水泥用量可節(jié)約20 kg左右，混凝土溫升可降低2℃。但是，骨料粒徑增大后，容易引起混凝土的離析，影響混凝土的質(zhì)量，因此不要盲目選用大粒徑粗骨料，必須進(jìn)行優(yōu)化級(jí)配設(shè)計(jì)。 2)細(xì)骨料的選擇 大體積混凝土宜選用優(yōu)質(zhì)的中、粗砂做細(xì)骨料，細(xì)度模數(shù)宜在2.6～2.9范圍內(nèi)。試驗(yàn)證明當(dāng)選用細(xì)度模數(shù)為2.79,平均粒徑為0.381 mm的中粗砂時(shí)，比選用細(xì)度模數(shù)為2.2,平均粒徑為0.336mm的細(xì)砂，每立方米混凝土可減少水泥用量28 kg～35 kg，減少用水量2O kg～25 kg。這樣既降低了混凝土的溫升也減小了混凝土的收縮。但是如果砂率過(guò)大，將會(huì)影響混凝土的強(qiáng)度，因此在滿(mǎn)足混凝土可泵性的前提下，盡可能選用較小的砂率。 3)骨料的質(zhì)量要求。在大體積混凝土施工中，石子的含泥量不得大于1％ ，砂的含泥量不得大于2％。 2.4溫度控制 　　1）參考其他工程項(xiàng)目大體積混凝土的施工控制邊界條件，混凝土內(nèi)部的最高溫度應(yīng)控制在55℃，混凝土內(nèi)外溫差為25℃，分層澆筑時(shí)上、下層的溫差為25℃。根據(jù)混凝土溫度走勢(shì)曲線(xiàn)，我們可以知道，每層混凝土的最高溫升點(diǎn)均為每層的核心，且核心點(diǎn)的溫度峰值都是在75h左右，這說(shuō)明越靠近構(gòu)件核心部位，水化熱越是不容易散發(fā)出來(lái)。同時(shí)由混凝土溫度曲線(xiàn)資料可以看出，在構(gòu)件的分層之間，溫度攀升不高且走勢(shì)平穩(wěn)，這說(shuō)明分層澆筑混凝土所達(dá)到的效果是明顯的。 　　2）根據(jù)混凝土溫度走勢(shì)曲線(xiàn)，我們可以知道，在2d的齡期內(nèi)，當(dāng)混凝土的強(qiáng)度尚未足夠高，不能抵抗因溫差產(chǎn)生的拉應(yīng)力時(shí)，必須足夠重視，灑水覆蓋，不能讓混凝土內(nèi)外溫差過(guò)高。 參考文獻(xiàn)： [1]傅茂林．大體積混凝土裂縫的預(yù)防【J] [2]崔淑斌．大體積混凝土溫度控制技術(shù)·《鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)》2003增刊