大體積混凝土結(jié)構(gòu)裂縫產(chǎn)生的原因和控制

與普通混凝土結(jié)構(gòu)相比,大體積混凝土有“大高難”三大特點(diǎn)。“大”指其幾何尺寸大于800mm,“高”,指其體內(nèi)外溫差高——“水化熱引起的混凝土內(nèi)的最高溫度與環(huán)境溫度之差預(yù)計(jì)超過(guò)25℃”;“難”,指其裂縫解決是一道絞人腦汁的技術(shù)難題。因?yàn)?ldquo;難”,美國(guó)混凝土學(xué)會(huì)才既“硬性又橡皮”地規(guī)定:其水化熱及隨之引起的體積變形問(wèn)題“必須解決”而解決的程度則只要求“以最大限度地減少開(kāi)裂影響”。

一、大體積混凝土裂縫產(chǎn)生的原因和規(guī)律

從基本概念上講,建筑物的裂縫是不可避免的,但其有害程度是可以控制的,有害程度的界限由各種建筑物的使用要求所決定。引起建筑物開(kāi)裂的原因是極其復(fù)雜的。主要可分為兩大類作用,即外力荷載作用和變形荷載作用。本文只探討變形荷載引起的裂縫,因?yàn)閲?guó)內(nèi)外大量調(diào)查結(jié)論說(shuō)明:由于“變形荷載”引起的裂縫占到兩大類作用裂縫總計(jì)的80%以上。

大體積混凝土結(jié)構(gòu)的“變形荷載”裂縫,主要是由水泥水化熱引起的混凝土內(nèi)的最高溫度與環(huán)境溫度之差的高溫差和混凝土的收縮率引起的。溫差的產(chǎn)生有三種情況:第一種是在混凝土澆注初期,產(chǎn)生大量的水化熱,由于混凝土是熱的不良導(dǎo)體,水化熱積聚在混凝土內(nèi)部不易散發(fā),使的混凝土內(nèi)部溫度上升;而混凝土表面溫度為室外環(huán)境溫度,這就形成了內(nèi)外溫差。這種內(nèi)外溫差的混凝土凝結(jié)初期產(chǎn)生的拉應(yīng)力當(dāng)超過(guò)混凝土抗壓強(qiáng)度時(shí),就會(huì)導(dǎo)致混凝土裂縫。另一種是在拆模前后,表面溫度降低很快,造成了陡降,也會(huì)導(dǎo)致裂縫產(chǎn)生。第三種是:當(dāng)混凝土內(nèi)部溫度高達(dá)峰值后,熱量逐漸散發(fā)而達(dá)到使用溫度或最低溫度,它們與最高溫度的差值就是內(nèi)部溫差。這三種溫差都會(huì)產(chǎn)生裂縫,但最最嚴(yán)重的是有水化熱引起的內(nèi)外溫差。

收縮引起裂縫的情況有兩種:①混凝土硬化前的塑性收縮:在水泥活性較大,混凝土溫度較高,或在水灰比較低的條件下,塑性收縮會(huì)加劇進(jìn)行。因?yàn)檫@時(shí)混凝土的泌水明顯減少,表面蒸發(fā)的水分不能及時(shí)得到補(bǔ)充,尚處于塑性狀態(tài)的混凝土,稍微受到一點(diǎn)拉力,其表面就會(huì)出現(xiàn)分步不均勻的裂縫。裂縫出現(xiàn)以后,混凝土體內(nèi)的水分蒸發(fā)進(jìn)一步加大,于是裂縫進(jìn)一步擴(kuò)展。②混凝土硬化后的干燥收縮:在干燥的環(huán)境下,已硬化的混凝土內(nèi)部的水分不斷向外散失,引起混凝土由外向內(nèi)的干縮變形裂縫。

產(chǎn)生裂縫的規(guī)律。①溫差和收縮越大,溫度變化和收縮的速度越快,越容易開(kāi)裂,裂縫越寬、越密;②基底對(duì)結(jié)構(gòu)的約束作用越大,越容易開(kāi)裂;③溫度梯度越大,承受均勻溫差收縮的厚度越小,越容易開(kāi)裂;④在一般情況下,結(jié)構(gòu)的幾何尺寸越大,越容易開(kāi)裂。

二、控制大體積混凝土裂縫的主要措施

控制裂縫的措施,就要最大限度地降低溫差和減少收縮,本文從混凝土的主要膠凝材料水泥方面談點(diǎn)意見(jiàn):
1.走出采用高早強(qiáng)水泥的誤區(qū)水泥熟料主要是由C3S、C2S、C3A和C4AF四種礦物組成的。
水泥熟料四種礦物的水化熱和收縮率請(qǐng)見(jiàn)表1、表2:

表1:水泥熟料四種礦物的水化熱

表2:水泥熟料四種礦物收縮率

由表1和表2可見(jiàn):①水化熱:一年內(nèi)五個(gè)齡期都是:C3A>C3S+C2S+C4AF;C3S在28天內(nèi)的三個(gè)齡期也是C2S的數(shù)倍;②收縮率也是C3A>C3S+C2S+C4AF。據(jù)此可以斷定:采用高早強(qiáng)水泥對(duì)大體積混凝土裂縫的控制,必然是南轅北轍,事與愿違!

2.用中強(qiáng)偏低硅酸鹽水泥,摻入適量粉煤灰和適量相容的高效減水劑,將水膠比降到0.3左右,能夠配制出高性能的混凝土。

例如:加拿大礦產(chǎn)與能源技術(shù)中心(CANMET)自1985年以來(lái),進(jìn)行了深入而廣泛的研究.它以水泥150kg/m3、粉煤灰200/m3,通過(guò)高效減水劑將水膠比降0.3左右,所配的混凝土抗壓強(qiáng)度:28天為30～40Mpa;90天為40～50Mpa;1年為50～60Mpa。大摻量粉煤灰混凝土的試驗(yàn)成功,使得在渥太華附近的大衛(wèi)伏勞瑞達(dá)實(shí)驗(yàn)室利用CANMET了一個(gè)重達(dá)360噸的混凝土平臺(tái)。為了降低水化熱,以Ⅱ型(低熱)水泥、粉煤灰、粗細(xì)骨料、高效減水劑混合配制。平臺(tái)的尺寸是7×8m,平均厚度2.25m,在多個(gè)充氣圓柱體上,因此其震動(dòng)與地面分離。由于粉煤灰混凝土高性能品質(zhì),發(fā)射火箭產(chǎn)生的沖擊不會(huì)引起平臺(tái)共振。隨著齡期增大,平臺(tái)混凝土的共振頻率以每年0.5Hz的速度增大,質(zhì)量越來(lái)越好。在該平臺(tái)上成功的發(fā)射了愛(ài)那克依火箭的事實(shí)雄辯地證明:粉煤灰混凝土可以看作真正的太空時(shí)代的建筑材料。