體積混凝土裂縫產(chǎn)生機理分析及防治措施

張曉剛，崔 勇

（中城建北方建筑設計研究院，內(nèi)蒙古 赤峰 024000）

體積混凝土裂縫產(chǎn)生機理分析及防治措施

張曉剛，崔 勇

（中城建北方建筑設計研究院，內(nèi)蒙古 赤峰 024000）

大體積混凝土的裂縫破壞了結(jié)構(gòu)的整體性、耐久性、防水性，危害嚴重，必須加以控制.本文在分析大體積混凝土結(jié)構(gòu)裂縫產(chǎn)生的原因和機理的基礎上，從多個方面提出了預防裂縫產(chǎn)生及發(fā)展的措施.

混凝土；裂縫；水化熱；溫度應力

1 大體積混凝土結(jié)構(gòu)裂縫產(chǎn)生的原因

大體積混凝土結(jié)構(gòu)中裂縫的發(fā)生是由多種因素引起的.由于結(jié)構(gòu)截面大，水泥用量多，水化熱產(chǎn)生很大的溫度變化是導致大體積混凝土溫度裂縫的主要原因.除外部荷載作用和地基變形產(chǎn)生的裂縫外，還有溫度和收縮產(chǎn)生的裂縫.

1.1 水化熱產(chǎn)生裂縫的機理

1.1.1 大體積混凝土結(jié)構(gòu)的截面尺寸較大，在施工過程中，由水泥水化過程中釋放出大量水化熱，由于體積大，熱量不易散發(fā)，造成較大溫升，從而導致體積增大.當這種變形不受約束時，混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部不會產(chǎn)生應力.但實際上這種變形肯定會受到約束，約束有兩種.一是混凝土與外部環(huán)境溫度差異引起的約束；另一種是由于內(nèi)部的條件不同產(chǎn)生的約束，以上兩種約束產(chǎn)生的應力為溫度應力.

1.1.2 濕度變化引起的混凝土內(nèi)部各單元體之間相互約束，產(chǎn)生的應力為干縮應力.因為濕度傳導率遠小于熱度傳導率（約為1/1600），所以，它主要在混凝土表面附近；另外，混凝土自身體積變形不能自由伸縮所產(chǎn)生的應力，稱為自身體積變形應力；還有地基非均勻沉降、模板走樣也會產(chǎn)生變形應力.在以上非結(jié)構(gòu)荷載作用下所產(chǎn)生的應力中，主要是溫度應力和變形應力.對于大體積混凝土結(jié)構(gòu)施工，當混凝土澆筑體邊界無約束時（如底、頂板頂面），在早期水化熱溫度迅速升高階段，由于混凝土內(nèi)、外散熱條件不同，形成溫度梯度，表面受拉，內(nèi)部受壓.當拉應力超過混凝土抗拉強度時，混凝土表面就產(chǎn)生裂縫.在混凝土的降溫階段，混凝土的溫差引起的變形加上混凝土的體積收縮變形，受到地基和結(jié)構(gòu)邊界條件的約束時，在澆筑體中央斷面產(chǎn)生內(nèi)部拉應力，當該拉應力超過混凝土抗拉強度時，混凝土整個截面就產(chǎn)生貫穿裂縫.

1.2 溫度應力形成的三個階段

初期自澆筑混凝開始至水泥放熱基本結(jié)束，一般約30天.這個階段的兩個特征是水泥放出大量的水化熱及混凝土彈性模量的急劇變化.由于彈性模量的變化，這一時期在混凝土內(nèi)形成殘余應力.中期自水泥放熱作用基本結(jié)束時起至混凝土冷卻到穩(wěn)定溫度時止，這個時期中，溫度應力主要是由于混凝土的冷卻及外界氣溫變化所引起，這些應力與早期形成的殘余應力相疊加，在此期間混凝土的彈性模量變化不大.后期混凝土完全冷卻以后的運轉(zhuǎn)時期.溫度應力主要是外界氣溫變化所引起，這些應力與前兩種的殘余應力相疊加.根據(jù)溫度應力引起的原因可分為兩類：一是自生應力：邊界上沒有任何約束或完全靜止的結(jié)構(gòu)，如果內(nèi)部溫度是非性分布的，由于結(jié)構(gòu)本身互相約束而出現(xiàn)的溫度應力.例如，橋梁墩身、結(jié)構(gòu)尺寸相對較大，混凝土冷卻時表面溫度低，內(nèi)部溫度高，在表面出現(xiàn)拉應力，在中間出現(xiàn)壓應力.二是約束應力：結(jié)構(gòu)的全部或部分邊界受到外界的約束，不能自由變形而引起的應力.如箱梁頂板混凝土和護欄混凝土.這兩種溫度應力往往和混凝土的干縮所引起的應力共同作用.要想根據(jù)已知的溫度準確分析出溫度應力的分布、大小是一項比較復雜的工作.在大多數(shù)情況下，需要依靠模型試驗或數(shù)值計算.混凝土的徐變使溫度應力有相當大的松弛，計算溫度應力時，必須考慮徐變的影響，具體計算這里就不再細述.

2 裂縫控制的基本原理及措施

大體積混凝土的裂縫控制是指杜絕有害裂縫，同時減少或避免不影響使用的混凝土表面裂縫.

2.1 裂縫控制原理

降低混凝土外約束與非線性降溫和收縮所產(chǎn)生的拉應力，提高混凝土相應齡期的抗拉強度和極限拉伸，以確保抗裂安全度要求.裂縫控制方法采取溫差與溫度應力雙控制方法，避免結(jié)構(gòu)物出現(xiàn)溫度裂縫，同時調(diào)整混凝土表面濕度以防止表面干縮裂縫.結(jié)構(gòu)裂縫產(chǎn)生的主要原因是降溫和收縮.任一降溫差包含水化熱引起的溫差和收縮當量溫差，又都可以分解為均勻降溫差和非均勻降溫差兩類.前者產(chǎn)生外約束力，它成為貫穿性裂縫的主要原因；后者引起自約束力，形成表面裂縫；只有同時控制好這兩類降溫差，才能減小和避免裂縫的產(chǎn)生.

2.2 控制混凝土裂縫措施

控制混凝土裂縫必須從混凝土產(chǎn)生裂縫的幾個主要原因入手，才能有效地將裂縫控制在充許范圍內(nèi).一般分為兩個控制階段，設計階段和施工階段.設計階段由設計人員對混凝土強度等級、鋼筋的品種、規(guī)格、建筑物的結(jié)構(gòu)形式等統(tǒng)籌設計，有效進行裂縫控制.施工階段采取加入外加劑改善混凝土性能、降低水泥水化熱、降低混凝土內(nèi)外溫差、設置施工縫或變形縫、加強混凝土中的配筋率等措施來減少混凝土的收縮，防止混凝土產(chǎn)生有害裂縫.

由于大體積混凝土各項指標要求較高，并普遍采用泵送混凝土，因此采用合理的配合比是有效控制和預防混凝土裂縫發(fā)生的基礎.應根據(jù)工程所處條件，對砂率、水灰比、水泥用量及摻合料用量等進行優(yōu)化設計，選擇最優(yōu)方案.

選擇適當?shù)纳奥蕦刂苹炷恋牧芽p有積極作用，混凝土的干燥收縮隨砂率的增大而增大.由于砂率減小使粗骨料含量增大，在相同條件下混凝土的彈性模量較高，收縮量較小，而且由于粗骨料對收縮的約束作用，可減少開裂的可能.使用粗骨料時，由于骨料中石英、石灰?guī)r、白云巖、花崗巖、長石等吸水性較小，收縮性較低，而砂巖、板巖、角閃巖等吸水性較大，收縮性較高，同時，骨料粒徑大，收縮性小.因此可根據(jù)施工條件，盡量選用適宜巖性石料，粒徑較大、質(zhì)量優(yōu)良、級配良好的石子.既可以減少用水量，也可以相應減少水泥用量，還可以減小混凝土的收縮和泌水現(xiàn)象.

在厚大無筋或少筋的大體積混凝土中，摻總量不超過20%的大石塊，減少混凝土的用量，以達到節(jié)省水泥和降低水化熱的目的.在選擇細骨料時，盡量不用含硫化物的砂，因為砂中硫化物與水泥中呂酸三鈣發(fā)生化學反應，使體積膨脹2.5倍.同時，因砂中云母含量高，將削弱水泥與骨料的粘結(jié)力；砂中含泥量過高、有機質(zhì)和輕物質(zhì)過多，都將降低混凝土強度.因此，應選擇不含硫化物、云母含量低，含泥量、有機質(zhì)和輕物質(zhì)含量低的、平均粒徑較大的中粗砂，從而降低混凝土的干縮，減少水化熱量，對混凝土的裂縫控制有重要作用.

選用中低水化熱水泥，可使水泥在拌和過程中水化熱釋放較小，顯著減少混凝土升溫，如選用礦渣硅酸鹽水泥，火山灰質(zhì)硅酸鹽水泥、普硅非早強型水泥.充分利用混凝土后期強度，減少每立方米混凝土中水泥用量.采用降低水泥用量的方法來降低混凝土的絕對溫升值，可以使混凝土澆筑后的內(nèi)外差和降溫速度控制的難度降低.

摻合料的質(zhì)量對混凝土裂縫有顯著的影響，當前用的摻合料主要是粉煤灰或礦粉，它們可以提高混凝土的和易性大大改善混凝土工作性能和可靠性，粉煤灰對混凝土的早期干縮影響很大，使用細度較粗或含碳量高的粉煤灰會大幅度增加混凝土的需水量，從而加大混凝土的收縮導致開裂.混凝土中摻入減水劑，不僅使混凝土工作性能有了明顯的改善，同時又減少拌和用水，節(jié)約水泥，從而降低了水化熱.若是泵送混凝土，為了延緩凝結(jié)時間，要加緩凝劑，反之凝結(jié)時間過早，將影響混凝土的輸送和澆筑面的粘結(jié)，易出現(xiàn)層間縫隙，使混凝土防水、抗裂和整體強度下降.加入UEA或AEA膨脹劑，用量約為水泥用量的14%左右，使混凝土在凝固過程中不產(chǎn)生收縮，還可以提高混凝土自防水能力.

澆筑過程中應加強混凝土的澆灌振搗，提高密實度.采用兩次振搗技術(shù)，改善混凝土強度，提高抗裂性.混凝土盡可能晚拆模，拆模后混凝土表面溫度不應下降15℃以上.

加強混凝土的養(yǎng)護及測溫工作.混凝土澆筑完畢后，應及時按溫控技術(shù)措施的要求進行保溫養(yǎng)護，保溫養(yǎng)護是大體積混凝土施工的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，其目的主要是降低大體積混凝土澆筑塊體的內(nèi)外溫差值以降低混凝土塊體的自約束應力；其次是降低大體積混凝土澆筑塊體的降溫速度，充分利用混凝土的抗拉強度，以提高混凝土塊體的抗裂能力，同時，在養(yǎng)護過程中保持良好的濕度和抗風條件，使混凝土在良好的環(huán)境下養(yǎng)護.具體應使混凝土澆筑塊體的里外溫差及降溫速度滿足溫控指標的要求，保溫養(yǎng)護的持續(xù)時間應根據(jù)溫度應力加以控制、確定，保溫覆蓋層的拆除應分層逐步進行；在保溫養(yǎng)護過程中，應保持混凝土表面的濕潤.施工人員需根據(jù)事先確定的溫控指標的要求，來確定大體積混凝土澆筑后的養(yǎng)護措施，如采用蓄水法保溫養(yǎng)護等.

3 結(jié)論

混凝土結(jié)構(gòu)裂縫的發(fā)生的原因很復雜也是不可避免的，實踐證明混凝土裂縫的防治重點在于“防”，而不在于“治”在采取了上述綜合性控制措施后，由于各種原因仍可能有少量的混凝土裂縫發(fā)生.當這些裂縫發(fā)生后，必須先查明裂縫產(chǎn)生的原因，判明裂縫的類型，才能選擇正確的處理方法.同時要通過合理設計混凝土配合比、正確選用原材料、合理設計建筑結(jié)構(gòu)、加強施工監(jiān)控、嚴格遵守施工技術(shù)規(guī)程、改善施工工藝、提高施工技術(shù)水平、做好溫度監(jiān)測及加強養(yǎng)護的工作.以上各項技術(shù)措施并不是孤立的，而是相互聯(lián)系、相互制約的，在施工中必須結(jié)合實際、全面考慮、合理采用，才能起到良好的效果.這樣才有可能最大程度減少混凝土裂縫的產(chǎn)生，把裂縫寬度控制在設計范圍內(nèi)，盡量減少裂縫造成的危害，提高混凝土質(zhì)量.

〔1〕王鐵夢.工程結(jié)構(gòu)裂縫控制[M].北京.中國建筑工業(yè)出版社，1997.

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TU528

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