大體積混凝土施工裂縫控制分析

宋文英 中國(guó)成達(dá)工程有限公司 成都 610041

大體積混凝土施工裂縫控制分析

宋文英＊中國(guó)成達(dá)工程有限公司 成都 610041

分析大體積混凝土裂縫產(chǎn)生的原因及控制裂縫產(chǎn)生的措施。

體積混凝土 水化熱 裂縫 原因分析 控制措施

大體積混凝土一般指厚度大于1m的建、構(gòu)筑物,由于在施工中水化熱會(huì)導(dǎo)致內(nèi)部溫升較高,收縮大,一旦養(yǎng)護(hù)不當(dāng)極易引起裂縫。

這不僅對(duì)建、構(gòu)筑物外觀產(chǎn)生較大影響,同時(shí)對(duì)使用功能和耐久性產(chǎn)生影響,嚴(yán)重時(shí)對(duì)建、構(gòu)筑物的安全構(gòu)成威脅,甚至于完全喪失使用功能,裂縫問(wèn)題引起了人們的廣泛關(guān)注。根據(jù)國(guó)內(nèi)外的調(diào)查資料,工程實(shí)踐中結(jié)構(gòu)物的裂縫原因,屬于變形變化(溫度、濕度、地基變形)引起的占80%以上,屬于荷載引起的約占20%。

本文僅討論裂縫產(chǎn)生的原因及控制措施。

1 裂縫產(chǎn)生的原因

混凝土產(chǎn)生裂縫的原因是多方面的,例如外荷載的作用、濕度、溫度的變化、基礎(chǔ)不均勻沉降、混凝土的收縮徐變、構(gòu)件的配筋不合理以及施工方法不當(dāng)?shù)榷伎赡芤鸹炷翗?gòu)件的開(kāi)裂。其中,溫度和濕度變化是主要的原因。

(1)混凝土硬化期間水泥釋放出大量水化熱,內(nèi)部溫度不斷上升,在表面引起拉應(yīng)力。后期在降溫過(guò)程中,由于受到基礎(chǔ)或已澆注混凝土的約束,又會(huì)在混凝土內(nèi)部出現(xiàn)拉應(yīng)力。氣溫的降低也會(huì)在混凝土表面引起很大的拉應(yīng)力。當(dāng)這些拉應(yīng)力超過(guò)混凝土的抗拉強(qiáng)度時(shí),就會(huì)產(chǎn)生裂縫。

(2)許多混凝土的內(nèi)部濕度變化很小或變化較慢,但表面濕度可能變化較大或發(fā)生劇烈變化。如養(yǎng)護(hù)不當(dāng)、時(shí)干時(shí)濕,表面干縮形變受到內(nèi)部混凝土的約束,也會(huì)導(dǎo)致裂縫的產(chǎn)生。

(3)混凝土是一種脆性材料,抗拉強(qiáng)度是抗壓強(qiáng)度的1/10左右,短期加荷時(shí)的極限拉伸變形為(0.6～1.0)×10-4;長(zhǎng)期加荷時(shí)的極限拉伸變形為(1.2～2.0)×10-4。由于原材料不均勻,水灰比不穩(wěn)定,及運(yùn)輸和澆筑過(guò)程中的離析現(xiàn)象,即便是在同一塊混凝土中其抗拉強(qiáng)度也是不均勻的,存在著抗拉能力低,易于出現(xiàn)裂縫的薄弱部位。因此掌握溫度應(yīng)力的變化規(guī)律對(duì)于進(jìn)行合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和施工極為重要。

2 溫度應(yīng)力分析

2.1 溫度應(yīng)力的形成過(guò)程

溫度應(yīng)力的形成過(guò)程可分為三個(gè)階段:

(1)自澆筑混凝土開(kāi)始至水泥放熱基本結(jié)束。這個(gè)階段有兩個(gè)特征:①水泥放出大量的水化熱;②混凝土彈性模量的急劇變化。由于彈性模量的變化,這一時(shí)期在混凝土內(nèi)形成殘余應(yīng)力。

(2)自水泥放熱作用基本結(jié)束時(shí)起至混凝土冷卻到穩(wěn)定溫度時(shí)止,這階段溫度應(yīng)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(yīng)力與早期形成的殘余應(yīng)力相疊加,但混凝土的彈性模量的變化不大。

(3)在混凝土完全冷卻后,溫度應(yīng)力主要是外界氣溫變化所引起,這些應(yīng)力與前兩種殘余應(yīng)力相疊加。

2.2 溫度應(yīng)力的形成原因

溫度應(yīng)力形成的原因可分為兩類:

(1)自生應(yīng)力:邊界上沒(méi)有任何約束或完全靜止的結(jié)構(gòu),如果內(nèi)部溫度是非線性分布的,由于結(jié)構(gòu)本身互相約束而出現(xiàn)的溫度應(yīng)力。例如,橋梁墩身結(jié)構(gòu)尺寸相對(duì)較大,混凝土冷卻時(shí)表面溫度低,內(nèi)部溫度高,在表面出現(xiàn)拉應(yīng)力。

(2)約束應(yīng)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(yīng)力。如大塊式筏板基礎(chǔ)受到巖石地基的約束產(chǎn)生的應(yīng)力。

這兩種溫度應(yīng)力往往和混凝土的干縮所引起的應(yīng)力共同作用。混凝土的徐變使溫度應(yīng)力有相當(dāng)大的松弛,計(jì)算溫度應(yīng)力時(shí),必須考慮徐變的影響。

3 控制裂縫的措施

控制混凝土裂縫貫穿于設(shè)計(jì)、選材及施工全過(guò)程,可采取許多適當(dāng)?shù)募夹g(shù)措施。

3.1 設(shè)計(jì)

(1)大體積混凝土底板應(yīng)在滿足抗彎及抗沖切計(jì)算要求下,采用強(qiáng)度等級(jí)在C20～C35范圍內(nèi)的混凝土,考慮到建設(shè)周期長(zhǎng)的特點(diǎn),可以利用混凝土60d或90d的后期強(qiáng)度,這樣既可減少混凝土中的水泥用量,又能降低混凝土澆筑塊體的溫度。

(2)大體積混凝土基礎(chǔ)除應(yīng)滿足承載力和構(gòu)造要求外,還應(yīng)增配承受水泥水化熱引起的溫度應(yīng)力及控制裂縫開(kāi)展的鋼筋,以構(gòu)造鋼筋來(lái)控制裂縫,配筋應(yīng)盡可能采用小直徑、小間距。采用直徑8～14mm的鋼筋和100～150mm間距是比較合理的。

(3)當(dāng)基礎(chǔ)設(shè)置于巖石地基上時(shí),宜在混凝土墊層上設(shè)置滑動(dòng)層。

(4)避免結(jié)構(gòu)突變(或斷面突變)產(chǎn)生應(yīng)力集中。轉(zhuǎn)角和孔洞處增設(shè)構(gòu)造加強(qiáng)筋。

(5)大體積基礎(chǔ)采用“后澆帶”來(lái)控制施工期間的較大溫差及收縮應(yīng)力,后澆帶宜控制在20～30m。

3.2 選材

(1)采用降低水泥用量的方法來(lái)降低混凝土的絕對(duì)溫升值,既便于控制混凝土澆筑后的內(nèi)外溫差和降溫速度,又可降低保溫養(yǎng)護(hù)的費(fèi)用,這是大體積混凝土配合比選擇的特殊性。

(2)選用水化熱低的水泥澆筑大體積混凝土。

(3)采用含泥量小于1.5%、5～40mm顆粒級(jí)配的石子。

(4)采用含泥量小于1.5%的中、粗砂。

3.3 施工

為了防止裂縫,減小溫度應(yīng)力可以從控制溫度、改善約束條件和保溫保濕方面著手。

3.3.1 控制溫度

(1)采用改善骨料級(jí)配,摻混合料,加引氣劑或塑化劑等措施以減少混凝土中的水泥用量。

(2)拌合混凝土?xí)r加水或用水將碎石冷卻以降低混凝土的入模溫度。

(3)減小澆筑厚度,利用澆筑層面散熱。

(4)規(guī)定合理的拆模時(shí)間,氣溫驟降時(shí)進(jìn)行保溫,以免混凝土表面發(fā)生急劇的溫度梯度。

(5)在寒冷季節(jié)對(duì)施工中長(zhǎng)期暴露的混凝土澆筑塊或薄壁結(jié)構(gòu)采取保溫措施。

(6)控制混凝土內(nèi)外溫差不大于25℃。(7)控制降溫速度。

3.3.2 改善約束條件

(1)合理地分縫分塊。

(2)避免基礎(chǔ)過(guò)大起伏。

(3)合理安排施工工序,避免過(guò)大的高差和側(cè)面長(zhǎng)期暴露。

3.3.3 保溫保濕

采用草袋和塑料薄膜進(jìn)行保溫保濕養(yǎng)護(hù)。

4 結(jié)語(yǔ)

大體積混凝土應(yīng)重視溫度應(yīng)力的分析,設(shè)計(jì)措施應(yīng)控制混凝土內(nèi)外溫差及降溫速度,合理有效進(jìn)行保溫保濕工作,以防止或控制裂縫的產(chǎn)生,確保工程質(zhì)量。

1 GB 50010-2002,混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

2 GB 50007-2002,建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

3 王鐵夢(mèng).工程結(jié)構(gòu)裂縫控制[M].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,1997.

4 朱柏芳.大體積混凝土溫度應(yīng)力與溫度控制[M].北京:中國(guó)電力出版社,1999.

＊宋文英:高級(jí)工程師。1998年畢業(yè)于四川大學(xué)建筑工程專業(yè)。現(xiàn)從事工程設(shè)計(jì)工作。聯(lián)系電話:(028)65531909。

2009-04-08)