大體積混凝土產(chǎn)生裂縫的原因分析及處理

隨著橋梁技術(shù)的日新月異，大體積混凝土在橋梁結(jié)構(gòu)中應(yīng)用的越來越多。我國對大體積混凝土的定義:混凝土結(jié)構(gòu)物中實體最小尺寸不小于1m的部位所用的混凝土即為大體積混凝土。目前，對混凝土外加荷載引起的開裂問題研究得較為透徹，而對溫度荷載引起裂縫的研究尚不充分。混凝土裂縫不僅影響結(jié)構(gòu)外觀質(zhì)量，還將危協(xié)結(jié)構(gòu)安全，我們應(yīng)對此給予足夠重視，防止危害結(jié)構(gòu)的裂縫產(chǎn)生。本文對此進(jìn)行了分析，探討裂縫出現(xiàn)的原因及控制措施。

一、大體積混凝土裂縫產(chǎn)生的原因

大體積混凝土結(jié)構(gòu)通常具有以下特點:混凝土是脆性材料，大體積低標(biāo)號混凝土的抗拉強度約為抗壓強度的1/10左右。且大體積混凝土的斷面尺寸較大，由于水泥的水化熱會使混凝土內(nèi)部溫度急劇上升，以及在以后的降溫過程中，在一定的約束條件下會產(chǎn)生相當(dāng)大的拉應(yīng)力。大體積混凝土結(jié)構(gòu)中通常只在表面配置少量鋼筋或者不配鋼筋。因此，基本由混凝土本身承擔(dān)拉應(yīng)力。

1、因水泥水化熱產(chǎn)生的裂縫

水泥水化過程中放出大量熱量，且主要集中在澆筑后的前3天，一般每克水泥可以放出約500J的熱量，如果以水泥用量350Kg/m3來計算，每m3混凝土將放出17500KJ的熱量，從而使混凝土內(nèi)部升高，尤其對于大體積混凝土來講，這種現(xiàn)象尤其嚴(yán)重。由于混凝土內(nèi)部和表面的散熱條件不同，因此混凝土中心溫度很高，這樣就會形成溫度梯度，使混凝土內(nèi)部產(chǎn)生壓應(yīng)力，表面產(chǎn)生拉應(yīng)力，當(dāng)拉應(yīng)力超過混凝土的極限抗拉強度時混凝士表面就會產(chǎn)生裂縫。

2、因混凝土收縮產(chǎn)生的裂縫

混凝土在空氣中硬結(jié)時體積減小的現(xiàn)象稱為混凝土收縮?；炷猎诓皇芡饬Φ那闆r下的這種自由變形，受到外部約束時(支承條件、鋼筋等)，將在混凝土中產(chǎn)生拉應(yīng)力，使得混凝土開裂。引起混凝土的裂縫主要有塑性收縮、干燥收縮和溫度收縮等三種。在硬化初期主要是水泥在水化凝固硬結(jié)過程中產(chǎn)生的體積變化，后期主要是混凝土內(nèi)部自由水分蒸發(fā)而引起的千縮變形。

3、因外界溫度和濕度變化產(chǎn)生的裂縫

大體積混凝土結(jié)構(gòu)在施工期間，外界氣溫的變化對大體積混凝土裂縫的產(chǎn)生起著很大的影響?；炷羶?nèi)部的溫度是由澆筑溫度、水泥水化熱的絕熱溫升和結(jié)構(gòu)的散熱溫度等各種盈度疊加之和組成。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就會愈高;如果外界溫度降低則又會增加大體積混凝土的內(nèi)外溫差。如果外界溫度下降過快，會造成較大的溫度應(yīng)力，極易引起混凝土的開裂。另外，外界的濕度對混凝土的裂縫也有很大的影響，外界的濕度降低會加速混凝土的干縮，也會導(dǎo)致混凝土裂縫的產(chǎn)生。

二、大體積混凝土裂縫的控制

1、大體積混凝土中水泥的品種及用量

理論研究表明大體積混凝土產(chǎn)生裂縫的最主要原因就是水泥水化過程中釋放了大量的熱量。于是，我們對于橋梁中的大體積混凝土應(yīng)該選擇低熱或者中熱的水泥品種。而水泥釋放溫度的大小及速度取決于水泥內(nèi)礦物成分的不同。水泥礦物中發(fā)熱速率最快和發(fā)熱量最大的是鋁酸三鈣(C3A)，其他成分依次為硅酸三鈣(C3S)、硅酸二鈣(C2S)和鐵鋁酸四鈣(C4AF)。另外，水泥越細(xì)發(fā)熱速率越快，但是不影響最終發(fā)熱量。因此，在大體積混凝土施工中應(yīng)盡量使用礦渣硅酸鹽水泥、火山灰水泥。

2、摻加摻合料和外加劑

大體積混凝土中摻入一定量的粉煤灰，可以增加混凝土的和易性，改善混凝土的工作度，減少水泥用量，降低最終收縮值。外加劑可以選擇:1)膨脹劑，讓混凝土產(chǎn)生適度的嘭脹。一方面保證混凝土的密實度，另一方面使混凝土內(nèi)部產(chǎn)生壓力，以抵消混凝土中產(chǎn)生的部分拉應(yīng)力;2)緩凝型減水劑，應(yīng)保證一定的坍落度，這樣可以減緩水化熱的峰值期并改善混凝土的和易性，降低水灰比以達(dá)到減少水化熱的目的。

3、大體積混凝土的骨料控制

在骨料的選擇上應(yīng)該選取粒徑較大、強度高、級配良好的粗細(xì)骨料。這樣可以獲得較小的空隙率及表面積，從而減少水泥的用量，降低水化熱，減少干縮，減小了混凝土裂縫的開展。

4、優(yōu)化大體積混凝土的設(shè)計

雖然大體積混凝土不布置鋼筋或者布筋較少，我們還是可以在裂縫易發(fā)生部位如孔洞周圍以及轉(zhuǎn)角處增設(shè)一些斜筋，從而讓鋼筋代替混凝土承擔(dān)拉應(yīng)力，這樣可以有效的控制裂縫的發(fā)展。為了避免裂縫的出現(xiàn)，在配合比設(shè)計中盡可能利用中低強度的水泥，充分利用混凝土的后期強度。對于混凝土中鋼筋保護(hù)層的厚度應(yīng)當(dāng)盡量取較小值，因為保護(hù)層的厚度越大越容易產(chǎn)生裂縫。

5、大體積混凝土的施工

混凝土施工包括混凝土的生產(chǎn)、運輸、澆筑和溫度及表面保護(hù)，是防止大體積混凝土產(chǎn)生溫度裂縫的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。而熱應(yīng)力的控制手段主要是控制混凝土的內(nèi)外溫差。

在溫度較高的情況下進(jìn)行施工，要注意降低混凝土澆筑時的溫度?？梢栽谑┕がF(xiàn)場對堆放在露天的砂石材料用布覆蓋，以減少陽光對的輻射，同時對澆筑前的砂石用冷水降溫。在攪拌過程中向混凝土中添加冰水。以上這些措施都可以有效的降低混凝土的入模溫度。在混凝土的內(nèi)部通人冷卻循環(huán)水，采用循環(huán)法保溫養(yǎng)護(hù)，以便加快混凝土內(nèi)部的熱量散發(fā)?；炷帘砻鎽?yīng)該覆蓋一些織物進(jìn)行保溫、保濕養(yǎng)護(hù)，這樣不但可以降低混凝土內(nèi)外溫差，防止表面產(chǎn)生裂縫，還可以防止混凝土驟然降溫產(chǎn)生貫穿裂縫，并且還可以使水泥順利水化，防止產(chǎn)生濕度裂縫。為了及時掌握混凝土內(nèi)部溫升與表面溫度變化值，可以在混凝土內(nèi)埋設(shè)一定量的測溫點，從而可以更好的了解混凝土的溫度變化情況，一旦內(nèi)外溫差超過允許值25℃，應(yīng)及時采取措施。

如果是在冬季進(jìn)行施工，因為要防止早期混凝土被凍問題，所以要求混凝土澆筑時應(yīng)該具有較高的澆筑溫度。但另一方面，正是由于天氣寒冷，混凝土穩(wěn)定溫度一定較低，往往超過允許溫差，不能防止混凝土裂縫要求。所以，混凝土澆筑溫度在冬季施工時一般以5℃-10℃為宜，在澆筑混凝土以前還應(yīng)該對基礎(chǔ)及新混凝土接觸的冷壁用蒸汽預(yù)熱，對原材料應(yīng)視氣溫高低進(jìn)行加熱。加熱石料時應(yīng)避免過熱和過分干燥，最高溫度不應(yīng)超過75℃。另外還要注意運輸中的保溫、澆筑過程中減少熱量的損失以及保溫養(yǎng)護(hù)。

三、大體積混凝土的裂縫檢查與處理

對于混凝土裂縫，應(yīng)以預(yù)防為主，為此需要精心設(shè)計、施工，但是由于目前采用的防止裂縫的安全系數(shù)較小，而實際情況又復(fù)雜多變，所以實際工程中還是難免出現(xiàn)一些裂縫。大體積混凝土的裂縫分為三種:表面裂縫、深層裂縫、貫穿裂縫。對于表面裂縫因為其對結(jié)構(gòu)應(yīng)力、耐久性和安全基本沒有影響，一般不作處理。對深層裂縫和貫穿裂縫可以采取鑿除裂縫，可以用風(fēng)鎬、風(fēng)鉆或人工將裂縫鑿除，至看不見裂縫為止，鑿槽斷面為梯形再在上面澆筑干硬混凝土。在處理較深的裂縫時，一般是在混凝土已充分冷卻后，在裂縫上鋪設(shè)1-2層的鋼筋后再繼續(xù)澆筑新混凝土。對比較嚴(yán)重的裂縫可以采取水泥灌漿和化學(xué)灌漿。水泥灌漿適用于裂縫寬度在0.5mm以上的裂縫，對于裂縫寬度小于0.5mm時應(yīng)采取化學(xué)灌漿?；瘜W(xué)灌漿材料一般使用環(huán)氧一糠醛丙酮系等漿材。

四、結(jié)束語

綜上所述，雖然大體積混凝土很容易產(chǎn)生裂縫，但是大量的科學(xué)研究以及成功的工程實例都表明:只要我們在設(shè)計、施工工藝、材料選擇以及后期的養(yǎng)護(hù)過程中能夠充分考慮的各種因素的影響，完全可以避免危害結(jié)構(gòu)安全的裂縫產(chǎn)生。