大體積混凝土裂縫成因及控制措施

陳皓

(鄭州鐵路局工程管理所,河南鄭州 450000)

大體積混凝土裂縫成因及控制措施

陳皓

(鄭州鐵路局工程管理所,河南鄭州 450000)

近年來隨著大型建筑物的構(gòu)建,大體積混凝土得到廣泛應(yīng)用,其在使用過程中容易出現(xiàn)裂縫,影響大體積混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性、適用性和安全性。本文就大體積混凝土裂縫形成的原因、防裂措施和施工注意事項(xiàng)進(jìn)行論述,對(duì)大體積混凝土理論研究及工程實(shí)踐提供一定的參考價(jià)值。

大體積混凝土 裂縫 成因 措施

1 大體積混凝土的定義

大體積混凝土在各國具有不同的定義。國內(nèi)《大體積混凝土施工規(guī)范》GB50496-2009[1]規(guī)定：混凝土結(jié)構(gòu)物實(shí)體最小幾何尺寸不小于1m的大體量混凝土，或預(yù)計(jì)會(huì)因混凝土中膠凝材料水化引起的溫度變化和收縮而導(dǎo)致有害裂縫產(chǎn)生的混凝土，稱之為大體積混凝土。美國混凝土學(xué)會(huì)(ACI)規(guī)定：“任何就地澆筑的大體積混凝土，其尺寸之大，必須要求解決水化熱及隨之引起的體積變形問題，以最大限度減少開裂”。通過對(duì)上定義進(jìn)行比較，可將大體積混凝土定義如下：需要采取措施防止由水化熱導(dǎo)致的裂縫混凝土，稱為大體積混凝土。

2 大體積混凝土裂縫的分類

(1)干縮裂縫。干縮裂縫多出現(xiàn)在混凝土養(yǎng)護(hù)結(jié)束后的一段時(shí)間或是混凝土澆筑完畢后的一周左右，混凝土內(nèi)外水分蒸發(fā)。外部受環(huán)境影響水分散失較快，產(chǎn)生較大變形，內(nèi)部水分損失慢，會(huì)出現(xiàn)較小變形?；炷羶?nèi)外不同程度的變形使混凝土表面產(chǎn)生拉應(yīng)力，當(dāng)拉應(yīng)力較大時(shí)混凝土就會(huì)出現(xiàn)干縮裂縫。

(2)溫度裂縫?；炷翝仓蟮?-3天內(nèi)混凝土彈性模量低，約束應(yīng)力很低，當(dāng)水化熱溫升至峰值后，混凝土溫度開始下降，在降溫階段，彈性模量增大，約束拉應(yīng)力也增加，當(dāng)約束拉應(yīng)力超過混凝土抗拉強(qiáng)度便出現(xiàn)溫度裂縫。引起溫度裂縫主要原因是由于混凝土在澆注過程中溫度產(chǎn)生變化，使混凝土產(chǎn)生膨脹及收縮變形，在收縮階段產(chǎn)生裂縫。

(3)施工冷縫。在施工過程中由于外界環(huán)境、施工工藝及施工條件等原因使已澆筑混凝土在已經(jīng)初凝后，進(jìn)行后續(xù)混凝土繼續(xù)澆筑，使前后混凝土鏈接處出現(xiàn)一個(gè)軟弱的結(jié)合面，此面即為施工冷縫。

3 大體積混凝土裂縫成因

大體積混凝土裂縫形成的原因主要有四個(gè)方面：

(1)混凝土結(jié)構(gòu)特性影響?；炷猎谑褂眠^程中，由于水分的散失及內(nèi)部孔隙的擠密，混凝土體積縮小，即混凝土發(fā)生干縮現(xiàn)象；混凝土是脆性材料，其抗拉強(qiáng)度只有抗壓強(qiáng)度的十分之一，在由收縮變形引起拉應(yīng)力作用下容易產(chǎn)生拉應(yīng)力破壞。

(2)溫度應(yīng)力的影響?；炷镣渌牧舷嗤?，具有熱脹冷縮效應(yīng)。大體積混凝土在澆注時(shí)，因體表比較大，水化熱量不易散發(fā)，混凝土體積變化較大；由于外表面溫度低于內(nèi)部溫度，產(chǎn)生溫度應(yīng)力[2-3]，溫度應(yīng)力使表面混凝土處于受拉狀態(tài)，內(nèi)部混凝土處于受壓狀態(tài)，與其它影響因素一起促使混凝土產(chǎn)生裂縫。

(3)邊界條件的影響?；炷敛皇芡饬ψ饔脮r(shí)，能夠自由產(chǎn)生變形，不會(huì)因體積的膨脹或收縮產(chǎn)生外部拉應(yīng)力和壓應(yīng)力。當(dāng)混凝土受到其它結(jié)構(gòu)的約束作用時(shí)，混凝土在初期彈性模量低，在水化熱的作用下發(fā)生膨脹，產(chǎn)生較小的壓應(yīng)力；當(dāng)混凝土溫度開始降低時(shí)，混凝土開始收縮，由于受到其它結(jié)構(gòu)的約束，不能夠自由收縮，且此時(shí)較大的彈性模量，會(huì)引起較大的拉應(yīng)力，當(dāng)拉應(yīng)力超過當(dāng)前混凝土抗拉強(qiáng)度時(shí)便會(huì)產(chǎn)生裂縫。

(4)外界環(huán)境的影響。外界環(huán)境對(duì)混凝土裂縫的影響主要表現(xiàn)在溫度和濕度兩個(gè)方面。適宜外界的溫度可促進(jìn)水化熱的散發(fā)或降低溫度應(yīng)力；濕度對(duì)混凝土干縮現(xiàn)象具有一定的緩和作用，合適的濕度可以降低混凝土干縮產(chǎn)生的裂縫。

4 大體積混凝土的裂縫控制措施

4.1 施工準(zhǔn)備期間應(yīng)注意的問題

4.1.1 基礎(chǔ)材料選擇

基礎(chǔ)材料對(duì)新拌混凝土溫度影響程度的大小順序?yàn)椋捍止橇希炯?xì)骨料＞水泥[4]，可根據(jù)工程實(shí)際情況和上述關(guān)系對(duì)基礎(chǔ)材料選擇化分優(yōu)先順序。

(1)粗骨料：選用級(jí)配良好且粒徑較大的粗骨料配制的混凝土，具有較好和易性及較高的抗壓強(qiáng)度，減少水泥和水的用量，減少水化熱，降低混凝土總溫升；

(2)細(xì)骨料：采用平均粒徑不小于0.5mm，含泥量不大于3%的中粗砂拌制的混凝土可減少10%左右的用水量，相應(yīng)減少水泥用量，并能有效緩和混凝土收縮。

(3)水泥：為了降低水泥水化熱及體積變形，高水化熱的硅酸鹽水泥和早強(qiáng)水泥在大體積混凝土施工中不宜使用，對(duì)于低熱礦渣水泥，其在施工過程中產(chǎn)生的水化熱低，在大體積混凝土中可采用，同時(shí)也可采用中熱硅酸鹽水泥。

4.1.2 外加劑選擇

(1)減水劑。減水劑能夠在不改變混凝土和易性及水泥用量的條件下，減少拌合用水量、提高混凝土強(qiáng)度；或在和易性及強(qiáng)度不變條件下，節(jié)約水泥用量。

(2)緩凝劑。商品混凝土中摻人緩凝劑可延長水泥的水化硬化時(shí)間，使新拌混凝土能在較長時(shí)間內(nèi)保持塑性，調(diào)節(jié)新拌混凝土的凝結(jié)時(shí)間。通過摻加緩凝劑，可使水化熱在混凝土凝結(jié)之前有更長時(shí)間散發(fā)，從而緩和溫度應(yīng)力，同時(shí)對(duì)混凝土收縮也有一定的改善作用。

4.1.3 優(yōu)化配合比設(shè)計(jì)

在大體積混凝土中摻入粉煤灰、礦渣粉、外加劑等來減少用水量和水泥用量，能有效降低混凝土內(nèi)部因水化熱引起的溫升及因混凝土干縮產(chǎn)生的應(yīng)力，同時(shí)可改變混凝土的和易性。通過對(duì)混凝土及各種外摻劑進(jìn)行最優(yōu)配合比設(shè)計(jì)，可使水及水泥用量最低，降低混凝土在澆注過程中產(chǎn)生的水化熱及在混凝土內(nèi)部將出現(xiàn)的溫度應(yīng)力，控制混凝土在后期使用過程中出現(xiàn)的收縮現(xiàn)象，同時(shí)也能夠改善混凝土結(jié)構(gòu)特性，加強(qiáng)施工和易性。

4.1.4 工程結(jié)構(gòu)處理措施

在混凝土結(jié)構(gòu)中可設(shè)置合適的收縮縫，由此來削除混凝土由溫度應(yīng)力及干縮等情況下產(chǎn)生的拉應(yīng)力，能夠有效的防止大體積混凝土產(chǎn)生裂縫。

4.2 施工過程中應(yīng)注意的問題

4.2.1 混凝土的拌制

控制混凝土的出機(jī)溫度是混凝土總溫升的一部分，降低混凝土的出機(jī)溫度可有效預(yù)防出現(xiàn)貫通裂縫。降低混凝土的出機(jī)溫度常用方法有兩種，一是控制原材料的溫度，如將原材料放陰涼的室外場(chǎng)地；二是控制攪拌時(shí)的溫度，如在攪拌時(shí)加冰或送冷風(fēng)對(duì)拌合物進(jìn)行降溫。

4.2.2 混凝土運(yùn)輸

車輛工程作為機(jī)械行業(yè)的一個(gè)代表產(chǎn)業(yè)和學(xué)科，汽車的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)和發(fā)展也代表了機(jī)械行業(yè)的科技能力和一個(gè)國家制造水平。汽車行業(yè)作為一個(gè)較為成熟的領(lǐng)域，其中的制造技術(shù)和管理技術(shù)也對(duì)其他行業(yè)有著十分重要的借鑒性和啟示性，因此了解汽車方面的專業(yè)詞匯有很強(qiáng)的實(shí)用意義。

大體積混凝土不應(yīng)采用泵送，泵送要求混凝土本身流動(dòng)度大，流動(dòng)度大的混凝土水泥用量大，水化溫升高，利于裂縫的產(chǎn)生，對(duì)于大體積混凝土可采用吊罐吊運(yùn)或其它運(yùn)輸方法。

4.2.3 混凝土的澆筑

大體積混凝土澆筑過程為澆筑-振搗-浮漿清理。大體積混凝土的澆筑采用分層澆筑，澆注過程保證后澆注混凝土澆注在已澆注完成混凝土凝結(jié)前進(jìn)行完畢，防止出現(xiàn)冷縫。混凝土振搗過程中，各施工點(diǎn)要保持均勻的間距；在振搗有預(yù)埋件的部位時(shí)要防止預(yù)埋件受到振搗的損壞。混凝土澆筑和振搗完成后應(yīng)對(duì)混凝土表面出現(xiàn)的浮漿和泌水進(jìn)行處理。振搗過程中應(yīng)避免出現(xiàn)漏振、過振和欠振等不良狀況[5]。在混凝土澆注完成后，可采用“對(duì)流式內(nèi)置循環(huán)降溫系統(tǒng)”[6]來降低大體積混凝土內(nèi)部的溫度，削除混凝土因溫度應(yīng)力出現(xiàn)開裂。

4.2.4 溫度控制

溫度測(cè)量根據(jù)實(shí)際情況可采用埋設(shè)豎直測(cè)溫管法、采用溫度傳感器結(jié)合計(jì)算機(jī)的全自動(dòng)測(cè)溫方法和無線測(cè)溫方法。根據(jù)施工項(xiàng)目概況合理布置測(cè)溫點(diǎn)，布置完畢后，應(yīng)及時(shí)進(jìn)行測(cè)溫，及時(shí)整理和分析混凝土內(nèi)部溫度數(shù)據(jù)，繪制內(nèi)部溫度場(chǎng)，計(jì)算溫差。做好溫度控制應(yīng)急方案，準(zhǔn)備升溫和降溫措施。根據(jù)大體積混凝土工程的施工經(jīng)驗(yàn)，實(shí)測(cè)的混凝土內(nèi)部中心溫度與混凝土表面溫度之差應(yīng)被控制在25℃以內(nèi)，混凝土的最佳入模溫度為10-15℃，大體積混凝土的入模溫度比該值要低，入模溫度不能超過30-35℃。在溫度控制過程中，應(yīng)調(diào)節(jié)好降溫幅度和降溫速率，如果降溫幅度過大或降溫速率過快都會(huì)使得混凝土出現(xiàn)應(yīng)力集中乃至出現(xiàn)裂縫，影響工程質(zhì)量。

4.3 混凝土養(yǎng)護(hù)期間應(yīng)注意的問題

4.3.1 養(yǎng)護(hù)方法

(1)覆膜養(yǎng)護(hù)?；炷翝仓?，前期為了避免混凝土表面溫度降低過快，導(dǎo)致混凝土內(nèi)外溫差過大，可在混凝土表面覆蓋一層塑料膜，然后鋪放一層棉被或草甸，最后再在上面加蓋一層塑料膜；拆模后繼續(xù)保溫，并在濕度為70%~80%的環(huán)境中養(yǎng)護(hù)適當(dāng)時(shí)間。

(2)蓄水養(yǎng)護(hù)。當(dāng)施工場(chǎng)地允許時(shí)，可在混凝土表面一定深度內(nèi)蓄水，其深度可根據(jù)實(shí)時(shí)混凝土內(nèi)外的溫差進(jìn)行調(diào)整。蓄水養(yǎng)護(hù)具有一定的隔熱保溫效果，并可人工控制混凝土表面溫度與中心溫度以及表面溫度與外界氣溫的差值，同時(shí)此方法還可以有效的防止混凝土表面發(fā)生龜裂，經(jīng)濟(jì)效益較好。

4.3.2 養(yǎng)護(hù)注意事項(xiàng)

(1)采用覆膜養(yǎng)護(hù)過程中，如出現(xiàn)遮蓋措施欠缺，致使混凝土表面泛白或出現(xiàn)干縮細(xì)小裂縫時(shí)，立即采取補(bǔ)救措施。

(2)保溫覆蓋層的拆除應(yīng)分層逐步進(jìn)行，當(dāng)環(huán)境溫度與混凝土的表面溫度溫差小于20℃時(shí)，方可全部拆除

(3)養(yǎng)護(hù)狀況不佳不利于控制混凝土內(nèi)外溫差，而養(yǎng)護(hù)過度會(huì)延長養(yǎng)護(hù)時(shí)間，因而大體積混凝土的養(yǎng)護(hù)應(yīng)隨時(shí)根據(jù)測(cè)溫的數(shù)據(jù)分析結(jié)果與環(huán)境溫度進(jìn)行對(duì)比進(jìn)行調(diào)整。

4.4 改善邊界約束對(duì)混凝土的影響

外部約束主要決定于與混凝土接觸結(jié)構(gòu)的彈性模量。彈性模量越高，對(duì)混凝土產(chǎn)生的約束力越大。在施工過程中，無法降低接觸原結(jié)構(gòu)的彈性模量，但可通過改善混凝土與結(jié)構(gòu)接觸面之間的接觸狀態(tài)降低邊界約束對(duì)混凝土的影響。混凝土和接觸結(jié)構(gòu)接觸面上可鋪薄層碎石或?yàn)r青油氈來緩和混凝土在溫度和收縮變形過程中產(chǎn)生的應(yīng)力，其原理與設(shè)置施工縫來防止混凝土開裂方法相似。

5 大體積混凝土施工注意事項(xiàng)

在大體積混凝土施工控制過程中應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：

(1)混凝土優(yōu)化配合比設(shè)計(jì)后，應(yīng)根據(jù)材料特性參數(shù)對(duì)大體積混凝土溫度應(yīng)力進(jìn)行分析計(jì)算；

(2)對(duì)混凝土進(jìn)行溫度控制時(shí)，要實(shí)時(shí)分析混凝土的內(nèi)外溫差，控制混凝土的內(nèi)部溫度，避免內(nèi)外溫差過大；

(3)盡量降低混凝土分層澆注時(shí)的厚度；

(4)混凝土澆注完成后，抹平工作應(yīng)該在初凝前完成，在混凝土終凝前應(yīng)進(jìn)行二次抹面，防止表面產(chǎn)生裂縫。

6 結(jié)語

為防止大體積混凝土在施工及使用過程中出現(xiàn)裂縫，根據(jù)大體積混凝土的特性，優(yōu)化混凝土配合比設(shè)計(jì)，減少水泥和水的用量，降低混凝土在澆注過程中產(chǎn)生的總溫升；在大體積混凝土的施工過程中應(yīng)從生產(chǎn)和養(yǎng)護(hù)等方面進(jìn)行改善，采用分層澆筑的澆筑方法，合理振搗措施并及時(shí)清除混凝土表面出現(xiàn)的浮漿和泌水，保證混凝土的施工質(zhì)量；將混凝土內(nèi)部溫度與實(shí)時(shí)的環(huán)境溫度進(jìn)行對(duì)比分析，對(duì)混凝土的養(yǎng)護(hù)方法進(jìn)行改善。

大體積混凝土結(jié)構(gòu)的裂縫對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)的安全性、適用性和耐久性[7-8]會(huì)產(chǎn)生較大影響，掌握大體積混凝土產(chǎn)生裂縫的原因以及對(duì)該問題所采取的相應(yīng)施工措施，在實(shí)際生產(chǎn)當(dāng)中就能保證施工質(zhì)量，采取相應(yīng)的措施，進(jìn)行有效的控制，就能減少溫度裂縫的產(chǎn)生及發(fā)展，提高大體積混凝土的質(zhì)量。

[1]中國冶金建筑協(xié)會(huì);GB50496--2009大體積混凝土施工規(guī)范[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社,2009.

[2]吳海軍,陳艾榮.橋梁結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)方法研究[J].中國公路學(xué)報(bào),2004,17(3)：57-61.

[3]劉柯.大體積混凝土溫度監(jiān)測(cè)及分析研究[J].建筑技術(shù)開發(fā),2005,32(3)：85-105.

[4]楊紹斌,蘇懷平.大體積混凝土入模溫度控制研究[J].中國港灣建設(shè),2013,187(4)：38-41.

[5]黃 聟 豐,羅華連.大體積混凝土的澆筑施工[J].廣西大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2008(33)：58-60.

[6]張友恩.大體積混凝土表面溫度裂縫控制施工技術(shù)[J].建筑技術(shù)研究,2012(12)：54-61.

[7]劉來君,賀拴海.大跨徑橋梁施工控制溫度應(yīng)力分析[J].中國公路學(xué)報(bào),2004,17(1)：53-56.

[8]袁廣林,黃方意.大體積混凝土施工期的水化熱溫度場(chǎng)及溫度應(yīng)力研究[J].混凝土,2005(2)：86-88.