大體積混凝土裂縫成因分析及控制

趙 文 娟

(山西省晉中路橋建設(shè)集團(tuán)有限公司，山西 晉中 030600)

大體積混凝土裂縫成因分析及控制

趙 文 娟

(山西省晉中路橋建設(shè)集團(tuán)有限公司，山西 晉中 030600)

介紹了大體積混凝土的概念，依據(jù)大體積混凝土的類型，分析了大體積混凝土裂縫的成因，論述了在原材料控制、設(shè)計(jì)構(gòu)造及施工方面進(jìn)行裂縫控制的綜合措施，以供借鑒。

混凝土，裂縫，溫縮，控制

0 引言

近年來，我國(guó)經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展，基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)大規(guī)模開展，很多大型水壩、特大型橋梁工程等日益增多，大體積混凝土應(yīng)用越來越廣。在應(yīng)用大體積混凝土的工程中，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)很多裂縫，這對(duì)建筑物結(jié)構(gòu)的整體性、安全性及耐久性會(huì)產(chǎn)生很大的影響。因此，減少大體積混凝土裂縫是大型工程建設(shè)中至關(guān)重要的一環(huán)。

1 大體積混凝土概述

在我國(guó)GB 50496-2009大體積混凝土施工規(guī)范中，將大體積混凝土定義為：混凝土結(jié)構(gòu)物實(shí)體最小幾何尺寸不小于1 m的大體積混凝土，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。

在美國(guó)，將大體積混凝土定義為：在任何就地澆筑的大體積混凝土結(jié)構(gòu)中，其尺寸大小及采取措施有效解決由于水化熱問題導(dǎo)致的體積變形，以最大限度來減少開裂現(xiàn)象。

在日本，將大體積混凝土定義為：混凝土結(jié)構(gòu)斷面的最小尺寸必須在80 cm以上，且由于水化熱問題引起的混凝土內(nèi)部最高溫度與外界溫差預(yù)計(jì)會(huì)超過25 ℃。

研究表明，大體積混凝土裂縫的產(chǎn)生主要是由于結(jié)構(gòu)變形化導(dǎo)致的，包括溫度、收縮、不均勻沉降等多種影響因素。在混凝土結(jié)構(gòu)中，當(dāng)體積變形受到約束產(chǎn)生的應(yīng)力超過其當(dāng)時(shí)的抗拉強(qiáng)度時(shí)(見圖1)，就引起裂縫。

在大體積混凝土裂縫中，按照深度的不同，可分為貫穿裂縫、深層裂縫和表面裂縫三種(見圖2)。在混凝土結(jié)構(gòu)中，表面裂縫在受到載荷等因素影響下，發(fā)展成為深層裂縫，再形成貫穿裂縫。在這三種裂縫中，貫穿裂縫的危害性最嚴(yán)重，它切斷了結(jié)構(gòu)斷面，破壞結(jié)構(gòu)的整體性和穩(wěn)定性的可能性極大。部分深層裂縫切斷了混凝土結(jié)構(gòu)的斷面，危害性次之。表面裂縫是混凝土結(jié)構(gòu)中最常見的，一般危害性較小。

在混凝土結(jié)構(gòu)中，出現(xiàn)裂縫并不是絕對(duì)的會(huì)影響結(jié)構(gòu)安全。混凝土結(jié)構(gòu)在建設(shè)和使用過程中，出現(xiàn)了不同程度的裂縫，這是一個(gè)普遍現(xiàn)象。在大面積混凝土結(jié)構(gòu)中，無害裂縫只要稍加處理，結(jié)構(gòu)仍可正常使用。有害裂縫，特別是貫穿全斷面的結(jié)構(gòu)性裂縫，會(huì)給結(jié)構(gòu)帶來質(zhì)量隱患，一定要加以控制，否則，將影響工程建設(shè)的質(zhì)量和使用壽命。

在現(xiàn)代建筑施工中，大體積混凝土經(jīng)常涉足。在基礎(chǔ)工程中，如混凝土底板、深梁、厚大的樁基承臺(tái)等；還有在上部結(jié)構(gòu)中，如巨型柱、高層建筑的轉(zhuǎn)換梁或板、防輻射結(jié)構(gòu)等。

2 大體積混凝土裂縫成因

大面積混凝土裂縫控制，一直是一道困擾世界的工程建設(shè)難題。在大體積混凝土澆筑初期以表面裂縫為主，主要是混凝土內(nèi)部溫度與表面溫度差過大導(dǎo)致的。在澆筑后期以深層裂縫為主，主要是由于降溫、干縮變形等受到約束導(dǎo)致的。引起大體積混凝土裂縫的因素是多樣的，主要包括以下幾方面。

2.1 水泥水化熱導(dǎo)致溫度差的影響

水泥水化熱形成的溫度差，多發(fā)生在混凝土升溫階段，主要是混凝土澆筑初期?；炷翝仓?水泥水化熱反應(yīng)會(huì)在混凝土內(nèi)部產(chǎn)生大量的熱，無法及時(shí)散發(fā)出去，以至于越積越高，使得混凝土內(nèi)部溫度迅速升高。在混凝土結(jié)構(gòu)外露表面，其熱量容易散發(fā)。這樣，就在混凝土內(nèi)外部形成溫度差(見圖3)。同時(shí)，施工時(shí)遇到外界氣溫下降較大時(shí),也會(huì)使得內(nèi)外溫差增大。在混凝土結(jié)構(gòu)中，溫度差形成溫度應(yīng)力，溫差越大，應(yīng)力越大。當(dāng)溫度應(yīng)力超過混凝土當(dāng)時(shí)的抗拉強(qiáng)度時(shí)，會(huì)產(chǎn)生表面裂縫。

2.2 約束條件的影響

由于約束條件導(dǎo)致的貫穿裂縫多發(fā)生在混凝土降溫階段。在混凝土澆筑初期,水化熱現(xiàn)象會(huì)使得混凝土內(nèi)部溫度升高，產(chǎn)生的變形由于受到模板等約束的影響,就會(huì)產(chǎn)生約束應(yīng)力。混凝土澆筑完成后,溫度繼續(xù)上升，使得混凝土產(chǎn)生膨脹變形，受到的約束會(huì)使混凝土內(nèi)部產(chǎn)生壓應(yīng)力。當(dāng)混凝土澆筑一段時(shí)間后，內(nèi)部溫度下降,在混凝土內(nèi)部又會(huì)產(chǎn)生拉應(yīng)力。當(dāng)產(chǎn)生的各種應(yīng)力超過混凝土當(dāng)時(shí)的抗拉強(qiáng)度時(shí)，便會(huì)產(chǎn)生裂縫。

2.3 混凝土收縮變形的影響

研究表明，混凝土結(jié)構(gòu)中80%左右的水分是要蒸發(fā)的。當(dāng)混凝土中的水分蒸發(fā)時(shí)，混凝土體積就會(huì)收縮。同時(shí)，混凝土結(jié)構(gòu)中的水泥量，混合料配合比，摻加的外加劑，采用的施工工藝，后期的養(yǎng)護(hù)等都會(huì)對(duì)混凝土的收縮產(chǎn)生影響?；炷潦湛s產(chǎn)生收縮應(yīng)力，當(dāng)收縮應(yīng)力超過混凝土當(dāng)時(shí)的抗拉強(qiáng)度時(shí)，就會(huì)形成收縮裂縫。

2.4 其他因素

混凝土混合料中，水泥不合格或骨料的含泥量過多時(shí)，也會(huì)在混凝土表面產(chǎn)生龜裂。施工中，混凝土坍落度和摻加的外加劑不同及混凝土密實(shí)度的不同,也可能使得混凝土內(nèi)部形成局部應(yīng)力集中,產(chǎn)生裂縫。

可以看出，大體積混凝土結(jié)構(gòu)裂縫的產(chǎn)生，受到施工溫度，原材料質(zhì)量，配合比設(shè)計(jì)，約束程度、養(yǎng)護(hù)條件等多種因素的影響。

3 大體積混凝土裂縫控制的綜合措施

在大體積混凝土裂縫控制中，除進(jìn)行計(jì)算做到事先控制外，在施工過程中采取有效的施工措施也極為重要。

3.1 設(shè)計(jì)構(gòu)造方面的措施

主要包括設(shè)置緩沖層、滑動(dòng)層，增設(shè)暗梁，合理配筋，合理設(shè)置施工縫，合理制定溫控指標(biāo)，減少約束應(yīng)力，避免應(yīng)力集中等措施。本文主要介紹設(shè)置緩沖層、增設(shè)暗梁及避免應(yīng)力集中。

1)設(shè)置緩沖層。在混凝土施工中，可采用一定厚度的聚苯乙烯泡沫或?yàn)r青木絲板在鍵槽等位置作垂直隔離(見圖4)，以減緩混凝土收縮時(shí)的側(cè)向壓力。

2)增設(shè)暗梁。在混凝土施工時(shí)，可在施工縫等薄弱部位增配鋼筋(見圖5)，能夠有效防止因約束應(yīng)力產(chǎn)生的裂縫及邊墻上部因邊緣效應(yīng)產(chǎn)生的裂縫。

3)避免應(yīng)力集中。在混凝土結(jié)構(gòu)中，可在孔洞或截面突變處增配鋼筋或設(shè)置過渡段的措施(見圖6)，能夠有效緩解由于溫度和收縮產(chǎn)生的應(yīng)力集中導(dǎo)致的開裂問題。

3.2 原材料方面的技術(shù)措施

主要是通過減少用水量和水泥用量來減少水化熱，主要措施包括：

1)合理選擇水泥。為減少水化熱產(chǎn)生的熱量，盡量采用中、低熱水泥為宜。

2)合理選用骨料。在施工中，為減少水泥用量，降低水化熱，應(yīng)盡量選用粒徑較大、級(jí)配良好的石子。在無筋或少筋的混凝土結(jié)構(gòu)中，可摻加不超過混凝土體積25%的大塊石。細(xì)骨料選擇以中、粗砂為宜，且嚴(yán)格控制其中的含泥量。

3)合理選用外摻料。在混凝土配合比設(shè)計(jì)中，摻入適量的粉煤灰代替部分水泥，能有效減少水化熱。但要注意到在混凝土中摻加粉煤灰會(huì)導(dǎo)致其早期強(qiáng)度降低。

3.3 施工方面采取的措施

主要是通過降低混凝土的總溫升來減少內(nèi)外溫差，采取的措施主要包括：

1)控制混合料出機(jī)溫度和澆筑溫度。

這是進(jìn)行裂縫控制的一個(gè)重要措施。在施工中，石子及水的溫度對(duì)混合料出機(jī)溫度影響最大，可采用加冰拌和來降低混合料出機(jī)溫度。在施工現(xiàn)場(chǎng)，可采用對(duì)砂石料遮陽覆蓋等措施。采用管道輸送時(shí)，可采用對(duì)草袋包裹的管道灑水降溫等措施。

2)在混凝土內(nèi)部預(yù)埋冷卻水管，通以循環(huán)水控制混凝土內(nèi)部最高溫升。

3)改善混凝土施工工藝和進(jìn)行施工質(zhì)量控制。

在施工中，推廣施工新技術(shù)，提高混凝土抗壓強(qiáng)度等措施。施工中的二次振搗工藝?yán)谠黾踊炷两Y(jié)構(gòu)的密實(shí)度，最高可提高混凝土抗壓強(qiáng)度約20%；二次投料砂漿裹石或凈漿裹石工藝對(duì)防止水分集中，控制水膜在石子表面的形成十分有利，提高抗壓強(qiáng)度約10%。

4)澆筑方案的選擇。

一般情況下，為減少熱量聚集，采用分層連續(xù)澆筑方法(見圖7)。但對(duì)于工程量大，澆筑面積大，分層澆筑難以實(shí)現(xiàn)時(shí)，可選擇采用分段分層澆筑方法(見圖8)。

5)混凝土泌水處理。

混凝土泌水大時(shí)會(huì)導(dǎo)致表面開裂，可通過在側(cè)模留設(shè)孔洞等措施將水分排出。

6)混凝土的表面處理。

對(duì)于混凝土表面出現(xiàn)的裂紋，先用長(zhǎng)刮尺刮平，再涂刷水泥漿或聚合物進(jìn)行封補(bǔ)，使用鐵滾筒碾壓數(shù)遍，以防止水分侵入。

7)加強(qiáng)混凝土的養(yǎng)護(hù)。

混凝土后期養(yǎng)護(hù)是進(jìn)行裂縫控制的重要環(huán)節(jié)。在施工過程中，覆蓋養(yǎng)護(hù)是最常用的保溫保濕養(yǎng)護(hù)方法，一般采用薄膜覆蓋，或者草袋、麥桿、爛草席、麻袋片、編織布等澆水養(yǎng)護(hù)等，一般不少于15 d。

8)溫度監(jiān)測(cè)。

在大體積混凝土施工以及養(yǎng)護(hù)時(shí)，對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)的內(nèi)部溫度、表面溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果及時(shí)調(diào)整養(yǎng)護(hù)策略，確保溫控指標(biāo)。一般是在混凝土內(nèi)部測(cè)溫點(diǎn)上埋設(shè)測(cè)溫片或采用埋設(shè)鋼管的簡(jiǎn)易測(cè)溫方法。

4 結(jié)語

在大體積混凝土裂縫控制上，只要做好混凝土配合比設(shè)計(jì),嚴(yán)格施工并做好質(zhì)量控制,重視混凝土養(yǎng)護(hù),同步監(jiān)測(cè)并控制好混凝土溫度,以避免混凝土有害裂縫的產(chǎn)生,從而確保混凝土結(jié)構(gòu)的整體性、耐久性和安全性。

[1] 大體積混凝土裂縫控制技術(shù)[Z].http://wenku.baidu.com/view/7f2d01777fd5360cba1adb96.html，2014.

[2] 涂 洋.大體積混凝土產(chǎn)生裂縫的原因及防治措施[Z].http://wenku.baidu.com/view/95c055d9a58da0116c1749f6.html，2014.

[3] 祁 忠，梁樹梅.大體積混凝土裂縫的產(chǎn)生原因及防治措施[J].山西建筑，2012，38(7)：108-109.

On analysis of reasons for large concrete cracks and control

ZHAO Wen-juan

(ShanxiJinzhongRoadandBridgeConstructionGroupCo.,Ltd,Jinzhong030600,China)

The paper introduces the concept of the large concrete, analyzes the reasons for the cracks on the large concrete by referring to the concrete types, and indicates the comprehensive measures for the cracks control from the raw material control, the design components, and construction, so as to provide some reference.

concrete, cracks, temperature shrink, control

1009-6825(2014)22-0094-03

2014-05-23

趙文娟(1980- )，女，工程師

TU755.7

A