大體積混凝土溫度裂縫的產(chǎn)生與控制

段海云

(山西呂梁公路建設(shè)有限公司，山西呂梁 033000)

0 引言

在混凝土工程中，裂縫是最常見的一種缺陷，是影響混凝土結(jié)構(gòu)使用壽命的最主要因素。微觀裂縫，指寬度一般在0.05 mm以下，肉眼不可見，為一般混凝土結(jié)構(gòu)所固有。在大體積混凝土結(jié)構(gòu)施工中，水化熱導致混凝土內(nèi)外部溫度差很大，經(jīng)常出現(xiàn)很多裂縫是工程實踐中存在的常見問題。本文所稱裂縫指的是寬度超過0.05 mm，肉眼可見的宏觀裂縫。

近年來，隨著我國基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的快速發(fā)展，一些大壩、橋梁以及高層建筑的基礎(chǔ)工程等大型工程項目越來越多，大體積混凝土應(yīng)用也越來越多。混凝土硬化時產(chǎn)生溫度裂縫是不可避免的。當出現(xiàn)的裂縫影響到結(jié)構(gòu)的整體性和耐久性時，就會對建筑物的結(jié)構(gòu)安全產(chǎn)生極其不利的影響。因此，研究大體積混凝土溫度裂縫成因，進行溫度裂縫控制就尤為重要。

1 大體積混凝土裂縫的危害

在我國GB 50496-2009大體積混凝土施工規(guī)范中大體積混凝土的定義為，混凝土結(jié)構(gòu)物實體最小幾何尺寸不小于1 m的大體量混凝土，或預(yù)計會因混凝土中膠凝材料水化引起的溫度變化和收縮而導致有害裂縫產(chǎn)生的混凝土。

在大體積混凝土中，主要材料包括水泥、砂和石料等。在混凝土結(jié)構(gòu)中，水泥漿體硬化后，其干縮值比較大，石料會對水泥漿體的自由收縮產(chǎn)生限制，使得混凝土結(jié)構(gòu)從硬化開始就會在骨料與水泥漿體的粘結(jié)面上形成微裂縫。同時，由于混凝土中各種材料的物理性能不同，在混凝土結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)諸如空洞、孔道、裂縫、疏松等固有缺陷。

在不大的外力或變形作用下，混凝土結(jié)構(gòu)中的微裂縫是穩(wěn)定的。但當受到外力導致混凝土產(chǎn)生變形的作用較大時，在混凝土內(nèi)部的微裂縫逐漸發(fā)展擴大，甚至能夠?qū)τ不蟮乃嗍纬韶灤?，逐步發(fā)展成為宏觀裂縫，影響混凝土結(jié)構(gòu)安全。

在大體積混凝土結(jié)構(gòu)中，存在的部分輕微細小的裂縫，甚至極少量的宏觀裂縫，這僅會對結(jié)構(gòu)外觀造成影響，對結(jié)構(gòu)的使用性能、耐久性能及安全性能不會有大的影響。但當宏觀裂縫逐步發(fā)展擴大，形成較寬較深的宏觀裂縫時，就給腐蝕介質(zhì)的侵入留下通道，水分及有害物質(zhì)順著裂縫滲入，誘發(fā)出現(xiàn)如鋼筋銹蝕、混凝土碳化和酥松脫落等病害，則會對結(jié)構(gòu)的耐久性和防水性造成破壞性的影響，影響混凝土結(jié)構(gòu)的安全。

一旦出現(xiàn)裂縫，分析成因并采取適當?shù)难a救措施是非常必要的。在建筑物基礎(chǔ)、地下或半地下結(jié)構(gòu)中，裂縫最主要是對結(jié)構(gòu)的防滲性能產(chǎn)生影響。產(chǎn)生的裂縫寬度在0.1 mm～0.2 mm范圍內(nèi)時，會表現(xiàn)出輕微滲水，經(jīng)過一段時間的使用后一般可自愈。當裂縫的寬度范圍超過0.2 mm時，則必須進行處治，如采用化學注漿等。

2 裂縫產(chǎn)生的機理

在大體積混凝土結(jié)構(gòu)中，出現(xiàn)裂縫的原因是多種多樣的，但拉應(yīng)力是裂縫產(chǎn)生的必要條件。在混凝土的結(jié)構(gòu)中，當發(fā)生體積變化時，一般主要是由于受到約束或荷載作用時，在結(jié)構(gòu)內(nèi)部產(chǎn)生的拉應(yīng)力過大，超過混凝土結(jié)構(gòu)當時的抗拉強度時，則裂縫產(chǎn)生。

2.1 混凝土結(jié)構(gòu)變形的內(nèi)外約束作用

當混凝土結(jié)構(gòu)發(fā)生變形時，在其內(nèi)部各質(zhì)點之間就會產(chǎn)生內(nèi)約束，表現(xiàn)為混凝土表面裂縫。在大體積混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部，由于水泥水化熱使得其內(nèi)部溫度比表面高，相應(yīng)的產(chǎn)生的熱膨脹也比表面大，則會在混凝土結(jié)構(gòu)的表面產(chǎn)生拉應(yīng)力。當產(chǎn)生的表面拉應(yīng)力超過混凝土當時的抗拉強度時，則會形成混凝土表面裂縫(見圖1)。

當混凝土的結(jié)構(gòu)發(fā)生變形時，不同結(jié)構(gòu)之間就會產(chǎn)生外約束，表現(xiàn)為混凝土深層裂縫。當大體積混凝土澆筑數(shù)日后，水泥水化熱基本完畢，混凝土內(nèi)部溫度就會逐漸降低。同時，集料中的多余水分也會蒸發(fā)，混凝土體積就會出現(xiàn)自由收縮。外部結(jié)構(gòu)會對混凝土的這種自由收縮產(chǎn)生約束作用。在外部結(jié)構(gòu)的約束作用下，內(nèi)外溫差產(chǎn)生溫度應(yīng)力。當溫度應(yīng)力(一般是拉應(yīng)力)超過混凝土當時的抗拉強度時，就會從約束面開始形成溫度裂縫，當溫度應(yīng)力足夠大時，形成的裂縫甚至會貫穿整個截面(如圖2所示)。

圖1 內(nèi)約束引起表面裂縫

圖2 外約束引起深層裂縫

在大體積混凝土裂縫中，外約束應(yīng)力占主要地位。

2.2 水泥水化熱

在混凝土結(jié)構(gòu)澆筑初期，水泥水化熱引起溫升，且結(jié)構(gòu)表面自然散熱。因此，在澆筑后的3 d～5 d，混凝土內(nèi)部達到最高溫度?；炷两Y(jié)構(gòu)自身的導熱性能差，且大體積混凝土由于體積巨大，本身不易散熱，水泥水化現(xiàn)象會使得大量的熱聚集在混凝土內(nèi)部，使得混凝土內(nèi)部迅速升溫。而混凝土外露表面容易散發(fā)熱量，這就使得混凝土結(jié)構(gòu)溫度內(nèi)高外低，且溫差很大，形成溫度應(yīng)力。當產(chǎn)生的溫度應(yīng)力(一般是拉應(yīng)力)超過混凝土當時的抗拉強度時，就會形成表面裂縫。

3 大體積混凝土溫度裂縫的控制措施

從以上可以看出，混凝土裂縫形成受多種因素的影響，主要是水泥水化熱大量積聚使得混凝土早期溫升和后期降溫導致溫度應(yīng)力過大。在施工中，對裂縫成因的影響因素進行分析，可針對性的解決大體積混凝土裂縫問題。

3.1 影響因素

在大體積混凝土結(jié)構(gòu)中，影響溫度裂縫形成及擴展的因素很多，主要包括混凝土結(jié)構(gòu)中的水泥使用量、配合比設(shè)計、外加劑與施工工藝、養(yǎng)護條件等。

1)原材料和配合比。

水泥量、水泥強度、水泥活性、水膠比、骨料粒徑、骨料含泥量、摻合料、外加劑等混凝土本身性能起決定性作用。

2)施工質(zhì)量。

在施工中，混凝土的攪拌時間、運輸流程及時間、澆筑時機、振搗工藝、養(yǎng)護作業(yè)，模板拆除和預(yù)應(yīng)力施工的時機，施工接槎處理，壓抹、施工季節(jié)等都對施工質(zhì)量產(chǎn)生影響。

3)設(shè)計缺陷。

結(jié)構(gòu)體型、結(jié)構(gòu)設(shè)縫、局部配筋不足、配筋方式不當、保護層厚度不夠、環(huán)境條件選擇不當?shù)仍O(shè)計合理與否對裂縫狀態(tài)具有重要影響。

4)使用環(huán)境耐久性。

嚴重超載、疲勞荷載等非設(shè)計工況、改變結(jié)構(gòu)用途、改造結(jié)構(gòu)形式、結(jié)構(gòu)超期服役而抗力退化、侵蝕環(huán)境下結(jié)構(gòu)長期使用、沒有及時維護需定期更換的構(gòu)件。

3.2 裂縫控制措施

在大體積混凝土項目建設(shè)中，裂縫有時會成為貫穿全斷面的結(jié)構(gòu)性裂縫，造成結(jié)構(gòu)安全隱患。要減少裂縫的發(fā)生，主要是從有效控制混凝土的溫升，延緩前期降溫速率，減少后期收縮，提高混凝土的抗拉值，改善約束條件，完善混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計和加強施工中的溫度監(jiān)測等方面采取措施。

1)從設(shè)計角度控制。

設(shè)置伸縮縫，釋放大部分的熱量和變形，減小約束應(yīng)力。合理布置鋼筋，以減輕混凝土的收縮，限制裂縫的展開。設(shè)置后澆帶。

2)從施工角度控制。

a.控制出機溫度。

對混凝土出機溫度影響最大的是石子。在施工中，采取有效方法降低石子溫度。

b.控制澆筑溫度。

施工時，混凝土的澆筑溫度過大會引起較大的干縮，應(yīng)采取措施適當控制澆筑溫度在40℃以下為宜。

c.澆筑工藝和處理。

在施工中，采用二次投料的砂漿裹石工藝和凈漿裹石攪拌工藝，利于提高混凝土的密實度，有效提升混凝土的極限拉伸值和抗裂性能。

合理確定澆筑順序，加強振搗。

d.養(yǎng)護措施。

進行潮濕養(yǎng)護，通過在表面不斷地補給水分，降低內(nèi)外溫差。如淋水，鋪設(shè)濕砂層、濕麻袋或草袋等，一般不少于半個月。

e.加強溫度檢測。

在混凝土硬化過程中，監(jiān)測其內(nèi)部溫度場變化分布情況，以采取相應(yīng)措施，確保混凝土不產(chǎn)生過大的溫度應(yīng)力。

3)原材料角度控制。

水泥的品種及用量:應(yīng)根據(jù)結(jié)構(gòu)特點，選擇水化熱低且強度高的水泥。同時，在確?；炷翉姸群湍途眯缘那疤嵯?，盡可能的減少水泥用量，以緩解水熱化。

在配合比設(shè)計中，適量的加入外加料，能有效降低水泥用量，降低澆筑前期的升溫，減少后期的收縮。如:適量摻入木質(zhì)素磺酸鈣(也稱木鈣)用作減水劑使用，可顯著降低水化熱，延遲水化熱釋放速度(如表1所示)。適量摻入膨脹劑(AEA:礬土水泥、天然明礬石、硬石膏;UEA:燒結(jié)明礬石、天然明礬石、硬石膏等)置換相同質(zhì)量的水泥，產(chǎn)生的膨脹自應(yīng)力可使混凝土處于受壓狀態(tài)，抵消產(chǎn)生的部分拉應(yīng)力，避免裂縫的發(fā)生和發(fā)展。適量摻入粉煤灰能有效地提高混凝土的抗?jié)B性能，顯著改善混凝土拌合料的工作性能，并具有減水作用。

表1 水泥中摻入木鈣后的水化熱情況對比

在施工中，上述措施并不是孤立的，必須結(jié)合工程實際，綜合考慮施工條件、現(xiàn)場氣候、工程成本等多種因素，選擇采用合適的控制措施，以取得良好的裂縫控制效果。

4 結(jié)語

在大體積混凝土中，裂縫會給結(jié)構(gòu)帶來質(zhì)量隱患。在大體積混凝土工程項目中，根據(jù)混凝土性質(zhì)，優(yōu)化混凝土配合比，精心組織施工，做好混凝土的養(yǎng)護，同步監(jiān)測混凝土的溫度，就可以很好的控制混凝土有害裂縫的產(chǎn)生，保證混凝土澆筑的施工質(zhì)量。

［1］趙一航.建筑工程大體積混凝土裂縫問題與控制技術(shù)［J］.江西建材，2014(5):91-93.

［2］李 琎.淺談大體積混凝土裂縫的成因及相關(guān)措施［J］.建筑知識(學術(shù)刊)，2014(3):85-87.

［3］劉士友.大體積混凝土防裂原因分析及預(yù)防措施［J］.建筑知識(學術(shù)刊)，2014(B03):13-15.

［4］賈磊峰.談房建基礎(chǔ)大體積混凝土裂縫控制措施［J］.山西建筑，2013，39(1):85-86.