大體積混凝土防裂技術(shù)

■郭智鵬 ■中國(guó)人民武裝警察部隊(duì)水電第二總隊(duì)，江西 南昌 330000

1 相關(guān)理論基礎(chǔ)

1．1 大體積混凝土的定義

目前世界各國(guó)對(duì)于大體積混凝土還沒(méi)有一個(gè)明確是概念。(我國(guó)《大體積混凝土施工規(guī)范》GB50496－2009里規(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。)日本學(xué)者認(rèn)為結(jié)構(gòu)斷面最小厚度在80毫米以上，同時(shí)水化熱引起混凝土內(nèi)部的最高溫度與外界氣溫差大于25℃的混凝土，稱為大體積混凝土。美國(guó)學(xué)者認(rèn)為“任何就地澆筑的大體積混凝土，其尺寸之大，必須要求采取措施解決水化熱及隨之引起的體積變形問(wèn)題，以最大限度減少開(kāi)裂”。依據(jù)這一規(guī)定，可以認(rèn)為現(xiàn)代結(jié)構(gòu)所運(yùn)用的高品質(zhì)混凝土大部分都可定義為大體積混凝土。

1．2 混凝土裂縫的定義和分類

混凝土裂縫一般產(chǎn)生于結(jié)構(gòu)施工期和運(yùn)行期，通常可分為微觀裂縫與宏觀裂縫。微觀裂縫在結(jié)構(gòu)中的分布是不連續(xù)且不規(guī)則的，寬度通常小于0.05毫米，一般情況下肉眼是看不到的;宏觀裂縫的寬度通常大于0.05毫米，它是由微觀裂縫發(fā)展而來(lái)的。在混凝土結(jié)構(gòu)中總是不可避免的存在著裂縫，對(duì)裂縫進(jìn)行控制只能把裂縫的寬度控制在合理的范圍內(nèi)，而并不能徹底的消除裂縫?；炷恋牧芽p按深度可分為三類，它們分別是表層裂縫、深層裂縫和貫穿裂縫。其中，表層裂縫分布在混凝土的表面，深度通常較淺，如果不繼續(xù)發(fā)展一般不會(huì)對(duì)使用造成影響;深層裂縫是是由表層裂縫發(fā)展而來(lái)的，它部分切斷了結(jié)構(gòu)斷面;貫穿裂縫則是由深層裂縫發(fā)展而來(lái)的，它可以將結(jié)果斷面全部切斷，因此對(duì)于安全會(huì)產(chǎn)生較大的威脅。

2 大體積混凝土裂縫產(chǎn)生原因分析

大體積混凝土裂縫通常是由運(yùn)行期或者施工期的溫度改變而產(chǎn)生的，混凝土內(nèi)部和外部的溫度差會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力與應(yīng)變，而結(jié)構(gòu)內(nèi)部約束和外部約束又會(huì)對(duì)這種應(yīng)力和應(yīng)變產(chǎn)生阻止作用，因此當(dāng)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力和應(yīng)變大于極限值時(shí)就能夠形成裂縫。所以，要想使混凝土不出現(xiàn)裂縫，就要使最大拉應(yīng)力或應(yīng)變不超過(guò)混凝土的抗拉極限。而形成混凝土裂縫的原因主要有三種，分別是水泥化熱、環(huán)境溫度和澆筑溫度的影響、約束條件的影響和混凝土收縮的影響，下面分別對(duì)這些因素加以介紹。

2．1 水泥水化熱的影響

大體積混凝土在凝結(jié)硬化過(guò)程中，因?yàn)槭艿剿嗟乃饔脮?huì)產(chǎn)生大量的水化熱，致使大體積混凝土的溫度上升，而混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)又比較小，這樣在混凝土的內(nèi)部就會(huì)聚集大量的熱量并且不容易擴(kuò)散出去，混凝土內(nèi)部溫度就會(huì)迅速上升，而大體積混凝土的表面與空氣接觸，散熱比較快，表面溫度比較低，這樣就會(huì)導(dǎo)致混凝土內(nèi)部的溫度高于外部的溫度。《混凝土結(jié)構(gòu)工程施工及驗(yàn)收規(guī)范》中規(guī)定：大體積混凝土內(nèi)部和外部的溫差不宜超過(guò)25攝氏度，進(jìn)而形成較高的溫度梯度，通過(guò)熱脹冷縮現(xiàn)象可以知道，混凝土內(nèi)部膨脹速率度比外部大，并且受到各種約束的影響，使混凝土內(nèi)部產(chǎn)生壓應(yīng)力，表面產(chǎn)生拉應(yīng)力，而當(dāng)這種拉應(yīng)力大于混凝土的抗拉強(qiáng)度時(shí)，就會(huì)在大體積混凝土的表面形成裂縫。

2．2 環(huán)境溫度與澆筑溫度的影響

在施工過(guò)程中，環(huán)境溫度對(duì)與混凝土的澆筑溫度具有較大的影響，而如果澆筑溫度較高，就會(huì)對(duì)混凝土的內(nèi)部溫度產(chǎn)生影響，導(dǎo)致混凝土內(nèi)部溫度升高，這樣就會(huì)在混凝土的內(nèi)部和外部之間形成較大的溫度差，不利于混凝土防裂工作的開(kāi)展。所以，為了避免混凝土裂縫的形成，應(yīng)制定合理的澆筑方案，對(duì)澆筑溫度加以控制。

2．3 約束條件的影響

在施工期和運(yùn)行期，各種結(jié)果都會(huì)受到外界約束的影響，在外界約束下會(huì)發(fā)生不同程度的變形而產(chǎn)出應(yīng)力，導(dǎo)致結(jié)果形成裂縫。約束條件通常報(bào)告外約束和內(nèi)約束兩種形式。其中外約束是指結(jié)構(gòu)變形受到支座等外界因素的阻礙作用而產(chǎn)生的約束;內(nèi)約束是指由于溫度的作用而在結(jié)構(gòu)內(nèi)部產(chǎn)生的熱脹冷縮致使各質(zhì)點(diǎn)產(chǎn)生不均勻變形而引起的相互約束。通過(guò)以上分析可知，混凝土在溫度的作用下會(huì)發(fā)生變形，這種變形受到約束作用的限制而產(chǎn)生應(yīng)力，當(dāng)應(yīng)力超過(guò)抗拉極限時(shí)就會(huì)形成裂縫。

2．4 混凝土收縮的影響

研究表明，混凝土凝結(jié)硬化只需要其中大約20%的水分，而剩余的80%的水分則被蒸發(fā)掉了。水分的蒸發(fā)會(huì)導(dǎo)致混凝土體積縮小，如果收縮作用受到約束限制，就能夠形成裂縫。通常情況下，混凝土在收縮完成后會(huì)再處于水飽和狀態(tài)，也就是說(shuō)它能夠恢復(fù)膨脹到之前的體積。在對(duì)裂縫進(jìn)行計(jì)算時(shí)，一般要把收縮值換算成相當(dāng)于引起同樣溫度變形時(shí)所需的溫度值。

3 大體積混凝土防裂措施

因?yàn)槭盏酵獠凯h(huán)境和水熱化等作用的影響，在對(duì)混凝土進(jìn)行澆筑以后會(huì)引起其內(nèi)部溫度的改變，而這種溫度的改變會(huì)引起溫差應(yīng)力，在混凝土的變形量大于它的拉伸強(qiáng)度時(shí)，則會(huì)導(dǎo)致開(kāi)裂。因此可以從以下幾個(gè)方面防止大體積混凝土產(chǎn)生裂縫：第一種方法是設(shè)法增強(qiáng)大體積混凝土自身的抗裂能力，第二種方法是設(shè)法降低大體積混凝土內(nèi)部和外部的溫度差，第三種方法盡量減少外部條件對(duì)大體積混凝土變形的約束。以下分別對(duì)這三種方法進(jìn)行介紹。

3．1 增強(qiáng)大體積混凝土抗裂能力

3．1.1 在混凝土中摻如微膨脹劑

微膨脹劑可以對(duì)混凝土的縫隙進(jìn)行填充，進(jìn)而占據(jù)了混凝土的收縮空間，起到補(bǔ)償收斂的作用。微膨脹能夠把混凝土的應(yīng)力狀態(tài)轉(zhuǎn)化成自應(yīng)力，使拉應(yīng)力得到避免或者減小，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)混凝土的防裂。

3．1.2 應(yīng)用聚丙烯纖維網(wǎng)

聚丙烯纖維網(wǎng)對(duì)于增加混凝土的抗沖擊性和耐磨性具有較好的效果，同時(shí)又不會(huì)降低大體積混凝土的抗壓強(qiáng)度、抗凍性和滲透性，因此，采用聚丙烯纖維網(wǎng)可以增加混凝土的抗拉強(qiáng)度，進(jìn)而防止收縮裂縫的產(chǎn)生。

3．1.3 提高施工質(zhì)量

可以從幾下幾個(gè)方面來(lái)提高混凝土的施工質(zhì)量：第一方面，對(duì)原材料進(jìn)行嚴(yán)格的控制;第二方面，做好施工縫接茬的處理;第三方面，采取二次振搗與二次抹面的措施;第四方面，對(duì)大體積混凝土進(jìn)行潮濕養(yǎng)護(hù);第五方面，采用整體分層連續(xù)澆筑施工或推移式連續(xù)澆筑施工;第六方面，留置變形縫;第七方面，采用跳倉(cāng)法進(jìn)行施工。

3．2 降低內(nèi)外溫度差

3．2.1 減小水化熱溫升

混凝土的水化反應(yīng)會(huì)釋放大量的熱量，從而混凝土內(nèi)部溫度的升高，而混凝土的導(dǎo)熱性差又會(huì)集聚能量。所以，我們可以從以下兩個(gè)方面來(lái)控制大體積混凝土內(nèi)部溫度的升高：第一種方法是在選擇水泥時(shí)，盡量選擇低標(biāo)號(hào)低水熱化的水泥;第二種方法是采用摻加塊石或者粉煤灰、使用緩凝型減水劑等方式來(lái)盡量減少水泥的用量。

3．2.2 減小澆筑溫度

在水化熱溫升一定的前提下，通過(guò)減小大體積混凝土入模溫度與出機(jī)溫度的方式可以有效降低混凝土內(nèi)部的最高溫度。具體可以采取的措施有以下三種：第一種措施是通過(guò)對(duì)部分原材料的溫度加以控制來(lái)減小澆筑溫度;第二種措施是在條件允許的前提下，盡可能在晚上進(jìn)行混凝土的澆筑;第三種措施是對(duì)在運(yùn)輸與入模過(guò)程中混凝土溫度的升高加以控制。

3．2.3 控制混凝土內(nèi)外溫差

在正常施工的條件下，應(yīng)該在混凝土的表面上掛鋪一層塑料薄膜。為了防治冷擊，在雨天需要在麻袋外再設(shè)一層薄膜。在冬季施工時(shí)，需要采用蓄熱法進(jìn)行保溫養(yǎng)護(hù)，具體的方法是在混凝土的頂面鋪設(shè)雙層塑料薄膜，內(nèi)夾三層草簾，外罩篷布或者加塑編織布。模板拆除后，在混凝土的層表面圍保溫被。另外，埋設(shè)冷卻水管也是行之有效的大體積混凝土溫控防裂措施，它能有效降低混凝土內(nèi)部的最高溫度，把混凝土內(nèi)部溫度降低到接縫灌漿溫度，同時(shí)減小內(nèi)外溫差。

3．3 降低外界約束

新澆筑混凝土所受的外界約束主要分為下伏基巖的約束和新老混凝土之間的約束兩種。約束應(yīng)力與基巖和老混凝土的彈性模量呈正相關(guān)關(guān)系，如果混凝土的剛度一定，結(jié)構(gòu)的越長(zhǎng)約束應(yīng)力也就越大。通常我們可以采取以下方法降低這兩種約束：第一種方法是對(duì)結(jié)構(gòu)段進(jìn)行合理的劃分，進(jìn)而降低結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度對(duì)約束力的影響;第二種方法是合理的設(shè)置水平和豎向的施工縫;第三種方法是盡量縮短混凝土澆筑的間歇期;第四種方法是采取在機(jī)器開(kāi)挖后由人工進(jìn)行整平、在基巖面上設(shè)粗砂滑動(dòng)層、盡量將墊層表面做平整光滑等方式來(lái)減小基底的約束;第五種方法是盡量減小混凝土溫度降低的速度。

3．4 布設(shè)溫測(cè)點(diǎn)

可以在每個(gè)施工流水段分別布置大體積混凝土測(cè)溫點(diǎn)，來(lái)加強(qiáng)對(duì)大體積混凝土溫度的監(jiān)測(cè)。測(cè)溫點(diǎn)應(yīng)具有一定的代表性，真實(shí)反映混凝土塊體的內(nèi)外溫差、降溫速度等?；炷翜y(cè)溫點(diǎn)的布置原則為：在測(cè)溫區(qū)內(nèi)，溫度監(jiān)測(cè)的位置與數(shù)量根據(jù)基礎(chǔ)底板的溫度場(chǎng)的分布情況及溫控的要求為準(zhǔn)。

4 結(jié) 論

本文在相關(guān)理論基礎(chǔ)上對(duì)混凝土裂縫產(chǎn)生的原因進(jìn)行了分析，并針對(duì)大體積混凝土的防裂問(wèn)題提出了對(duì)策，對(duì)保證混凝土結(jié)構(gòu)達(dá)到設(shè)計(jì)要求的耐久性具有十分重要的意義。

［1］朱伯芳．大體積混凝土溫度應(yīng)力與溫度控制．北京中國(guó)電力出版社，1998．

［2］龔召熊．水工混凝土的溫控與防裂．北京：中國(guó)水利水電出版社，1999．