淺析大體積混凝土的防裂技術(shù)趨勢

李生財

【摘要】本文從材料、設(shè)計、施工以及養(yǎng)護(hù)等方面探討了大體積混凝土溫度裂縫的控制措施和要點。

【關(guān)鍵詞】大體積混凝土；防裂技術(shù)；施工技術(shù)

引言

隨著我國建筑行業(yè)施工技術(shù)的不斷提高，大體積混凝土結(jié)構(gòu)已廣泛應(yīng)用于工程項目中，大體積混凝土的裂縫防治是該行業(yè)的重大技術(shù)問題，因此研究大體積混凝土防裂措施具有相當(dāng)重要的意義。

一、大體積混凝土的定義

大體積混凝土是指尺寸大的混凝土。正確的定義應(yīng)是：體積大至需要采取措施防止因水化熱引起體積變化而導(dǎo)致裂縫的混凝土，稱為大體積混凝土。例如：大壩、電站、橋梁、大型工廠、大型設(shè)備等。

二、大體積混凝土易裂的原因

2.1水化溫升高，體積變化大

混凝土體積越大，水泥水化產(chǎn)生的熱量越不容易散發(fā)，溫升越高，引起的體積變化越大。

2.2受約束，產(chǎn)生拉應(yīng)力

不受約束（即能自由伸縮）的混凝土是不會產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力的，體積變化受約束才產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力。約束分為外部約束和內(nèi)部約束?；炷翝苍趲r石上或老混凝土上，其體積變化將受外部巖石或老混凝土約束，初期因水泥急劇水化升溫，體積膨漲，處于受壓狀態(tài)，但因混凝土（強(qiáng)度低）彈性模量低，產(chǎn)生的壓應(yīng)力很小。后期水泥水化熱減小，散發(fā)熱量大于水化熱量，溫度降低，體積收縮，受巖石或老混凝土約束，由受壓狀態(tài)變?yōu)槭芾瓲顟B(tài)，產(chǎn)生拉應(yīng)力。

2.3抗拉能力低

混凝土是脆性材料，抗壓能力較高，抗拉能力較低。抗拉強(qiáng)度僅為抗壓強(qiáng)度的1/10左右。極限拉伸也很小。大體積混凝土溫度變形受約束時產(chǎn)生的拉應(yīng)力很容易超過極限拉伸而產(chǎn)生裂縫。

以上3個原因若同時存在并達(dá)到相當(dāng)程度必然會產(chǎn)生裂縫。缺少其中一個，或其中一個沒有達(dá)到相當(dāng)程度，裂縫可能不會發(fā)生。當(dāng)然最根本的原因是水化溫升產(chǎn)生的較大體積變化。

三、大體積混凝土防裂措施

針對裂縫的成因，大體積混凝土的防裂措施應(yīng)是：減小溫度變形，消除或減小約束程度，提高抗拉能力。

3.1減小溫度變形

3.1.1使用水化熱低的水泥

由于礦物成分及摻加混合材料數(shù)量不同，水泥的水化熱差異較大，鋁酸三鈣和硅酸三鈣含量高的，水化熱較高；混合材摻量多的水泥水化熱較低。為降低水化溫升，減小體積變形，大體積混凝土一般不宜使用水化熱高的硅酸鹽水泥和普通硅酸鹽水泥，應(yīng)使用中熱硅酸鹽水泥和低熱礦渣水泥，更不宜使用早強(qiáng)型水泥。

3.1.2盡量降低水泥用量

水泥水化產(chǎn)生的水化熱是大體積混凝土發(fā)生溫度變化從而導(dǎo)致體積變化的主要根源。干濕和化學(xué)變化也會造成體積變化， 但通常都遠(yuǎn)小于水泥水化熱產(chǎn)生的體積變化。因此， 除采用水化熱低的水泥外， 要減少溫度變形， 還應(yīng)降低水泥用量。具體要求如下。

1）在滿足結(jié)構(gòu)安全的前提下， 盡量降低設(shè)計要求強(qiáng)度， 以減少水泥用量。

2）充分利用混凝土后期增長的強(qiáng)度及其他性能，采用較長的設(shè)計齡期。混凝土的強(qiáng)度、抗?jié)B性等都隨齡期的增長而提高， 特別是摻加活性混合材（礦渣、粉煤灰）的混凝土。大體積混凝土因工程量大， 施工時間長， 有條件采用較長的設(shè)計齡期， 如90、180d、甚至1年。折算成常規(guī)齡期28d的設(shè)計強(qiáng)度就可降低， 從而減少水泥用量。

3）精心設(shè)計、調(diào)整混凝土的骨料粒徑和級配。如盡可能采用大的骨料最大粒徑。最大粒徑越大， 骨料的空隙率和表面積越小， 混凝土的水泥漿及水泥用量就越小。通常規(guī)定， 骨料最大粒徑不得大于結(jié)構(gòu)斷面最小尺寸的1/4（板厚的1/2）， 鋼筋凈距的3/4。又如選用優(yōu)良的骨料級配（包括砂率）。優(yōu)良級配骨料的空隙率和表面積小， 水泥用量也小。比較優(yōu)良的粗骨料級配， 其中最大粒徑～ 1/2最大粒徑的顆粒含量約為50%左右。此外， 合理的間斷級配亦可有效地降低水泥用量。比較簡便的是剔出5 ～ 10mm的顆粒。

4）摻加粉煤灰 粉煤灰的水化熱遠(yuǎn)小于水泥， 7d約為水泥的1/3， 28d約為水泥的1/2。摻加粉煤灰減小水泥用量可有效降低水化熱。大體積混凝土的強(qiáng)度通常要求較低， 允許摻加較多的粉煤灰。另外， 優(yōu)質(zhì)粉煤灰的需水性小， 有減水作用， 可降低混凝土的單位用水量和水泥用量， 還可減小混凝土的自身體積收縮， 有的還略有膨脹， 有利于防裂。摻粉煤灰還能抑制堿-骨料反應(yīng)并防止因此產(chǎn)生的裂縫。

5）摻減水劑 摻減水劑可有效地降低混凝土的單位用水量， 從而降低水泥用量。緩凝型減水劑還有抑制水泥水化作用， 可降低水化溫升， 有利于防裂。

3.1.3采用線脹系數(shù)小的骨料

混凝土由水泥漿和骨料組成， 其線脹系數(shù)為水泥漿和骨料線脹系數(shù)的加權(quán)（占混凝土的體積）平均值。大體積混凝土中的骨料體積占75%以上， 采用線脹系數(shù)小的骨料對降低混凝土的線脹系數(shù)， 從而減小溫度變形的作用是十分顯著的。

3.1.4采用合理的施工方法

主要是運(yùn)輸方法。大體積混凝土不宜采用泵送。因為可泵性限制了骨料的最大粒徑， 且要求流動度大，結(jié)果水泥用量大， 水化溫升高， 是十分不利于防裂的。大體積混凝土應(yīng)采用吊罐吊運(yùn)， 或其他運(yùn)輸方式， 以使用大的骨料和較小的流動度。若只能泵送， 則應(yīng)埋放塊石。

3.1.5在低溫季節(jié)或低溫時段澆注

除水泥水化溫升外， 混凝土本身的溫度也是造成體積變化的原因， 所以也應(yīng)盡量降低。有條件的應(yīng)盡量在冬季澆注， 避免在夏季澆注。若無法做到， 則應(yīng)避免在午間高溫時澆注。

3.1.6冷卻混凝土

冷卻混凝土分預(yù)冷和后冷。預(yù)冷在澆注前進(jìn)行，主要的方法是加冰拌合和冷卻骨料。深度預(yù)冷的制冷規(guī)模大， 冷量損失大， 是否采用應(yīng)經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較。后冷在澆注后進(jìn)行。主要是在結(jié)構(gòu)內(nèi)埋設(shè)水管， 通低溫水冷卻， 冷卻效率高， 冷量損失小。澆注塊不太厚的，亦可采用表面流水冷卻， 也有較好效果， 且節(jié)約水管。

3.1.7做好表面隔熱保護(hù)

大體積混凝土的裂縫， 特別是表面裂縫， 主要是由于內(nèi)外溫差過大產(chǎn)生的。澆注后， 水泥水化使混凝土溫度升高， 表面易散熱溫度較低， 內(nèi)部不易散熱溫度較高， 相對的表面收縮而內(nèi)部膨脹， 表面收縮受內(nèi)部約束產(chǎn)生拉應(yīng)力。但通常這種拉應(yīng)力較小， 不至于超過混凝土抗拉強(qiáng)度而產(chǎn)生裂縫。只有同時遇冷空氣襲擊，或過水或過分通風(fēng)散熱， 使表面降溫過大時才會發(fā)生裂縫（澆注后5 ～ 20d最易發(fā)生）。表面隔熱保護(hù)可防止表面降溫過大， 減小內(nèi)外溫差， 是防裂的有效措施。

3.1.8使用微膨脹水泥

使用微膨脹水泥的目的是在混凝土降溫收縮時膨脹， 補(bǔ)償收縮， 防止裂縫。但目前使用的微膨脹水泥，大多膨脹過早， 即混凝土升溫時膨脹， 降溫時已經(jīng)膨脹完畢， 也開始收縮， 只能使升溫時的壓應(yīng)力稍有增加，補(bǔ)償收縮的作用不大。所以應(yīng)該使用后期膨脹的微膨脹水泥。

3.2消除或降低約束

1）內(nèi)部約束是無法消除和降低的。

2）外部約束主要決定于基巖或老混凝土的彈性模量。彈性模量越高， 約束程度越大。對于必須與基巖或老混凝土連接的建筑物， 如大壩， 要降低基巖的彈性模量是難以做到的， 要降低下層混凝土的彈性模量， 則應(yīng)在其未充分硬化時澆注。對于允許和基巖或老混凝土脫離的建筑物， 如大型設(shè)備基礎(chǔ)， 則可采取以下措施消除外部約束：①巖石上可鋪一薄層砂碎石；②老混凝土上可鋪瀝青油氈；③側(cè)面為巖石或老混凝土?xí)r， 亦可用瀝青油氈隔開。

三、結(jié)束語

在大體積混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)一旦出現(xiàn)裂縫，要通過修補(bǔ)以恢復(fù)結(jié)構(gòu)的整體性實際上是很困難的。因此，對于大體積混凝土結(jié)構(gòu)的裂縫，應(yīng)以預(yù)防為主。

參考文獻(xiàn)：

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