大體積混凝土裂縫控制及處理措施

【摘 要】 大體積混凝土具有體量大、混凝土量多、工程條件復(fù)雜、施工技術(shù)和質(zhì)量要求高的特點(diǎn)，本六主要是對(duì)大體積混凝土的施工及裂縫控制分析探討。

【關(guān)鍵詞】 大體積混凝土；裂縫；溫度控制；施工控制

【Abstract】 Mass concrete has the characteristics of large volume， large amount of concrete， complex engineering conditions， and high construction technology and quality requirements. This sixth chapter mainly discusses the construction and crack control of mass concrete.

【Key words】 Mass Concrete；Cracks；Temperature Control；Construction Control

大體積混凝土具有體量龐大、混凝土數(shù)量多、工程條件復(fù)雜、施工技術(shù)和質(zhì)量要求高等特點(diǎn)。究竟體積有多大量才被稱為大體積混凝土呢？對(duì)于大體積混凝土在當(dāng)前仍然很難下一個(gè)確切的定義，但凡屬建筑工程大體積混凝土都有一些共同的特征：結(jié)構(gòu)厚度在1m以上，混凝土量大，工程條件復(fù)雜，一般都是現(xiàn)澆鋼筋混凝土超靜定結(jié)構(gòu)，多為地下或半地下建筑，施工技術(shù)要求高，水泥水化熱使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生溫度和收縮變形，應(yīng)采取相應(yīng)的措施，盡可能減少溫度變化而引起的結(jié)構(gòu)件開裂。因此，大體積混凝土經(jīng)常出現(xiàn)的問題，不是力學(xué)上的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，而是以控制混凝土溫度變形裂縫，從而提高混凝土的抗?jié)B、抗裂、抗侵蝕性能，以提高建筑結(jié)構(gòu)的耐久年限為主要目標(biāo)。

1. 大體積混凝土的開裂機(jī)理

大體積混凝土自澆筑開始，就會(huì)受到外界環(huán)境和其本身各種因素的作用，使混凝土中任一點(diǎn)的位移和變形會(huì)產(chǎn)生不斷的變化，從而形成了應(yīng)力。一般情況下，當(dāng)應(yīng)力超過了混凝土此時(shí)的極限強(qiáng)度，或其應(yīng)力變形超過了混凝土的極限變形值，由混凝土構(gòu)成的結(jié)構(gòu)物就要產(chǎn)生裂縫。裂縫發(fā)展到嚴(yán)重程度，結(jié)構(gòu)因失去承載能力而破壞。而這種破壞力綜合起來可分為以下幾種：（1）溫度應(yīng)力。包括混凝土本身水化熱產(chǎn)生的和環(huán)境溫度變化產(chǎn)生的。（2）干縮應(yīng)力。由于混凝土的水分?jǐn)U散系數(shù)極小，結(jié)構(gòu)水分散失多發(fā)生在混凝土表層很淺的部位，而且拉應(yīng)力也產(chǎn)生在這個(gè)部位。（3）外荷載應(yīng)力。包括自重、水壓、泥沙壓力、地震力、設(shè)備重量及其他設(shè)計(jì)考慮的活荷載等。（4）基礎(chǔ)變形和模板走樣產(chǎn)生的應(yīng)力。而大體積混凝土的開裂主要是由于水化熱使混凝土溫度升高，其溫度擴(kuò)散緩慢，從而產(chǎn)生較大溫差而引起開裂。下面就這些問題進(jìn)行分析。

2. 混凝土溫度應(yīng)力的分析

2.1 溫度應(yīng)力引起的原因。（1）自生應(yīng)力：沒有任何邊界上完全約束或靜止的結(jié)構(gòu)，如果內(nèi)部溫度是非線形分布的，由于結(jié)構(gòu)本身互相約束而會(huì)出現(xiàn)溫度應(yīng)力。例如橋梁墩身，結(jié)構(gòu)尺寸相對(duì)較大，混凝土冷卻時(shí)表面溫度低，內(nèi)部溫度高，在表面出現(xiàn)拉應(yīng)力，在中間出現(xiàn)壓應(yīng)力。（2）約束應(yīng)力：結(jié)構(gòu)的全部或部分邊界受到外界的約束，不能自由變形而引起的應(yīng)力。如箱梁頂板混凝土和護(hù)欄混凝土在溫度變化時(shí)的變形應(yīng)力。這兩種溫度應(yīng)力往往和混凝土的干縮引起的應(yīng)力共同作用。

2.2 溫度應(yīng)力的形成過程。溫度應(yīng)力的形成過程可分為以下三階段： （1）早期：自澆筑混凝土開始至水泥釋放熱基本結(jié)束，一般為28d左右。這個(gè)階段具有兩個(gè)特征：a.水泥放出大量的水化熱；b.混凝土彈性模量的急劇變化，這一時(shí)期在混凝土內(nèi)部形成殘余應(yīng)力。（2）中期：自水泥釋放熱作用基本結(jié)束時(shí)起至混凝土冷卻到穩(wěn)定溫度時(shí)止，這個(gè)時(shí)期中，溫度應(yīng)力主要是由于混凝土的冷卻及外界氣溫變化所引起，這些應(yīng)力與早期殘余的應(yīng)力相疊加，在此期間混凝土的彈性模量變化不大。（3） 晚期：混凝土完全冷卻以后的運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)期。溫度應(yīng)力主要是外界氣溫變化所引起的，這些應(yīng)力與前兩種殘余應(yīng)力相疊加。

3. 混凝土溫度裂縫產(chǎn)生的原因

混凝土結(jié)構(gòu)體內(nèi)部產(chǎn)生溫度裂縫的原因比較復(fù)雜，主要是混凝土溫度發(fā)生變化時(shí)會(huì)在內(nèi)部或表面產(chǎn)生拉應(yīng)力，由于混凝土本身是一種脆性和不均勻性的材料，當(dāng)拉應(yīng)力大于混凝土的抗拉能力時(shí)，即會(huì)出現(xiàn)裂縫。

3.1 材料屬性方面的原因。在鋼筋混凝土中拉應(yīng)力主要由鋼筋承擔(dān)，混凝土只承受壓應(yīng)力，一般設(shè)計(jì)中均不要求混凝土土承受拉應(yīng)力或承受很小的拉應(yīng)力，但在混凝土內(nèi)部或鋼筋混凝土的邊緣部位如果出現(xiàn)了拉應(yīng)力，則需依靠混凝土自身承擔(dān)。當(dāng)這種拉應(yīng)力過大時(shí)，便會(huì)形成裂縫。

3.2 混凝土中的水分通過水泥水化反應(yīng)消耗一部分，其余大部分游離水將會(huì)在混凝土硬化過程中逐漸蒸發(fā)掉，使得混凝土中存在大量的毛細(xì)孔道，由于水分的蒸發(fā)使得毛細(xì)管中產(chǎn)生毛細(xì)管張力，形成混凝土干縮變形，這種是早在20世紀(jì)60年代就已經(jīng)被國(guó)際建筑界所認(rèn)可的混凝土表面張力理論。這些變形過大也會(huì)導(dǎo)致裂縫的產(chǎn)生。

3.3 外因變化方面的原因：（1）混凝土硬化時(shí)的溫度裂縫。在混凝土硬化期間會(huì)釋放出大量的水化熱，混凝土內(nèi)部溫度不斷升高，體積膨脹，在表面引起拉應(yīng)力，由于此時(shí)混凝土強(qiáng)度較低，很容易形成裂縫；硬化后期由最高溫度冷卻到運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)期的穩(wěn)定溫度的降溫過程中，體積收縮，由于受到基礎(chǔ)本身或已固化混凝土的約束，又會(huì)在混凝土內(nèi)部形成相當(dāng)大拉應(yīng)力，尤其是大體積混凝土，有時(shí)這種溫度應(yīng)力可超過其它外荷載所引起的應(yīng)力，往往形成裂縫，大體積混凝土甚至?xí)纬韶炌芽p。（2）混凝土表面溫度變化形成溫度裂縫。在正常使用條件下，當(dāng)混凝土硬化基本結(jié)束后，內(nèi)部溫度便達(dá)到基本穩(wěn)定（變化很小或變化較慢），但表面溫度可能發(fā)生較大、較快的變化（如養(yǎng)護(hù)不周、時(shí)干時(shí)濕、氣溫的變化、夏季高溫后的雨淋等），導(dǎo)致混凝土表面引起很大的拉應(yīng)力，由于表面變形受到內(nèi)部混凝土的約束，往往會(huì)導(dǎo)致裂縫。

4. 防止溫度裂縫的措施

4.1 控制混凝土的施工溫度?？刂苹炷潦┕囟鹊拇胧┯校海?）改善骨料級(jí)配。采取用干硬性混凝土、摻混合料、摻加引氣劑或塑化劑等措施，以減少混凝土中的水泥用量，從而減少水化熱、降低混凝土的溫度；（2）降低澆筑溫度。在施工氣溫較高時(shí)，采用拌和混凝土?xí)r加水或用水將骨料冷卻以降低混凝土的澆筑溫度或采用夜間澆灌等；（3）減少澆筑厚度。熱天澆筑混凝土?xí)r減少澆筑厚度，利用澆筑層面散熱。

4.2 改善混凝土的約束條件。改善混凝土的約束條件的措施主要有：（1）合理的分縫分塊；（2）避免混凝土過大起伏；（3）合理地安排施工工序，避免過大的高差和側(cè)面的長(zhǎng)期暴露。

4.3 改善混凝土的性能：（1）混凝土和鋼筋混凝土的表面常常發(fā)生細(xì)而淺的裂縫，其中大多數(shù)屬于干縮裂縫，雖然這種裂縫一般都較淺，但它對(duì)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和耐久性仍有一定的影響。尤其是對(duì)于水壩、水塔及橋墩等重要建筑物。但加筋后結(jié)構(gòu)內(nèi)部的裂縫一般就變的數(shù)目多、間距小、寬度與深度較小了。而且在同等含鋼量的情況下，鋼筋的直徑細(xì)而間距密時(shí)，對(duì)提高混凝土的抗裂性表現(xiàn)較好。（2）合理使用外加劑。為了防止混凝土開裂、提高混凝土的耐久性，保證工程質(zhì)量，合理使用外加劑也是有效的措施之一，例如使用減水防裂. 引氣劑等。

4.4 通過合理使用混凝土外加劑，可以在保持混凝土強(qiáng)度的情況下，改善混凝土的性能，從而達(dá)到防止混凝土開裂的目的。具體分析如下：（1）水灰比是影響混凝土收縮的重要因素，使用減水防裂劑可使用混凝土用水量減少25%以上，從而減少混凝土內(nèi)因水分蒸發(fā)形成的毛細(xì)孔道，增加混凝土的密實(shí)度。（2）水泥用量也是影響混凝土收縮率的重要因素，摻加減水防裂的混凝土在保持混凝土強(qiáng)度的條件下可減少約15%的水泥用量，其體積可通過增加骨料用量來補(bǔ)充，從而減少水泥的水化熱。（3）減水防裂劑可以改善水泥的稠度，減少混凝土泌水，減少干縮變形。（4）減水防裂劑或以提高水泥漿本身及水泥與骨料的粘結(jié)力，從而提高混凝土的抗拉強(qiáng)度、提高混凝土的抗裂性能。

4.5 加強(qiáng)施工管理及混凝土早期養(yǎng)護(hù)。

4.5.1 加強(qiáng)工程施工管理。在混凝土的施工中，為提高模板的周轉(zhuǎn)率，往往要求新澆筑的混凝土盡早拆模。在氣溫較高時(shí)，新澆筑混凝土由于水化熱的散發(fā)，此時(shí)混凝土表面溫度較氣溫為高，此時(shí)拆除模板，表面溫度降低，必然引起溫度梯度，從而在表面附加一拉應(yīng)力，與水化熱應(yīng)力疊加，再加上混凝土干縮，表面的拉應(yīng)力會(huì)達(dá)到很大的數(shù)值，出現(xiàn)“溫度沖擊”現(xiàn)象，就有導(dǎo)致裂縫的危險(xiǎn)。為了防止這種情況發(fā)生，一方面延遲拆模時(shí)間，再一方面可以在拆除模板后，能及時(shí)在混凝土表面覆蓋輕型保溫材料，如塑料泡沫海綿等，可以對(duì)防止混凝土表面產(chǎn)生過大的拉應(yīng)力具有顯著效果。

4.5.2 加強(qiáng)混凝土早期養(yǎng)護(hù)。實(shí)踐證明，常見的混凝土裂縫大多數(shù)是不同深度的表面裂縫，其主要原因是內(nèi)外溫度梯度造成的。在夏季高溫時(shí)的養(yǎng)護(hù)不周及寒冷地區(qū)溫度驟降都容易形成裂縫。因此說混凝土的及時(shí)養(yǎng)護(hù)和保溫處理對(duì)防止表面早期裂縫尤為重要。從溫度應(yīng)力理解考慮，應(yīng)達(dá)到下述要求：（1） 防止混凝土內(nèi)外溫度差及混凝土表面溫度梯度，防止表面裂縫?；炷恋酿B(yǎng)護(hù)要及時(shí)，避免高溫時(shí)混凝土表面澆水養(yǎng)護(hù)。 （2）防止混凝土超冷，應(yīng)盡量設(shè)法使混凝土施工期最低溫度，不低于混凝土使用期的穩(wěn)定溫度。（3）防止老混凝土過冷，以減少新老混凝土間的約束。

4.6 混凝土的早期養(yǎng)護(hù)，主要目的在于保持適宜的溫濕條件，以達(dá)到兩個(gè)方面的效果：（1）使混凝土免受不利溫、濕度變形的侵襲，防止有害的冷縮和干縮；（2）使水泥的水化作用順利進(jìn)行，以期達(dá)到設(shè)計(jì)的強(qiáng)度和抗裂性能。

通過上述措施可知. 大體積結(jié)構(gòu)混凝土裂縫的防治，應(yīng)充分利用一切天然和人工的可能條件，最大限度避免裂縫的形成條件，設(shè)法提高工程質(zhì)量。在今后的工程施工中應(yīng)多進(jìn)行防裂方面的原因分析探討，使混凝土結(jié)構(gòu)工程更趨于安全、合理，更加耐久可靠。

參考文獻(xiàn)

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[文章編號(hào)] 1619-2737（2018）01-25-684

[作者簡(jiǎn)介] 王仲欽（1973.3-），男，漢族，學(xué)歷：本科，畢業(yè)于中央廣播電視大學(xué)土木工程專業(yè)，現(xiàn)從事工程質(zhì)量安全監(jiān)督工作。