大體積混凝土裂縫控制的研究與進展

路 璐,李興貴

(河海大學 力學與材料學院,江蘇南京210098)

0 前 言

隨著社會的進步和發(fā)展,混凝土在向高強度、高性能發(fā)展的同時,混凝土的裂縫控制技術(shù)難度也大大增加。水泥用量的增加,水泥細度的減小,各種外加劑和摻合料的使用,增加了混凝土的早期放熱和收縮[1],使得大體積混凝土的裂縫問題更加嚴重。

大體積混凝土結(jié)構(gòu)斷面尺寸較大,導(dǎo)熱性能差。在升溫階段,由于內(nèi)部水化熱升溫,大體積混凝土的內(nèi)外形成溫差,冷縮的外部受到內(nèi)部熱膨脹約束而處于受拉狀態(tài),當拉應(yīng)力超過混凝土極限抗拉強度時,會在表面產(chǎn)生裂縫;在降溫開始的冷縮階段,由于受到基礎(chǔ)或相鄰部件的約束,會在內(nèi)部形成拉應(yīng)力,當拉應(yīng)力超過其極限抗拉強度,則從約束面開始產(chǎn)生裂縫。

大量的工程裂縫處理和調(diào)查結(jié)果顯示,混凝土結(jié)構(gòu)特別是大體積混凝土結(jié)構(gòu),80%～90%的裂縫都是由于混凝土降溫產(chǎn)生的拉應(yīng)力超過了混凝土的抗拉強度引起的[2]。因此,大體積混凝土的裂縫控制首先要從溫度控制開始,減小內(nèi)外溫差,降低溫度應(yīng)力;其次是裂縫的及時修補,這對于大體積混凝土裂縫的控制具有重大的意義。本文將概述大體積混凝土裂縫控制的研究進展,并在此基礎(chǔ)上探討其所存在的問題和發(fā)展方向。

1 裂縫控制措施

大體積混凝土很難完全防止裂縫的產(chǎn)生,只能控制裂縫,裂縫不僅是混凝土的缺陷,更是混凝土結(jié)構(gòu)的一種物理力學性質(zhì)[2],但是如果重視溫控設(shè)計以及各種影響的因素,是可以最大限度的減少裂縫,用無害裂縫代替有害裂縫。

1.1 設(shè)計方面

現(xiàn)代混凝土的設(shè)計不僅要考慮荷載的作用,更要考慮變形作用的問題。對于大體積混凝土,溫度收縮應(yīng)力的影響遠比荷載效應(yīng)來的突出。大體積混凝土裂縫大都是由于降溫收縮導(dǎo)致,目前工程中在設(shè)計方面采取很多方法來抑制混凝土的收縮,從而減少裂縫。

1.1.1 后澆帶法及跳倉法

在現(xiàn)澆整體式鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中,只在施工期間保留的臨時性變形縫,稱為“后澆帶”,后澆帶的澆筑時間宜選在氣溫較低的時候,其強度等級應(yīng)該高于構(gòu)件強度。跳倉法的原理與后澆帶的原理相同,是后澆帶的進一步發(fā)展,它充分利用“抗與放”特性原理,采用跳棋的模式,隔一段澆一段,免去后澆帶法后續(xù)施工的不便。我國最早1979寶鋼初軋超長箱型設(shè)備基礎(chǔ)就采用跳倉法,至今為止,已經(jīng)完成很多類似工程,均經(jīng)過長期的使用考驗。

1.1.2 膨脹劑的使用

為控制裂縫,工程上采取的技術(shù)措施之一是摻加膨脹劑來補償混凝土的收縮,減小收縮開裂問題。目前有三類膨脹劑,硫酸鋁鈣類、氧化鈣類及氧化鎂類膨脹劑,硫酸鋁鈣類膨脹劑水化較快,膨脹主要發(fā)生在14d前,其膨脹根源是鈣礬石在70℃～80℃左右可能產(chǎn)生分解[3-5],氧化鈣類膨脹劑水化也較快,兩類膨脹劑的膨脹源在水壓力下均易發(fā)生溶解。氧化鎂膨脹物理化學性質(zhì)較為穩(wěn)定,且其膨脹主要發(fā)生在大體積混凝土的降溫收縮階段,適用于水工等大體積混凝土[6]。

1.1.3 摻入纖維

纖維具備獨特的抗拉強度和分散性,能夠三維分散在砂漿、水泥混凝土中,抑制混凝土的早期塑性收縮以及裂縫的擴展,大大提高混凝土的各項力學指標。工程中使用較多的是鋼纖維、聚丙烯纖維和玻璃纖維,其對混凝土增韌抗裂性能已得到認可[7-10]。近幾年又有大量研究表明,碳纖維能顯著改善混凝土的力學性能和電學性能,具備自感知內(nèi)部應(yīng)力、應(yīng)變和損傷程度的功能,可實現(xiàn)橋梁、大壩等土木工程的實時健康監(jiān)測和損傷評估[11],目前已應(yīng)用到三峽大壩的圍堰上。

1.1.4 配置溫度鋼筋

溫度裂縫的控制標準[12-13]按建筑對裂縫控制等級的要求不同而分為兩類,一是不允許出現(xiàn)裂縫,即嚴格抗裂,二是允許開裂,但對裂縫的寬度有所限制,即限裂。配置溫度鋼筋的目的是限裂,而非抗裂,這類在實際工程中占大多數(shù)[14]。相對于一般的大體積混凝土(不超過C40),配筋率是較低的,一般在表面或孔洞附近等薄弱位置配置鋼筋,對于防止一些淺層裂縫非常有效。

1.1.5 設(shè)置滑動層

根據(jù)平面建筑的布置,可在巖石基礎(chǔ)或舊混凝土基礎(chǔ)上設(shè)置滑動層,降低對結(jié)構(gòu)的約束,從而降低由于溫度產(chǎn)生的應(yīng)力。任何柔性防水層都可兼做滑動層,瀝青砂墊層、筏式底板的碎石墊層等都可以起到一定的隔離和軟化約束效應(yīng)[2]。一般滑動層較多的應(yīng)用在裝配式結(jié)構(gòu)、預(yù)應(yīng)力路面結(jié)構(gòu)等方面,這個概念已經(jīng)在國家標準規(guī)范中使用。

1.1.6 導(dǎo)控

根據(jù)應(yīng)力集中原理及圓環(huán)應(yīng)力擴散原理,在混凝土表層埋設(shè)應(yīng)力釋放裝置[1](見圖1),引導(dǎo)產(chǎn)生規(guī)則淺層裂縫,以緩解表面溫度應(yīng)力。應(yīng)力釋放裝置由應(yīng)力集中錐和應(yīng)力擴散環(huán)兩部分組成,埋設(shè)在混凝土中,在混凝土溫差應(yīng)力消失后,將應(yīng)力集中錐拆除后形成的三角凹槽進行填平抹光。目前這項技術(shù)已運用在新川東港閘閘墩混凝土,試驗證明導(dǎo)控裝置在控制溫度裂縫方面確實是有效的。

圖1 導(dǎo)控原理示意圖

1.2 施工工藝與材料選取

對于大體積混凝土的施工,為了防止裂縫,可從施工工藝和材料兩方面著手,減小溫差,降低溫度應(yīng)力,從而達到控制裂縫的目的。

在施工方面,可以采用以下措施:(1)大體積混凝土可采取分層分塊的澆筑方式,降低澆筑速度和澆筑層的厚度,利用澆筑層面散熱[15],合理安排施工工序,避免過大的高差;(2)施工現(xiàn)場應(yīng)嚴格控制混凝土的水灰比及坍落度,保證振搗質(zhì)量,不應(yīng)在雨中澆灌混凝土,提高混凝土的澆筑質(zhì)量;(3)根據(jù)施工的季節(jié),采取不同的溫控措施,如在夏季施工,盡可能在早、晚或夜間澆筑,根據(jù)澆筑溫度的要求,可加冰拌和,冷卻骨料,布置水管通水冷卻,國外也有用液氮冷卻混凝土的實例[16],但成本過高,一般不采用;如在冬季施工,盡量避開冬季最低溫度時施工,可采用蓄熱法和暖棚法澆筑;(4)施工過程中應(yīng)注意保溫保濕,采取蓄水法和覆蓋法來減小內(nèi)外溫差,夏季著重蓄水養(yǎng)護,但蓄水時間要長。由于夏季溫度較高,突然脫離蓄水狀態(tài),加上高溫,會導(dǎo)致混凝土產(chǎn)生更為嚴重的裂縫;冬季則著重保溫養(yǎng)護,一般采用保溫模板,也可以利用砂層保溫和積水保溫,砂層厚度要在0.5m以上才能起到保溫作用,而積水保溫是作為澆后臨時保溫措施,且必須保證積水深度必須大于可能結(jié)冰的厚度[16]。

在材料方面,合適的原材料決定了混凝土的力學性能,也影響溫控的難易程度。理想的原材料是導(dǎo)熱系數(shù)大,收縮性小,堿反應(yīng)及水化熱較低,抗拉強度好的骨料和水泥。對于大體積混凝土,選用水化熱和含堿低的水泥,避免采用產(chǎn)生水化熱高的早強水泥,選擇有利于混凝土抗拉性能的級配。在滿足強度的同時,摻入適量粉煤灰可減少水泥用量,降低水化熱。根據(jù)混凝土的使用性能選擇合適的減水劑,降低拌合水用量,減小收縮。

1.3 溫度監(jiān)測

混凝土溫度應(yīng)力取決于其澆筑溫度、水泥水化熱以及混凝土表面溫度,溫度控制是大體積混凝土施工中的一個重要環(huán)節(jié),也是防止溫度裂縫的關(guān)鍵。除了在設(shè)計、施工和材料方面減小溫差外,應(yīng)實時掌握大體積混凝土的溫度變化規(guī)律,及時了解溫差對大體積混凝土的影響,對溫度和溫度應(yīng)力采取及時的控制措施,將溫差控制在一定范圍內(nèi)以減少裂縫的產(chǎn)生,也可為今后工程的應(yīng)用以及混凝土溫度場的模擬提供必要的依據(jù)。

傳統(tǒng)的測量方法使用玻璃泡溫度計、電子測溫儀等設(shè)備,由人工定時在預(yù)留孔洞的不同深處進行溫測并記錄[17],浪費大量人力,且檢測誤差較大?，F(xiàn)在較為常用的是采用溫度傳感器結(jié)合計算機的全自動測量方法,將其預(yù)埋在混凝土中,通過網(wǎng)絡(luò)線與計算機相連,一般對混凝土構(gòu)件的上、中、下進行布點觀測,也可根據(jù)需要采取不同布點,但這種方法布線繁瑣,抗干擾能力差,耗費人力物力大,一般適用于簡單較小的工程。我國的三峽三期大壩混凝土內(nèi)部測溫則采用了簡易測溫管監(jiān)測方式[18],獲得了與埋設(shè)溫度計相同的精準度?，F(xiàn)也有采用無線通信的大體積混凝土溫度監(jiān)測系統(tǒng),抗干擾能力強,精度高,可連續(xù)監(jiān)控,實現(xiàn)超溫預(yù)警。

1.4 裂縫修補

混凝土一旦出現(xiàn)裂縫,為了保證建筑物的安全、改善建筑物的美觀以及延長建筑物的使用年限,必須及時對裂縫進行修補。

傳統(tǒng)方法有表面處理法、灌漿法、填充法、結(jié)構(gòu)加固法和電化學方法。表面處理法適用于表面的淺層裂縫,在裂縫表面涂膜,以提高防水性和耐久性,但無法深入到裂縫深處;灌漿法是通過外部壓力向裂縫內(nèi)注入樹脂類或水泥類材料,按灌漿材料不同可分為水泥灌漿和化學灌漿,水泥灌漿適用于結(jié)構(gòu)物較長、較寬的裂縫修補,化學灌漿一般適用于漏水較為嚴重的部位;填充法適用與結(jié)構(gòu)允許開槽且寬度較大的裂縫,沿裂縫鑿槽,在槽中嵌入彈塑性或剛性止水材料[19],達到封閉裂縫的目的;結(jié)構(gòu)加固法適用于對整體結(jié)構(gòu)、承載能力有較大影響的深度裂縫或貫穿性裂縫,常用方法有粘貼加固法、預(yù)應(yīng)力加固法、加大截面積法和增設(shè)桿件法;電化學法適用于水環(huán)境中的鋼筋混凝土。

國內(nèi)外比較新興方法的是混凝土裂縫的仿生自修復(fù)法[20],它是模仿生物組織損傷愈合的性能,在混凝土傳統(tǒng)組分中復(fù)合特殊組分,在其內(nèi)部形成智能型自修復(fù)系統(tǒng),一旦出現(xiàn)裂縫,自動觸發(fā)修復(fù)反應(yīng),修復(fù)裂縫。目前有三類,一類是采用形狀記憶合金自修復(fù),一類是在混凝土內(nèi)預(yù)埋含有修復(fù)劑的空心膠囊或纖維,一類是利用生微生物反應(yīng)引起的礦物沉積來修復(fù)混凝土[21-22]。

2 存在問題及發(fā)展方向

大體積混凝土的溫度控制方法的應(yīng)用已經(jīng)較為成熟,從設(shè)計到施工工藝及材料的選取,以及裂縫的處理,在工程中已經(jīng)取得很多的應(yīng)用,但仍然有很多方面的問題需要考慮,完善溫度控制的理論。

2.1 膨脹劑的使用

對于大體積混凝土,水泥水化產(chǎn)生的熱量釋放過程較為緩慢,普通的膨脹劑在早期就膨脹,對后期的補償作用不明顯,MgO的延遲微膨脹特性更適用于大體積混凝土。利用MgO的膨脹產(chǎn)生的化學應(yīng)力來補償大體積混凝土的溫度收縮應(yīng)力,在各大工程得到成功的應(yīng)用,應(yīng)加快推廣MgO膨脹劑的使用。(1)MgO膨脹劑的摻量。氧化鎂混凝土的膨脹量隨MgO摻量的增大而增加,摻加過少起不到后期的補償收縮的作用,摻加過多則會過大膨脹導(dǎo)致混凝土損壞。不同的混凝土工程、不同結(jié)構(gòu)部位的混凝土,根據(jù)其收縮的要求不同,應(yīng)配以不同膨脹性能的MgO膨脹劑[23]。MgO的燒成溫度越高,高溫下的保溫時間越長,其活性指標越大,水化活性越小,水化越慢,因此可嘗試通過改變生產(chǎn)條件來改變MgO的膨脹速率和膨脹量,制得不同性能的膨脹劑。(2)MgO生產(chǎn)工藝。目前還沒有專門生產(chǎn)MgO膨脹劑的窯爐與工藝,主要沿用煅燒耐火材料用MgO的生產(chǎn)設(shè)備和工藝,其設(shè)備與工藝比較簡陋,不能嚴格保證MgO膨脹劑的品質(zhì)[24]。MgO的活性和產(chǎn)品煅燒的均勻性是其重要的性能指標。應(yīng)開展MgO膨脹劑制備工藝的研究,建立其生產(chǎn)工藝的完備理論,實現(xiàn)穩(wěn)定生產(chǎn),確保其質(zhì)量。

2.2 纖維的摻入

纖維的摻入有效提高了混凝土的極限抗拉強度,但在應(yīng)用方面仍存在嚴重不足,目前纖維混凝土一般只用于一些具有特殊要求的結(jié)構(gòu)當中。(1)纖維本身的不足。鋼纖維耐腐蝕性能較差;玻璃纖維耐久性低,且質(zhì)脆易斷,普通玻璃纖維耐堿性不好,而耐堿玻璃纖維易受酸腐蝕;聚丙烯纖維的摻量較大的話,易產(chǎn)生泌水現(xiàn)象[25];碳纖維是較為理想的增強增韌材料,但其造價太高。應(yīng)對現(xiàn)有纖維進行改性研究,研究纖維的合適規(guī)格,增加其與水泥基的相溶性,進一步改善生產(chǎn)工藝,降低生產(chǎn)成本,開發(fā)纖維新品種。(2)纖維混雜效應(yīng)。單一纖維在混凝土中往往有利有弊,工程中將幾種纖維混雜,則能發(fā)揮不同纖維的優(yōu)勢,在不同的階段和不同的結(jié)構(gòu)層次發(fā)揮其作用。目前對于混雜纖維混凝土在實際工程中應(yīng)用的相關(guān)研究不足,尤其是對不同纖維混雜效應(yīng)的研究并不明確,應(yīng)建立纖維系統(tǒng)的體系增強模型,深入研究。

2.3 導(dǎo) 控

應(yīng)力釋放裝置已證明對抗裂有較好的效果,裂縫發(fā)展有序,裂縫深度可控,便于裂縫的修補。(1)影響范圍。人為制造裂縫,以釋放一定范圍內(nèi)的溫度應(yīng)力,但該應(yīng)力釋放裝置能夠影響多長的范圍是必須要考慮的問題,現(xiàn)行是根據(jù)經(jīng)驗布置釋放裝置,如過少的埋設(shè)應(yīng)力釋放裝置,則達不到控制裂縫的效果,如過多又會造成大量的裂縫,既影響結(jié)構(gòu)的性能,也不美觀。(2)裝置尺寸。另一個要考慮的問題是該裝置應(yīng)力環(huán)的直徑、厚度以及布置深度,會對應(yīng)力釋放造成多大的影響。建議采用有限元模型進行仿真模擬,估算最佳值,解決這些問題對于混凝土大壩運行過程中至今尚未解決的表面裂縫難題具有重大意義。

2.4 裂縫修補

裂縫修補的常用方法已較為成熟,在仿生自修復(fù)混凝土上面技術(shù)還不夠完善。(1)修復(fù)纖維和膠囊的材料。目前自修復(fù)混凝土中摻入的玻璃纖維或膠囊的制備工藝復(fù)雜,強度過高,不易裂開實行修復(fù),強度過低,拌入混凝土中易破裂,因此,應(yīng)開發(fā)與混凝土材料性能相匹配的修復(fù)纖維和膠囊的材料。(2)修復(fù)材料的數(shù)量。修復(fù)材料過少不能完全修復(fù)裂縫,過多則影響混凝土的性能。應(yīng)進一步研究修復(fù)膠囊(或纖維)的摻入給混凝土性能帶來的不利影響,以及修復(fù)后的混凝土的各個性能,確定數(shù)量的最佳范圍。(3)修復(fù)時間。自修復(fù)的時間應(yīng)越快越好,目前修復(fù)劑要修補裂縫都需要一定時間,而這種自我修復(fù)比人工要慢得多,應(yīng)對修復(fù)劑的性能做進一步的研究,提高響應(yīng)速度,快速修復(fù)。(4)裂縫寬度的控制。修復(fù)混凝土的裂縫寬度應(yīng)加以控制,過寬的裂縫僅靠修復(fù)劑難以完全修復(fù),且修復(fù)劑將順著裂縫面在重力作用往下流,不會在裂縫面上滲透,修復(fù)效果差,且修復(fù)膠囊(或纖維)上方的裂縫也無法修復(fù)[17],可以考慮用應(yīng)力釋放裝置與仿生自修復(fù)法相結(jié)合的可行性。總之,自修復(fù)技術(shù)有待進一步的完善,但其自檢測自修復(fù)性能的應(yīng)用前景十分廣泛。

3 結(jié) 語

本文總結(jié)了目前在工程中應(yīng)用的溫度控制的措施,包括設(shè)計、溫度監(jiān)測、施工工藝和原材料的選取、裂縫的處理四個方面,以及現(xiàn)行存在的問題。裂縫問題不可避免,但隨著人們對材料、設(shè)計、施工工藝等各方面的深入研究,大體積混凝土的裂縫狀況會不斷好轉(zhuǎn)。

目前南京工業(yè)大學在MgO膨脹劑工業(yè)化生產(chǎn)方面進行了一系列探索,已取得一定的成果[23]。關(guān)于摻量的標準尚有較大爭議,應(yīng)深入研究其膨脹機理,完善膨脹性能調(diào)控機制,對MgO的推廣使用有很大意義。纖維混凝土的纖維摻量以及多種纖維的混雜效果還有待進一步的研究,考慮到材料性質(zhì)、經(jīng)濟成本等因素,應(yīng)當選擇滿足使用性能要求、經(jīng)濟耐久的纖維或纖維組合。導(dǎo)控研究以及裂縫修補存在的問題亟待解決,通過溫度監(jiān)測的工程實例精確模擬溫度場,可更好的解決溫度控制的難題。

[1]吳紅燕,李興貴,曹學仁,等.大體積混凝土溫度裂縫觀測及分析[J].水利與建筑工程學報,2011,9(2):40-43.

[2]王鐵夢.工程裂縫控制“抗與放”的設(shè)計原則及其在“跳倉法”施工中的運用[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2007.

[3]Yan P,Zheng F,et al.Relationship between delayed ettringite formation and delayed expansion in massive shrinkagecompensating concrete[J].Cement&Concrete Composites,2004,26:687-693.

[4]Yan P,Qin X,et al.The semiquantitative determinationand morphology of ettringite in pastes containing expansion agentcured in elevated temperature[J].Cement and Concrete Research,2001,31:1285-1290.

[5]Yan P,QinX.The effect of expansive agent and possibilityof delayed ettringite formation in shrinkage-compensating massive concrete[J].Cement and Concrete Research,2001,31:335-337.

[6]高培偉,盧小琳,唐明述,等.膨脹劑對混凝土變形性能的影響[J].南京航空航天大學學報,2006,38(2):251-255.

[7]尚建麗,刑琳琳,梁 航,等.鋼纖維混凝土抗裂性能的試驗研究[J].混凝土,2011,(7):59-61.

[8]李光偉,楊元慧.聚丙烯纖維混凝土性能的試驗研究[J].水利水電科技進展,2001,21(5):14-16.

[9]張登祥,楊偉軍.外加劑及聚丙烯纖維對混凝土早期裂縫影響的實驗研究[J].長沙交通學院學報,2008,24(4):42-45.

[10]丁一寧,楊楠.玻璃纖維與聚丙烯纖維混凝土性能的對比試驗[J].水利水電科技進展,2007,27(1):24-26.

[11]Chen P W,Chung D D L.Carbon fiber reinforced concrete as an intrinsically smart concrete for damage assessment during loading[J].Journal of Ceramics Society,1995,78(3):816-818.

[12]王鐵夢.建筑物裂縫控制[M].上海:上?？茖W技術(shù)出版社,1981.

[13]趙國藩,等.鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的裂縫控制[M].北京:海洋出版社,1991.

[14]吳勝興,任旭華.混凝土結(jié)構(gòu)溫度裂縫的特點及其配筋控制[J].水利水電科技進展,1996,16(5):10-13.

[15]刑長清,張錦光.大體積混凝土施工溫度控制綜述[J].長春工程學院學報,2008,9(1):32-34.

[16]彭立海,閻士勤,等.大體積混凝土溫控與防裂[M].鄭州:黃河水利出版社,2005.

[17]王艷娜.基于無線通信的大體積混凝土溫度監(jiān)測系統(tǒng)[D].青島:中國海洋大學,2007.

[18]梁志林,簡宜端.三峽三期工程大壩混凝土內(nèi)部溫度監(jiān)測淺析[J].葛洲壩集團科技,2005,(4):38-40.

[19]鞠麗艷.混凝土裂縫抑制措施的研究進展[J].混凝土,2002,(5):11-14.

[20]匡亞川,歐進萍.混凝土裂縫的仿生自修復(fù)研究與進展[J].力學進展,2006,36(3):406-414.

[21]袁雄洲,孫偉,陳惠蘇,等.水泥基材料裂縫生物修復(fù)技術(shù)的研究與進展[J].硅酸鹽學報,2009,37(1):160-170.

[22]Virginie Wiktor,Henk M Jonkers.Quantification of crackhealing in novel bacteria-based self-healing concrete[J].Cement&Concrete Composites,2011,(33):763-770.

[23]莫立武,鄧敏.氧化鎂膨脹劑的研究現(xiàn)狀[J].膨脹劑與膨脹混凝土,2010,(1):2-9.

[24]朱伯芳.論微膨脹混凝土筑壩技術(shù)[J].水力發(fā)電學報,2000,(3):1-12.

[25]丁春林,張國防,張驊.新型棒狀聚丙烯纖維混凝土抗剪性能試驗與比較[J].同濟大學學報,2011,39(6):802-806.