大體積腔體混凝土結(jié)構(gòu)溫度及裂縫與控制的探析

張文菊

隨著社會的不斷發(fā)展以及建筑行業(yè)建設(shè)水平的逐漸提高，人們對于大體積混凝土應(yīng)用質(zhì)量的要求也在不斷提高。與普通的混凝土相比，大體積混凝土不僅強(qiáng)度較高，還具有施工速度快以及施工工藝較簡單等優(yōu)點(diǎn)。大體積腔體混凝土結(jié)構(gòu)仍舊是以水泥應(yīng)用為基礎(chǔ)，因此同樣會經(jīng)歷水泥冷卻以及收縮的一個過程并且釋放出大量熱量，大體積混凝土將進(jìn)一步強(qiáng)化這種內(nèi)外溫差[1]。在內(nèi)外結(jié)構(gòu)巨大溫差作用下，混凝土內(nèi)部與外部張拉力會呈現(xiàn)不同程度收縮，進(jìn)而出現(xiàn)大體積混凝土溫度裂縫，當(dāng)無法得到有效處理時將引發(fā)嚴(yán)重的建設(shè)質(zhì)量問題。

1.大體積混凝土簡介

在國民經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的背景下，我國城鎮(zhèn)化建設(shè)速度逐漸加快，大體積混凝土逐漸被應(yīng)用到工業(yè)以及民用建筑當(dāng)中。大體積混凝土結(jié)構(gòu)形式變得越來越復(fù)雜，由溫度引起的裂縫問題也變得越來越明顯，因此工程界對這一問題給予了更高的重視。目前，對于大體積混凝土并沒有明確的定義，不能夠單純地使用混凝土的幾何尺寸來劃定是否屬于大體積混凝土。如果使用大體積混凝土結(jié)構(gòu)的最高溫與外界氣溫的差值來定義是否屬于大體積混凝土，同樣會存在片面性的特點(diǎn)[2]。相比之下，可以從工程性質(zhì)方面來對大體積混凝土進(jìn)行確切的定義，當(dāng)混凝土結(jié)構(gòu)現(xiàn)場澆筑幾何尺寸比較大，需要施工單位采取技術(shù)措施對水泥水化熱引起的體積變形問題進(jìn)行改善的類似結(jié)構(gòu)均可以被稱為大體積混凝土結(jié)構(gòu)。大體積混凝土結(jié)構(gòu)裂縫主要包括粘著裂縫、水泥石裂縫以及骨料裂縫等，目前最為常見的是粘著裂縫以及水泥石抗裂縫，其會嚴(yán)重影響到混凝土的彈塑性、強(qiáng)度，甚至引發(fā)變形。按照形式對大體積混凝土結(jié)構(gòu)裂縫進(jìn)行劃分，可以將其分為表面裂縫、貫穿裂縫、深層裂縫以及縱向裂縫等，其主要的危害類型為貫穿裂縫、深層裂縫以及表面裂縫，這些裂縫危害的存在會對大體積混凝土結(jié)構(gòu)產(chǎn)生嚴(yán)重的破壞[3]。

2.大體積腔體混凝土結(jié)構(gòu)溫度裂縫的成因

大體積混凝土結(jié)構(gòu)溫度裂縫問題發(fā)生較為普遍，這一問題主要是水泥水化反應(yīng)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)內(nèi)應(yīng)力不同而產(chǎn)生的。大體積混凝土裂縫大多屬于貫穿性裂縫，會嚴(yán)重影響到大體積混凝土結(jié)構(gòu)的完整性。在工程建設(shè)當(dāng)中應(yīng)用大體積混凝土結(jié)構(gòu)時，在早期應(yīng)用階段會出現(xiàn)混凝土水分蒸發(fā)的情況，進(jìn)而會引發(fā)混凝土不同程度的地收縮。工程建設(shè)施工中后期階段，水泥水化熱散發(fā)過程中，大體積混凝土結(jié)構(gòu)的內(nèi)部會產(chǎn)生較高的溫度。由于大體積混凝土斷面尺寸比較大，所以在混凝土硬化過程結(jié)構(gòu)內(nèi)部的溫度無法有效傳輸?shù)浇Y(jié)構(gòu)外部，最終會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)內(nèi)部與外部產(chǎn)生明顯的溫度差，導(dǎo)致內(nèi)部承受巨大的溫差壓力[4]。當(dāng)混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)外溫差持續(xù)較長時間時，其所產(chǎn)生的巨大張拉應(yīng)力將超過大體積混凝土結(jié)構(gòu)本身所具有的抗壓強(qiáng)度，當(dāng)張拉應(yīng)力超出其抗壓強(qiáng)度時就會引發(fā)不同程度裂縫的發(fā)生。因此，大體積混凝土結(jié)構(gòu)裂縫的產(chǎn)生與溫度效應(yīng)具有顯著的關(guān)系。另外，外界溫度環(huán)境同樣會引起大體積混凝土裂縫問題的產(chǎn)生。在大體積混凝土結(jié)構(gòu)施工過程，其內(nèi)部會聚集大量的恒定熱量，如果此時外界發(fā)生氣溫突然上升或者突然下降的情況，那么也會引發(fā)混凝土結(jié)構(gòu)溫度裂縫的發(fā)生，這是目前工程建設(shè)當(dāng)中大體積混凝土裂縫發(fā)生的最主要原因。另外，在完成大體積混凝土原材料配置后，在進(jìn)行混凝土澆筑時外界環(huán)境溫度變化差異十分明顯，會進(jìn)一步導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部與外部不同程度梯度差的產(chǎn)生，在溫度效應(yīng)的作用下，不同類型的大體積混凝土結(jié)構(gòu)裂縫便會產(chǎn)生。外界大氣濕度同樣與大體積混凝土結(jié)構(gòu)裂縫的發(fā)生具有緊密的關(guān)系，當(dāng)大體積混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部濕度較低，但是外界大氣濕度比較大時，混凝土表面將發(fā)生急劇收縮進(jìn)而引起裂縫的發(fā)生。大體積混凝土結(jié)構(gòu)裂縫問題受到外界環(huán)境的突出影響，并且外界環(huán)境因素比較難以控制和調(diào)整。除了上述問題外，約束條件也會對大體積混凝土結(jié)構(gòu)裂縫的發(fā)生產(chǎn)生直接影響。混凝土模板對于大體積混凝土配制原材料具有相互粘結(jié)作用，同時還可以為大體積混凝土結(jié)構(gòu)提供固定作用，對于混凝土結(jié)構(gòu)強(qiáng)度以及穩(wěn)定性都會產(chǎn)生直接的影響。當(dāng)完成大體積混凝土結(jié)構(gòu)施工之后，在進(jìn)行混凝土模板拆除時，如果沒有對外界環(huán)境以及混凝土自身條件進(jìn)行全面考慮，也會因為操作問題等導(dǎo)致大體積混凝土裂縫的發(fā)生。另外，施工單位所選擇的水泥品種，同樣屬于大體積混凝土溫度裂縫的約束條件之一，選擇的水泥品種以及混凝土施工工藝不符合施工要求，或者是施工人員進(jìn)行機(jī)械振搗操作時沒有嚴(yán)格遵照相關(guān)規(guī)范要求，也會引發(fā)不同種類大體積混凝土結(jié)構(gòu)裂縫的發(fā)生。

3.大體積腔體混凝土結(jié)構(gòu)溫度裂縫的有效控制措施

3.1 注重大體積混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計的優(yōu)化

大體積混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計會對裂縫問題產(chǎn)生決定性的影響，鋼筋在大體積混凝土結(jié)構(gòu)當(dāng)中發(fā)揮著承擔(dān)抗拉應(yīng)力的作用，在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計時應(yīng)當(dāng)進(jìn)行合理配筋，以此來避免應(yīng)力集中情況的出現(xiàn)，進(jìn)而達(dá)到減緩大體積混凝土裂縫問題嚴(yán)重程度的效果。在大體積混凝土結(jié)構(gòu)的孔洞周圍或者是轉(zhuǎn)角部位，常常是應(yīng)力集中的區(qū)域，同時也是裂縫問題發(fā)生的薄弱環(huán)節(jié)，在這些部位可以增配斜向鋼筋，這樣也可以達(dá)到避免裂縫問題發(fā)生的目的。在進(jìn)行大體積混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計時，應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)構(gòu)造配筋設(shè)計，比如采用上下兩層連續(xù)式配筋代替分離式配筋，或者對鋼筋混凝土梁增配構(gòu)造鋼筋同樣可以對混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計進(jìn)行優(yōu)化。在進(jìn)行大體積混凝土結(jié)構(gòu)梁板設(shè)計時，也可以選擇使用C25～C35 之間的中低檔等級的混凝土，同樣可以有效加強(qiáng)大體積混凝土結(jié)構(gòu)后期強(qiáng)度。在進(jìn)行工程結(jié)構(gòu)設(shè)計時，還應(yīng)當(dāng)注意對混合結(jié)構(gòu)的約束程度進(jìn)行有效降低，并且還應(yīng)當(dāng)充分考慮大體積混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性要求確定最合適的保護(hù)層厚度。

3.2 注重約束條件的改善

大體積混凝土結(jié)構(gòu)變形主要包括自由變形、約束變形以及實際變形，約束變形會產(chǎn)生相應(yīng)的約束應(yīng)力，其他兩種結(jié)構(gòu)變形與約束應(yīng)力均沒有關(guān)系。大體積混凝土結(jié)構(gòu)裂縫問題的發(fā)生與約束變形超過建筑材料極限拉伸具有緊密聯(lián)系。當(dāng)施工單位需要對混凝土約束作用進(jìn)行減輕時，應(yīng)當(dāng)根據(jù)實際施工情況進(jìn)行合理分縫，這樣可以達(dá)到有效縮小約束范圍的效果。大體積混凝土結(jié)構(gòu)伸縮裂縫的發(fā)生并不只是與結(jié)構(gòu)長度具有緊密的聯(lián)系，其發(fā)生與綜合性原因具有較大的關(guān)聯(lián)性。在進(jìn)行裂縫處理時，一般可以采用后澆帶的處理措施，在確定其建筑時應(yīng)當(dāng)準(zhǔn)確計算最大澆筑量。用于后澆帶的混凝土應(yīng)當(dāng)選擇膨脹水泥配制，其混凝土結(jié)構(gòu)強(qiáng)度等級應(yīng)當(dāng)比大體積混凝土結(jié)構(gòu)強(qiáng)度提高一級，并且要將其澆筑時間控制在大體積混凝土主體結(jié)構(gòu)澆筑完成后的40d 之后。

3.3 注重施工工藝的控制

大體積混凝土所使用的原材料一定要認(rèn)真選擇，首先應(yīng)當(dāng)對其中的關(guān)鍵組分水泥品種進(jìn)行確定，在這一組選擇過程應(yīng)當(dāng)充分考慮大體積混凝土的特點(diǎn)以及其結(jié)構(gòu)的自身特點(diǎn)，原則上應(yīng)當(dāng)選擇中熱以及低熱的水泥品種，這樣可以有效降低水化熱，進(jìn)而達(dá)到控制混凝土溫度上升的目的。值得注意的是，選擇低熱水泥時還應(yīng)當(dāng)充分考慮混凝土結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度要求，如果為了滿足強(qiáng)度要求增大水泥的單位用量，又會額外增加混凝土發(fā)熱量，因此應(yīng)當(dāng)控制好水泥品種選擇以及水泥用量。另外，還應(yīng)當(dāng)合理選擇大體積混凝土結(jié)構(gòu)使用的骨料，最好選擇自然連續(xù)級配的骨料進(jìn)行配置，所選擇沙子應(yīng)當(dāng)粒徑均勻、石子應(yīng)當(dāng)均勻堅固級配優(yōu)良以及控制好粗細(xì)骨料的含泥量。在選擇大體積混凝土拌和料時，不僅要確保其性能指標(biāo)達(dá)到規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)要求，還要對選擇進(jìn)行進(jìn)一步的合理優(yōu)化，以此來降低混凝土溫度裂縫發(fā)生概率。在進(jìn)行混凝土生產(chǎn)和運(yùn)輸時，在溫度較高的環(huán)境中可以選擇采用搭設(shè)遮陽裝置，而在冬季施工時應(yīng)當(dāng)將混凝土溫度控制在5℃左右。在進(jìn)行大體積混凝土澆筑時，應(yīng)當(dāng)根據(jù)實際施工情況選擇分層澆筑法、斜面分層澆筑法或者跳倉法等。

4.結(jié)語

綜上所述，在建筑行業(yè)不斷發(fā)展的過程中，大體積混凝土結(jié)構(gòu)應(yīng)用頻率以及應(yīng)用范圍都在逐漸提高，而大體積混凝土裂縫問題所造成的負(fù)面影響也在變得越來越突出，應(yīng)當(dāng)采取具有針對性的措施進(jìn)行改善。大體積混凝土結(jié)構(gòu)裂縫問題的存在與水泥水化熱、外界環(huán)境溫度以及約束條件具有緊密的聯(lián)系，在對其裂縫問題進(jìn)行改善和控制時，應(yīng)當(dāng)注重大體積混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計的優(yōu)化、約束條件的改善以及施工工藝的控制，在改善大體積結(jié)構(gòu)裂縫問題的基礎(chǔ)上，為其應(yīng)用范圍的擴(kuò)大創(chuàng)造良好的條件。