大型設(shè)備基礎(chǔ)大體積混凝土裂縫防控方法研究

【摘要】文中探討了建筑工程項(xiàng)目中大型設(shè)備基礎(chǔ)的大體積混凝土裂縫問(wèn)題及防控措施。通過(guò)實(shí)際工程案例分析，詳細(xì)闡述了混凝土裂縫分類(lèi)，包括建筑裂縫、熱裂縫與收縮裂縫，裂縫成因主要由溫度變化、負(fù)荷變化、材料特性和施工技術(shù)引起。研究指出，有效的裂縫防治策略包括水泥的選用、添加摻合料、混凝土澆筑溫度控制、施工控制、裂縫及其他相關(guān)控制措施。

【關(guān)鍵詞】大型設(shè)備基礎(chǔ)；大體積混凝土；混凝土裂縫

【中圖分類(lèi)號(hào)】TU753.7 【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A 【文章編號(hào)】1673-6028（2024）05-0121-03

0 引言

隨著工業(yè)建設(shè)的發(fā)展，大型設(shè)備基礎(chǔ)的大體積混凝土結(jié)構(gòu)裂縫問(wèn)題成為重要的研究課題。近年來(lái)，許多研究者對(duì)此進(jìn)行了深入探索。劉萌等[1]在研究中指出，寒區(qū)混凝土裂縫的修補(bǔ)需要考慮環(huán)境的相容性，尤其是在極端低溫環(huán)境下。陳治松[2]探討了建筑工程施工中混凝土裂縫的成因及對(duì)策，強(qiáng)調(diào)了溫度和負(fù)荷變化對(duì)裂縫形成的影響。吳妙松[3]從技術(shù)角度分析了建筑工程中混凝土裂縫的防治技術(shù)。在現(xiàn)有研究基礎(chǔ)上，文中進(jìn)一步深入探討了大體積混凝土在大型設(shè)備基礎(chǔ)上的應(yīng)用問(wèn)題，特別是針對(duì)裂縫控制的技術(shù)和方法進(jìn)行了創(chuàng)新。通過(guò)采用新型低熱水泥和改進(jìn)的澆筑技術(shù)，提出了一系列有效的裂縫防控措施。這些創(chuàng)新不僅提高了結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，也為類(lèi)似工程提供了重要的參考。

1 工程實(shí)例

以廣東地區(qū)某建筑工程項(xiàng)目為例。該工程項(xiàng)目基礎(chǔ)為超過(guò)5 000 m3的大體積混凝土。在施工期間，主要反應(yīng)器基礎(chǔ)裂縫最寬達(dá)4 mm，通過(guò)專(zhuān)業(yè)分析，確認(rèn)裂縫主要成因?yàn)闊釕?yīng)力和收縮不均。為有效控制和修復(fù)裂縫，主要采取了包括使用低熱型水泥和大量粉煤灰減少水化熱，以及分層澆筑法以降低每層的應(yīng)力集中。對(duì)于已形成裂縫，采用環(huán)氧樹(shù)脂灌注和碳纖維布加固進(jìn)行快速修復(fù)，確保了工程順利進(jìn)行和設(shè)備安全安裝。

2 混凝土裂縫分類(lèi)

（1） 建筑裂縫?；炷亮芽p分為早期裂縫與遲發(fā)性裂縫。由于收縮導(dǎo)致內(nèi)應(yīng)力超出混凝土抗裂強(qiáng)度，早期裂縫多出現(xiàn)在混凝土初始凝結(jié)階段，常見(jiàn)于表層，裂縫寬度通常小于0.1 mm。遲發(fā)性裂縫發(fā)生在混凝土硬化后，是由持續(xù)負(fù)荷或環(huán)境因素引起的，并導(dǎo)致裂縫逐步擴(kuò)展，裂縫寬度或超過(guò)0.3 mm，穿越混凝土結(jié)構(gòu)[1]。

此外，技術(shù)性裂縫源于設(shè)計(jì)或施工缺陷，如配筋過(guò)稀或澆筑間隔過(guò)長(zhǎng)，使得混凝土局部的抗裂強(qiáng)度降低，易于導(dǎo)致裂縫。

（2） 熱裂縫。熱裂縫也稱(chēng)溫度裂縫。主要由混凝土中的水泥水化熱引起。水泥水化過(guò)程中釋放的熱量在混凝土內(nèi)部聚集，會(huì)造成顯著的溫度梯度和熱應(yīng)力。熱應(yīng)力超過(guò)混凝土抗裂強(qiáng)度2.5 MPa時(shí)就可以引發(fā)裂縫。

此外，外部溫度變化、混凝土體積和層鋪時(shí)間間隔也是重要影響因素。較大的體積導(dǎo)致內(nèi)部散熱緩慢，增加裂縫風(fēng)險(xiǎn)，而層鋪間隔過(guò)長(zhǎng)同樣加劇熱裂縫的形成。

（3） 收縮裂縫。收縮裂縫主要在大體積混凝土澆筑后形成，由于深部與表層的干濕差異引發(fā)。表層的水分向外快速蒸發(fā)，產(chǎn)生的收縮應(yīng)力可達(dá)1.2 MPa，導(dǎo)致表層裂縫。內(nèi)部由于體積大，水分遷移較慢，減少了顯著收縮。此濕度梯度在混凝土受約束時(shí)，可能引起表層與內(nèi)部間超過(guò)2.5 MPa的應(yīng)力差，導(dǎo)致從表面向內(nèi)部擴(kuò)展的收縮裂縫。

塑性收縮由毛細(xì)孔隙的水分向凝膠體遷移引起，混凝土內(nèi)部因受約束嚴(yán)重而積累應(yīng)力，超過(guò)抗裂強(qiáng)度后形成塑性收縮裂縫。

3 混凝土裂縫產(chǎn)生的原因

3.1 負(fù)荷變化

混凝土作為結(jié)構(gòu)材料，需要承受各種外加負(fù)荷。當(dāng)負(fù)荷超過(guò)混凝土抗拉裂強(qiáng)度時(shí)，就會(huì)發(fā)生開(kāi)裂?；炷恋目估褟?qiáng)度與彈性模量、單位體積重等參數(shù)相關(guān)，可表示為公式（1）：

nbsp; " " " " " " " "（1）

式中：fct為抗拉裂強(qiáng)度；β為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)；γc為混凝土單位體積重；Ec為彈性模量。

當(dāng)施加在混凝土上的外部負(fù)荷F超過(guò)上述抗拉裂強(qiáng)度時(shí)，混凝土內(nèi)部就會(huì)產(chǎn)生拉應(yīng)力。這時(shí)如果混凝土自身內(nèi)部黏結(jié)強(qiáng)度不足以抵抗這種拉應(yīng)力，就會(huì)發(fā)生裂縫。負(fù)荷計(jì)算錯(cuò)誤、負(fù)荷過(guò)大或基礎(chǔ)沉降等都可能導(dǎo)致超載。重復(fù)或交變的動(dòng)態(tài)荷載，由于混凝土疲勞效應(yīng)，也易于導(dǎo)致裂縫。在裝配設(shè)備或堆存材料的過(guò)程中，局部不均勻覆蓋也可能產(chǎn)生超載。此外，負(fù)荷順序設(shè)置不當(dāng)，如先低后高的負(fù)荷補(bǔ)充，也會(huì)使混凝土產(chǎn)生不均勻應(yīng)力而開(kāi)裂。所以，負(fù)荷大小、分布和加載方式的變化是混凝土裂縫形成的重要誘因[3]。

3.2 溫度變化

溫度變化是導(dǎo)致混凝土裂縫的另一個(gè)重要原因。水泥水化反應(yīng)過(guò)程中會(huì)大量釋放出反應(yīng)芽生熱，其表達(dá)式為：

" " " " " " " （2）

式中：Q為水化反應(yīng)總的水化熱；ai為水化產(chǎn)物含量；Hi為各組分的摩爾反應(yīng)焓。

這些大量的水化熱會(huì)在混凝土內(nèi)部聚集，而外部熱量散發(fā)相對(duì)緩慢，那么內(nèi)外部之間就會(huì)產(chǎn)生較大的溫差與溫度梯度。根據(jù)熱彈性力學(xué)理論，溫度梯度將引起熱應(yīng)力的產(chǎn)生，表達(dá)式為：

" " " " " " （3）

式中：σ為熱應(yīng)力；E為彈性模量；a為膨脹系數(shù)；ΔΤ為溫度變化量。

當(dāng)熱應(yīng)力超過(guò)混凝土抗拉裂強(qiáng)度時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)從內(nèi)部向外部擴(kuò)展的裂縫。此外，混凝土表層溫度變化迅速，而內(nèi)部體積大，溫變緩慢，兩者之間也會(huì)形成溫差、熱應(yīng)力。水分向內(nèi)部遷移也會(huì)使表層收縮、內(nèi)部膨脹，這種濕度梯度亦增大內(nèi)應(yīng)力。鋼筋對(duì)混凝土的約束作用也會(huì)加劇溫度變化引起的內(nèi)應(yīng)力。所以，水化熱聚集、外部熱量散失差異以及鋼筋約束等綜合原因都會(huì)導(dǎo)致溫度梯度、熱應(yīng)力的產(chǎn)生，進(jìn)而誘發(fā)混凝土裂縫。

3.3 混凝土材料特性

不同種類(lèi)水泥的凝結(jié)收縮和干燥收縮系數(shù)各不相同，使用收縮性較大的水泥將明顯增加混凝土的收縮變形，這會(huì)增加混凝土在承受約束時(shí)產(chǎn)生內(nèi)在應(yīng)力而開(kāi)裂的可能[4]。

當(dāng)使用具有較大凝結(jié)收縮系數(shù)的水泥時(shí)，混凝土在水化過(guò)程中會(huì)發(fā)生更大的體積變化，因此容易產(chǎn)生較大的凝結(jié)收縮變形。這導(dǎo)致混凝土內(nèi)部產(chǎn)生內(nèi)在應(yīng)力，從而增加了混凝土開(kāi)裂的風(fēng)險(xiǎn)。為減小混凝土的收縮變形，常常會(huì)向混凝土中摻入粉煤灰、火山灰等摻合料。這些摻合料可以與水泥發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成較好的界面過(guò)渡區(qū)，有助于減小混凝土的收縮變形。骨料的彈性模量越高，通常意味著更好的剛度，有利于抑制混凝土因收縮、溫度變化等原因而產(chǎn)生的膨脹收縮變形。

減水劑是另一個(gè)需要注意的因素。雖然高效的減水劑可以提高混凝土的流動(dòng)性，但同時(shí)也會(huì)提高水化程度，增大凝結(jié)物對(duì)水的化學(xué)結(jié)合。當(dāng)水膠比過(guò)大時(shí)，混凝土中的水分相對(duì)較多，容易導(dǎo)致混凝土的收縮變形增加，抗裂性減弱，因此控制適當(dāng)?shù)乃z比是至關(guān)重要的。

3.4 施工工藝

模板拆模時(shí)間的控制直接關(guān)乎混凝土抗裂強(qiáng)度的發(fā)展。過(guò)早拆除模板，會(huì)使混凝土在抗裂強(qiáng)度不足的情況下過(guò)早承受約束應(yīng)力，因而易于產(chǎn)生裂縫。養(yǎng)護(hù)保溫不足，將導(dǎo)致混凝土在凝固期早期遭受的收縮應(yīng)力過(guò)大，超過(guò)了尚未完全發(fā)展的抗裂強(qiáng)度，因此裂縫易于形成。層間過(guò)厚或間隔時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，都會(huì)導(dǎo)致界面溫差應(yīng)力的增加，可能超過(guò)混凝土層間的黏結(jié)強(qiáng)度。順序不當(dāng)時(shí)，后澆混凝土?xí)?duì)前澆部分形成約束，在凝固收縮時(shí)產(chǎn)生不協(xié)調(diào)的內(nèi)應(yīng)力。振搗方式和振搗力度的控制關(guān)系到混凝土內(nèi)部的致密程度，過(guò)度振搗會(huì)使混凝土內(nèi)部產(chǎn)生微裂縫與空隙，成為宏觀裂縫的萌發(fā)點(diǎn)。攪拌和運(yùn)輸過(guò)程中的攪拌時(shí)間和力度，會(huì)影響混凝土的層間結(jié)合性。過(guò)度攪拌會(huì)破壞混凝土的層間黏結(jié)而成為薄弱面。砂漿的均勻性直接關(guān)乎結(jié)構(gòu)致密性，其不均勻也會(huì)成為裂縫萌發(fā)部位[5]。

4 混凝土裂縫的防控措施

4.1 水泥的選用

水泥的選擇對(duì)混凝土裂縫防控有著非常關(guān)鍵的作用。根據(jù)具體的工程環(huán)境條件，應(yīng)優(yōu)先選擇收縮變形較小的水泥品種，這可以從源頭上減小混凝土收縮的趨勢(shì)。采用低熱水泥，早期熱釋放量較低，可以降低早期溫升速率，減緩熱應(yīng)力的生成。部分替換硅酸鹽水泥為普通硅酸鹽水泥等，可生產(chǎn)微觀結(jié)構(gòu)較致密的水化產(chǎn)物，改善混凝土抗裂性。如表1所示。

適量摻入礦物摻合料，可生成較好的界面過(guò)渡區(qū)，提高結(jié)構(gòu)密實(shí)性?？刂扑鄩A度，減緩早期水化反應(yīng)過(guò)程，可減少早期熱應(yīng)力。使用復(fù)合摻加劑，可以調(diào)控水化產(chǎn)物的生成，提高均勻性。適當(dāng)加入膨脹劑，通過(guò)自身膨脹來(lái)抵消混凝土收縮。根據(jù)不同水泥對(duì)混凝土工作性的影響，配合采取加密鋼筋等措施。

4.2 添加摻合料

摻入一定量的粉煤灰，可生成更為致密的混凝土結(jié)構(gòu)，改善界面過(guò)渡區(qū)，降低混凝土的溫變形和干燥收縮。使用?；郀t礦渣、石灰石粉末等作為細(xì)聚料，可提高混凝土的抗?jié)B性，減緩混凝土內(nèi)部水分遷移，降低收縮。適量使用硅灰或硅藻土等摻合料，利用其高吸水性，可以抑制水分過(guò)早遷移，減緩混凝土早期干燥收縮。摻入一定量火山灰，可通過(guò)生產(chǎn)膨脹凝膠改善混凝土的孔隙結(jié)構(gòu)，抑制早期裂縫的擴(kuò)展。使用粉煤灰或高爐礦渣灰時(shí)，要控制其過(guò)高的含堿量，防止混凝土堿集料反應(yīng)加劇。要根據(jù)摻合料的不同特征，控制其摻量，避免因摻量過(guò)高而增加混凝土的干密度，降低強(qiáng)度。加入硅煙煤灰等可反應(yīng)灰分材料，可在早期發(fā)生水化反應(yīng)，改善早強(qiáng)特性。合理利用摻合料的各種特性，可從多方面優(yōu)化混凝土抗裂性能，但必須針對(duì)材料特征與工程要求來(lái)選擇和確定摻量。

4.3 混凝土澆筑溫度的控制

對(duì)于大體積混凝土要把澆筑溫度控制在25 ℃以下，避免過(guò)高溫度帶來(lái)的應(yīng)力。可通過(guò)使用低熱水泥、加快硬化的復(fù)合摻加劑等方式控制水化熱的釋放。同時(shí)采用提前用冰水降溫等方法調(diào)節(jié)混凝土到適宜的澆筑溫度。對(duì)大體積部位要采取分塊分步澆筑，控制單塊體積以減少熱聚集。澆筑前灑水層間保濕，減少層間溫差。加強(qiáng)養(yǎng)護(hù)措施，防止表面過(guò)快失水，避免內(nèi)外溫差應(yīng)力。使用保溫棚或熱保護(hù)層可減緩散熱速度。合理采用防凍措施，使混凝土養(yǎng)護(hù)溫度合適。加入熱活性混凝土等新材料提高抗溫變性能。需要注意的是，在冬季溫度較低時(shí)，需要將混凝土入模溫度控制在5～15 ℃ 。通過(guò)對(duì)混凝土澆筑溫度的全過(guò)程監(jiān)控和科學(xué)控制，可以顯著減少溫度導(dǎo)致的裂縫產(chǎn)生。

4.4 混凝土施工工藝的控制

混凝土振搗要采用合理方法，避免過(guò)度振搗造成內(nèi)部空隙和微裂縫。充分的養(yǎng)護(hù)保溫可以使混凝土緩慢損失水分，減少早期收縮應(yīng)力。拆模時(shí)間要精心控制，待混凝土形成足夠抗裂強(qiáng)度后再拆除模板。采用分塊分步澆筑可以減少單個(gè)混凝土塊體積，降低內(nèi)部應(yīng)力集中趨勢(shì)。澆筑時(shí)保持層間濕接，控制層間間隔時(shí)間，減少界面冷縫產(chǎn)生。采用二次振搗或后期養(yǎng)護(hù)，可減小表層與內(nèi)部水化程度差異。嚴(yán)格控制攪拌和運(yùn)輸，防止過(guò)度攪拌造成混凝土分層。采用窗口澆筑法可釋放溫度應(yīng)力。加入聚縮水劑等可減少澆筑混凝土自身收縮。通過(guò)科學(xué)施工方案和嚴(yán)格操作規(guī)程的執(zhí)行，可以顯著減輕施工過(guò)程中對(duì)裂縫形成的不利影響[6]。

4.5 裂縫的其他控制措施

采用預(yù)應(yīng)力技術(shù)，通過(guò)提前加載混凝土所需承受的壓力來(lái)抵消后期的拉應(yīng)力，增強(qiáng)抗裂性能。設(shè)置溫控、濕控的凝固縫，起到釋放溫度應(yīng)力和收縮應(yīng)力的作用，阻止裂縫擴(kuò)展。對(duì)承受動(dòng)荷載的構(gòu)件要采取加固措施，如注漿加固，防止裂縫繼續(xù)擴(kuò)展。對(duì)已出現(xiàn)裂縫的部位，可以采取表面修補(bǔ)、注漿修復(fù)、鋼網(wǎng)墻加固等技術(shù)手段進(jìn)行處理。同時(shí)加強(qiáng)使用階段的維護(hù)監(jiān)測(cè)，發(fā)現(xiàn)異常及時(shí)處理。采用優(yōu)化斷面、配筋措施提高抗裂性能。出現(xiàn)裂縫要找出設(shè)計(jì)施工中的薄弱環(huán)節(jié)，提出針對(duì)性改進(jìn)。并加強(qiáng)施工人員培訓(xùn)，從源頭減少裂縫出現(xiàn)。

5 結(jié)論

通過(guò)對(duì)某項(xiàng)目大型設(shè)備基礎(chǔ)大體積混凝土裂縫的研究，得出以下主要結(jié)論：①混凝土裂縫主要由負(fù)荷變化、溫度變化和材料性質(zhì)導(dǎo)致的內(nèi)應(yīng)力超過(guò)抗裂強(qiáng)度而產(chǎn)生，尤其是早期收縮和長(zhǎng)期負(fù)荷是關(guān)鍵因素；②通過(guò)優(yōu)化混凝土的配比設(shè)計(jì)，選擇合適的水泥和摻合料，以及控制混凝土澆筑的溫度，可以有效減少裂縫的發(fā)生；③對(duì)于已經(jīng)形成的裂縫，采取及時(shí)的修補(bǔ)和加固措施是必要的。此外，從設(shè)計(jì)和施工階段就開(kāi)始的質(zhì)量控制，是防止裂縫形成的關(guān)鍵策略。通過(guò)這些措施，不僅可以提高結(jié)構(gòu)的可靠性，還可以降低維護(hù)成本，保證工程的長(zhǎng)期安全運(yùn)行。

參考文獻(xiàn)

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[6] 蘇永強(qiáng).石化項(xiàng)目大型設(shè)備基礎(chǔ)大體積混凝土裂縫防控措施[J].化工管理，2020（20）：185-186.

[作者簡(jiǎn)介]朱澤鵬（1993—），男，西安人，大學(xué)本科，監(jiān)理工程師，研究方向：土建施工監(jiān)理。