大体积商品混凝土裂纹的控制.doc

大体积商品混凝土裂纹的控制一、前言近年来，我国随着国民经济和建筑科学技术的迅猛发展，建筑规模不断扩大，一些大型现代化基础设施日益增多，而商品混凝土以其取材方便、廉价物美、施工运输便利、占场地面积小、结构承载力大、不用现场搅拌等特点，逐渐受到人们的欢迎。于是大体积商品混凝土逐渐成为这些大型设施或构件主体的重要组成部分，这就提出了大体积混凝土开裂的问题，因为大体积商品混凝土开裂问题是在工程建设中带有一定普遍性的技术难题，裂缝一旦形成，将对工程重要结构部位造成极大危害，它会大大降低结构的耐久性，削弱构件的承载力，同时会可能危害到建筑物的安全使所以，如何采取有效措施防止大体积商品混凝土的裂纹，是一个特别值得关注的问题。二、大体积混凝土的概念对于大体积混凝土来说，目前国内尚无一个确切的定义。一般理解为最小尺寸等于或大于1m，或预计会因水泥水化热引起混凝土内外温差过大而导致裂缝的混凝土。美国混凝土学会给出了大体积混凝土的定义：任何现浇混凝土，其尺寸达到必须解决水化热及随之引起的体积变形问题，以最大限度的减少开裂影响的，即称为大体积混凝土。日本建筑学会标准(JASS5)的定义是：结构断面最小尺寸在800以上；水化热引起混凝土内的最高温度与外界气温之差，预计超过25的混凝土，称为大体积混凝土。在我国一般来说，基础底板混凝土最小尺寸600750；架空板结构最小尺寸8001000；水化热引起砼内的最高温度与外界气温之差，预计超过25的砼，称为大体积混凝土。引自“据”大体积混凝土施工叶琳昌等编箸，但由于水泥细度和砼强度等级的提高，下限值将有下降趋势。三、大体积混凝土裂缝分类大体积商品混凝土的裂缝大致可分为两大类：一是结构型裂缝，是由外荷载引起的，包括常规结构计算中的主要应力以及其他的结构次应力造成的受力裂缝。大体积混凝土结构裂缝主要包括干燥收缩裂缝、塑性收缩裂缝、自身收缩裂缝、安定性裂缝、温差裂缝、碳化收缩裂缝等。二是材料型裂缝，是由非受力变形变化引起的，主要是由温度应力和混凝土的收缩引起的。而温度裂缝产生主要原因是由温差造成的，温差可分为以下三种：混凝土浇注初期，产生大量的水化热，由于混凝土是热的不良导体，水化热积聚在混凝土内部不易散发，常使混凝土内部温度上升，而混凝土表面温度为室外环境温度，这就形成了内外温差，这种内外温差在混凝土凝结初期产生的拉应力当超过混凝土抗压强度时，就会导致混凝土裂缝;另外，在拆模前后，表面温度降低很快，造成了温度陡降，也会导致裂缝的产生;当混凝土内部达到最高温度后，热量逐渐散发而达到使用温度或最低温度，它们与最高温度的差值就是内部温差;这三种温差都会产生温度裂缝。在这三种温差中，主要是由水化热引起的内外温差的裂缝。四、大体积混凝土裂缝产生的原因分析大体积混凝土中产生的裂缝有多种原因，首先是温度和湿度的变化，混凝土的脆性和不均匀性，原材料不合格（如碱骨料反映），模板变形，基础不均匀沉降等。混凝土硬化期间水泥放出大量水热化热，内部温度不段上升，在表面引起拉应力，后期在降温过程中，由于受到基础或老混凝上的约束，又会在混凝土内部出现拉应力，当这些拉应力超出混凝土的抗裂能力时，即会出现裂缝。许多混凝土的内部湿度变化很小或变化较慢，但表面湿度可能变化较大或发生剧烈变化。如养护不周、时干时湿，表面干缩形变受到内部混凝土的约束，也往往导致裂缝。混凝土是一中脆性材料，拉抗强度是抗压强度的1/10左右，短期加荷时的极限拉伸变形也只有（0.61.0）104，长期加荷时的极限拉伸变形也只有（1.22.0）104.由于原材料不均匀，水灰比不稳定，及运输和浇注过程中的离析现象，在同一块混凝土中其拉强度又是不均匀的，存在着许多抗拉能力很低，易于出现裂缝的薄弱部位。在钢筋混凝土中，拉应力只要是由钢筋来承担，混凝土只是承受压应力。在素混凝土内或钢筋混凝上的边缘部位如果结构出现了拉应力，则须依靠混凝土自身承担。一般设计中均要求不出现拉应力或者只出现很小的拉应力，但是在施工中混凝土由最高温度冷却到运转时期的稳定温度，往往在混凝土内部引起相当大的拉应力，因此掌握温度应力的变化规律对于进行合理的结构设计和施工极为重要。温度应力的形成过程可分为以下三个阶段：（1）早期：自浇筑混凝土开始至水泥放热基本结束，一般约30天。这个阶段有两个特征，一是水泥放出大量的水化热，二是混凝土上弹性模量的急剧变化，由于弹性模量的变化，这一时期在混凝土内形成残余应力。（2）中期：自水泥放热作用基本结束时起至混凝土冷却到稳定温度时止，这个时期中。温度应力主要是由于混凝土的冷却及外界气温变化所引起，这些应力与早期形成的残余应力相叠加，在此期间混凝土上的弹性模量变化不大。（3）晚期：混凝土完全冷却以后的运转时期。温度应力主要是外界气温变化所引起，这些应力与前两种的残余应力相叠加。根据温度应力引起的原因可分为两类：（1）自生能力：没有任何约束或完全静止的结构，如果内部温度是非线性分布的，由于结构本身互相约束而出现的温度应力。例如，桥梁墩身，结构尺寸相对较大，混凝土冷却时表面的温度低，内部温度高，在表面出现拉应力，在中间出现压应力。（2）约束能力：结构的全部或部分边界受到外界的约束，不能自由变形而一起的应力，如箱梁顶板混凝土和护拦混凝土；这两种温度应力往往和混凝土上的干缩所引起的应力共同作用；想要根据已知的温度准确分析出温度应力的分布、大小是一项比较复杂的工作。在大多数情况下，需要依靠模型试验或数值计算，混凝土的徐变使温度应力有相当大的松弛，计算温度应力时，必须考虑徐变的影响，具有计算这里就不在细述。1、水泥水化热的影响水泥水化过程中放出大量的热，且主要集中在浇筑后的7d左右，一般每克水泥可以放出500J左右的热量，如果以水泥用量350Kg/m3550Kg/m3来计算，每m3混凝土将放出17500KJ27500KJ的热量，从而使混凝土内部升高（可达70左右，甚至更高）。尤其对于大体积混凝土来讲，这种现象更加严重。因为混凝土内部和表面的散热条件不同，因此混凝土中心温度很高，这样就会形成温度梯度，使混凝土内部产生压应力，表面产生拉应力，当拉应力超过混凝土的极限抗拉强度时混凝土表面就会产生裂缝。2、混凝土的收缩混凝土在空气中硬结时体积减小的现象称为混凝土收缩。混凝土在不受外力的情况下的这种自发变形，受到外部约束时（支承条件、钢筋等），将在混凝土中产生拉应力，使得混凝土开裂。引起混凝土的裂缝主要有塑性收缩、干燥收缩和温度收缩等三种。在硬化初期主要是水泥石在水化凝固结硬过程中产生的体积变化，后期主要是混凝土内部自由水分蒸发而引起的干缩变形。3、外界气温湿度变化的影响大体积混凝土结构在施工期间，外界气温的变化对防止大体积混凝土裂缝的产生起着很大的影响。混凝土内部的温度是由浇筑温度、水泥水化热的绝热温升和结构的散热温度等各种温度叠加之和组成。浇筑温度与外界气温有着直接关系，外界气温愈高，混凝土的浇筑温度也就会愈高；如果外界温度降低则又会增加大体积混凝土的内外温度梯度。如果外界温度的下降过快，会造成很大的温度应力，极其容易引发混凝土的开裂。另外外界的湿度对混凝土的裂缝也有很大的影响，外界的湿度降低会加速混凝土的干缩，也会导致混凝土裂缝的产生大体积混凝土裂缝产生的原因中，还有一种是由外荷载引起的应力以及其他的结构次应力造成的受力裂缝。这些结构裂缝主要包括：干燥收缩裂缝、塑性收缩裂缝、自身收缩裂缝、安定性裂缝、温差裂缝、碳化收缩裂缝等。1、收缩裂缝混凝土在逐渐散热和硬化过程中会导致其体积的收缩，对于大体积混凝土，这种收缩更加明显。如果混凝土的收缩受到外界的约束，就会在混凝土体内产生相应的收缩应力，当产生的收缩应力超过当时的混凝土极限抗拉强度，就会在混凝土中产生收缩裂缝。影响混凝土收缩的主要因素主要是混凝土中的用水量、水泥用量及水泥品种。混凝土中的用水量和水泥用量越高，混凝土收缩就越大。水泥品种对干缩量及收缩量也有很大的影响，一般中低热水泥和粉煤灰水泥的收缩量较小。自身收缩是混凝土收缩的一个主要来源。自身收缩与干缩一样，是由于水的迁移而引起的。但它不是由于水向外蒸发散失，而是因为水泥水化时消耗水分造成凝胶孔的液面下降形成弯月面，产生所谓的自干燥作用，导致混凝土体的相对湿度降低及体积减小而最终自身收缩。水灰比对自身收缩影响较大，一般来说，当水灰比大于0.5时，其自干燥作用和自身收缩与干缩相比小得可以忽略不计；但是当水灰比小于0.35时，体内相对湿度会很快降低到80%以下，自身收缩与干缩则几乎各占一半。自身收缩主要发生在混凝土拌合后的初期。因此在模板拆除之前，混凝土的自身收缩大部分甚至全部已经完成。在大体积混凝土里，即使水灰比并不低，自身收缩量值也不大，但是它与温度收缩叠加到一起，就要使应力增大，所以在水工大坝施工时早就将自身收缩作为一项性能指标进行测定和考虑。但是，许多断面尺寸虽不很大，且水灰比也不算小的混凝土，也必须考虑水化热及随之引起的体积变形问题，以最大限度减少开裂影响，也需要考虑将温度收缩和自身收缩叠加的影响。塑性收缩也是大体积混凝土收缩一个主要来源。在水泥活性大、混凝土温度较高或者水灰比较低的条件下，混凝土的泌水明显减少，表面蒸发的水分不能及时得到补充，这时混凝土尚处于塑性状态，稍微受到一点拉力，混凝土的表面就会出现分布不规则的裂缝。出现裂缝以后，混凝土体内的水分蒸发进一步加快，于是裂缝迅速扩展。所以在这种情况下混凝土浇筑后需要及早覆盖养生。2、温差裂缝混凝土内部和外部的温差过大会产生裂缝。温差裂缝产生的主要原因是水泥水化热引起的混凝土内部和混凝土表面的温差过大。特别是大体积混凝土更易发生此类裂缝。温差的产生主要有三种情况：第一种是在混凝土浇筑初期，这一阶段产生大量的水化热，形成内外温差并导致混凝土开裂，这种裂缝一般产生在混凝土浇筑后的第3天(升温阶段)。另一种是在拆模前后，这时混凝土表面温度下降很快，从而导致裂缝产生。第三种情况是当混凝土内部温度高达峰值后，热量逐渐散发而达到使用温度或最低温度，它们与最高温度的差值即内部温差。这三种温差都会产生裂缝，但最严重的是水化热引起的内外温差。3、安定性裂缝安定性裂缝表现为龟裂，主要是由于水泥安定性不合格而引起。五、大体积混凝土裂缝的控制措施对于材料型裂缝来说，主要是由温差和收缩引起，所以为了防止裂缝的产生，就要最大限度的降低温差和减小混凝土的收缩，具体可采取如下控制措施：1、大体积混凝土的配制大体积混凝土所选用的原材料应注意以下几点：粗骨料宜采用连续级配，细骨料宜采用中砂。外加剂宜采用缓凝剂、减水剂；掺合料宜采用粉煤灰、矿渣粉等。大体积混凝土在保证混凝土强度及坍落度要求的前提下，应提高掺合料及骨料的含量，以降低单方混凝土的水泥用量。水泥应尽量选用水化热低、凝结时间长的水泥，优先采用中热硅酸盐水泥、低热矿渣硅酸盐水泥、大坝水泥、矿渣硅酸盐水泥、粉煤灰硅酸盐水泥、火山灰质硅酸盐水泥等。2、大体积混凝土的浇筑浇筑方案，除应满足每一处混凝土在初凝以前就被上一层新混凝土覆盖并捣实完毕外，还应考虑结构大小、钢筋疏密、预埋管道和地脚螺栓的留设、混凝土供应情况以及水化热等因素的影响，常采用的方法有以下几种：（1）全面分层即在第一层全面浇筑全部浇筑完毕后，再回头浇筑第二层，此时应使第一层混凝土还未初凝，如此逐层连续浇筑，直至完工为止。采用这种方案，适用于结构的平面尺寸一般不宜太大，施工时从短边开始，沿长边推进比较合适。必要时可分成两段，从中间向两端或从两端向中间同时进行浇筑。（2）分段分层混凝土浇筑时，先从底层开始，浇筑至一定距离后浇筑第二层，如此依次向前浇筑其他各层。由于总的层数较多，所以浇筑到顶后，第一层末端的混凝土还未初凝，又可以从第二段依次分层浇筑。这种方案适用于单位时间内要求供应的混凝土较少，不象第一种方案那样集中。这种方案适用于结构物厚度不太大而面积或长度较大的工程。（3）斜面分层要求斜面的坡度不大于1/3，适用于结构的长度大大超过厚度3倍的情况。混凝土从浇筑层下端开始，逐渐上移。3、大体积混凝土养护时的温度控制大体积混凝土的养护，不仅要满足强度增长的需要，还应通过人工的温度控制，防止因温度变形引起混凝土的开裂。温度控制就是对混凝土的浇筑温度和混凝土内部的最高温度进行人为的控制，在混凝土养护阶段的温度控制应遵循以下几点：（1）混凝土的中心温度与表面温度之间、混凝土表面温度与室外最低气温之间的差值均应小于20；当结构混凝土具有足够的抗裂能力时，不大于25-30。（2）混凝土拆模时，混凝土的温差不超过20。其温差应包括表面温度、中心温度和外界气温之间的温差。（3）采用内部降温法来降低混凝土内外温差。内部降温法是在混凝土内部预埋水管，通入冷却水，降低混凝土内部最高温度。冷却在混凝土刚浇筑完时就开始进行，还有常见的投毛石法，均可以有效地控制因混凝土内外温差而引起的混凝土开裂。（4）保温法是在结构物外露的混凝土表面以及模板外侧覆盖保温材料（如草袋、锯木、湿砂等），在缓慢的散热过程中，使混凝土获得必要的强度，以控制混凝土的内外温差小于20。（5）混凝土表层布设抗裂钢筋网片，防止混凝土收缩时产生干裂。对于结构型裂缝来说，主要应采取如下控制措施：1、设计措施（1）精心设计混凝土配合比。在保证混凝土具有良好工作性的情况下，应尽可能降低混凝土的单位用水量，采用“三低（低砂率、低坍落度、低水胶比）二掺（掺高效减水剂和高性能引气剂）一高（高粉煤灰掺量）”的设计准则，生产出“高强、高韧性、中弹、低热和高抗拉值”的抗裂混凝土。（2）增配构造筋，提高抗裂性能。应采用小直径、小间距的配筋方式，全截面的配筋率应在0.30.5%之间。（3）避免结构突变产生应力集中。在易产生应力集中的薄弱环节采取加强措施。（4）在易裂的边缘部位设置暗梁，提高该部位的配筋率，提高混凝土的极限抗拉强度。（5）在结构设计中应充分考虑施工时的气候特征，合理设置后浇缝，在正常施工条件下，后浇缝间距2030m，保留时间一般不小于60天。如不能预测施工时的具体条件，也可临时根据具体情况作设计变更。2、原材料控制措施（1）尽量选用低热或中热水泥(如矿渣水泥、粉煤灰水泥)，或利用混凝土的后期强度(90d180d)以降低水泥用量，减少水化热(因为每加减10kg水泥，温度会相应增减1，水化热与水泥用量成正比)。在条件许可的情况下，应优先选用收缩性小的或具有微膨胀性的水泥。因为这种水泥在水化膨胀期（15d）可产生一定的预压应力，而在水化后期预压应力可部分抵消温度徐变应力，减少混凝土内的拉应力，提高混凝土的抗裂能力。（2）适当搀加粉煤灰。混凝土中掺用粉煤灰后，可提高混凝土的抗渗性、耐久性，减少收缩，降低胶凝材料体系的水化热，提高混凝土的抗拉强度，抑制碱骨料反应，减少新拌混凝土的泌水等。（3）选择级配良好的骨料。骨料在大体积混凝土中所占比例一般为混凝土绝对体积的80%83%，因此在选择骨料时，应选择线膨胀系数小、岩石弹模较低、表面清洁无弱包裹层、级配良好的骨料。一般来说，可以选用粒径4mm40mm的粗骨料，尽量采用中砂，严格控制砂、石子的含泥量(石子在1%以内，砂在2%以内)。控制水灰比在0.6以下。还可以在混凝土中掺缓凝剂，减缓浇筑速度，以利于散热。另外还可以考虑在大体积混凝土中掺加坚实无裂缝、冲洗干净、规格为150mm300mm的大块石。掺加大块石不仅减少了混凝土总用量，降低了水化热，而且石块本身也吸收了热量，使水化热能进一步降低，对控制裂缝有一定好处。（4）适当选用高效减水剂和引气剂，这对减少大体积混凝土单位用水量和胶凝材料用量，改善新拌混凝土的工作度，提高硬化混凝土的力学、热学、变形、耐久性等性能起着极为重要的作用。3、施工方法控制措施(1)在混凝土拌制过程中，要严格控制原材料计量准确，同时严格控制混凝土出机塌落度。要尽量降低混凝土拌合物出机口温度，拌合物可采取以下两种降温措施：一是送冷风对拌和物进行冷却，二是加冰拌合，一般使新拌混凝土的温度控制在6左右。(2)浇注过程中要进行振捣方可密实，振捣时间应均匀一致以表面泛浆为宜，间距要均匀，以振捣力波及范围重叠二分之一为宜，浇注完毕后，表面要压实、抹平，以防止表面裂缝。另外，浇注混凝土要求分层浇注，分层流水振捣，同时要保证上层混凝土在下层初凝前结合紧密。避免纵向施工缝、提高结构整体性和抗剪性能。(3)尽量避开在太阳辐射较高的时间浇注，若由于工程需要在夏季施工，则尽量避开正午高温时段，浇注尽量安排在夜间进行。(4)混凝土在实际温度养护的条件下，强度达到设计强度的75%以上，混凝土中心与表面最低温度控制在25以内，预计拆模后混凝土表面温降不超过9以上允许拆模。(5)大体积混凝土施工时内部应适当预留一些孔道，在内部通循环冷水或冷气冷却，降温速度不应超过0.51.0/h。对大型设备基础可采用分块分层浇筑(每层间隔时间5d7d)，分块厚度为1.0m1.5m，以利于水化热散发和减少约束作用。当混凝土浇筑在岩石地基或厚大的混凝土垫层上时，在岩石地基或混凝土垫层上铺设防滑隔离层(浇二度沥青胶撒铺5mm厚砂子或铺二毡三油)，底板高低起伏和截面突变处，做成渐变化形式，以消除或减少约束作用。此外，还应加强混凝土的浇灌振捣，提高密实度。尽可能晚拆模，拆模后混凝土表面温度不应下降15以上。尽量采用两次振捣技术，改善混凝土强度，提高抗裂性。还可根据具体工程特点，采用UEA补偿收缩混凝土技术。4、温度控制措施混凝土温度和温度变化对混凝土裂缝是极其敏感的。当混凝土从零应力温度降低到混凝土开裂温度时，混凝土拉应力超过了此时的混凝土极限拉应力。因此，通过应降低混凝土内水化热温度和混凝土初始温度，减少和避免裂缝风险。人工控制混凝土温度的措施对早期因热原因引起的裂缝作用不明显。比如表面保温材料保护可以减少内外温差，但不可避免地招致混凝土体内温度很高，从受约束而导致贯穿裂缝的角度看，是一个潜在恶化裂缝的条件。因为体内热量迟早是要散发掉的。另外人工控制混凝土温度还需注意的问题是防止过速冷却和超冷，过速冷却不仅会使混凝土温度梯度过大，而且早期的过速超冷会影响水泥胶体体系的水化程度和早期强度，更易产生早期热裂缝。超冷会使混凝土温差过大，引起温差裂缝浇筑时间尽量安排在夜间，最大限度降低混凝土的初凝温度。白天施工时要求在沙、石堆场搭设简易遮阳装置，或用湿麻袋覆盖，必要时向骨料喷冷水。混凝土泵送时，可在水平及垂直泵管上加盖草袋并喷冷水。做好表面隔热保护，大体积混凝土的温度裂缝，主要是由内外温差过大引起的。混凝土浇注后，由于内部较表面散热快，会形成内外温差，表面收缩受内部约束产生拉应力，但是这种拉应力通常很小，不至于超过混凝土的抗拉强度而产生裂缝。但是如果此时受到冷空气的袭击，或者过分通风散热，使表面温度降温过大就很容易导致裂缝的产生，所以在混凝土在拆模后，特别是低温季节，在拆模后立即采取表面保护。防止表面降温过大，引起裂缝。另外，当日平均气温在23d内连续下降不小于68时，28d龄期内混凝土表面必须进行表面保护。5、养护控制措施混凝土浇注完毕后，应及时洒水养护以保持混凝土表面经常湿润，这样既减少外界高温倒罐，又防止干缩裂缝的发生，促进混凝土强度的稳定增长。一般在浇注完毕后1218h内立即开始养护，连续养护时间不少于28d或设计龄期。若是在高温季节施工，则要在初期采用通制冷水来降低混凝土最高温度峰值，但注意，通水时间不能过长，因为时间过长会造成降温幅度过大而引起较大的温度应力。为了削减内外温差，还应在夏末秋初进行中期通水冷却，中期通水一般采用河水，通水两个月左右。后期通水是使混凝土柱状块达到接缝灌浆的必要措施，一般采用通河水和通制冷水相结合的方案。六、结术语大体积商品混凝土的开裂是目前学者和工程界关注的一个重要问题，通过以上分析可知，大体积混凝土的材料型裂缝主要是由温度应力和混凝土的收缩引起的，以上对混凝土的施工温度与裂缝之间的关系进行了理论和实践的初步探讨，虽然现在对于混凝土裂缝的成因和计算方法有不同的理论，但对于具体的预防和改善措施意见还是比较统一，同时在实践中的应用效果也是比较好的，具体施工中要靠我们多观察、多比较，出现问题后多分析、多总结，结合多种预防处理措施，混凝土的裂缝是完全可以避免的。第 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