大体积混凝土裂缝控制措施探讨

大体积混凝土裂缝控制措施探讨来源:《中小企业管理与科技》2009年9月上旬刊供稿文/乔树军[导读]大体积混凝土目前尚无一个明确的定义，国外的定义也不尽相同期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆乔树军（安徽水利开发股份有限公司）摘要：混凝土浇筑中的裂缝控制是一个普遍存在的难题，尤其对大体积混凝土结构，施工时应采取各种防范控制措施，保证混凝土的浇筑质量，防止出现裂缝。本文分析了大体积混凝土裂缝的产生原因，并结合实例提出了裂缝控制的技术措施。关键词：大体积混凝土裂缝控制1大体积混凝土的界定大体积混凝土目前尚无一个明确的定义，国外的定义也不尽相同。日本建筑学会标准（JASS5）规定：“结构断面最小厚度在80cm以上，同时水化热引起混凝土内部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”。美国混凝土学会（ACI）规定：“任何就地浇筑的大体积混凝土，其尺寸之大，必须要求解决水化热及随之引起的体积变形问题，以最大限度减少开裂”。我国混凝土结构施工规范认为：凡是结构物断面最小尺寸在3m以上的混凝土块体，单面散热的结构断面最小尺寸在75cm以上，双面散热在100cm以上，水化热引起的最高温度与外界气温之差，预计超过25℃的混凝土，均可称为大体积混凝土。2裂缝种类及产生原因大体积混凝土结构往往容易产生各种各样的裂缝，按裂缝的方向、形状分为：水平裂缝，垂直裂缝，横向裂缝，纵向裂缝，斜向裂缝以及放射状裂缝等；按裂缝深度分为：贯穿裂缝、深层裂缝及表面裂缝。裂缝的产生是由多种因素引起的，其主要影响因素如下：2.1水泥水化热引起的温度应力和温度变形水泥在水化过程中产生大量的水化热，主要集中在浇筑后7d左右，而使混凝土内部温度不断升高，当内外部温差过大时，就会产生温度变形和温度应力，温度应力一旦超过混凝土内外的约束力，就会产生裂缝。对大体积混凝土而言，这种现象尤其严重。2.2混凝土收缩产生裂缝在硬化后期，混凝土内部自由水分蒸发，就会出现干燥收缩，而表面干燥收缩快，中心干燥收缩慢，使混凝土表面产生拉应力，造成混凝土开裂。2.3外界气温变化的影响大体积混凝土在施工阶段，常受外界气温的影响。当气温下降，特别是气温骤降时，会大大增加外层混凝土与混凝土内部的温度梯度，产生温差和温度应力，拉应力一旦超过混凝土的抗拉强度极限，混凝土表面就会产生裂缝，这种裂缝多发生在混凝土施工中后期。2.4其他因素的影响地基的不均匀沉降、混凝土配合比不良、碱骨料反应裂缝和钢筋锈蚀等其他不利因素，也会使混凝土产生裂缝，因此应从各个方面综合控制。3裂缝控制的技术措施裂缝会加速混凝土碳化和钢筋锈蚀，并产生恶性循环，严重破坏混凝土结构的安全性和耐久性，给工程造成严重损失，所以裂缝控制显得尤为重要。裂缝控制的主要技术措施涉及从设计到施工乃至后期养护的整个过程，分别介绍如下：3.1配合比的选用和水泥用量的控制大量的试验研究和工程实践表明，每立方砼的水泥用量增减10kg，其水化热使砼的温度相应升高或降低1℃。在施工过程中，要在保证混凝土强度的条件下，通过进行砼试配，以进一步降低水泥用量。3.2优选混凝土各种原材料3.2.1水泥：考虑普通水泥水化热较高，特别是应用到大体积混凝土中，大量水化热不易散发，导致混凝土内部温度过高，内外部温差过大使混凝土内部产生压应力，表面产生拉应力，表面拉应力超过早期混凝土抗拉强度时就会产生温度裂缝，因此应优先选用低水化热的水泥品种，如粉煤灰硅酸盐水泥、矿渣硅酸盐水泥（有抗渗要求不宜使用）。3.2.2粗骨料：采用碎石，粒径5-25mm，含泥量不大于1%。选用粒径较大、级配良好的石子配制的混凝土，和易性较好，抗压强度较高，同时可以减少用水量及水泥用量，从而使水泥水化热减少，降低混凝土温升。3.2.3细骨料：采用中砂，平均粒径大于0.5mm，含泥量不大于5%。选用平均粒径较大的中、粗砂拌制的混凝土比采用细砂拌制的混凝土可减少用水量10%左右，同时相应减少水泥用量，使水泥水化热减少，降低混凝土温升，并可减少混凝土收缩。3.2.4粉煤灰：粉煤灰的水化热远小于水泥，在大体积混凝土中掺入20%-25%粉煤灰，不仅可减少水泥用量，又可有效降低水化热。同时，使用粉煤灰可变废为宝，符合环保要求。3.2.5外加剂：选用缓凝减水剂，降低水化温升，延迟水化热释放速度，有效防止裂缝。3.3设计优化措施①精心设计混凝土配合比，尽可能的降低混凝土的单位用水量。②增配构造筋提高抗裂性能，配筋应采用小直径、小间距。③在易裂的边缘部位设置暗梁，提高该部位的配筋率，提高混凝土的极限拉伸。④充分考虑施工时的气候特征，合理设置后浇缝。3.4施工及养护控制措施①控制砼的出机温度和入模温度，尽量避免温度过高或过低时施工。②合理安排施工时序，严格控制混凝土的浇筑速度，一次浇注的混凝土不可过高、过厚，以保证混凝土温度均匀上升。③采用合理的施工方法，分层均匀浇筑，每层混凝土初凝前都确保被上层混凝土覆盖，保证上下层浇筑间隔不超过混凝土初凝时间，避免施工裂缝出现。④保证振捣密实，严格控制振捣时间、移动距离和插入深度，严防漏振及过振。⑤加强养护期间温度监测，及时获得混凝土升降温、里外温差、降温速度及环境温度的实际情况，并合理制定温控措施。⑥通过搭盖保温棚、表面蓄水、喷洒养护液或直接洒水等方式，对混凝土保温保湿养护，降低混凝土内外温差，减少温度应力。4应用实例国家体育场是2008年北京举办第29届奥运会的主会场，南北最长450m，东西最宽300m，为典型的超长结构。根据设计资料，承台和基础底板的混凝土抗渗等级C40P8。基础底板厚500～700mm，大致分为270mm×300mm、126mm×55mm、45mm×300mm、100mm×300mm四块底板，桩基承台混凝土最大厚度6m，属于大体积混凝土。由于底板和桩基承台厚度过大，保护层厚，外墙和底板结构不设伸缩缝，而且施工期5、6月份温度高，常伴有大风天气，因此混凝土裂缝控制的难度很大。通过研究，工程采取了设计优化措施、原材料与配合比方面以及施工方面的技术措施：①设计优化措施：设置后浇带和控制缝，疏导或分散混凝土收缩变形；适当增加抗裂配筋，将应力集中的承台导角由直角变成斜坡形。②原材料与配合比方面措施：原材料中水泥选用碱含量和早期水化热较低的42.5普通硅酸盐水泥，外加剂选用北京高星RH-7缓凝高效减水剂，骨料选用5-25mm碎石和细度模数2.6~2.8中砂，掺合料选用磨细复合粉（78%矿渣粉+22%粉煤灰），并加大掺量取代水泥，同时添加膨胀剂，补偿混凝土的收缩。通过进行大量的试配研究工作，最终确定配比。③施工方面措施：施工过程中选择适宜温度浇筑，尽量避开高温、大风天气；合理安排施工程序，分层浇筑均匀上升；加强振捣，提高混凝土密实度和抗拉强度。养护期间前三天采用蓄水养护，表面覆盖潮湿草袋，并采取14天延长养护，延缓降温时间和速度。实践证明，通过采取以上措施，调整混凝土的凝结时间，延缓和降低水化热峰值，抑制了温度大体积混凝土施工温度裂缝控制技术措施摘要大体积混凝土施工时,由于水泥水化过程中释放大量的水化热,使混凝土结构的温度梯度过大,从而导致混凝土结构出现温度裂缝。因此,计算并控制混凝土硬化过程中的温度,进而采取相应的技术措施,是保证大体积混凝土结构质量的重要措施。关键词混凝土温度裂缝控制措施1概述大体积混凝土是指最小断面尺寸大于1m以上的混凝土结构。与普通钢筋混凝土相比,具有结构厚,体形大、混凝土数量多、工程条件复杂和施工技术要求高的特点。大体积混凝土在硬化期间,一方面由于水泥水化过程中将释放出大量的水化热,使结构件具有“热涨”的特性;另一方面混凝土硬化时又具有“收缩”的特性,两者相互作用的结果将直接破坏混凝土结构,导致结构出现裂缝。因而在混凝土硬化过程中,必须采用相应的技术措施,以控制混凝土硬化时的温度,保持混凝土内部与外部的合理温差,使温度应力可控,避免混凝土出现结构性裂缝。2大体积混凝土裂缝产生的原因大体积混凝土墩台身或基础等结构裂缝的发生是由多种因素引起的。各类裂缝产生的主要影响因素如下:(1)收缩裂缝。混凝土的收缩引起收缩裂缝。收缩的主要影响因素是混凝土中的用水量和水泥用量,用水量和水泥用量越高,混凝土的收缩就越大。选用的水泥品种不同,其干缩、收缩的量也不同。(2)温差裂缝。混凝土内外部温差过大会产生裂缝。主要影响因素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。大体积混凝土结构一般要求一次性整体浇筑。浇筑后,水泥因水化引起水化热,由于混凝土体积大,聚集在内部的水泥水化热不易散发,混凝土内部温度将显著升高,而其表面则散热较快,形成了较大的温度差,使混凝土内部产生压应力,表面产生拉应力。此时,混凝龄期短,抗拉强度很低。当温差产生的表面抗拉应力超过混凝土极限抗拉强度,则会在混凝土表面产生裂缝。(3)材料裂缝。材料裂缝表现为龟裂,主要是因水泥安定性不合格或骨料中含泥量过多而引起的。3大体积混凝土裂缝控制的理论计算工程实例:武汉市中环线南段××标段××号桥墩直径为1.2m,混凝土及其原材料各种原始数据及参数为:一是C30混凝土采用P.S32.5矿渣硅酸盐水泥,其配合比为:水:水泥:砂:石子:粉煤灰(单位kg)=158:298:707:1204:68(每立方米混凝土质量比),砂、石含水率分别为3%、0%,混凝土容重为2440kg/m3。二是各种材料的温度及环境气温:水18℃,砂、石子23℃,水泥25℃,粉煤灰25℃,环境气温20℃。3.1混凝土温度计算(1)混凝土拌和温度计算:公式T0=∑TimiCi/∑miCi可转换为:T0=[0.9(mcTc+msTs+mgTg+mfTf)+4.2Tw(mw-Psms-Pgmg)+C1(PsmsTs+PgmgTg)-C2(Psms+Pgmg)]÷[4.2mw+0.9(mc+ms+mg+mf)]式中:T0为混凝土拌和温度;mw、mc、ms、mg、mf—水、水泥、砂、石子、粉煤灰单位用量(kg);Tw、Tc、Ts、Tg、Tf—水、水泥、砂、石子、煤灰的温度(℃);Ps、Pg—砂、石含水率(%);C1、C2—水的比热容(KJ/Kg•K)及溶解热(KJ/Kg)。当骨料温度0℃时,C1=4.2,C2=0;反之C1=2.1,C2=335。本实例中的混凝土拌和温度为:T0=[0.9(298×25+707×23+1204×23+68×25)+4.2×18(158-707×3%)+4.2×3%×707×23]÷[4.2×158+0.9(298+707+1204+68)]=21.02℃。(2)混凝土出机温度计算:按公式T1=T0-0.16(T0-Ti)式中:T1—混凝土出机温度(℃);T0—混凝土拌和温度(℃);Ti—混凝土搅拌棚内温度(℃)。本例中,T1=21.02-0.16×(21.02-25)=21.7℃。(3)混凝土浇筑温度计算:按公式TJ=T1-(α•τn+0.032n)•(T1-TQ)式中:TJ—混凝土浇筑温度(℃);T1—混凝土出机温度(℃);TQ—混凝土运送、浇筑时环境气温(℃);τn—混凝土自开始运输至浇筑完成时间(h);n—混凝土运转次数。α—温度损失系数(/h)本例中,若τn取1/3,n取1,α取0.25,则:TJ=21.7-(0.25×1/3+0.032×1)×(21.7-25)=22.1℃(低于30℃)3.2混凝土的绝热温升计算Th=W0•Q0/(C•ρ)式中:W0—每立方米混凝土中的水泥用量(kg/m3);Q0—每公斤水泥的累积最终热量(KJ/kg);C—混凝土的比热容取0.97(KJ/kg•k);ρ—混凝土的质量密度(kg/m3)Th=(298×334)/(0.97×2440)=42.1℃3.3混凝土内部实际温度计算Tm=TJ+ξ•Th式中:Tj—混凝土浇筑温度;Th—混凝土最终绝热温升;ξ—温降系数查建筑施工手册,若混凝土浇筑厚度3.4m。则:ξ3取0.704,ξ7取0.685,ξ14取0