大体积混凝土结构裂缝的产生与控制分析BD

大体积混凝土结构裂缝的产生与控制分析及实例1前言对大体积混凝土的定义，工程上现有两种方法。其一，凡长、宽、高三方面尺寸均达到1000mm的结构属于大体积混凝土结构；其二，在工业与民用建筑结构中，一般现浇的连续墙式结构、地下构筑物及设备基础等是容易由温度收缩应力引起裂缝的结构，通称为大体积混凝土结构。工程中讨论大体积混凝土结构，主要因其容易在施工及使用过程中产生裂缝，而裂缝的产生主要与温度收缩应力有关。许多厚度不超过1000mm的混凝土板，也经常产生这种裂缝。故笔者认为，按第二种方法定义大体积混凝土结构，是比较合理的。对混凝土结构，有裂缝是绝对的，无裂缝是相对的。所谓结构的抗裂质量只是把裂缝控制在一定的范围内。《混凝土结构设计规范》（GB50010-2002）对钢筋混凝土结构的最大裂缝宽度有明确限值。环境大体积混凝土结构的裂缝，按其深度一般分为表面裂缝、深层裂缝和贯穿裂缝三种。对这种结构，由外荷载引起裂缝的可能性较小。对裂缝成因进行分析，对解决这个困扰建筑业多年的质量通病是非常必要的。我单位在西南某厂设计了一大型热轧机基础，其中精轧区基础混凝土体积约6000m3，要求一次浇筑，不留施工缝。考虑到以往在大体积混凝土施工中多次有裂缝出现，本工程为避免这种现象，满足设备使用要求，在裂缝控制方面须进行全面考虑，仔细分析大体积混凝土结构裂缝产生的原因，采取必要的措施，以控制较大裂缝的产生。2大体积混凝土结构产生裂缝的原因2．1水泥水化热产生温度应力水泥水化过程中产生一定的热量，而大体积混凝土结构一般断面较厚，水化热聚在结构内部不易散失，引起急剧升温，在建筑工程中一般为20℃～30℃甚至更高。水泥水化热引起绝热温升，与混凝土单位体积中水泥用量和水泥品种有关，并随混凝土的龄期按指数关系增长，一般在10d～12d接近于最终绝热温升。由于结构物在一个自然散热条件，实际混凝土内部的最高温度多数发生在混凝土浇筑的最初3d～5d。随着混凝土龄期的增长，弹性模量的增高，对混凝土内部降温收缩的约束也就愈来愈大，以致产生很大的拉应力，当混凝土的抗拉强度不足以抵抗这种应力时，开始出现温度裂缝。2．2约束条件的影响结构在变形时，不同结构之间、结构内部各质点之间，都可能产生相互影响，相互牵制，这就是“约束”。大致可分为“外约束”与“内约束”两大类。“外约束”指结构与结构之间，物体与物体之间的相互牵制作用，如基础块体受地基基础的约束。“内约束”指构件本身各质点之间的相互约束作用，如大体积混凝土设备基础的非均匀温差或收缩。在约束条件下，混凝土浇筑块产生温差ΔT引起的温度变形是ΔT与混凝土热膨胀系数之乘积aT。当aT大于混凝土的极限拉伸变形值p时，便出现裂缝。但实际上混凝土有徐变和朔性变形，约束条件也不可能绝对约束。因此，大量的工程实践表明，多数工程温差在20℃～25℃之间并不开裂。2．3混凝土的收缩变形混凝土的收缩可分为自生收缩、塑性收缩、碳化收缩及干缩（失水收缩）。自生收缩即混凝土硬化过程中由于化学作用引起的收缩，是化学结合水与水泥的化合结果，也称为硬化收缩，与外界湿度变化无关。塑性收缩指混凝土浇筑4~15h左右，水泥水化反应激烈，分子链逐渐形成，出现泌水和水份急剧蒸发现象，引起失水收缩，是在初凝过程中发生的收缩，此时骨料与胶合料之间也产生不均匀的沉缩变形。水灰比过大，水泥用量大，外掺剂保水性差，粗骨料少，用水量大，振捣不良，环境气温高，表面失水大（养护不良及用吸水砧模）等都能导致塑性收缩表面开裂。碳化收缩指大气中的二氧化碳与水泥的水化物发生化学反应引起的收缩变形。对混凝土的干缩，影响因素很多，诸如水泥的标号、水泥用量、标准磨细度、骨料种类、水灰比、水泥含量、振动捣实状况、配筋数量、经历时间等。2．4外界气温变化的影响大体积混凝土在施工期间，外界气温变化的影响很大。混凝土的内部温度是浇筑温度、水化热的绝热温升和结构散热降温等各种温度的叠加之和，外界气温愈高，混凝土的结构温度也愈高，如外界温度下降，会增加混凝土的降温幅度，特别是在外界气温陬降时，会增加外层混凝土与内部混凝土的温度梯度。温度应力是由温差引起的变形造成的，温差愈大，温度应力也愈大。在高温条件下，大体积混凝土不易散热，混凝土内部的最高温度可达60℃～65℃，并且有较大的延续时间。在这种情况下研究合理的温度控制措施，防止混凝土内外温差引起的过大温度应力显得更为重要。3大体积混凝土裂缝的控制措施在实际工程中的应用对我单位设计的该大体积混凝土工程，针对其特点，为防止产生混凝土裂缝，在结构施工中，我们根据大体积混凝土的上述特点，采取以下措施，以控制裂缝的产生：1．混凝土材质方面⑴减小水化热温升：可选用中低热水泥，如粉煤灰水泥或矿渣水泥，控制水化热。施工中可通过水管冷却等措施减小水化热温升。⑵掺加粉煤灰：粉煤灰可有效减少收缩变形，降低泌水量，减少坍落度损失。⑶掺加减水剂：可保持混凝土工作性质不变而显著减少拌和水10%左右，降低水灰比，改善和易性，减少水泥用量10%左右，降低水化热量，减缓水化速度。⑷水灰比调整及粗细骨料选择：由于泵送混凝土的流动性与抗裂的要求相互矛盾，故应选取在满足泵送的坍落度下限条件下尽可能降低水灰比。因水越多，开裂可能越大。随着混凝土施工厚度增高，混凝土浮浆增多，因此严格控制砂、石骨料的含水率，调整配料的水灰比，对于控制混凝土的收缩和提高抗裂性是必要的。同时采用连续级配的粗骨料配置混凝土，使其具有较好的和易性、减少用水量。尽量选用粒径较大，级配良好的石子。细骨料采用中、粗砂，并严格控制砂、石的含泥量。2．控制混凝土的浇筑温度降低浇筑温度除了可降低基础温差从而减小基础块温度应力、避免贯穿性裂缝以外，由于浇筑块本身的最高温升降低，在外界气温剧烈下降时，也可相对减小内外温差。混凝土浇筑温度不易超过28℃。3．采取测温监控措施为及时了解基础块浇筑中温度变化情况，要求有一个好的测温方案，在发现问题时便于采取对策措施。混凝土浇筑块里外温差、降温速度及环境温度的测试，每昼夜应不小于2次。沿混凝土浇筑块体厚度方向，每一点位的测点数量，不宜少于5点。温度记录的误差不应大于±1℃。4．采取必要养护措施大面积混凝土浇筑后，为了减少升温阶段内外温差，发生表面裂缝，应给予适当的潮湿养护条件，防止混凝土表面脱水产生干缩裂缝，使水泥顺利水化，提高混凝土的极限拉伸值。对标高位于±0.000以下的部位，应及时回填土；±0.000以上部位应及时加以覆盖，不宜长期暴露在风吹日晒的环境中。4结论大体积混凝土由于水泥水化过程中释放的水化热引起的温度变化和混凝土收缩产生温度应力和收缩应力是产生裂缝的主要原因。故我们在设计该基础时，仔细考虑到大体积混凝土的特点，采取了相应的控制措施。最终在现场浇筑混凝土中起到了很好的作用，控制基础裂缝在规范限值制内，圆满完成了该大体积混凝土的设计任务。[参考文献][1]王铁梦。工程结构裂缝控制[M]。北京：中国建筑工业出版社2003。19-20[2]水利水电科学研究结构材料研究所大体积混凝土[M]。北京：水利电力出版社1990[3]陈立谈大体积混凝土温度与收缩裂缝的产生及控制措施[J]。工程建设与设计，2003，（10）：50-53[4]蔡正咏。混凝土性能[M]。北京：中国建筑工业出版社1979。64-90[5]陈建奎混凝土外加剂的原理与应用[M]。北京：中国计划出版社1997。160-168[6]GB50010-2002混凝土结构设计规范[S][7]GB50204-2002混凝土结构工程施工质量验收规范[S]