淺談大體積混凝土溫度裂縫及控制方法

王巍巍,劉 偉

(哈同公路管理處金家管理所)

淺談大體積混凝土溫度裂縫及控制方法

王巍巍,劉 偉

(哈同公路管理處金家管理所)

大體積混凝土溫度裂縫問題日益突出,并成為具有相當普遍性的問題。通過分析大體積混凝土溫度裂縫產生的原因,從中找到控制裂縫的措施及解決的方法,從而為保證建筑物和構件的安全奠定了基礎。

大體積混凝土;溫度裂縫;研究;控制措施

大體積混凝土溫度裂縫的類型分為微觀裂縫和宏觀裂縫。微觀裂縫主要有三種：骨料和水泥石粘合面上的裂縫,稱為粘著裂縫;水泥石自身的裂縫,稱為水泥石裂縫;骨料本身裂縫,稱為骨料裂縫。微觀裂縫在混凝土結構中的分布是不規則的、不貫通的,并且肉眼看不見。宏觀裂縫是由微觀裂縫擴展而來的。溫度作為一種變形作用,在混凝土結構中引起的裂縫分為表面裂縫和貫穿裂縫。這兩種裂縫在不同程度上都屬于有害裂縫。

大體積混凝土溫度裂縫的成因是：當混凝土結構產生變形時,在結構的內部、結構與結構之間,都會受到約束。當混凝土結構截面較厚時,其內部溫度分布不均勻,引起內部不同部位的變形相互約束,稱之為內約束,當一個結構物的變形受到其他結構的阻礙時稱之為外約束。工程中的大體積混凝土結構所承受的變形,主要是由溫差和收縮產生,其約束既有外約束又有內約束。

大體積鋼筋混凝土結構中,由于結構截面大,體積大,水泥用量多,水泥水化所釋放的水化熱會產生較大的溫度變化和收縮膨脹作用,由此引起的溫度應力是導致鋼筋混凝土產生裂縫的主要原因。這種裂縫的起因是溫度變化引起的變形,當變形得不到滿足時才會引起應力,而且應力與結構的剛度大小有關,只有當應力超過一定數值才引起裂縫。

混凝土內部的最高溫度多數發生在混凝土澆筑的最初3～5 d,隨著混凝土齡期的增長,溫度逐漸下降,而彈性模量增高,因此混凝土內部降溫收縮的約束也就愈來愈大,以致產生很大的拉應力,當混凝土的抗拉強度不足以抵抗這種應力時,開始出現溫度裂縫。

變形受到約束引起應力,當大體積混凝土澆筑在基巖或老混凝土上時,由于壓縮模量較高,混凝土溫度變化所產生的變形受到約束,而在新澆混凝土內部形成溫度應力,在升溫階段,約束阻止新澆混凝土的溫度膨脹變形,在混凝土內形成壓應力。而在降溫階段,新澆混凝土收縮因存在較強大的地基或基礎的約束而不能自由收縮,在新澆混凝土內形成拉應力。

應力超過了混凝土的抗拉強度,導致裂縫的產生,混凝土早期抗拉強度是很低的。值得注意的是隨著水泥標號的提高,水泥用量的不斷增加,抗拉強度也會相應增加。另外,由于水化熱的影響,1d齡期的小試件強度可比實際大尺寸構件中的強度低 50%,也就是說導致混凝土構件的早期強度降低;而 28 d齡期的小試件強度則可比實際構件強度高30%;也就是說對設計而言不安全。因此這也是要限制最高溫度的一個原因。

大體積混凝土在施工期間,外界氣溫變化的影響也很大。混凝土的內部溫度是澆筑溫度、水化熱的絕熱溫升和結構散熱降溫等各種溫度的疊加之和,外界氣溫愈高,混凝土的結構溫度也愈高,如外界溫度下降,會增加混凝土的降溫幅度,特別是在外界氣溫驟降時,會增加外層混凝土與內部混凝土的溫度梯度。溫度應力是由溫差引起的變形造成的,溫差愈大,溫度應力也愈大。在高溫條件下,大體積混凝土不易散熱,混凝土內部的最高溫度可達 60℃,并且有較大的延續時間。在這種情況下研究合理的溫度控制措施,防止混凝土內外溫差引起的過大溫度應力顯得更為重要。

混凝土的收縮變形;混凝土收縮變形引起的溫度應力大于混凝土的抗拉強度時,就會產生裂縫,因此混凝土的收縮也是引起裂縫不可忽視的因素。

大體積混凝土溫度裂縫控制及措施在大體積混凝土工程施工中,由于水泥水化熱引起混凝土澆筑內部溫度和溫度應力劇烈變化,從而導致混凝土發生裂縫。因此,控制混凝土澆筑塊體因水化熱引起的溫升、混凝土澆筑塊體的內外溫差及降溫速度,是防止混凝土出現有害的溫度裂縫的關鍵問題。

大體積混凝土溫度裂縫的基本控制措施分為設計措施、施工措施和監測措施。隨著材料科學的發展和施工技術的完善,現場大體積混凝土的施工積累了不少經驗,如留永久性變形縫或伸縮縫、用蛇形冷卻水管來降低大體積混凝土內部溫度、采用液態氮降低混凝土入模溫度以及使用微膨脹混凝土減緩干縮等等。綜上所述,為防止裂縫、減輕溫度應力,主要應從控制溫度和改善約束條件兩個方面著手。

1 控制溫度的措施

(1)采用改善骨料級配,用干硬性混凝土,摻混合料,加引氣劑或塑化劑等措施以減少混凝土中的水泥用量;

(2)拌和混凝土時加水或用水將碎石冷卻以降低混凝土的澆筑溫度;

(3)熱天澆筑混凝土時減少澆筑厚度,利用澆筑層面散熱;

(4)在混凝土中埋設水管,通入冷水降溫;

(5)規定合理的拆模時間,氣溫驟降時進行表面保溫,以免混凝土表面發生急劇的溫度梯度;

(6)施工中長期暴露的混凝土澆筑塊表面或薄壁結構,在寒冷季節采取保護措施;

(7)使用低熱或中熱水泥。水泥的主要發熱成分是鋁酸三鈣和硅酸三鈣,制造時適當降低這兩種成分的含量即可降低其水化熱。

2 改善約束條件的措施

(1)合理地分縫分塊;

(2)避免基礎過大起伏;

(3)合理的安排施工工序,避免過大的高差和側面長期暴露。

此外,改善混凝土的性能,提高抗裂能力,加強養護,防止表面干縮,特別是保證混凝土的質量對防止裂縫的十分重要,應特別注意避免產生貫穿裂縫,出現后要恢復其結構的整體性是十分困難的,因此施工中應以預防貫穿性裂縫的發生為主。

根據以上述分析,大體積混凝土在三個階段產生的溫度應力均與內外部的溫差有關,因此,有效的控制混凝土內外溫差,就成為了有效控制溫度應力的關鍵。對此,《混凝土結構工程施工及驗收規范》曾作了如下要求“大體積混凝上表面和內部溫差應控制在設計要求的范圍內,當設計無具體要求時,溫差不宜超過 25℃”,并對澆筑溫度也作了“不宜超過28℃”的規定。對于大體積混凝土的溫差控制一般從三方面著手：第一是控制混凝土的絕對發熱量;第二是采取有效措施降低混凝土內外溫差;第三是改善周圍的約束條件,改進配筋狀況,減小裂縫寬度。所以,要真正實現大體積混凝土的質量控制,則應從原材料、設計、施工等各個環節抓起。

總之,大體積混凝土中產生裂縫有多種原因,主要是溫度和濕度的變化,混凝土的脆性和不均勻性,以及結構不合理,原材料不合格,模板變形,基礎不均勻沉降等。為了保證建筑物和構件的安全,我們一方面要從控制溫度、改變約束、降低溫度著手,另一方面應可能設法提高混凝土的抗裂性能。只有在施工中采取以上行之有效的措施,才能控制裂縫的出現或延伸,進而保證建筑物安全、穩定的工作。

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2010-04-15