溫度引起的混凝土裂縫分析與控制

張向禮 中鐵二十二局集團(tuán)有限公司，北京 100043

溫度引起的混凝土裂縫分析與控制

張向禮 中鐵二十二局集團(tuán)有限公司，北京 100043

通過(guò)混凝土溫度計(jì)算，分析溫度裂縫產(chǎn)生的原因及控制措施，介紹了幾種常用的裂縫防治方法，建立了大體積混凝土溫度發(fā)展曲線。

混凝土;溫度裂縫;裂縫控制

concrete; Temperature crack; Crack control

1、前言

在混凝土施工過(guò)程中我們經(jīng)常會(huì)發(fā)現(xiàn)微小的裂縫，引起混凝土裂縫的原因很多，其中溫度是引起裂縫的一個(gè)重要原因。如何防止溫度裂縫產(chǎn)生，如何解決好混凝土施工裂縫的控制已經(jīng)是施工管理人員和技術(shù)人員迫切需要解決的技術(shù)難題。目前大體積混凝土施工過(guò)程中，出現(xiàn)裂縫現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生，如果控制不好，就會(huì)對(duì)整個(gè)工程質(zhì)量造成很大的影響，就會(huì)存在很大的安全隱患。對(duì)于大體積混凝土解釋不盡相同，國(guó)標(biāo)定義是：混凝土結(jié)構(gòu)實(shí)體最小幾何尺寸不小于1m，體積大于1000m3，或預(yù)計(jì)混凝土中水泥水化熱引起溫度和收縮而導(dǎo)致有害裂縫產(chǎn)生的混凝土工程，都稱之為大體積混凝土[1]。鐵標(biāo)定義:“混凝土結(jié)構(gòu)實(shí)體最小尺寸等于或大于1m,或易由溫度引起裂縫的混凝土，稱為大體積混凝土[2]”。我國(guó)公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范的定義是：“現(xiàn)場(chǎng)澆筑的最小邊尺寸為1～3m且必須采取措施以避免水化熱引起的溫差超過(guò)25℃的混凝土稱為大體積混凝土[3]?！彪m然對(duì)于大體積混凝土的解釋不盡相同，但是我們發(fā)現(xiàn)一個(gè)共同問(wèn)題就是大體積混凝土更容易產(chǎn)生有害裂縫，而且溫度對(duì)裂縫的影響至關(guān)重要，控制好溫度，就等于消除裂縫產(chǎn)生的一個(gè)根源，我們以工程實(shí)例分析溫度裂縫產(chǎn)生的原因及裂縫的控制。

2、工程實(shí)例

前扶鐵路東發(fā)大橋采用簡(jiǎn)支梁橋跨結(jié)構(gòu)，梁部采用跨度32m的預(yù)應(yīng)力混凝土梁，共11孔，標(biāo)準(zhǔn)圖號(hào)采用“前撫施-橋-16”。橋墩采用圓端形實(shí)體墩，設(shè)護(hù)面鋼筋，橋臺(tái)采用T型橋臺(tái)，墩臺(tái)基礎(chǔ)均采用φ100cm的鉆孔灌注樁基礎(chǔ)。

3、混凝土施工理論溫度計(jì)算及真實(shí)溫度檢測(cè)

橋墩混凝土設(shè)計(jì)為C35混凝土，理論配合比設(shè)計(jì)如下：

水泥：水：砂：碎石：普通減水劑

425 ：198 ：773 :1004 :4.25

該橋墩采取泵車澆灌施工工藝，拆模后出現(xiàn)了表面裂縫，裂縫出現(xiàn)位置基本處于墩柱圓端與直端變截面處靠近直端一側(cè)，長(zhǎng)度0.5～3m不等，如圖1所示。

圖1 墩柱立面

裂縫的出現(xiàn)立即引起業(yè)主、監(jiān)理和施工單位的高度重視，施工單位立即進(jìn)行分析研究，并安排進(jìn)行溫度監(jiān)測(cè)。

由于膠凝材料水化熱引起的混凝土內(nèi)部實(shí)際最高溫度與混凝土的絕熱溫升有關(guān)，下面通過(guò)理論計(jì)算和實(shí)際檢測(cè)找出裂縫的原因。

3.1 水泥水化熱:

Q0每公斤水泥28天的累計(jì)水化熱，咨詢水泥廠家

k1—粉煤灰摻量對(duì)應(yīng)的水化熱調(diào)整系數(shù)

k2—礦渣粉摻量對(duì)應(yīng)的水化熱調(diào)整系數(shù)

注：表中摻量為摻和料占總膠凝材料的百分?jǐn)?shù)

由于當(dāng)?shù)氐姆勖夯液茈y買到，價(jià)格有比較昂貴，所以當(dāng)時(shí)沒(méi)有摻加粉煤灰和礦粉等外摻料，膠凝材料溫度計(jì)算如下：

3.2 混凝土溫度計(jì)算

3.2.1 混凝土的絕熱溫升：

W—每m3混凝土的水泥用量(kg/m3)，設(shè)計(jì)配比為425kg/m3

C—混凝土比熱 980J/(kg·℃)

ρ—混凝土容重 2400kg/m3

t—混凝土齡期(天)

m—常數(shù)，與水泥品種，澆注時(shí)溫度有關(guān)

3.2.2 混凝土中心溫度

式中：Tmax—混凝土中心溫度(℃)

T(j)—混凝土澆注溫度(℃)

ζ 1—不同澆注混凝土塊厚度的溫度系數(shù)，對(duì)3m厚混凝土為0.68

ζ 2—不同齡期水化熱溫升與澆筑塊厚度關(guān)系系數(shù)，對(duì)3m厚混凝土3天時(shí)為0. 68

混凝土澆注溫度T(j)=Tc+( Tp －Tc) ×(A1+A2+A3…+An)

式中：Tc—混凝土拌和溫度(它與各種材料比熱及初溫度有關(guān))

按多次測(cè)量資料，有日照時(shí)混凝土拌和溫度比氣溫高5～7℃，無(wú)日照時(shí)，混凝土拌合溫度比氣溫高2～3℃，按3℃計(jì)。

Tp—混凝土澆筑時(shí)的室外溫度(六月下旬，當(dāng)?shù)厥彝馄骄鶞囟劝?0℃計(jì))

A1+A2+A3…+An—溫度損失系數(shù)，查《大體和混凝土施工》P33表3—4得

A1—混凝土裝卸，每次A=0.032(裝料出料兩次數(shù))

A2—混凝土運(yùn)輸時(shí)A=Q×t,其中Q為6m3滾動(dòng)式攪拌車其溫升為0.0042，混凝土泵送不計(jì)。t為運(yùn)輸時(shí)間(以分鐘計(jì))從混凝土攪拌站到工地15分鐘。

從混凝土溫度計(jì)算得知，在混凝土澆筑后混凝土內(nèi)部實(shí)際溫升為54.2℃，比室外氣溫(20℃)高出34.2℃，必須采取相應(yīng)措施，防止大體積混凝土因溫差過(guò)大產(chǎn)生裂縫。

3.3 分析：通過(guò)對(duì)溫度監(jiān)測(cè)，實(shí)測(cè)混凝土內(nèi)部最高溫度達(dá)59℃，混凝土溫度峰值出現(xiàn)在混凝土澆筑后第三天，溫度發(fā)展曲線如圖2。

圖2 溫度發(fā)展曲線圖

凝土初凝時(shí)間為5小時(shí)20分鐘，終凝為6小時(shí)25分鐘。由于裂縫發(fā)生在墩身變截面處，另對(duì)變截面處溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，測(cè)點(diǎn)布置如圖3。

圖3 測(cè)點(diǎn)布置

經(jīng)過(guò)監(jiān)測(cè)1點(diǎn)3天時(shí)溫度為57℃,2點(diǎn)3天時(shí)溫度為52℃，實(shí)測(cè)溫差為5℃。

通過(guò)分析，認(rèn)為裂縫主要為溫度裂縫，并伴有干縮收縮裂縫。在變截面處存在溫度梯度,所以裂縫出現(xiàn)在變截面處.經(jīng)檢測(cè)裂縫寬度均在0.2mm以下，深度在2～4cm之間。

4、裂縫產(chǎn)生原因分析和采取的控制措施

4.1 裂縫產(chǎn)生原因分析

4.1.1 水泥水化熱。水泥水化反應(yīng)是放熱過(guò)程，混凝土結(jié)構(gòu)在硬化期間產(chǎn)生大量水化熱，而水化熱的產(chǎn)生主要集中在初期，這使得混凝土內(nèi)部溫度不斷上升，在缺乏保溫措施的情況下，混凝土表面熱量散失較快，溫度接近環(huán)境溫度，使得混凝土表面和內(nèi)部溫差很大，混凝土內(nèi)部膨脹高于外部，此時(shí)混凝土表面受到很大的拉應(yīng)力，而混凝土早期抗拉強(qiáng)度很低，因而出現(xiàn)裂縫[4]。

4.1.2 干燥收縮?；炷涟韬退杏?80%的自由水要蒸發(fā)，自由水的逸散一般不引起收縮，但混凝土過(guò)于干燥而形成吸附水脫水時(shí)，其伴生的干縮卻是不容忽視的。厚大結(jié)構(gòu)的表面干燥收縮快，中心干燥收縮慢，表面的干縮受到中心部的約束，將在表面產(chǎn)生拉應(yīng)力，這往往也會(huì)促使裂縫產(chǎn)生[5]。

4.1.3 外界溫度。外界氣溫愈高，混凝土的澆灌溫度也愈高，這對(duì)控制溫升是有利的。而外界氣溫劇降，則會(huì)大大增加混凝土表面與內(nèi)部的溫度梯度，這樣就會(huì)產(chǎn)生不利因素?？傊?，氣溫的劇變將會(huì)危害大體積混凝土的質(zhì)量。

4.2 經(jīng)過(guò)分析對(duì)混凝土質(zhì)量控制提出以下途徑：

4.2.1 選用合格的原材料，優(yōu)化混凝土配合比,用等量替代的辦法減少水泥用量,摻加粉煤灰。

4.2.2 降低水化放熱和控制混凝土的內(nèi)外溫差。

4.2.3 摻加外加劑，減緩混凝土凝結(jié)時(shí)間，提高混凝土整體性能。

4.2.4 對(duì)大體積混凝土采取分層澆灌，分層厚度一般為 80cm～ 100cm，這樣可加速散熱減少混凝土硬化中的水化熱，降低內(nèi)外溫差，避免溫差應(yīng)力引起的裂縫。

4.2.5 防止因早期干縮而產(chǎn)生裂縫。澆筑完畢后要及時(shí)覆蓋，并蓄水養(yǎng)護(hù)，保持表面經(jīng)常濕潤(rùn)，應(yīng)注意水養(yǎng)護(hù)時(shí)表面與內(nèi)部溫差不得超過(guò) 25℃，否則，必須覆蓋塑料薄膜和保溫材料，以起到既保水又保溫的效果。

4.3 結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，綜合考慮，經(jīng)過(guò)進(jìn)一步優(yōu)化分析，采取的具體措施如下：

4.3.1 嚴(yán)格控制砂、石材料的質(zhì)量，特別是級(jí)配和含泥量指標(biāo)。選用5～31.5連續(xù)級(jí)配碎石，細(xì)度模數(shù)2.6～3.0中砂，砂含泥量控制在2%以內(nèi),石含泥量控制在1%以內(nèi)，并不得混有有機(jī)質(zhì)等雜物，以提高水泥石的黏結(jié)力，提高抗拉強(qiáng)度。

4.3.2 采用聚羧酸減水劑，減少水泥用量,延遲水泥的水化速度，降低混凝土內(nèi)部的溫度峰值[6,7,8,9]。

4.3.3 選用優(yōu)質(zhì)摻和料。由于水泥為甲供材料，只有普通硅酸鹽水泥可供選擇，故在混凝土中摻入適量粉煤灰，以減少水泥水化熱，降低內(nèi)部溫度。采用等量取代法，摻量為20%,配合比如下：

水泥：水：砂：石：粉煤灰：聚羧酸

324 ：159 ：734 ：1102 ：81：4.46

實(shí)測(cè)摻加聚羧酸減水劑和粉煤灰的混凝土初凝時(shí)間為10小時(shí)25分鐘，終凝為11小時(shí)35分鐘，溫度發(fā)展曲線如圖4。

圖4 溫度發(fā)展曲線圖

對(duì)比圖2可見(jiàn)混凝土溫度峰值出現(xiàn)的時(shí)間推遲，峰值也相應(yīng)降低。

實(shí)測(cè)摻加粉煤灰和聚羧酸減水劑后,混凝土內(nèi)部最高溫度為45℃，溫度峰值大幅降低。

4.3.4 嚴(yán)格控制混凝土的坍落度，確?；炷临|(zhì)量均勻。

4.3.5 嚴(yán)格控制混凝土的入模溫度

大體積混凝土最好在春秋季施工，夏季施工要避開(kāi)中午溫度高峰期。施工過(guò)程中應(yīng)對(duì)砂、石材料灑水降溫，保證水泥庫(kù)通風(fēng)良好，拌和水采用地下水。

4.3.6 改進(jìn)混凝土施工技術(shù)

泵車要做到在墩柱全斷面內(nèi)均勻布料，保證混凝土均勻，消除骨料離析現(xiàn)象。采取分層澆灌，控制混凝土澆筑速度，加強(qiáng)振搗工藝，使混凝土內(nèi)部氣泡充分排出，提高混凝土密實(shí)性。在混凝土初凝前進(jìn)行二次抹壓以消除初期裂縫[10]。

4.3.7 采取保溫措施，加強(qiáng)混凝土養(yǎng)護(hù)工作。

混凝土澆筑完成后，在模板外側(cè)采用土工布包裹，土工布灑水澆濕，在土工布外側(cè)用塑料薄膜包裹嚴(yán)密，既做到保濕又起到很好的保溫效果，減小了混凝土的內(nèi)外溫差。

4.3.8 加強(qiáng)混凝土的測(cè)溫工作

為及時(shí)掌握混凝土內(nèi)部溫升與表面溫度的變化情況，對(duì)混凝土設(shè)計(jì)專門的測(cè)溫方案，采取專人負(fù)責(zé)，建立混凝土的測(cè)溫曲線，以指導(dǎo)混凝土施工。在混凝土內(nèi)部溫度下降速率緩和，內(nèi)外溫差值在25℃以下時(shí)方可拆模。根據(jù)實(shí)際監(jiān)測(cè)情況，現(xiàn)場(chǎng)拆模一般控制在4天后進(jìn)行。

5、結(jié)束語(yǔ)

大體積混凝土裂縫是混凝土結(jié)構(gòu)中普遍存在的一種現(xiàn)象，裂縫產(chǎn)生不是不可控制的，只要遵循科學(xué)規(guī)律采取適當(dāng)?shù)姆椒?，可以控制裂縫的產(chǎn)生甚至消除裂縫。溫度是混凝土產(chǎn)生裂縫的一個(gè)主要原因，我們?cè)谑┕み^(guò)程中盡可能地控制溫度，通過(guò)調(diào)整大體積混凝土施工時(shí)間，調(diào)整施工工藝，加強(qiáng)混凝土原材料控制等辦法，我覺(jué)得對(duì)混凝土裂縫控制會(huì)起到很大的作用。

[1]中華人民共和國(guó)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.中華人民共和國(guó)質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局. GB50496-2009大體積混凝土施工規(guī)范[S].北京:中國(guó)計(jì)劃出版社.2009

[2]中華人民共和國(guó)鐵道部.TB10424—2003.鐵路混凝土與砌體工程施工質(zhì)量驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)

[S].北京:中國(guó)鐵道出版社.2004

[3]中華人民共和國(guó)交通部. JTJ 041-2000.公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范[S].北京:人民交通出版社.2000

[4]胡如進(jìn).水泥水化熱對(duì)混凝土早期開(kāi)裂的影響[J].水泥.2007(04)

[5]楊長(zhǎng)輝，王川，吳芳，黃洪勝，劉本萬(wàn).混凝土強(qiáng)度和干燥收縮預(yù)測(cè)模型的研究[J].重慶建筑大學(xué)學(xué)報(bào).2003(3)

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[9]何廷樹(shù).混凝土外加劑[M].西安：陜西技術(shù)出版社.2003

[10]李效華,韓全章,龔平.基礎(chǔ)大體積混凝土裂縫控制實(shí)踐[J].混凝土.2006(4):77-78

Temperature crack analysis and caused crack control

Zhang xiangli China railway 22th bureau group Co., LTD.,Beijing 100043,china

Through the concrete temperature calculation, Analysis the reason and the temperature crack control measures, This paper introduces some common methods of crack prevention, Build a big volume concrete temperature development curve.

TU528.07

A

10.3969/j.issn.1001-8972.2011.11.043

張向禮 男，1978年出生，工程師，2002年畢業(yè)于西南交通大學(xué)土工工程專業(yè)，學(xué)士學(xué)位；研究方向:混凝土配合比設(shè)計(jì)及施工方面。