大體積混凝土裂縫控制研究

王東東

（三門(mén)峽職業(yè)技術(shù)學(xué)院，472000）

大體積混凝土裂縫控制研究

王東東

（三門(mén)峽職業(yè)技術(shù)學(xué)院，472000）

隨著混凝土的廣泛應(yīng)用和建筑規(guī)模的擴(kuò)大化，混凝土凝結(jié)固化時(shí)產(chǎn)生的水化熱是大體積混凝土產(chǎn)生裂縫的主要原因之一，所以大體積混凝土裂縫控制是現(xiàn)澆工程中重要內(nèi)容之一，主要包括：溫度裂縫的成因分析、裂縫控制措施。本文將對(duì)大體積混凝土裂縫產(chǎn)生的原因及防治措施進(jìn)行研究，希望能為施工提供幫助。

大體積混凝土；水化熱；裂縫控制

0 概述

我國(guó)《大體積混凝土施工規(guī)范》GB50496-2009規(guī)定：混凝土結(jié)構(gòu)物實(shí)體最小幾何尺寸不小于1m的大體量混凝土，或預(yù)計(jì)會(huì)因混凝土中膠凝材料水化引起的溫度變化和收縮而導(dǎo)致有害裂縫產(chǎn)生的混凝土，稱(chēng)之為大體積混凝土。

現(xiàn)代建筑由于地價(jià)及建筑規(guī)模的擴(kuò)大化，大量建筑涉及到大體積混凝土施工，如高層建筑基礎(chǔ)、大型設(shè)備基礎(chǔ)、水利大壩等。它們主要的特點(diǎn)就是體積大，一般實(shí)體最小尺寸大于或等于1m，但是，其表面系數(shù)比較小，水泥水化熱釋集中混凝土內(nèi)容，造成內(nèi)部升溫比較快。根據(jù)相關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，水泥的水化熱大致在200-400kj/kg，由于混凝土屬于絕熱材料，故水化熱可導(dǎo)致混凝土溫度上升30-40℃，在加上自身原有的溫度，混凝土中最高溫度可達(dá)60-70℃，造成混凝土內(nèi)部拉應(yīng)力增加，當(dāng)其超過(guò)混凝土抗拉強(qiáng)度時(shí)，會(huì)使混凝土產(chǎn)生溫度裂縫，影響結(jié)構(gòu)安全和正常使用。所以必須從根本上分析它，來(lái)保證施工的質(zhì)量。

1 大體積混凝土產(chǎn)生裂縫的原因

1.1 水泥在凝結(jié)硬化屬于放熱的化學(xué)反應(yīng)。大體積混凝土構(gòu)件一般斷面較大，水化產(chǎn)生的熱量集聚在結(jié)構(gòu)物內(nèi)不易散失。通過(guò)試驗(yàn)，水泥的水化熱大致在200-400kj/kg，在建筑工程中易造成構(gòu)件升溫達(dá)20-30℃，有時(shí)更高。

由于混凝土屬于絕熱材料，其導(dǎo)熱性較差，而澆筑初期的混凝土其強(qiáng)度和彈性模量都很低，對(duì)水化熱造成的升溫影響不大，相應(yīng)的溫度應(yīng)力也較小。隨著混凝土齡期的增長(zhǎng)，強(qiáng)度和彈性模量的升高，對(duì)砼降溫收縮的影響越來(lái)越大，以致混凝土內(nèi)部產(chǎn)生很大的拉應(yīng)力。當(dāng)產(chǎn)生的拉應(yīng)力超過(guò)混凝土的抗拉輕度時(shí)，便開(kāi)始出現(xiàn)溫度裂縫。

1.2 施工質(zhì)量問(wèn)題

在施工之前，沒(méi)有做好好充分的準(zhǔn)備工作，包括：對(duì)材料（砂、石）的含泥量控制不合格、場(chǎng)地的灑水處理、施工場(chǎng)地的清理沒(méi)有做到位，在施工過(guò)程中，沒(méi)有嚴(yán)格按照標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行澆筑，振搗的不密實(shí)，在施工結(jié)束后，沒(méi)有注意養(yǎng)護(hù)工作，都會(huì)造成裂縫的產(chǎn)生

1.3 外界溫度的變化

在大體積混凝土施工階段，外界溫度對(duì)其影響是非常明顯的。如外界的溫度越高，混凝土的澆筑溫度也越高；而外界氣溫下降，又增加混凝土的表面降溫速度，造成混凝土外部和內(nèi)部的溫差增大，這都會(huì)造成裂縫的產(chǎn)生。所以，合理的溫度控制，對(duì)防止混凝土產(chǎn)生過(guò)大的溫差，從而防止出現(xiàn)溫度裂縫是非常重要的。

1.4 混凝土的收縮變形

混凝土中除23%的水分是水化必須外，其余77%的水分都要蒸發(fā)。多余水分的散失會(huì)導(dǎo)致混凝土體積出現(xiàn)干縮，可造成混凝土的開(kāi)裂，并隨時(shí)間的增長(zhǎng)而發(fā)展。混凝土的收縮機(jī)理比較復(fù)雜，其最主要原因，可能是內(nèi)部孔隙水變化時(shí)引起的毛細(xì)管引力[1]。收縮是可逆現(xiàn)象，即如果混凝土干縮后，再吸水飽和，還可能恢復(fù)到原有的體積。但這種干濕循環(huán)引起的混凝土體積的循環(huán)變化對(duì)混凝土是不利的。

2 大體積混凝土裂縫控制措施

根據(jù)上述分析，大體積混凝土產(chǎn)生裂縫的主要原因是溫度、施工環(huán)境和施工組織不良所造成的，所以針對(duì)大體積混凝土的裂縫控制主要從溫度的控制、良好的施工組織來(lái)進(jìn)行。

2.1 溫度控制

2.1.1 材料的合理選擇

為降低混凝土內(nèi)部的水化熱，宜優(yōu)先選用水化熱低的水泥。在水泥的選擇上，應(yīng)該選擇中、低熱的硅酸鹽水泥、礦渣硅酸鹽水泥、火山或硅酸鹽水泥等，這樣的水泥在水化熱反映中所釋放的熱量相對(duì)較低[2]。并想方設(shè)法的降低水泥的用量，同時(shí)，應(yīng)選擇添加減水劑，從而減少水的用量，減少水分蒸發(fā)引起的干縮。

砂石的含泥量對(duì)混凝土的干縮和抗拉輕度都有直接的影響，含泥量過(guò)大會(huì)降低混凝土的抗拉強(qiáng)度，會(huì)引起構(gòu)件的嚴(yán)重開(kāi)裂，故應(yīng)嚴(yán)格控制砂石的含泥量，一般工程中，砂的含泥量應(yīng)不大于2%，石的含泥量不大于1%。

2.1.2 調(diào)整混凝土骨料級(jí)配和粒徑

盡可能增大骨料的最大粒徑，因?yàn)椋皆酱螅橇系目紫抖群捅砻娣e就越小，混凝土所用的水泥量就越小。同時(shí)，石塊本身有吸收熱量的能力，可使產(chǎn)生的水化熱進(jìn)一步減少。但須注意的是如果粗骨料的粒徑過(guò)大，會(huì)對(duì)混凝土澆筑工藝產(chǎn)生影響，所以，規(guī)范規(guī)定：粗骨料的最大粒徑不得超過(guò)構(gòu)件截面最小尺寸的1/4，也不得大于鋼筋最小凈距的 3/4.假如采用泵送混凝土施工，其骨料最大粒徑不得超過(guò)泵管管徑的1/3.同時(shí)，混凝土的級(jí)配應(yīng)選擇連續(xù)級(jí)配，連續(xù)級(jí)配的骨料可增加混凝土的密實(shí)性，從而提高混凝土的抗拉強(qiáng)度，減少收縮。

2.1.3 摻加料、外加劑的合理選擇

除上述所說(shuō)的減少劑外，在施工過(guò)程中，還可以往混凝土拌合料中添加粉煤灰、膨脹劑。

粉煤灰水化熱遠(yuǎn)小于水泥，7天約為水泥的1/3，28天約為水泥的1/2[3]。且大體積混凝土對(duì)強(qiáng)度通常要求較低，可用粉煤灰代替一部分水泥用量，這可減少水泥用量，從而達(dá)到減少水化熱，同時(shí)，還可減少混凝土的體積干縮，有利于防止開(kāi)裂。粉煤灰對(duì)堿集料反應(yīng)有抑制作用從而防止因此而發(fā)生的開(kāi)裂；膨脹劑可是混凝土在硬化時(shí)產(chǎn)生微膨脹，可來(lái)補(bǔ)償混凝土的收縮，可延遲混凝土收縮過(guò)程，使混凝土有充分的時(shí)間來(lái)增強(qiáng)其抗壓和抗拉強(qiáng)度，來(lái)抵抗收縮應(yīng)力的作用，同時(shí)，膨脹節(jié)可提高抗?jié)B性和改善泌水性。

2.1.4 降低混凝土入模溫度

1）可在骨料堆放區(qū)和混凝土運(yùn)輸車(chē)上設(shè)置遮陽(yáng)棚，以降低太陽(yáng)輻射所造成的溫度升高。

2）在拌制混凝土?xí)r可采用冰水?dāng)嚢瑁辉谏啊⑹橇蟼}(cāng)四周鋪設(shè)水管，用水管?chē)娝F降低砂、石骨料溫度。

3）在地斗上料口輸送帶面加裝水管?chē)娝F降溫。

4）使用大型水泥庫(kù)儲(chǔ)存水泥，避免水泥即進(jìn)即用，防止水泥溫度過(guò)高。

5）在水泥罐泵管表面設(shè)冷卻水管，盡量降低水泥溫度。

6）水泥及摻合料輸送泵管、缸體外表面保持淋水降溫；對(duì)水泥及摻合料盡量貯存時(shí)間長(zhǎng)點(diǎn)再使用，以便更有效地降低水泥及摻合料溫度。

2.2 良好的施工組織

2.2.1 配合比的設(shè)計(jì)

混凝土配合比設(shè)計(jì)時(shí)，在保證混凝土具有良好性的情況下，盡可能的降低混凝土的單位用水量，采用“三低(低砂率、低坍落度、低水膠比)二摻(摻高效減水劑和高性能引氣劑)一高(高粉煤灰摻量)”的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，生產(chǎn)出“高強(qiáng)、高韌性、中彈、低熱和高極拉值”的抗裂混凝土[4]。減少水泥用量即可減少產(chǎn)生的水化熱，又可降低工程造價(jià)。設(shè)計(jì)混凝土配合比時(shí)，應(yīng)注意下面幾點(diǎn)：

1)選擇合理的水泥品牌和標(biāo)號(hào)

2)為改善和易性，應(yīng)考慮摻入摻加料和外加劑

3)選擇連續(xù)級(jí)配的粗細(xì)骨料且選用粒徑較大的骨料用量。

2.2.2 混凝土的澆筑與振搗

1）為有效降低大體積混凝土的內(nèi)外溫差，在大體積混凝土施工中經(jīng)常采用分塊澆筑。分塊澆筑又可分為分段調(diào)倉(cāng)澆筑法和分層澆筑法兩種[5]。分層澆筑法目前有全面分層法、分段分層法和斜面分層法，見(jiàn)圖1。

圖1 混凝土澆筑方法

a.全面分層。在整個(gè)基礎(chǔ)內(nèi)全面分層澆筑混凝土，要求第一層全面澆筑完畢澆筑第二層時(shí)，第一層澆筑的混凝土還未初凝，如此逐層進(jìn)行，直至澆筑好。這種方案適用于結(jié)構(gòu)的平面尺寸不太大，施工時(shí)從短邊開(kāi)始，沿長(zhǎng)邊進(jìn)行較適宜。

b.分段分層。適宜于厚度不太大而面積或長(zhǎng)度較大的結(jié)構(gòu)。混凝土從底層開(kāi)始澆筑，進(jìn)行一定距離后澆筑第二層，如此依次向前澆筑以上各分層。

c.斜面分層。適用于結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)度超過(guò)厚度的3倍，振搗工作應(yīng)從澆筑層的下端開(kāi)始，逐漸上移，以保證混凝土施工質(zhì)量。

2）對(duì)澆筑的混凝土采用二次振搗的形式，可提高混凝土與鋼筋的粘結(jié)應(yīng)力，防止混凝土因沉落而出現(xiàn)的裂縫，減少內(nèi)部裂縫，爭(zhēng)強(qiáng)混凝土的密實(shí)性，進(jìn)而提高抗裂性。而二次振搗的時(shí)間是指混凝土振搗后還能恢復(fù)到塑性狀態(tài)的時(shí)間，所以，在確定振搗時(shí)間時(shí)，應(yīng)考慮技術(shù)上的合理，同時(shí)也要滿足施工的操作時(shí)間，避免出現(xiàn)“冷接頭”的質(zhì)量問(wèn)題。

2.2.3 設(shè)置后澆帶

目前，世界上大多數(shù)國(guó)家均采用設(shè)置后澆帶的方法控制裂縫。新澆混凝土在硬化過(guò)程中會(huì)收縮。混凝土的大部分硬化收縮將在施工后的前1～2個(gè)月完成，而溫度變化對(duì)構(gòu)件的作用則是長(zhǎng)期的。當(dāng)其收縮受到約束時(shí)，在結(jié)構(gòu)內(nèi)部就會(huì)產(chǎn)生溫度應(yīng)力，應(yīng)力超過(guò)混凝土抗拉強(qiáng)度時(shí)，構(gòu)件就會(huì)產(chǎn)生裂縫。在施工中后澆帶設(shè)置的位置，是在過(guò)長(zhǎng)的建筑物中，每隔30～40m設(shè)寬度為700～1000mm的縫，縫內(nèi)鋼筋采用直通加彎或搭接做法，鋼筋可斷開(kāi)，也可不斷，前者施工麻煩。留出后澆帶后，施工過(guò)程中混凝土可以自由收縮，從而大大減少了收縮應(yīng)力。混凝土的抗拉強(qiáng)度可以大部分用來(lái)抵抗溫度應(yīng)力，提高結(jié)構(gòu)抵抗溫度變化的能力。后澆帶留置時(shí)間一般不少于一個(gè)月，在此期間，收縮變形可完成 30%～40%。后澆帶的澆筑時(shí)間宜選擇氣溫較低（但應(yīng)為0℃以上）時(shí)，后澆帶混凝土采用比縫兩側(cè)混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)提高一級(jí)的微膨脹混凝土澆灌并振搗密實(shí)，且加強(qiáng)養(yǎng)護(hù)，其養(yǎng)護(hù)時(shí)間不得少于28天，防止新老混凝土之間出現(xiàn)裂縫，形成薄弱部位。

2.2.4 加強(qiáng)混凝土的保濕保溫養(yǎng)護(hù)

早期保濕養(yǎng)護(hù)不足對(duì)混凝土的強(qiáng)度發(fā)展和耐久性都是不利的。所以，在混凝土澆筑完畢后，必須在12小時(shí)之內(nèi)對(duì)其進(jìn)行保濕養(yǎng)護(hù)，不斷在其表面進(jìn)行補(bǔ)水，保證水分的充足。補(bǔ)水的方式有很多，如淋水、鋪設(shè)濕麻袋、濕砂層或草簾子，最好采用塑料薄膜養(yǎng)護(hù)，這樣既可滲入，有能起到保濕作用。當(dāng)然，保濕養(yǎng)護(hù)的時(shí)間越長(zhǎng)越好，但考慮到施工的影響，一般不應(yīng)少于15天，重要構(gòu)件不得少于一個(gè)月。

保溫養(yǎng)護(hù)是指在澆筑的混凝土表面或四周模板外覆蓋保溫材料（如濕砂、草袋、鋸末、塑料薄膜、棉被等）進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，以減緩混凝土表面降溫速度。在大體積混凝土施工中，采用保溫養(yǎng)護(hù)應(yīng)注意材料的覆蓋時(shí)間，在溫度較高夏季，對(duì)剛澆筑好的混凝土不能立即包裹保溫材料，其原因是覆蓋后降低不利于混凝土內(nèi)部的最高溫度，增加了后期開(kāi)裂的可能。若溫度較低使，對(duì)剛澆筑的混凝土應(yīng)立即進(jìn)行覆蓋養(yǎng)護(hù)，保溫養(yǎng)護(hù)適宜的施工溫度在10～30℃，這樣可取的最好的經(jīng)濟(jì)效益。在保濕保溫養(yǎng)護(hù)時(shí)，養(yǎng)護(hù)工作應(yīng)符合下列規(guī)定：

1）保溫養(yǎng)護(hù)措施應(yīng)使混凝土澆筑塊體的內(nèi)外溫差及降溫速度滿足溫控指標(biāo)的要求；

2）保溫養(yǎng)護(hù)的持續(xù)時(shí)間應(yīng)根據(jù)溫度應(yīng)力(包括混凝土收縮產(chǎn)生的應(yīng)力)加以控制，但不得少于15天，保溫層的拆除應(yīng)分層逐步進(jìn)行；

3）在保溫養(yǎng)護(hù)過(guò)程中，應(yīng)在混凝土表面先覆蓋一層薄膜，保證水分不散失，并在薄膜下灑水保持混凝土表面的濕度。

3 總結(jié)

本文初步探討了大體積混凝土在施工中裂縫的成因，并繼而從材料的選擇、骨料的質(zhì)量要求、外加劑和摻加料的選用、入模溫度的控制、配合比的選擇、混凝土澆筑、振搗和養(yǎng)護(hù)方面對(duì)大體積混凝土的裂縫控制進(jìn)行了研究。根據(jù)以上內(nèi)容，對(duì)大體積混凝土的裂縫控制進(jìn)行了總結(jié)并提出了一下建議，希望對(duì)其他同行在施工時(shí)有參考作用。

[1]許文忠.大體積混凝土基礎(chǔ)溫度裂縫控制施工技術(shù)研究.上海：同濟(jì)大學(xué)土木工程學(xué)院橋梁工程系.2007：8-9

[2] 楊亞斌.基礎(chǔ)大體積混凝土裂縫控制.建筑·技術(shù)，2014（06）.

[3] 史風(fēng)香.大體積混凝土裂縫控制研究.武漢：武漢理工大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院.2003：13-14

[4]王良榮.大體積混凝土裂縫產(chǎn)生的原因與防治技術(shù)措施.施工技術(shù).2014（05）

[5] 楊俊華.胡杰.大體積混凝土裂縫控制技術(shù)初探.淮海工學(xué)院學(xué)報(bào)2002（06）.

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1007-6344（2015）08-0269-02