淺談大體積混凝土裂縫成因及控制措施

1、    淺談大體積混凝土裂縫成因及控制措施    翟長林【摘 要】混凝土的裂縫問題是一個普遍存在而又難于解決的工程實際問題，其產(chǎn)生的原因很多，很復(fù)雜。本文主要從大體積混凝土裂縫概念出發(fā)，以混凝土裂縫形成原因為基礎(chǔ)，對大體積混凝土產(chǎn)生裂縫的性質(zhì)和原因進(jìn)行較為詳細(xì)的敘述，著重介紹溫度裂縫形成原因，并進(jìn)一步闡述如何從設(shè)計、施工角度采取措施，減少大體積混凝土裂縫的形成。【關(guān)鍵詞】大體積混凝土；裂縫成因；控制措施0 概述混凝土建筑和構(gòu)件通常都是帶縫工作的，由于裂縫存在和發(fā)展通常會使內(nèi)部的鋼筋等材料產(chǎn)生腐蝕，降低鋼筋混凝土材料的承載能力、耐久性及抗?jié)B能力，影響建筑物

2、的外觀和使用壽命，嚴(yán)重者將會威脅到人們的生命和財產(chǎn)安全。大量的混凝土工程實踐證明，在混凝土工程中裂縫問題是不可避免的，在一定的范圍內(nèi)也是可以接受的，只是要采取有效的措施將其危害程度控制在一定的范圍之內(nèi)。在施工中應(yīng)盡量采取有效措施控制裂縫產(chǎn)生，使結(jié)構(gòu)盡可能不出現(xiàn)裂縫或盡量減少裂縫的數(shù)量和寬度，尤其要盡量避免有害裂縫的出現(xiàn)，從而確保工程質(zhì)量。1 混凝土裂縫的性質(zhì)與原因分析1.1 由外荷載（靜、動荷載）的直接應(yīng)力引起的裂縫直接應(yīng)力裂縫是指外荷載引起的直接應(yīng)力產(chǎn)生的裂縫。裂縫產(chǎn)生的原因有：1）設(shè)計計算階段：結(jié)構(gòu)計算時不計算或部分漏算；計算模型不合理；結(jié)構(gòu)受力假設(shè)與實際受力不符；荷載少算或漏算；內(nèi)力與配

3、筋計算錯誤；結(jié)構(gòu)安全系數(shù)不夠。結(jié)構(gòu)設(shè)計時不考慮施工的可能性；設(shè)計斷面不足；鋼筋設(shè)置偏少或布置錯誤；結(jié)構(gòu)剛度不足；構(gòu)造處理不當(dāng)；設(shè)計圖紙交代不清等。2）施工階段：不加限制地堆放施工機具、材料；不了解預(yù)制結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)受力特點，隨意翻身、起吊、運輸、安裝；不按設(shè)計圖紙施工，擅自更改結(jié)構(gòu)施工順序，改變結(jié)構(gòu)受力模式；不對結(jié)構(gòu)做機器振動下的疲勞強度驗算等。3）使用階段：超出設(shè)計載荷的重型車輛過橋；受車輛、船舶的接觸、撞擊；發(fā)生大風(fēng)、大雪、地震、爆炸等。1.2 由結(jié)構(gòu)次應(yīng)力引起的裂縫次應(yīng)力裂縫是指由外荷載引起的次生應(yīng)力產(chǎn)生裂縫。裂縫產(chǎn)生的原因有：1）在設(shè)計外荷載作用下，由于結(jié)構(gòu)物的實際工作狀態(tài)同常規(guī)計算有出入或

4、計算不考慮，從而在某些部位引起次應(yīng)力導(dǎo)致結(jié)構(gòu)開裂。2）混凝土結(jié)構(gòu)中經(jīng)常需要鑿槽、開洞、設(shè)置牛腿等，研究表明，受力構(gòu)件挖孔后，力流將產(chǎn)生繞射現(xiàn)象，在孔洞附近密集，產(chǎn)生巨大的應(yīng)力集中。在長跨預(yù)應(yīng)力連續(xù)梁中，經(jīng)常在跨內(nèi)根據(jù)截面內(nèi)力需要截斷鋼束，設(shè)置錨頭，而在錨固斷面附近經(jīng)?？梢钥吹搅芽p。因此，若處理不當(dāng)，在這些結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)角處或構(gòu)件形狀突變處、受力鋼筋截斷處容易出現(xiàn)裂縫。在設(shè)計上，應(yīng)注意避免結(jié)構(gòu)突變（或斷面突變），當(dāng)不能回避時，應(yīng)做局部處理，如轉(zhuǎn)角處做圓角，突變處做成漸變過渡，同時加強構(gòu)造配筋，轉(zhuǎn)角處增配斜向鋼筋，對于較大孔洞有條件時可在周邊設(shè)置護(hù)邊角鋼。1.3 溫度裂縫的性質(zhì)與原因分析大體積混凝土施工

5、階段所產(chǎn)生的溫度裂縫是其內(nèi)部矛盾發(fā)展的結(jié)果。一方面是混凝土由于內(nèi)外溫差而產(chǎn)生應(yīng)力和應(yīng)變，另一方面是結(jié)構(gòu)物的外部約束和混凝土各質(zhì)點間的約束，阻止這種應(yīng)變；一旦溫度應(yīng)力超過混凝土所能承受的抗拉強度時，即會出現(xiàn)裂縫，這種裂縫一般雖不會影響結(jié)構(gòu)的強度（裂縫寬度在規(guī)定范圍內(nèi)），但對混凝土的耐久性有所影響，因此必須對此加強重視和控制?，F(xiàn)將產(chǎn)生裂縫的主要原因分述如下：1）水泥水化熱是大體積混凝土中的主要因素，水泥在水化過程中要發(fā)出一定的能量。而大體積混凝土結(jié)構(gòu)物一般斷面較厚，水泥發(fā)出的熱量聚集在結(jié)構(gòu)內(nèi)部不易散失。通過實測大體積混凝土在澆筑后35d混凝土內(nèi)部溫度較高能達(dá)到70左右。由于混凝土導(dǎo)熱性能較差，澆筑

6、初期混凝土和彈性模量偏差，對水化熱引起的急劇溫升約束力不大，相應(yīng)的溫度應(yīng)力也就較小。隨著混凝土齡期的增長，混凝土的彈性模量增高，對混凝土內(nèi)部降溫收縮的約束力也就越來越大，以致產(chǎn)生很大的應(yīng)力。當(dāng)混凝土的抗拉強度不足以抵抗這種應(yīng)力時，開始出現(xiàn)溫度裂縫。2）外界氣溫變化的影響，大體積混凝土在施工階段，外界氣溫的變化影響是顯而易見的。外界氣溫越高，混凝土的澆筑溫度也愈高；而如外界溫度下降，又增加混凝土的降溫幅度，特別是氣溫驟降，會大大增加外層混凝土與內(nèi)部混凝土的溫度梯度，這對大體積混凝土是極為不利的。混凝土內(nèi)部的溫度是水化熱的絕熱溫度、澆筑溫度和結(jié)構(gòu)物的散熱溫降等各種溫度的疊加，而溫度應(yīng)力則是由溫差所

7、引起的溫度變形造成的；溫差愈大，溫度應(yīng)力就愈大。同時，在高溫條件下，大體積混凝土不易散熱，混凝土內(nèi)部溫度又較高并且有較大的延續(xù)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(nèi)外溫差引起的過大溫度應(yīng)力，就顯得更為重要。3）約束條件與溫度裂縫的關(guān)系，大體積混凝土由于溫度變化產(chǎn)生變形，而這種變形又受到約束，便產(chǎn)生應(yīng)力，這就是溫度變化引起的應(yīng)力狀態(tài)，而當(dāng)應(yīng)力超過某一數(shù)值，便引起裂縫。4）混凝土的收縮變形，混凝土中大部分水分要蒸發(fā)的，少部分水分是水泥硬化所必須的。混凝土水化作用時產(chǎn)生的體積變形稱為自生體積變形。該變形主要取決于膠凝材料的性質(zhì)，對于普通水泥混凝土來說大多數(shù)為收縮變形，少數(shù)為膨脹變形

8、?；炷恋氖湛s機理比較復(fù)雜，其主要原因，可能是內(nèi)部空隙水蒸發(fā)變化時引起的毛細(xì)管引力。收縮在很大程度上是有可逆現(xiàn)象的。如果混凝土收縮后，再處于水飽和狀態(tài)，還可以恢復(fù)膨脹并幾乎達(dá)到原有的體積。干濕交替將引起混凝土體積交替變化，這對混凝土控制裂縫是很不利的。另外影響混凝土收縮的因素很多，主要是水泥品種和混合材、混凝土的配合成份、化學(xué)外加劑及施工工藝等。2 大體積混凝土裂縫的施工控制措施采用施工技術(shù)措施應(yīng)從控制溫升，延緩降溫速率，減少混凝土收縮，提高混凝土極限拉伸強度，改善約束程度等方面著手。2.1 設(shè)計措施 1）重視地基的處理，大體積混凝土一般都是厚體實重的整澆式結(jié)構(gòu)，地基對基礎(chǔ)的影響十分明顯。在設(shè)

9、計主要應(yīng)防止地基產(chǎn)生不均勻下沉，以及改善對基礎(chǔ)的約束影響。當(dāng)?shù)鼗鶠檐浲翆訒r，為防止地基產(chǎn)生不均勻下沉，通常采用砂墊層或其他加固辦法。砂墊層不僅可以提高地基的承載能力，而且在施工時還可以設(shè)置盲溝排水，這對減少地下水或地表水的影響都有明顯作用。砂墊層還可以減少對混凝土基礎(chǔ)的約束影響，因此在不均勻的軟土地基中，如符合條件時，應(yīng)優(yōu)先考慮采用比較經(jīng)濟(jì)的砂墊層加固方案。2）合理分裂分塊，合理分裂分塊，不僅可以減輕約束作用，縮小約束范圍；同時也可利用澆筑塊的層面進(jìn)行散熱，降低混凝土內(nèi)部的溫度。合理的分裂分塊，應(yīng)能使結(jié)構(gòu)起到調(diào)節(jié)溫度變化的作用，確保混凝土有自由伸縮的余地，以達(dá)到釋放溫度應(yīng)力的目的，接縫的處理必

10、須滿足防止?jié)B漏水的要求。3）合理分布鋼筋，鋼筋與混凝土共同工作的基礎(chǔ)是兩者之間的粘結(jié)力。由于鋼的彈性模量約為混凝土彈性模量的7-15倍，所以當(dāng)混凝土內(nèi)應(yīng)力達(dá)到抗拉強度而開始裂縫時，此時鋼筋的應(yīng)力很小，想通過利用鋼筋防止混凝土裂縫的出現(xiàn)，就達(dá)不到目的，但合理布置分布鋼筋，可以起到減輕混凝土的收縮程度，限制裂縫的開展。4）混凝土設(shè)計標(biāo)號不宜太高，在大體積混凝土的結(jié)構(gòu)物中，力學(xué)強度和安全貯備，通常都很高，但過高的強度貯備，會使水泥用量增多，水化熱變大。導(dǎo)致混凝土內(nèi)部溫度過高，造成內(nèi)外溫差過大，從面引起結(jié)構(gòu)物的開裂。2.2 原材料控制1）合理選擇材料品種：為減少水泥水化熱引起過大溫升，應(yīng)采用中低熱水泥

11、，諸如粉煤灰水泥、礦渣水泥等，考慮在混凝土中摻粉煤灰，以使用普通水泥為宜；為減少混凝土的收縮，應(yīng)選用干縮值小的材料，如山砂、碎石等；為有利于混凝土內(nèi)部熱量的散失，應(yīng)選用導(dǎo)溫系數(shù)大的砂石骨料，如石灰?guī)r、石英巖、白云巖等。2）確保材料的質(zhì)量：骨料級配良好，粗骨料粒徑540mm，盡量采用中砂，嚴(yán)格控制砂、石子的含泥量（石子在1%以內(nèi)，砂在2%以內(nèi)）等，確保各組成材料的質(zhì)量符合規(guī)定。3）選用合適的外加劑：使用減水劑，以減少水泥用量、改善和易性；使用緩凝劑，以減緩混凝土澆筑速度，以利散熱；使用膨脹劑，以補償混凝土收縮；添加化工纖維，增加混凝土抗拉強度。在實際工程中，可結(jié)合具體情況組合使用，如底板可采用緩

12、凝型減水劑，墩身用膨脹型減水劑等。2.3 優(yōu)化配合比設(shè)計1）在滿足強度、和易性、耐久性的前提下，盡量減少單位水泥用量?；炷林袉挝凰嘤昧棵吭鰷p10kg，水泥水化后的溫度將增減1，減少單位水泥用量，有利于降低水泥水化熱引起的絕熱溫升，從而減少混凝土內(nèi)外溫差。（1）摻加適量的粉煤灰。厚度不大時，在滿足強度、和易性、耐久性的前提下，摻量以15%20%為宜。如厚度超過2m，在大體積混凝土內(nèi)部可適當(dāng)加大粉煤灰摻量。另粉煤灰愈合能力強，也有利于減少混凝土裂縫。（2）拋塊石。在大體積混凝土中拋10%15%的堅硬無裂縫、干凈的大塊石，規(guī)格為150300mm。拋塊石除了可減少水泥用量，降低水泥水化熱外，石塊本

13、身可吸收熱量，也使水化熱進(jìn)一步降低。在混凝土結(jié)構(gòu)中中部配筋少的部位，宜多拋塊石，并保持石塊間的間距1015cm，注意塊石底部不能積水，塊石分布均勻。（3）合理使用外加劑。如減水劑可大大改善混凝土的工作性能，同時減少水及水泥用量10%左右，降低了水泥水化熱。2）砂率不宜過大，在滿足泵送混凝土前提下，盡可能選較小的砂率。砂率過大，混凝土的抗裂性能將降低，混凝土的干燥收縮加大，易產(chǎn)生收縮裂縫。3）水灰比不宜大于0.5。水灰比大，混凝土內(nèi)部孔隙增多，將使混凝土的強度和抗裂性能降低。在實際工程中，對混凝土配合比確定的水灰比和坍落度值，應(yīng)嚴(yán)格控制。2.4 注重施工過程的控制2.4.1 采用切實可行的施工工

14、藝，合理組織施工1）上下層混凝土澆筑間隔時間控制在57d為宜，實際施工時間可能有難度，但上層施工速度應(yīng)盡可能快，以減少下層混凝土的約束。2）混凝土中每層鋪料厚度不宜超過30cm，以利散熱，并使溫度分布較均勻，及時抽走泌水，同時便于振搗密實，以提高彈性模量。3）混凝土澆筑速度保持均衡，澆筑高度均衡上升，以改善約束條件，削減溫度應(yīng)力。4）合理選擇混凝土的澆筑時間，外界氣溫以1030為宜；夏季降低入倉溫度1520為宜，可采用石子噴水預(yù)冷、地下水拌和、運輸過程遮蓋、倉面搭棚等措施；冬季應(yīng)采取必要的保溫措施。2.4.2 確?；炷潦┕べ|(zhì)量混凝土的拌和、運輸、澆筑應(yīng)嚴(yán)格執(zhí)行合同規(guī)定。對混凝土表面可采用二次

15、振搗，并加強抹面，以提高混凝土表面的抗裂度。2.4.3 加強對混凝土的養(yǎng)護(hù)1）冬季采用保溫養(yǎng)護(hù)，延長養(yǎng)護(hù)時間，減少大體積混凝土內(nèi)外溫差。水平面上用薄膜加草袋覆蓋，用此方法可使混凝土表面增加1015，立面上推遲拆模時間，外掛草袋，并注意適當(dāng)灑水養(yǎng)護(hù)。對下部混凝土結(jié)構(gòu)拆模后應(yīng)及時回填土。2）夏季應(yīng)針對混凝土升、降溫這兩個不同階段采取相應(yīng)措施：升溫階段，養(yǎng)護(hù)以降低混凝土表面溫度為原則。采用草袋覆蓋，并盡可能多的灑水養(yǎng)護(hù)，有條件的可采用灌水養(yǎng)護(hù)法，以利于混凝土內(nèi)部水化熱的散失，降低其內(nèi)部最高溫度，從而相應(yīng)減小混凝土的內(nèi)外溫差。降溫階段，養(yǎng)護(hù)以提高混凝土表面溫度為原則。一般5d后開始降溫時，在水平面上用

16、薄膜加草袋覆蓋；立面上推遲拆模時間（7d后），并注意灑水養(yǎng)護(hù)，用此方法可延緩降溫速率，減小混凝土內(nèi)外溫差。3 大體積混凝土施工過程的管理3.1 澆筑前及澆筑過程階段做好材料試驗及控制工作。所用砂、石子、水泥及各種添加劑滿足規(guī)范要求，在攪拌前對骨料預(yù)加熱；做好混凝土配合比，并在施工中嚴(yán)格執(zhí)行；考慮在施工期外界氣溫較低，除按照常規(guī)外加劑外，另外添加聚丙烯纖維，添加量為水泥用量的1%，以增加混凝土抗拉強度；混凝土澆筑速度保持均衡，澆筑高度均衡上升，以改善約束條件，削減溫度應(yīng)力；澆筑過程中對倉面泌水應(yīng)使用吸水、自流等辦法及時排除；混凝土澆筑到頂層時，面層用平板振動器復(fù)振，采用二次振搗和二次抹面，以防止

17、產(chǎn)生松頂和表面干縮裂縫，倉面泌水應(yīng)使用吸水、自流等辦法及時排除干凈再行抹面。 3.2 澆筑完成階段1）加強水化熱溫升測量：為進(jìn)一步掌握大體積混凝土水化熱溫升的大小，及不同深度場的變化及施工階段早、中期溫差的發(fā)生規(guī)律，更好地控制混凝土裂縫的產(chǎn)生，施工現(xiàn)場成立專門測溫小組，在混凝土不同部位及深度埋設(shè)測溫點，以測定混凝土澆筑過程以及澆筑后溫度變化，以便對異常情況及時采取防范措施。2）采取適當(dāng)?shù)谋睾捅卮胧涸诖篌w積混凝土結(jié)構(gòu)表面采取保溫和保溫措施，也是大體積混凝土溫控的有效措施之一。具體做法：由于外界氣溫較低，在閘底板澆筑完成后，用雙層土工布覆蓋，上面再用彩條布覆蓋；在墩身澆筑完成后，利用支撐腳手

18、架，用土工布和彩條布把整個墩身封閉，形成封閉保溫的小環(huán)境，避免溫差較大產(chǎn)生混凝土表面出現(xiàn)收縮裂紋。3.3 養(yǎng)護(hù)階段考慮外界溫度較低，適當(dāng)推遲拆模時間，混凝土的養(yǎng)護(hù)采用覆蓋澆水養(yǎng)護(hù)和塑料薄膜養(yǎng)護(hù)相結(jié)合的方法。垂直面由于覆蓋較困難，采用在近年眾多大中型橋梁結(jié)構(gòu)中使用的養(yǎng)護(hù)劑養(yǎng)護(hù)法，即將養(yǎng)護(hù)劑溶液噴灑或涂刷在混凝土表面上，先豎向涂刷一遍，待稍收干，再橫向涂刷一遍，溶液揮發(fā)后，混凝土表面形成地層致密的薄膜，可鎖住混凝土中的水份不再蒸發(fā)，從而保證配合比要求的水灰比完成混凝土水化作用。為達(dá)到養(yǎng)護(hù)目的，養(yǎng)護(hù)劑涂刷要保持完整性，若有破壞，可明顯看出揮發(fā)處的顏色不同，應(yīng)及時灑水并稍等收干后補刷，涂刷時間一定要與

19、拆模同步進(jìn)行。為保證混凝土在規(guī)定齡期內(nèi)達(dá)到設(shè)計強度，認(rèn)真做好混凝土養(yǎng)護(hù)工作，并適當(dāng)延長養(yǎng)護(hù)時間，每日應(yīng)配專人負(fù)責(zé)，與模板工在拆模時跟班作業(yè)，并在涂刷后加強跟蹤觀察，及時補刷。4 結(jié)束語就橋梁工程而言，大體積混凝土裂縫主要發(fā)生在施工階段，產(chǎn)生的原因也是錯綜復(fù)雜的，但總的原因是在混凝土早期降溫過程中，由于內(nèi)外溫速不同而引起的，它包括了外部條件（主要為基礎(chǔ)約束）和內(nèi)部約束條件（混凝土溫度不均勻引起的自身約束）兩方面的原因，所以大體積混凝土形成裂縫的條件，取決于結(jié)構(gòu)物（或澆筑層）在溫度變化的影響下，能否“同步變形”的問題。能否同步變形涉及到以下幾個方面的影響。1）從控制混凝土最高溫升、內(nèi)外溫差的觀點出發(fā)，應(yīng)根據(jù)不同地區(qū)、不同氣候情況，研究各種溫度控制的方法（包括材料預(yù)冷卻、混