大體積混凝土裂縫成因及溫度控制防裂措施

大體積混凝土裂縫成因、溫度控制防裂措施內(nèi)容摘要：混凝土結(jié)構(gòu)在建設(shè)和使用過程中出現(xiàn)不同程度、不同形式的裂縫，這是一個相當(dāng)普遍的現(xiàn)象。大體積混凝土結(jié)構(gòu)出現(xiàn)裂縫更普遍?；炷粮煽s變形對結(jié)構(gòu)物的危害很大，它可使混凝土表面出現(xiàn)較大的拉應(yīng)力，從而引起表面開裂，直接影響結(jié)構(gòu)物的耐久性。近幾年，對于如何做好混凝土的防裂工作，倍受大家的關(guān)注，提出了一些如何控制干縮變形的措施，有的已在工程中得到應(yīng)用，并取得成效。本文簡要介紹了混凝土在工程不同部位發(fā)生裂縫的主要原因及應(yīng)對措施。在工程實際中，若能對文中所述混凝土裂縫成因予以嚴(yán)格控制，將會對工程中避免混凝土裂縫起到良好的效果。通過多年的現(xiàn)場觀察，通過查閱有關(guān)混凝土內(nèi)部應(yīng)力方面的專著，對混凝土溫度裂縫產(chǎn)生的原因、現(xiàn)場混凝土溫度的控制和預(yù)防裂縫的措施進(jìn)行等進(jìn)行闡述。關(guān)鍵詞：裂縫溫控養(yǎng)護(hù)新工藝混凝土在現(xiàn)代工程建設(shè)中占有重要地位。而在今天，混凝土的裂縫較為普遍，在工程中裂縫幾乎無所不在。盡管我們在施工中采取各種措施，小心謹(jǐn)慎，但裂縫仍然時有出現(xiàn)。究其原因，我們對混凝土溫度應(yīng)力的變化注意不夠是其中之一。在大體積混凝土中，溫度應(yīng)力及溫度控制具有重要意義。這主要是由于兩方面的原因。首先，在施工中混凝土常常出現(xiàn)溫度裂縫，影響到結(jié)構(gòu)的整體性和耐久性。其次，在運轉(zhuǎn)過程中，溫度變化對結(jié)構(gòu)的應(yīng)力狀態(tài)具有顯著的不容忽視的影響。我們遇到的主要是施工中的溫度裂縫，因此本文僅對施工中混凝土裂縫的成因和處理措施做一探討。1、裂縫的原因混凝土中產(chǎn)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(jié)構(gòu)不合理，原材料不合格（如堿骨料反應(yīng)），模板變形，基礎(chǔ)不均勻沉降等?；炷劣不陂g水泥放出大量水化熱，內(nèi)部溫度不斷上升，在表面引起拉應(yīng)力。后期在降溫過程中，由于受到基礎(chǔ)或老混凝上的約束，又會在混凝土內(nèi)部出現(xiàn)拉應(yīng)力。氣溫的降低也會在混凝土表面引起很大的拉應(yīng)力。當(dāng)這些拉應(yīng)力超出混凝土的抗裂能力時，即會出現(xiàn)裂縫。許多混凝土的內(nèi)部濕度變化很小或變化較慢，但表面濕度可能變化較大或發(fā)生劇烈變化。如養(yǎng)護(hù)不周、時干時濕，表面干縮形變受到內(nèi)部混凝土的約束，也往往導(dǎo)致裂縫?；炷潦且环N脆性材料，抗拉強度是抗壓強度的1／10左右，短期加荷時的極限拉伸變形只有（0.6～1.0）×104，長期加荷時的極限位伸變形也只有（1.2～2.0）×104.由于原材料不均勻，水灰比不穩(wěn)定，及運輸和澆筑過程中的離析現(xiàn)象，在同一塊混凝土中其抗拉強度又是不均勻的，存在著許多抗拉能力很低，易于出現(xiàn)裂縫的薄弱部位。在鋼筋混凝土中，拉應(yīng)力主要是由鋼筋承擔(dān)，混凝土只是承受壓應(yīng)力。在素混凝土內(nèi)或鋼筋混凝上的邊緣部位如果結(jié)構(gòu)內(nèi)出現(xiàn)了拉應(yīng)力，則須依靠混凝土自身承擔(dān)。一般設(shè)計中均要求不出現(xiàn)拉應(yīng)力或者只出現(xiàn)很小的拉應(yīng)力。但是在施工中混凝土由最高溫度冷卻到運轉(zhuǎn)時期的穩(wěn)定溫度，往往在混凝土內(nèi)部引起相當(dāng)大的拉應(yīng)力。有時溫度應(yīng)力可超過其它外荷載所引起的應(yīng)力，因此掌握溫度應(yīng)力的變化規(guī)律對于進(jìn)行合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計和施工極為重要。2、溫度應(yīng)力的分析根據(jù)溫度應(yīng)力的形成過程可分為以下三個階段：2．1早期：自澆筑混凝土開始至水泥放熱基本結(jié)束，一般約30d。這個階段的兩個特征，一是水泥放出大量的水化熱，二是混凝上彈性模量的急劇變化。由于彈性模量的變化，這一時期在混凝土內(nèi)形成殘余應(yīng)力。2．2中期：自水泥放熱作用基本結(jié)束時起至混凝土冷卻到穩(wěn)定溫度時止，這個時期中，溫度應(yīng)力主要是由于混凝土的冷卻及外界氣溫變化所引起，這些應(yīng)力與早期形成的殘余應(yīng)力相疊加，在此期間混凝上的彈性模量變化不大。2．3晚期：混凝土完全冷卻以后的運轉(zhuǎn)時期。溫度應(yīng)力主要是外界氣溫變化所引起，這些應(yīng)力與前兩種的殘余應(yīng)力相迭加。根據(jù)溫度應(yīng)力引起的原因可分為兩類：2．3．1自生應(yīng)力：邊界上沒有任何約束或完全靜止的結(jié)構(gòu)，如果內(nèi)部溫度是非線性分布的，由于結(jié)構(gòu)本身互相約束而出現(xiàn)的溫度應(yīng)力。例如，橋梁墩身，結(jié)構(gòu)尺寸相對較大，混凝土冷卻時表面溫度低，內(nèi)部溫度高，在表面出現(xiàn)拉應(yīng)力，在中間出現(xiàn)壓應(yīng)力。2．3．2約束應(yīng)力：結(jié)構(gòu)的全部或部分邊界受到外界的約束，不能自由變形而引起的應(yīng)力。如箱梁頂板混凝土和護(hù)欄混凝土。這兩種溫度應(yīng)力往往和混凝土的干縮所引起的應(yīng)力共同作用。要想根據(jù)已知的溫度準(zhǔn)確分析出溫度應(yīng)力的分布、大小是一項比較復(fù)雜的工作。在大多數(shù)情況下，需要依靠模型試驗或數(shù)值計算。混凝土的徐變使溫度應(yīng)力有相當(dāng)大的松馳，計算溫度應(yīng)力時，必須考慮徐變的影響，具體計算這里就不再細(xì)述。3、溫控防裂主要措施3．1優(yōu)化混凝土配合比在進(jìn)行混凝土配合比設(shè)計和混凝土施工時，除滿足混凝土標(biāo)號及抗凍、抗?jié)B、極限拉伸值等主要設(shè)計指標(biāo)外，還應(yīng)達(dá)到混凝土均質(zhì)性指標(biāo)。同時，應(yīng)加強施工管理，提高施工工藝，改善混凝土性能，提高混凝土抗裂能力。3.2控制混凝土最高溫度應(yīng)采取必要的溫控措施，使大體積混凝土實際出現(xiàn)的最高溫度不超過設(shè)計允許最高溫度?？刂企w積混凝土實際最高溫度的有效措施是降低混凝土澆筑溫度、減少膠凝材料水化熱溫升。主要采用的控制混凝土最高溫度的措施有以下幾點：控制體積混凝土實際出現(xiàn)的最高溫度不超過設(shè)計允許最高溫度的有效措施是降低混凝土澆筑溫度、減少膠凝材料用量、合理的層厚及間歇期、初期通水等。高溫季節(jié)或較高溫季節(jié)澆筑混凝土?xí)r，應(yīng)采用預(yù)冷混凝土澆筑。主體建筑物基礎(chǔ)約束區(qū)混凝土的澆筑溫度不得超過12~14℃（相應(yīng)混凝土出機口溫度應(yīng)達(dá)到7℃）；脫離基礎(chǔ)約束區(qū)混凝土澆筑溫度不得超過16~18℃（相應(yīng)出機口溫度不大于14℃）。應(yīng)注意夏季澆筑能力要適應(yīng)入倉強度要求。為減少預(yù)冷混凝土溫度回升，應(yīng)嚴(yán)格控制混凝土運輸時間和倉面澆筑坯覆蓋前的暴露時間?；炷吝\輸機具應(yīng)加保溫設(shè)施，使高溫季節(jié)預(yù)冷混凝土自出機口至澆筑坯被覆蓋前的溫度回升率不大于0.25。3合理的層厚及間歇期3.1大體積混凝土澆筑層厚；基礎(chǔ)約束區(qū)采用1.5~2.m，脫離基礎(chǔ)約束區(qū)一般為2m。3.2層間間歇期應(yīng)不小于3d，也不宜大于10d。4、合理安排施工程序和施工進(jìn)度合理安排體積混凝土施工程序和施工進(jìn)度,是防止基礎(chǔ)貫穿裂縫、減少表面裂縫的主要措施之一，為此應(yīng)滿足以下要求：4.1基礎(chǔ)約束區(qū)混凝土、導(dǎo)流底孔、深孔、排漂孔等重要結(jié)構(gòu)部位，在設(shè)計規(guī)定的間歇期內(nèi)連續(xù)均勻上升，不得出現(xiàn)薄層長間歇。基礎(chǔ)約束區(qū)混凝土宜在低溫季節(jié)施工。4.2其余部位基本做到短間歇連續(xù)均勻上升。4.3相鄰塊、相鄰段高差符合設(shè)計允許高差要求。相鄰塊高差不大于6~8m，相鄰段高差不大于10~12m。5、通水冷卻通水冷卻是混凝土溫度控制的有效措施之一，設(shè)計對各階段的通水冷卻提出了不同的要求：5.1初期通水高溫季節(jié)采用預(yù)冷混凝土澆筑體積混凝土，其混凝土最高溫度仍超過設(shè)計允許最高溫度時，還應(yīng)采取初期通水冷卻削減混凝土最以高溫度。均需進(jìn)行初期通水冷卻。對于基礎(chǔ)約束區(qū)和導(dǎo)流底孔部位混凝土，高溫季節(jié)采用預(yù)冷混凝土澆筑壩體混凝土，最高溫度未超過設(shè)計允許最高溫度者，也宜進(jìn)行初期通水冷卻。初期通水應(yīng)采用6~8℃的制冷水，通水時間為10~15d，在混凝土收倉后12h內(nèi)于紿通水，單根水管通水流量不小于18L/min.5.2中期通水大體積混凝土塊體進(jìn)行中期通水，削減壩體混凝土內(nèi)外溫差。中期通水采用江水，通水時間為1.5~2.5個月，以混凝土塊體溫度達(dá)20~22℃為準(zhǔn)，單根水管通水流量應(yīng)達(dá)18~25L/min.通水類加別根據(jù)季節(jié)及進(jìn)度要求采用制冷水或江水，其余季節(jié)通江水。通水時間以混凝土塊體達(dá)到或接近基巖溫度（18~20℃）為準(zhǔn)，通水流量不小于18~25L/min.5.3．后期通水需進(jìn)行大體積混凝土接縫灌漿及岸坡接觸灌漿部位，在灌漿前必須進(jìn)行后期通水冷卻，后期通水冷卻要求如下：后期通水，通水時間以混凝土達(dá)到灌漿（穩(wěn)定）溫度為準(zhǔn)。應(yīng)根據(jù)混凝土接縫灌漿進(jìn)度和混凝土溫度計算確定各部位通水類別（制冷水或江水）；為保證必要的灌漿時段，對于各灌漿年度開始進(jìn)行接縫灌漿的部位應(yīng)通制冷水，制冷水水溫為8~10℃。混凝土應(yīng)保證連續(xù)通水，每月通水時間不少于600h，壩體混凝土與冷卻水之間溫差不宜超過20~25℃,控制混凝土降溫速度不大于1℃/d。水管通水量通制冷水時應(yīng)不小于18L/min.，通江水時應(yīng)達(dá)到20~25L/min.。通水冷卻后的溫度應(yīng)達(dá)到設(shè)計規(guī)定的混凝土接縫灌漿溫度，控制實際接縫灌漿溫度與設(shè)計接縫灌漿溫度的差值在+1~—2℃范圍內(nèi)，應(yīng)避免較大的超溫和超冷。6、表面保護(hù)混凝土表面保護(hù)是防止表面裂縫的主要措施之一。大體積混凝土暴露面大，氣溫驟降頻繁，更突出了表面保護(hù)的得要性，應(yīng)十分重視基礎(chǔ)約束區(qū)、重要結(jié)構(gòu)部位的表面保護(hù)。具體表面保護(hù)要求如下：6.1大體積混凝土溫控防裂除滿足以上溫控要求外，還應(yīng)滿足表面保護(hù)要求。6.2應(yīng)根據(jù)設(shè)計的表面保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)確定不同部位、不同條件的表面保溫要求。應(yīng)重視基礎(chǔ)約束區(qū)、重要結(jié)構(gòu)部位的表面保護(hù)，尤其應(yīng)重視防止寒潮的沖擊。所有混凝土工程在最終驗收之前，還必須加以維護(hù)及保護(hù)，以防損壞，澆筑的棱角和突出部分應(yīng)加強保護(hù)。7、養(yǎng)護(hù)混凝土養(yǎng)護(hù)是保護(hù)混凝土性能正常發(fā)揮和防止干縮裂縫的重要措施，混凝土養(yǎng)護(hù)一般應(yīng)在混凝土澆筑完畢后12~18h及時采取灑水或噴霧等措施，使混凝土表面經(jīng)常保持濕潤狀態(tài)。對于新澆筑混凝土表面，在混凝土能抵御水的破壞之后，應(yīng)立即覆蓋保水材料或采取其他有效方法使表面保持濕潤狀態(tài)。混凝土所有側(cè)面也應(yīng)采取類似方法進(jìn)行養(yǎng)護(hù)?；炷吝B續(xù)養(yǎng)護(hù)時間不短于28d?？箾_耐磨混凝土的養(yǎng)護(hù)尤為重要，應(yīng)在混凝土澆筑抹面后立即養(yǎng)護(hù)，宜采用噴霧，以防止由于早期失水過快而產(chǎn)生塑性裂縫，待齡期２d后用草袋等覆蓋并灑水養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)期不少于28d。7.1防止混凝土內(nèi)外溫度差及混凝土表面梯度，防止表面裂縫。7.2防止混凝土超冷，應(yīng)該盡量設(shè)法使混凝土的施工期最低溫度不低于混凝土使用期的穩(wěn)定溫度。7.3防止老混凝土過冷，以減少新老混凝土間的約束。8、施工監(jiān)測儀器的埋設(shè)與觀測8.1混凝土施工監(jiān)測儀器包括溫度計、測縫計、裂縫計、應(yīng)變計和無應(yīng)力計等。儀器按設(shè)計要求采購，并須滿足設(shè)計圖紙及有關(guān)技術(shù)、質(zhì)量、數(shù)量要求。8.2各種儀器的埋設(shè)、觀測及資料整理，應(yīng)滿足施工詳科圖及有關(guān)文件的有關(guān)要求，以及SDJ336—1989《混凝土大壩安全監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》（試行）中的有關(guān)規(guī)定或要求。8.3儀器、設(shè)備、電纜及其他配件在運到現(xiàn)場后14d內(nèi)，應(yīng)按制造廠家提供的說明書進(jìn)行率定，率定應(yīng)在監(jiān)理單位在場時進(jìn)行并將率定報告提交給監(jiān)理單位審閱。8.4儀器的埋設(shè)位置及電纜走向按施工詳圖及有關(guān)文件要求嚴(yán)格執(zhí)行。儀器安裝于規(guī)定位置后，經(jīng)檢驗合格方可埋入混凝土中，在澆筑混凝土?xí)r，對儀器和電纜應(yīng)妥加保護(hù)。埋設(shè)時，應(yīng)將儀器周圍的混凝土中粒徑大于6cm的骨料剔除,并用人工或小功率振搗器仔細(xì)將周圍的混凝土搗實。儀器安裝埋設(shè)偏差按下表控制。施工儀器安裝埋設(shè)允許偏差序號儀器名稱測量位置允許誤差（mm）水平向垂直向1應(yīng)變計幾何圖形中心±50±502無應(yīng)力計圓錐筒中心±50±503測縫計（裂縫計）儀器中心點±50±504測試計儀器中心點±50±508.5觀側(cè)：儀器設(shè)備安裝完畢后，承包者應(yīng)按監(jiān)理單位批準(zhǔn)的方法對設(shè)備進(jìn)行觀測、校正、并記錄儀器設(shè)備在工作狀態(tài)下的初始讀數(shù)。溫度計、測縫計、裂縫計、應(yīng)變計及無應(yīng)力計等儀器埋設(shè)后24h以內(nèi)，4h觀測1次，之后每天觀測3次，直至混凝土達(dá)到最高水化熱溫升為止。以后每天1次，持續(xù)一旬。再往后兩天1次，持續(xù)1月。埋設(shè)1.5~2個月后，每周觀測1次，直至中期通水。中、后期通水冷卻期間3d觀側(cè)1次，通水接近或達(dá)到設(shè)計要求的溫度期間每天觀測3次。在無特殊觀測要求的其余時段每周觀測1次。承包者必須為施工監(jiān)測儀器數(shù)據(jù)的搜集提供必要的設(shè)施和非工程性輔助手段，并負(fù)責(zé)搜集整理和保存有關(guān)的記錄，每周用書面形式將監(jiān)測資料和其他數(shù)據(jù)報送監(jiān)理單位。承者者應(yīng)對施工監(jiān)測儀器觀測資料的真實性負(fù)責(zé)，并及時報送監(jiān)理單位和設(shè)計單位。工程完工后，所有施工監(jiān)測儀器應(yīng)按監(jiān)理單位的批示移交或處理。9、推廣應(yīng)用混凝土溫控防裂新技術(shù)(工程實例)9.1采用微膨脹性質(zhì)的中熱水泥***工程第一階段施工采用的中熱水泥自身體積變形為收縮型，***曾開展低熱水泥和中熱水泥混凝土的自身體積變形對比試驗研究，試驗成果表明中熱水泥、摻30%粉煤灰、人工骨料混凝土在齡期5d約發(fā)生5*106的膨脹變形，以后逐漸收縮，到90d齡期逐漸穩(wěn)定至—22*10-4的收縮變形。為改善中熱水泥的變形性能，使混凝土具有微膨脹性質(zhì)，提高混凝土抗裂能力，***總公司根據(jù)試驗資料和國內(nèi)大量工程實踐經(jīng)驗在1998年決定，供應(yīng)***工程中熱水泥的廠家均在滿足國標(biāo)前提下把水泥熟料中Mgo含量控制為3.5%~5%，從而***工程第二階段實施的大壩混凝土在推廣應(yīng)用水泥原材料的改性新技術(shù)方面，取得了顯著成效。采用微膨脹性質(zhì)的中熱水泥成為具有特色的溫控防裂重要措施之一。9.2使用I級粉煤灰***工程第一階段使用長江天然砂石料，在高效減水劑和II級粉煤灰條件下，三、四級配混凝土用水量約為80~90kg/cm3。但***工程第二階段使用花崗巖人工骨料，在高效減水劑和II級粉煤灰條件下，三、四級配混凝土用水量高達(dá)110~120kg/cm3，比天然骨料混凝土高30%左右，將直接導(dǎo)致三、四級配混凝土膠凝材料用量增加50~60kg/cm3，從而帶來溫控防裂的困難和混凝土單價攀升。因此降低人工骨料混凝土用水量，緩解溫控防裂矛盾，成為工程急需解決的關(guān)鍵問題之一。***總公司組織***、***和試驗中心積仍開展***工程第二階段混凝土配合比試驗研究，通過試驗研究尋求到I級別粉煤灰具有顯著的減水作用，在用高效減水劑和I級粉煤灰條件下，三、四級配人工骨料混凝土用水量可成功地降低至80~95kg/cm3，相當(dāng)于膠凝材料降低約50kg/cm3，從而可以顯著降低水化熱溫升，有利于抗裂能力的提高。此外I級粉煤灰顆粒細(xì)、微珠含量高，可明顯改善混凝土的工作性能。9.3使用優(yōu)質(zhì)高效減水劑經(jīng)***、***和***總公司試驗中心三個單位對多種減水劑、引氣劑的試驗研究，優(yōu)選出數(shù)種萘系高效減水劑和引氣劑，在實施中減水劑率達(dá)18%以上，在***工程第二階段廣泛泛使用大壩內(nèi)部、基礎(chǔ)和外部混凝土部位，有效地降低了混凝土用水量和膠凝材料用量?？箾_磨高標(biāo)號混凝土部位，經(jīng)過試驗研究和比選，選用X404緩凝高效減水劑，具有減水率高，可降低水泥的早期水化熱、含堿量低等優(yōu)點，與參比的萘系高效減水劑相比，性能更好，綜合減水率高達(dá)30%。對R28400、R28450高標(biāo)號混凝土，標(biāo)號X404與摻萘系同標(biāo)號混凝土相比，可以減少混凝土膠凝材料用量40~47kg/cm3，澆筑層實測最高溫度降低5℃左右,有利于大壩溫控防裂,為抗沖耐磨部位混凝土夏季施工提供了有力的技術(shù)支持。同時由于X404緩凝高效減水劑綜合減水率高，還改善了混凝土的干縮、強度等一系列性能，提高了混凝土的抗裂能力和耐久性。***工程第二階段在抗沖磨高標(biāo)號混凝土部位推廣應(yīng)用丙烯酸類緩凝高效減水劑，在水工混凝土中應(yīng)用丙烯酸類緩凝高效減水劑首次獲得成功，具有明顯的社會效益。9.4二次風(fēng)次骨料新工藝***工程低溫混凝土生產(chǎn)設(shè)計，利用多年研究成果，在充分證基礎(chǔ)上采用二次風(fēng)冷骨料，于***工程第一階段系統(tǒng)應(yīng)用成功后，繼續(xù)在第二階段全面推廣應(yīng)用。***工程第二階段低溫混凝土生產(chǎn)系紡創(chuàng)夏季混凝土生產(chǎn)世界記錄。系統(tǒng)實施效果說明，二次風(fēng)冷骨料新工藝與傳統(tǒng)的先水冷后風(fēng)冷工藝相比，生產(chǎn)工藝單一、運行操作簡便，易于控制；以一次風(fēng)冷代替水冷，冷卻調(diào)幅大，系統(tǒng)運行靈活，冷耗低，冷量利用率高，運行穩(wěn)定可靠；系統(tǒng)布置緊湊，占地面積??；設(shè)備相對簡單，