| 摘要：探讨了大体积混凝土结构裂缝产生的原因及影响因素，概述了控制大体积混凝土裂缝的方法是提高混凝土的抗裂能力和控制温度应力。 关键词：大体积混凝土；裂缝控制；施工 引言 近年来，大体积混凝土在高层建筑的基础中运用越来越多，由于基础混凝土的浇筑要求连续进行，不留施工缝，因而如何有效地控制大体积混凝土基础结构裂缝，对基础施工质量至关重要。大体积混凝土裂缝问题是当前混凝土施工中的一个普遍问题，裂缝不仅会降低混凝土结构的强度，而且严重影响混凝土结构的耐久性。 混凝土产生裂缝的原因和混凝土原材料的选择、配合比的设计、施工工艺、外部荷载作用等因素有关。大体积混凝土具有体积过大、温度高的特点，产生裂缝的主要原因与普通混凝土不同，文中主要针对这一特点分析了裂缝产生的主要原因，提出了施工预防措施，进行合理的施工设计，防治混凝土有害裂缝的产生。 1.大体积混凝土裂缝产生的原因 大体积混凝土施工期间产生的结构裂缝主要是水泥水化热引起的温度变化造成的。大体积混凝土产生温度裂缝，是其内部矛盾发展的结果。矛盾的一方面是混凝土由于内外温差而产生的应力和应变，另一方面是外部约束和混凝土各质点间的约束，要阻止这种应变。一旦温度应力超过混凝土能承受的抗拉强度时，即会出现裂缝。这是导致混凝土产生裂缝的主要原因，现将产生裂缝的主要原因分述如下： （1）水泥水化过程是大体积混凝土中的主要温度因素 水泥水化过程中要放出一定的热量。而大体积混凝土结构物一般断面较厚，水泥放出的热量聚集在结构物内部不易散发。通过实测，水泥水化热引起的温升，在水利工程中一般为15～25℃，而在建筑工程中一般为20～30℃，甚至更高。 由于混凝土的导热性能差，浇筑初期混凝土的强度和弹性模量都很低，对水化热引起的急剧温升约束不大，相应的温度应力也较小。随着混凝土龄期的增长，弹性模量的增高，对混凝土内部降温收缩的约束也就愈来愈大，以至产生很大的拉应力。当混凝土的抗拉强度不足以抵抗这种拉应力时，便开始出现温度裂缝。 （2）外界气温变化的影响 大体积混凝土在施工阶段，外界气温愈高，混凝土的浇筑温度也愈高；而外界温度下降，又增加混凝土的降温幅度，特别是气温骤降，会大大增加外层混凝土与内部混凝土的温度梯度，这对大体积混凝土是极为不利。混凝土内部的温度是水化热的绝热温度，浇注温度和结构物的散热降温等各种温度叠加，而温度应力则是由温差引起的温度变形造成的；温差愈大，温度应力也愈大。同时，在高温条件下，大体积混凝土不易散热，混凝土内部的最高温度一般在60～65℃，并且有较大的连续时间(与结构尺寸和浇筑块体厚度有关)。在这种情况下，研究合理的温度控制措施，防止混凝土内外温差引起的过大温度应力，就显得更为重要。 （3）约束条件与温度裂缝的关系 在完全约束下混凝土结构物的温度变形是温差与温度线膨胀系数的乘积。即：ε=ΔT·α；当ε超过混凝土的极限拉伸值εp时，便出现裂缝。式中ε为混凝土收缩时的相对变形，ΔT为温差，α为混凝土的温度线膨胀系数。 混凝土的温度线膨胀系数α一般为10×10-6/℃，极限拉伸值εp，一般在50～100×10-6之间，此时容许混凝土的内外温差值应为5～10℃。而实践证明，多数工程混凝土的温差一般在20～25℃之间尚未开裂。这主要因为结构物不可能受到绝对约束，混凝土也不可能完全没有徐变和塑性变形的缘故。如果结构因变形产生的最大应力小于材料的抗拉或抗压强度时，结构的伸缩缝间距为无穷大，不设伸缩缝也不会裂；相反，当其最大应力超过材料的抗拉强度时，无论结构尺寸多短，混凝土也会产生裂缝。这不仅说明约束的重要性，也说明伸缩缝间距不是控制裂缝的唯一条件。 （4）混凝土的收缩变形 新浇筑的混凝土中有80%的游离水分需要蒸发，多余水分的蒸发会引起混凝土体积的收缩(干缩)，这种收缩变形不受约束条件的影响。若有约束，即可引起混凝土的开裂，并随龄期的增长而发展。混凝土的收缩机理比较复杂，其最大的原因，可能是内部孔隙水蒸发变化时引起的毛细管引力。收缩在很大程度上是有可逆现象的。如果混凝土收缩后，再处于水饱和状态，还可以恢复膨胀并几乎达到原有的体积。干湿交替将引起混凝土体积的交替变化，这对混凝土是很不利的。有关研究资料表明，混凝土的最终收缩(变形)值一般在2～6×10-4范围内波动，有时高达10×10-4。在工程计算中，混凝土的极限收缩值一般取3.24×10-4。 在大体积混凝土温度裂缝计算中，可将混凝土的收缩值，换算成相当于引起同样温度变形所需要的温度值，即“收缩当量温差”，以便按温差计算混凝土的应力。实践证明，由混凝土收缩变形引起的温度应力是不可忽视的。此外，影响混凝土收缩的因素很多，主要是水泥品种和混合材、混凝土的配合成分、化学外加剂以及施工工艺（特别是养护条件）等。 2.大体积混凝土裂缝控制措施 控制大体积混凝土开裂应从两个方面入手。一方面，提高混凝土的抗拉强度，使其足够大，大到各种因素引起的开裂应力小于它。另一方面，控制各种温度应力和混凝土的干缩变形，使其尽可能小，使之小于混凝土的抗拉强度。 2.1提高混凝土抗裂能力 （1）掺膨胀剂 在混凝土中掺膨胀剂，混凝土在硬化过程中产生体积膨胀，这部分膨胀可以部分或全部补偿硬化过程中冷缩和干缩。减少或避免混凝土的开裂。现在商品膨胀剂有UEA膨胀剂，FH复合膨胀剂，FN-M明矾石膨胀剂；PG硫铝酸盐型膨胀剂等等。其中UEA膨胀剂应用较多，在混凝土中掺入10%～12%，其限制膨胀率为0.02%～0.04%，可在混凝土中建立0.2～0.7MPa预压力，从而抵消混凝土在硬化过程中产生的全部或部分拉应力。 [Page] （2）掺增强材料 在混凝土中掺入增强材料，可以提高混凝土的抗拉强度。如在混凝土中掺入有机纤维，无机纤维、金属纤维，可明显提高混凝土的抗拉强度。 （3）配温度筋 合理配筋可以提高混凝土的抗拉强度，而且当钢筋的直径较细，间距较密时，对提高混凝土的抗裂效果较好。如分布钢筋(6～8)的间距在100mm以下时，混凝土的裂缝宽度可限制在0.05mm以下。对大体积的基础工程，中间配筋少，增加一些温度筋，可提高抗裂性。 （4）提高混凝土的强度 混凝土的强度等级提高，其抗拉强度也相应提高，增强了抗裂度，可以通过优选水泥及配合比，减少水灰比，采用合理的施工工艺，提高混凝土的强度。 2.2控制温度应力 （1）降低混凝土的绝热温升 1)减少水泥用量。水泥水化放热是混凝土升温的内热源，降低水泥用量，就减少了水化热。一般方法有：减少坍落度，掺大块石、减少砂浆，使用减水剂，缓凝剂，掺混合材(如粉煤灰)，采用先进的搅拌工艺。 2)使用低热水泥。选用水化热低的水泥，优先选用大坝水泥、矿渣水泥、粉煤灰硅酸盐水泥、火山灰水泥，减少水化热引起的绝热温升。 3)降低浇筑温度。浇筑温度低可以降低最高温升。尽量避免炎热的夏季施工，不宜中午浇筑，对原材料实行预冷却等，尽可能降低浇筑温度。 4)降低当量温度。当量温度是由于干缩引起的，应减少干缩率。影响干缩率的主要因素有骨料、养护条件、水灰比、掺合料等。 5)强制降温。在混凝土内部预埋水管，通入冷却水，降低混凝土内部的最高温度。 （2）减少约束 1)减小外部约束。大体积混凝土一般是厚实体大的整浇结构物，地基对其约束十分明显，这是引起约束收缩，产生裂缝的一个主要因素。减小地基约束的方法是设置滑动层，即在块体与地基之间设置砂垫层或沥青油毡层，允许块体自由变形，避免开裂。或减小块体与地基的粗糙程度，块体的截面变化应平缓。合理分块，减小约束范围，减轻约束作用，使收缩自由。分块的方法有设伸缩缝、施工缝、后浇带。 2)减小内部约束。内部约束主要是内外温差过大造成的，解决的方法是加强保温养护，控制内外温差、降温速率，保证湿度。保温法有覆盖法，暖棚法、蓄水法。覆盖法就是在混凝土浇筑完毕，用保温材料(如油布、锯末、草袋、塑料布等)覆盖在混凝土上面；暖棚法是在块体上面搭设大棚，通过人工加热使棚内空气满足温控条件。蓄水法是在混凝土终凝后，在块体表面蓄一定高度的水，利用水的导热系数低，达到隔热保温效果。 3.结束语 文章主要讨论了大体积混凝土结构裂缝产生的原因及施工中控制裂缝的方法。造成大体积混凝土结构裂缝的原因是复杂的，综合性的。通过对大体积混凝土结构裂缝的分析，找出导致裂缝的主要原因是由于水泥水化热升高使混凝土温度变化产生的温度应力大于混凝土的抗拉强度而造成大体积混凝土产生裂缝。 控制大体积混凝土裂缝的方法是提高混凝土的抗裂能力和控制温度应力。为提高混凝土的抗裂性可采取掺膨胀剂、掺增强材料、配温度筋、提高混凝土强度等方法，以提高大体积混凝土本身的抗极限拉伸能力。从原材料选择和施工工艺出发，减少水泥用量，采取使用低热水泥、降低浇筑温度、降低混凝土的干缩、强制降温、减少外部约束和减少内部约束等措施可以达到控制温度应力的目的。此外，在实际大体积混凝土施工过程中，只要认真研究，措施到位，一定可以将大体积混凝土结构的裂缝控制在规范允许的范围内。 参考文献： [1]朱伯芳.大体积混凝土温度应力与温度控制[M].北京:中国电力出版社,1999. [2]王铁梦.工程结构裂缝控制[M].北京:中国建筑工业出版社,1997. [3]刘京红,梁钲,刘晓华,等.大体积混凝土施工中的温度监测及裂缝控制[J].河北农业大学学报,2008,31(2):106-109. [4]赵育红.某工程大体积混凝土裂缝控制方法[J].四川建筑科学研究,2007,33(4):229-231. [5]皮全杰,胡紫日,李杰,等.大体积混凝土裂缝控制技术在国家体育场的应用[J].混凝土,2007,(8):93-94. |
| 原作者： 郝玉龙 |
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