控制大体积混凝土裂缝的技术措施.pdf

刘俊 凯控制 大体积混凝 土裂缝 的技 术措施 3 7 控制大体积混凝土裂缝 的技术措施 刘俊凯 中石油东北炼化工程有限责任公司吉林设计院吉林1 3 2 0 0 2 摘要 介绍大体积混凝土裂缝的概念、公式推导、影响裂缝的各项指标以及施工中的预防措施，总结控 制大体积混凝土裂缝的措施。 关键词 大体积混凝土水化热温度应力裂缝 现代 建筑 中时常涉 及到 大体 积混 凝土施 工 ， 如高层楼房 基础 、大型 设备 基础 和水利 大 坝等。 其主要特点 为体积大 ，一般实 体最小 尺寸 I m。 其表面系数 比较 小，水 泥水 化热 释放 比较集 中， 内部温升比较快 。混凝土 内外 温差 较大 时，易使 混凝土产生温度裂缝 ，影 响结构安全和正常使用 ， 所以必须分析其原因，采取措施来保证施工质量 。 I 大体积混凝土的裂缝 大体积混凝 土 内出现 的裂 缝按 深 度 的不 同， 分为贯穿裂缝 、深层裂缝及表面裂缝三种 。 贯穿裂缝是 由混凝 土表 面裂缝发 展为深层裂 缝 ，最终 形成 贯穿裂 缝。它 切 断 了结构 的断面 ， 可能破坏结构的整体性和稳定性 ，有较严 重 的危 害性 ；深层裂缝 部分地切 断结 构 断面 ，也有 一定 危害性 ；表面裂缝一般危害性较小 。 大体积混凝 土在施 工阶段所 产生温度裂缝 的 原因：由于内外温差而产生的；结构的外部 约束和混凝 土各质 点间的约束 ，阻止混凝 土收缩 变形 。混凝土抗压强度较大 ，但抗拉 强度却很小 ， 所 以温度应力 一旦超过 混凝土能 承受 的抗拉强度 时，即会出现裂缝。这种 裂缝 的宽度在允许 限值 内，一般不会影响结构 的强度 ，但 却对结 构 的耐 久性有所影响，因此必须予以重视和控制 。 2 产生裂缝 的原 因 2 1 公式的推导 当基础板相对地基有 一温差 T时 ，计算 板 内 约束应力。此时只考虑对贯穿裂缝起控制作用的 平均拉力 ，通过光弹试验证 明主拉应力理论 是可 以应用到 长墙 混凝 土裂 缝 的分析 中，概念 清楚 ， 简单实用 。长墙受地基约束计算简图见 图 I 。 HT国 。 夕 j 夕 ， v x L I 2 L 2 二 一一一一一一一 = = = = = = 一 图 1 长墙受地基约束计算简图 在筏式底板的任意点 X处，截取一段 d ) 【 长 的 微体，由于假定均匀受力，微体的高度取全高 H， 其厚度为 t ，承受 均匀 内力为 N ( 即 盯 的合力 ) ， 地基对 板 的剪力 为 Q ( 的合力 ) 。取水 平 投影 ( 暂时忽略地基对板的垂直应力 1 7 ) 。 列出平衡方程 x = 0： N+d NN+Q= 0 Ht &r +r t d x=0 警+ 音 = 0 任意点的位移由约束位移与自由位移合成： =t z +a Tx 一 E 掌： + d x 出 d 2 n d 一 十 刘俊凯：工程师。2 0 0 5年 7月毕业于吉林省建筑工程学 院土木工程专业。一直从 事土建结构设计工作。联系 电话：( 0 4 3 2 ) 6 3 9 5 8 4 9 1 Ema i l ：l i u j u n k a i c p e n e t o m。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 38 CHEMI CAL ENGI NEERI NG DEs I GN 一 一 一 如 一 r= 一C E 一警： 。 设 一 p 辔一 ： o n 此微分方程的通解为： - - Ac h +Bs h c h -c h ( ) h 3 x s h ( ) 以此类推 ，边界条件定积分常数为： =0 =0 s h O=0 得 A =0 ： L O z：0 E警= E ( ) = 。 掌 ： 。 出 血 d x = c 号 则 ， B aT 得位移 的表达式 ( 端部位 移 ，最大水平 法向应力、剪应力都由位移导出) ： = s h l 3 x 卢 c ( ) 一 ( ) ：一 ： 寺 = 一 (卜 毒) 根据推导结果绘 出水平 法 向力及剪应力 分布 图 ，见 图 2 。 从工程实践方面可知，水平应力 仃 是设 计主 要控制应力 ，是引起 垂直裂缝 的主要应力 ，其最 大值在截面的中点 x= 0处，此处剪应力 一r = 0，即 最大 主席 力 ： a 一 | 目目 la a x 盯如 。 一J z 、 ，。 y 图 2 长墙的主要应力图形 = 0 c h l x=1 1 一 O xm x 一 眈 l 导 、 二 ， 在该值上乘以应力松弛系数得徐变应力 ： 1一 x = - E a T 导 JH ( ， r ) 为了较为确 切计 算早期 混凝 土 的温度 应力 ， 考虑弹性模量 的变化及 松 弛系数 随时 间的变化 ， 将温差分为许多 区段 T ，各段 内将 E ( t )及 H ( t ， )看作常量，最后叠加得考虑徐变作用的应 力 ( 一般大块或厚板均属二维平面应力) ： ， 1 、 x max = i = 一 1-W子 = 卜 ) T iE i( f) ) 式中， T 为将从温升的峰值至周围气温总降温差 分解为 n段的第 i 段温差 ；E i ( t )为相当于第 i 段 降温时的弹性模量 ；Hi ( t ，丁 )为相 当于第 i 段龄 期 T ； ，经过由 t 至 T i 时问的应力松弛系数 ，t 为 由 峰值温度降至周 围气温的时间。 应用上 述公式 可计算 任 意时 间 的应 力状态 ， 但根据裂缝 出现 的实践经验 ，浇注后 1 5 3 O天出 现较为不利的应力状态 ，可按此阶段进行计算。 从公式可看 出，温度应力 首先和温差成正 比，升 温为正，应力为负，即引起压应力；降温为负， 应力为正 ，即引起拉 应力 ；收缩值换算 为当量 温 差 ，永远为 负值 ，应力为拉应 力 ，因此混凝 土结 构的降温与 收缩 同时发 生时 ，混凝 土结 构将 承受 互相叠加的拉应 力，容易 开裂 ，所 以夏 季施 工 的 工程比秋冬季施工的更容易开裂。 2 2 水泥水化热 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 刘俊凯控制大体积混凝 土裂缝 的技 术措施 3 9 水泥在水化 过程 中要释放 热量 ，而大体 积混 凝土结构断 面较 厚 ，表 面系数相 对较小 ，所 以水 泥发生的水 化热聚集在结构 内部不易散失 ，以致 越积越多，使 内外 温差增 大。单位 时间混凝 土释 放的水泥水化热 与混凝 土单 位体积 中水泥用 量和 品种有关 ，并 随混凝 土 的龄期 而增 长。由于混凝 土结构表 面可 以 自然散热 ，实 际上 内部 的最高 温 度多发生在浇筑后 的最初 3 5天。 2 3外界气温变化 大体积混凝土在施 工阶段 的浇筑 温度随着外 界气温变化 而变化 ，特别 是气 温骤降 ，会大 大增 加内外层混凝土温差，这对大体积混凝土是极为 不利的。温度应力是由温差引起变形而产生的，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 般可达 6 0 6 5 ，并且有较长 的延续时 间，因 此 ，应采取温度控 制措施 ，防止混凝 土 内外温 差 引起过大的温度应力 。 2 4混凝 土的收 缩 混凝土中约 2 0 的水分是水泥硬化所必须的 ， 而约 8 0 的水分要蒸发 。多余水分的蒸发会引起 混凝土体积的收缩 ，这是 混凝土体积收缩 的主要 原 因。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 替会引起混凝土体 积的交替变化 ，这对混凝土是 很不利的。 影响混凝 土收缩 的因素主要有水泥 品种、混 凝土配合 比、外加剂 和掺合料 的品种 以及施工工 艺 ( 特别是养护条件 )等。 2 5 结构长度的影响 由上述公式 可看出 ，最大应力 不仅与高 长 比 ( H L )有关 ，而且 与底板长度 的绝对尺寸有关 。 长度增加 ，应力增加 ，但不是线性关 系。在较短 的范围内，长度对应 力 的影 响较大 ，超 过一定 长 度后 ，影 响变微 ，其后趋 近于常数 ，无 论长度如 何增加 ，应力不变 ，见图 3 。 图中，1为 C =3 X 1 0 N m m ；2为 C = l O N m m ；3为 C = 31 0 N m m ；4为 C = 6 X 1 0 N mm ；5为 C =i N m m ；6 为 C = 1 5Nram。 。 该图显示 的是具有不变的 H L=1 1 0 ，具有各 种不同水平阻力系数 c 。由于底板绝对尺寸的变 ， -x - - - ， 7 一 4 f ， 一7 ， ， f 一 一 j 。 一 1 ： 一 U 2 0 4 ( O U U i U U 1 2 0 l 4 0 l U 1 9 0 2 U U 2 U 4 U b U U 长度 ( m) 图 3 温度应力与结构长度关 系 化而有不 同应力的关 系曲线。可以看 出，c 越小 ， 应力增加越缓慢 ；随着长度 的增加 ，应 力增长速 度不断下降。 3 大体 积混凝土的配制 大体积 混凝 土 所 选 用 的原 材 料 应 注 意 以下 几点 ： ( 1 )粗骨料宜采用连续级 配 ，细骨料 宜采用 中砂 。 ( 2 )外加剂宜采用缓凝剂 、减水剂 ；掺合料 宜采用粉煤灰 、矿渣粉等 。 ( 3 )大体积混凝 土在保证混凝土强度及坍落 度要求 的前 提 下 ，应 提高 掺合 料及 骨料 的含 量 ， 以降低单方混凝土的水泥用量。 ( 4 )水泥应尽量选用水 化热低、凝 结时间长 的水泥 ，优先采用 中热 硅酸盐水 泥、低热矿渣硅 酸盐水泥 、大坝水泥、矿 渣硅酸盐水 泥、粉煤灰 硅酸盐水泥、火山灰质硅酸盐水泥等。 但是 ，水化热低 的矿 渣水 泥 的析水 性 比其它 水泥大 ，在浇筑层表 面有大量水 析 出。这种泌水 现象不仅影响施工速 度 ，同时影响施工 质量。因 析出的水 聚集在上下两 浇筑层 表面 间，使 混凝土 水灰 比改变，而在掏水 时又带走 了一些砂 浆，形 成一层含水量多的夹层 ，破 坏混凝土 的粘结力 和 整体性。混凝 土泌水性 的大小与用水 量有关 ，用 水量多 ，泌水性大 ；且 与温度有关 ，水完全析 出 的时间随温度 的提高而缩短 ；此外 ，还与水泥 的 成分和细度有关。所 以，在选 用矿渣 水泥时应尽 量选择泌水性 的品种 ，并应在混凝 土 中掺人减水 剂 ，以降低用水 量。在施工 中，应及 时排出析水 或拌制一些 干硬性混凝 土均匀浇筑在 析水处 ，用 振捣器捣实后 ，再继续浇筑上一层混凝土。 4 大体积混凝土的浇筑 浇筑方案除应满足 每一 处混凝 土在初凝 以前 5 4 3 2 1 O O O 0 0 。 ； ： Ij 逍 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m C H E MI C AL E N GI N E E R I NG D E S I G N 4 ： r - 设计 2 0 1 1 ， 2 1 ( 3 ) 就被上一层新混凝 土覆盖并捣 实完毕外 ，还应考 虑结构大小、钢筋 疏密 、预埋管道 和地脚螺 栓的 留设、混凝土供应情况 以及水化热等因素 的影响 ， 常采用 的浇筑方法有以下几种。 4 1 全面分层 即在第一层 全部浇筑完毕后 ，再 回头浇筑第 二层 ，此时应使第一层 混凝土还 未初凝 ，如此逐 层连续浇筑 ，直至完 工为止。采 用这种 方案适用 于结构的平 面尺寸一般 不宜太大 ，施 工时从短边 开始，沿长边推进比较合适。必要时可分成两段， 从中间向两端或从两端向中间同时进行浇筑。 4 2分段 分层 混凝土浇筑时 ，先从底 层开始 ，浇筑 至一定 距离后浇筑第二层 ，如此依次 浇筑其他 各层。由 于总的层数较多 ，所 以浇筑 到顶后 ，第 一层末端 的混凝土还未初凝，又可以从第二段依次分层浇 筑。这种方案适 用于单位时 间内要 求供应 的混凝 土较少 ，不像第一 种方案那 样集 中。这种方案适 用于结构物厚度不太大而面积或长度较大的工程 。 4 3 斜面分层 要求斜面的坡度不大于 1 3 ，适用于结构 的长 度大大超过厚度 3倍 的情况。混凝土从浇筑层下端 开始 ，逐渐上移。 5 大体积混凝土养护温度 的控 制 大体积混凝 土的养护不仅 要满足强度增 大的 需要 ，还应通过温 度控制 ，防止 因温度变形 引起 混凝土的开裂。 温度控制 就是要 控制混凝 土的浇筑温度 和混 凝土内部 的最高温度。 在混 凝 土养 护 阶段 的温 度 控 制应 遵 循 以下 几点： ( 1 )混凝土的 中心温度 与表面温度之 间、混 凝土表面温度 与室外最 低气温之 间的温 差均应小 于 2 0 ；当结构 混凝土具 有足够 的抗 裂能力 时 ， 不大于 3 0 C。 ( 2 )采用通蒸 汽养护法 时 ，混凝土 的收缩 值 随时间而增长，蒸 汽养护 的收缩值低于 常温养 护 的收缩值 。混凝土从 开始凝 结就产 生收缩 ，初期 收缩变形发展较快，2 4周可分别完成全部收缩 的 2 5 一 5 0 ，1 2周后增长 缓慢 ，整个收缩过程 可延续 2年以上 ，最终收缩值为 ( 25 ) 1 0 ， 见 图 4 。 t( j ) 图 4 蒸 汽养护混凝土的收缩值与时间的关系 ( 3 )采用内部降温法来降低混凝土内外温差。 内部降温法是在混凝土内部预埋水管，通人冷却 水 ，降低混凝土 内部最高温 度。冷却 在混凝土 刚 浇筑完时就开始进 行 ，还有 常见 的投 毛石法 ，均 可以有效地控制 因混凝 土内外温 差而引起 的混凝 土开裂。 ( 4 )混 凝 土 拆模 时，混 凝 土 的温 差 不超 过 2 0 q C 。其温差应包括表面温度、中心温度和外界气 温之间的温差。 ( 5 )保温法是在结构物外露 的混凝 土表面以 及模板外侧覆盖如草袋 、锯末、湿砂等保温材料 ， 在缓慢的散热过程 中，使混凝土获得必要 的强度 ， 以控制混凝土的内外温差小于 2 0 。 ( 6 ) 昆 凝土表层布设抗裂 钢筋 网片 ，防止混 凝土收缩时产生干裂。 ( 7 )减小地基水平 阻力法 ，即在基础底板 与 垫层之间设滑 动层 ，如铺 两层油毡 、施沥青涂层 以及用其他当地可用的垫层。 6 结语 在大体积混凝 土施 工时 ，准确 计算混凝 土拌 合温度 、混凝土 出机温 度、混凝土绝 热温升、混 凝土内部实际温度、混凝 土表 面温度及混凝 土 内 部与表面温差 ，有利 于选 取适宜 的施 工工艺 、采 取相应的降温与养护措施 ，从而避免 出现混凝 土 温度裂缝 ，以保证混凝土结构的工程质量。 参考文献 1 王铁梦工程结构裂缝控制 M 北京：中国建筑工业出 版社 ，1 9 9 7 2 李国胜建 筑结构裂缝及 加层加 固疑难问题 的处理一附实 例 M 北京：中国建筑工业出版社，2 0 0 6 3 G B J 1 0 8 9 ， 混凝土结构设计规范 s ( 修改 回稿 2 0 1 1 0 4 2 0 ) 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m