大体积混凝土裂缝产生原因分析及控制技术讨论.pdf

第 3 7卷 第 8期 2 0 1 0年 8月 建筑技术开发 Bu i l di n g Te c h ni q ue De v e l o p m e n t Vo 1 37，No 8 Au g 2 01 0 大体积混凝土裂缝产生原 因分析及控制技术讨论 刘兴彦曾令宏 ( 湖南 大学土木 工程 学院 ， 长沙4 1 0 0 8 2 ) 摘要 随着基础建设 的迅速发展 ， 大体积混凝 土应用越 来越多 ， 但 大体积混凝 土控制不 好容易产 生裂缝 ， 分 析 了大 体积混凝 土裂缝产生 的原 因， 从原材料控制 、 设计 、 施 工、 养 护等方面 提出了大体 积混凝土 的裂缝控 制措 施 ， 从 而解决 大体积混凝土的裂缝问题 。 【 关键词 大体积混凝 土 ； 裂缝 ； 分析 ； 控 制 中图分类号】 T U 7 5 5 6 文献标志码 A 文章编号 1 0 0 1 5 2 3 X( 2 0 1 0 ) 0 8 - 0 0 4 6 -03 DI S CUS S I oN oN THE CRACK RE AS oNS AND CoNTRoL T E C I Q UE oF B U L K C oNC I T E Li u Xi n g - y a h Ze ng L i n g - h o n g Ab s t r a c t K e y w o r d s Bu l k c o n c r e t e i s wi d e l y u s e d wi t h t h e de v e l o pme n t o f b a s e c o ns t r u c t i o nI t i s o f t h e a d v a n t a g e s o f l ow p r i c e， c o nv e ni e n c e c o n s t r u c t i o n a n d l a r g e b e a tin g c a p a c i t y I t i l l u s t r a t e s t he d e f i ni t i o n o f l a r g e b ul k o f c o n c r e t e，a n a l y s e s t h e r e a s o ns o f c r a c k i n l a r g e b u l k o f c o n c r e t e，pu t s f o r wa r d me a s u r e s t o c o n t r o l l a r g e b ul k o f c o n c r e t e c r a c k ma t e r i a l c o n t r o l ，d e s i g n，c o n s t r uc t i o n a nd ma i nt e n a n c e，S O a s t o s o l v e t he pr o bl e m o f l a r g e b ul k o f c o nc r e t e c r a c k i mp r o v e p r o j e e t q u a l i t y Bu l k c o n c r e t e； c r a c k； a n a l y s i s； c o n t r o l me a s u r e 1大体 积混凝土简述 大体积混凝土的定 义 ， 目前世界各 国解 释不尽 一致 ， 日 本建筑学会定义为 ： “ 结构最小断面尺寸在 8 0 c m以上 ， 同时 水化热引起的混凝土 内最 高温度 与外 界气温 之差预计 超过 2 5 C的混凝 土， 称之为大体积混凝土 。 ” 原苏联规范规定 ： “ 夏 期施工 时， 浇筑 表面系数大 于 3的结 构物 ， 混 凝土拌合 物从 搅拌站运出时的温度 应不 超过 3 0 C3 5 C。 ” 我 国在 普通 混凝土配合 比设计规范 ( J G J T 5 5 ) 中对大体积混凝 土解释 为 ： 混凝土结构物中实体最小尺 寸不小 于或等 于 1 m， 或易引 起裂缝的混凝 土。美 国混凝土学会规定 为： 任何就地 浇筑的 大体积混凝 土， 必须采取措施解决水化热 及随之引起 的体积 变形问题 ， 以最大限度减少开裂 。 2 裂缝产生的原因 目前 ， 国内外对机械荷 载引起 的开裂问题研究得较 为透 彻 ， 而对温度荷载引起得 有关裂 缝 的研 究 尚不 充分 ， 应对 此 加 以重视 ， 防止危 害结构 的裂缝产生 。另外对 于大体积混凝 土内温度应力与裂缝控制也多集 中在水利工程 中的大坝 、 高 层建筑 的深基础底板 ， 现 在此对 其进行 分析 ， 以探讨 裂缝 出 现 的原 因及控制措施。 收稿 日期 ： 2 0 1 0 0 51 5 作者筒介 ： 刘兴彦 ( 1 9 6 9 一 ) ， 男 ， 湖南双 峰人 ， 毕业 于湖南 大学 ， 本科 讲师 ， 现从事土木工程教学 。 2 1 水 泥 水化 热的 影 响 水泥在水 化过程 中要释放 出一定 的热量 ， 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 的热量 聚集在结构内部不 易散失 。水 泥水化过 程 中放 出大量 的热 量 ， 主要集 中在浇筑后 的 7 d左右 ， 一般 每克 水泥 可 以放 出 5 0 0 J 左右 的热量 ， 如果 以水泥用量 3 5 0 5 5 0 k g m 来计算 ， 每立方米混凝 土将 放出 1 7 5 0 0 2 7 5 0 0 k J的热量 ， 从 而使 混凝 土内部温 度升 高 ( 可 达 7 0 C左右 ， 甚 至更高 ) 。混凝 土 内部 的水化热无法 及时散 发出去 ， 以至于越积 越高 ， 使 内外 温差增大 ， 混凝土内部产生压应力 ， 表面产生 拉应 力 。 当拉应 力超 过混凝土 的极 限抗拉强度时混凝土表面就会产生裂缝 。 2 2外界气温变化 大体积混凝土在施工阶段 ， 外界气 温的变化对防止大 体 积混凝土裂缝 的产 生起着 很大 的影响 。混凝 土 内部的温 度 是由浇筑温度 、 水泥水 化热 的绝热温 升和结构的散热温度 等 各种温度叠加之 和组成 。它 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 ， 温度应力是 由于温差 引起温 度变形 造成 的， 温差 愈大 ， 温度 应力也愈大 ， 极 其容易 引发混 凝土 的开裂 。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 C 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 的温度应力 。 第 3 7卷 刘兴彦 ， 等 ： 大体积混凝 土裂缝产 生原因分析及控帝 】 技术讨论 第 8期 2 3 混凝 土 收 缩 的 影 响 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 ， 这种 混凝 土在空气 中硬结时体积 减小 的现象称为 混凝 土收缩 。混凝土收 缩的 主要原 因是 内部水 蒸发 引起 混凝 土 收缩 。混凝土 的收缩主要有 塑性 收缩 、 干燥 收缩 和温度 收缩 三种 。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 凝土很不利 。 2 4 其他 因素的影响 其它引起大体积混凝土产生 的原因有 ： 设计 结构 中的断 面突变而产生的应力集 中所产生 的构件裂缝 ； 设计 中对构件 施加 预应 力不当 ， 造成构件 的裂缝 ( 偏心 、 应力过大等 ) ； 设计 中采 用的混凝 土等级过高 ， 造 成用 灰量 过大 ， 对 收缩不 利 ； 粗 细集 料含 泥量过大 ， 造成混凝 土收缩增 大。集料 颗粒级配不 良或采取 不恰 当的 间断级 配 ， 容易 造成 混凝 土收 缩的增 大 ， 诱导 裂缝 的产生 ； 骨料粒径越 细 、 针 片含量越 大 ， 混凝 土单方 用灰 量、 用 水量增 多 ， 收缩 量增大 ； 混 凝土外 加剂 、 掺 和料选 择不 当、 或掺量 不 当， 严重 增加 混凝土 收缩 ； 周 围环境影 响 ， 酸、 碱 、 盐 等对 构筑物 的侵蚀 ， 引起 裂缝 ； 现场浇捣混凝 土时 ， 振捣或插 入不 当 ， 漏振 、 过振或振捣棒 抽撤过快 ， 均会 影响混 凝 土的密 实性 和均匀性 ， 诱导 裂缝 的产生 ； 现场养 护措 施不 到位 ， 混凝 土早期 脱水 ， 引起 收缩 裂缝 ； 现场模 板拆 除不 当 ， 引起拆模裂缝 或拆模 过早。 3 裂缝控制措施 3 1 设 计 措 施 大体积混凝 土的强 度等 级宜在 C 2 0C 3 5范 围内选 用 ， 尽量利用后期强度 。随着建 筑市场 的不 断变化 ， 大体 积混凝 土的强度 等级 日趋 增高 ， 出现 以 C 5 5以上 等高 强混凝 土 ， 设 计强度过 高 ， 水泥用量过大 ， 必然造成 混凝土水化 热过高 ， 混 凝 土块体 内部 温度 高 ， 混凝土 内外 温差超 过 3 0 以上 ， 温度 应力容易超过混凝 土的抗 拉强度 ， 产生开 裂。竖 向受 力结构 可 以用高强混凝土 减小 截面 ， 而对 于大体积混凝 土底板 应在 满足抗弯及抗 冲切 计算 要求下 ， 采用 C 2 0C 3 5的混凝土 ， 避 免设计上 “ 强度 越高越 好 ” 的错误 概念 。考 虑到建 设周期 等 特点 ， 在保证基础有足够强度 、 满 足使用 要求 的前 提下 ， 可 以 利用混凝 土 6 0 d或 9 0 d的后期 强度 ， 这 样可 以减 少混凝 土 中的水泥用量 ， 以降低混凝土浇筑块体 的温度 升高。 大体积混凝土基础 除应 满足承载力 和构造要 求外 ， 还应 增配承受 因水泥水 化热 引起 的温度 应力 及控 制裂缝 开展 的 钢筋 ， 以构造钢筋来控制裂缝 ， 配筋应尽可 能采用 小直径 、 小 间距 。采用直径 81 4 m m 的钢筋 和 1 0 01 5 0 m m间距是 比 较合理的 。混凝 土结 构截 面的 配筋 率不 小 于 0 3 0 ， 应 在 0 3 0 一0 5 0 之 间 。 当基础设置 于岩石 地基 上时 ， 宜往 混凝土 垫层上设 置滑 动层 ， 滑 动层 构造 应采 用一 毡二 油 ， 在夏季 施工 时也 可采 用 一 毡 一 油 避免 结构突变 ( 或 断面 突变 ) 产生应 力集 中。转角 和孔 洞处增设构造 加强筋 。 大块式基 础及 其他筏式 、 箱式 基础不应设 置永久 变形 缝 ( 沉 降缝 、 温度 伸缩缝 ) 及横 向施 工缝 。应 采用 “ 后 浇 缝” 和 “ 跳仓 打” 来控制施工 期 间的较 大温差及 收缩应 力 。后 浇缝 宽不宜小 于 8 0 c m， 在施工 缝处钢筋应贯通 ， 前后 仓浇筑相 隔 2 4周 ， 用 比设 计强度等级高一级 的细石混凝 土将施工缝填 灌密实 ， 并加 强养护 。 对超厚超长 的整体 混凝 土结 构 ， 由于其 结构 截面 大 ， 水 泥用量多 ， 水 泥水 化 热会 产生 较大 的温度 变化 和收缩 作用 ， 会导致混凝土产生表面裂缝 和贯 穿性或 深进裂缝 ， 影 响结 构 的整体性 、 耐久性和 防水 性 ， 影 响正常使用 。因此 ， 大体积混 凝土施 工前 ， 应对 施工 阶段 大体 积混 凝土 浇筑块 体 的温度 、 温度 应力及收缩力进行裂缝控制计 算 ， 确定施工 阶段大体 积 混凝 土浇筑块体的升温峰 值 、 内外温 差规定 不超过 3 0 C( 实 际操 作时对重要结构控制在 2 5 ， 一般 结构控制在 3 0 C) 及 降温 速度( 不超 过 1 5 0 C d ) 的控 制 指标 ， 制 订温 控施 工 的 技术 措施 ， 来 预防温度 收缩裂缝 ， 保证 混凝 土工程质量。 3 2 材 料 措 施 为了减少水泥用 量 ， 降低 混凝 土浇筑 块体 的温 度升 高。 经设 计单 位同意 ， 可利 用混 凝土 6 0 d后期强度作为混凝土强 度评定 、 工程交工验 收及混凝 土配合 比设计 的依据 。 采用 降低 水泥用量的方法来 降低 混凝 土的绝对温升值 ， 可以使混凝 土浇筑后 的 内外 温差 和 降温速 度控 制的难 度降 低 ， 也可降低保温养 护 的费用 ， 这 是大 体积 混凝 土配合 比选 择 的特殊性 。强 度等级在 C 2 0一C 3 5的范 围内选用 ， 水 泥用 量最好不超过 3 8 0 k g m 。 应优先采 用水 化 热低 的矿 渣水 泥 配制 大 体积 混 凝 土。 所用 的水 泥应 进行 水化热测定 ， 水泥水化热 测定按现 行国家 标准 水泥水化热试验方法( 直接法) 测定。 采 用 54 0 ram 颗 粒 级 配 的 石 子 ， 控 制 含 泥 量 小 于 1 5 0 。 采用 中、 粗砂 ， 控制含泥量小于 1 5 0 。 掺合料及外 加剂 的使用 。 国内当前 用的 掺合料 主要 是 粉煤灰 ， 可以提高混 凝土 的和 易性 ， 大 大改 善混凝 土工作 性 能和可靠性 ， 同时 可代 替水 泥 ， 降低 水化 热。掺加量 为水 泥 量的 1 5 ， 降低水化热 1 5 左右 。外 加剂 主要指减 水剂 、 缓 凝剂和膨胀剂 。混凝 土 中掺 入水 泥重量 0 2 5 的木钙减 水 剂 ， 不仅使 混凝 土工 作 性 能 有 了 明显 的改 善 ， 同 时又 减 少 1 0 拌和用水 ， 节 约 1 0 左 右 的水 泥 ， 从 而 降低 了水 化热 。 一 般泵送混凝 土为 了延 缓凝 结 时间 ， 要加 缓凝 剂 ， 反之凝 结 时间过早 ， 将 影响混凝土浇筑 面的黏结 ， 易 出现层 间缝隙 ， 使 混凝土防水 、 抗裂和整体强度下 降。为 了防止 混凝土 的初 始 裂缝 ， 应 加膨 胀剂 。 3 3 施 工措 施 混凝 土的浇 筑方法 可用分 层连续 浇筑 或推移 式连续 浇 筑 ， 不得 留施 工缝 ， 并应符合下列规定 ： 混凝土 的摊 铺厚度应 4 7 第 8期 刘兴彦 ， 等 ： 大体积混凝土裂缝产生原 因分析及控 制技 术讨论 第 3 7卷 根据所用振捣 器的作用深度及混凝土 的和易性确定 ， 当采用 泵送混凝土时 ， 混凝土的摊铺厚度不大 于 6 0 0 m m； 当采用非 泵送混凝土时 ， 混凝 土 的摊铺厚 度不 大于 4 0 0 m m。分 层连 续浇筑或推移式连续 浇筑 ， 其层 间的间 隔时间应 尽量缩 短 ， 必须在前层混凝土初凝 之前 ， 将其次层混凝 土浇筑完毕 。层 间最长的时间间隔不 大于混凝 土 的初凝 时间。 当层 间间 隔 时间超过混凝土的初凝 时间 ， 层面应按施工缝 处理 。 大体积混凝土施工采取分层浇筑 混凝 土时 ， 水平施工缝 的处理应符合下列规定 ： 清除浇筑 表面 的浮浆 、 软弱 混凝 土 层及松动 的石子 ， 并均匀露出粗骨料 ； 在上层混凝 土浇筑前 ， 应用压力水冲洗混凝土表面的污物 ， 充分 湿润 ， 但不 得有水 ； 对非泵送及低流动度 混凝土 ， 在 浇筑上层 混凝 土时 ， 应采 取 接浆措施 。 混凝土 的拌制 、 运输必须满足连续浇筑 施工 以及尽量 降 低混凝土 出罐温度等 方面 的要 求 ， 并应符 合下 列规定 ： 当炎 热季节浇筑大体积混 凝土 时， 混凝 土搅拌 场宜 对砂 、 石骨 料 采取遮 阳、 降温措施 ； 当采用泵送混凝 土施工时 ， 混凝土 的运 输宜采用混凝土搅拌运输车 ， 混凝土搅拌运输 车的数量应满 足混凝土连续浇筑的要求。 在混凝土 的浇筑 过程 中 ， 应及 时清 除混 凝 土 表面 的 泌 水 。泵送混凝土的水灰 比一般 较大 ， 泌水 现象也 较严重 ， 不 及时清除 ， 将会降低结构混凝土的质量。 混凝土浇筑完毕后 ， 应及时按温控技术措施 的要求进行 保温养护 ， 并应符合下列规定 ： 保 温养 护措施 ， 应 使混凝土浇 筑块体的里外温差及 降温速度满足 温控指标的要求 ； 保温养 护 的持续时间 ， 应根据温 度应力 ( 包括混 凝 土收缩产 生的应 力 ) 加 以控制 、 确定 ， 但不得 少于 1 5 d ， 保 温覆 盖层 的拆除应 分层逐步进行 ； 在保 温养护 过程 中， 应保 持混 凝土表 面的湿 润 。保温养护是大体积混凝 土施工 的关键 环节 ， 其 目的主要 是降低大体积混凝 土浇 筑块体 的内外温 差值 以降低混 凝土 块体的 自约束应力 ； 其次是降低大体积混凝土浇 筑块体的降 温速度 ， 充分利用混凝 土 的抗 拉强 度 ， 以提高混 凝土块 体承 受外约束力的抗 裂能力 ， 达 到防止 或控制 温度裂缝 的 目的。 同时 ， 在养护过程 中保 持 良好 的湿度 和抗 风条件 ， 使混凝 土 在 良好的环境 下养护 。施 工人员需 根据 事先确定 的温控 指 标的要求 ， 来确定大体积混凝 土浇筑后 的养护措施 。 塑料 薄膜 、 草袋可作 为保温材 料覆 盖混凝 土和模 板 ， 在 寒冷季节 可搭设 挡风保 温棚。覆盖 层的厚 度应根 据温控 指 标的要求计算 。 对标 高位 于 0 0以下部位 ， 应及时 回填 土 ； 0 0以上 的部 位 应 及 时 加 以覆 盖 ， 不 宜 长 期 暴 露 在 风 吹 日 晒 的 坏境 中。 在大体积混凝 土拆 模后 ， 应采 取预 防寒潮袭 击 、 突然 降 浊和剧烈干燥等措施。 4 温控施工现场监测工作 大体积混凝土的温控施 工中 ， 除应进行水 泥水化热 的测 4 8 定外 ， 在混凝土浇筑 过程 中还应进 行混凝 土温度 的监测 ， 在 养护过程中应进行混凝 土浇 筑块体升 降温 、 内外 温差 、 降温 速度及坏境温度等监 测。监测 的规模 可根据所 施工 工程 的 重要性和施工 经验 确定 ， 测 温 的方 法可 采用 先进 的测 温方 法 ， 如有经验也可采用简易测温方法 。这些 监测结果能及时 反馈现场大体积混凝 土浇筑块 内温 度变化的实 际情况 ， 以及 所采用 的施工技术措 施 的效果。为工 程技术 人员及 时采取 温控对策提供科学依据。 混凝土的浇筑温度系指混凝土振 捣后 ， 位 于混凝土上表 面 以下 5 01 0 0 l m深处的温度 。混凝土浇筑温度的测试 每 工作班 ( 8 h ) 应 不少 于 2次 。 大体积混凝土浇筑块体内外温差、 降温速度及环境温度 的测试 ， 每昼夜应不 少 2次 。 大体 积混凝土浇 筑块 体 温度 监测 点 的布置 ， 以能 真实 反 映出混 凝 土 块 体 的 内外 温 差 、 降 温 速度 及 环 境 温 度 为 原则 。 测温元件的选择应符合下 列规 定 ： 测 温元件的测温应不 大于 0 3 0 C； 测温元件 在安装前 ， 必须 在浸水 2 4 h后 ， 按上 述进行筛选 。 监测仪表的选择应符合下 列规 定 ： 温度 记录的误差应不 大于 1 ； 测温仪表 的性 能 和质量应 保证施 工 阶段 测试 的 要求 。 测温元件的安装 及保 护应符合 下列规定 ： 1 ) 测温元件安 装位置应准确 ， 固定 牢 固， 并与 结构钢 筋及 固定 架金 属体绝 热 ； 2 ) 测温元件的引出线应集 中布置 ， 并加以保护 ； 3 ) 混凝土 浇筑过程 中， 下料 时不得直 接 冲击测温元 件及其 引 出线 ， 振 捣时 ， 振捣器不得触及测温元件及其引 出线。 5 结 语 综上所述 ， 虽然 大体积混 凝土很 容易 产生裂缝 ， 但 是大 量的科学研究以及成 功的工程实例都 表明 ： 只要 在配合 比设 计 、 施工工艺 、 材 料选择 以及后 期的养 护过程 中能够 充分考 虑的各 种 因 素 的 影 响 ， 还 是 可 以避 免 危 害 结 构 的 裂 缝 的 产 生 。 参考文献 1 江建军 水 利工 程 建设标 准 强制 性条 文 北 京 ： 光 明 日报 出版 社 ， 2 0 0 4 2 王状飞 ， 江正荣 ， 朱维益 建筑施工手册 ( 2版) 北京 ： 中国建筑工 业出版社 ， 1 9 8 8 3 卢娟娟 大体积 混凝 土结构 裂缝 控制综 合措 施 农 业科 技 与信 息 ， 2 0 0 8 ， ( 2 0 ) ： 4 4 4 5 4 孙宏 明， 姚安全 ， 等 浅谈大体积混凝土的裂缝 控制措施 山西建 筑 ， 2 0 0 8 ， 3 4 ( 2 7 ) ： 1 9 01 9 1 5 张启革 大体积混凝土裂缝产 生的原 因及控 制 内蒙古科技 与经 济 ， 2 0 0 8 ， ( 1 5 ) ： 1 0 51 0 7 6 李小 峰 大体积混 凝 土裂缝原 因分 析及 控制 技术 林 业科 技情 报 ， 2 0 0 8， 4 0 ( 3 ) ： 5 85 9