大体积混凝土裂缝的形成与控制.pdf

1 4 0 管理施工 城 市道桥与 防洪 2 0 1 1 年 4 月第 4 期 大体积混凝土裂缝的形成与控制 黄兆恩 ( 佛山市 市政建 设工程 劳务服 务有 限公司 ， 广东佛 山 5 2 8 0 0 0) 摘要 ： 该 文通 过总结 大体积 混凝 土产生 裂缝的 主要 原 因 ， 针对 性地提 出 了裂缝 控制 的技术 措施 。 关键 词 ： 大体 积混 凝土 ； 裂缝 ； 温度 ； 水化 热 中 图分类号 ： T U 5 2 8 ． 1 文献标 识码 ： B文章编 号 ： 1 0 0 9 — 7 7 1 6 ( 2 0 1 1 ) 0 4 — 0 1 4 0 — 0 3 0前言 大体积混凝 土一般是指混凝土结构截面尺寸 大到必须采取相应措施妥善处理温度差值 ，合理 解决温度应力并控制裂缝开展的混凝土结构。 由于大体积混凝土硬化期间水 泥水化过程释 放 的水化热所产 生的温度变化和 混凝 土收缩 ， 以 及外界约束条件的共 同作用 ，而产生 的温度应力 和收缩应力 ，是导致大体积混凝土结构 出现裂缝 的主要 因素 。 在大体积混凝 土施 工中 ，必须考虑温度应力 的影响， 并设法降低混凝土内部的最高温度， 减小 其 内外 温差 。温度应力 的大小 ， 涉及结构平 面尺 寸 、 结构厚度 、 约束 条件 、 含 钢量 、 混 凝土 的各种 组成材料 的特性等多种 因素 ， 所 以必须采用温度 差和 温度应 力双控 制 的方法 控制 大体 积混凝 土 裂缝。 1 大体 积混 凝土产 生裂 缝的主 要原 因 1 ． 1水泥水化热的影响 水泥在 水化反应过 程 中产生 大量 的热量 ， 这 是大体积混凝土 内部温升的主要热量来源 ，试验 证 明每克普 通硅酸盐水泥放 出的热量可达 5 0 0 J 。 由于大体 积混凝土截面厚度大 ，水化热聚集在结 构 内部不易散发 ，所 以会引起混凝土结构 内部急 剧升温。混凝土结构的厚度越大 ， 水泥用量越 多 ， 水 泥早期强度越高 ， 混凝土结构 的内部升温越快 。 大体积混凝土测温试验研究表明 ，水泥水化热在 1 - 3 d内放 出的热量最 多 ，大约 占释放 出总热量 的 5 0 ％； 混凝土浇筑后 的 3 ～ 5 d内 ， 混凝土 内部的 温度最高。 每 m 混凝土中水泥用量 ， 每增减 1 0 k g 其 水化 热将 使 混凝 土 的温 度相 应 升 降 1 c 【 = ， 所 以， 对于普通混凝土控制在每 m 混凝 土水 泥用量 不超过 4 0 0 k g 。 收稿 日期 ： 2 0 1 1 - 0 1 — 1 l 作者简介 ： 黄兆恩 ( 1 9 7 7 一) ， 男 ， 广 东佛 山人 ， 丁程师 ， 从事 建 筑 材料 、 混凝土 试验研究 丁 作。 随着混凝土龄期的增长 ，其 弹性模量和强度 不断提高，对混凝土降温收缩变形的约束也越来 越强 ， 产生很大的温度应力 ， 当混凝土 的抗拉强度 不足 以抵抗此温度应力时 ， 便容易产生温度裂缝 。 1 ． 2 内外约束条件 的影响 各种混凝土结构在变形 中，必然受到一定 的 约束 ， 从而阻碍其 自由变形， 约束又分为内约束和 外约束 。 通 常大体积混凝土与地 基浇筑在一起 ，当温 度变化 时受到下部地基的限制 ，因而产生外部的 约束应 力。 混凝土在早期温度上升时 ， 产生 的膨胀 变形受到约束面 的约束而产生压应力 ，此时混凝 土的弹性模量很小 ， 徐变和应力松弛均较大 ， 混凝 土与基层连接不太牢固， 因而压应力较小。 但当温 度下降时 ， 则产生较大的拉应力 ， 若超过混凝 土的 极限抗拉强度 ， 混凝土将会 出现垂直裂缝 。 由于结构不可能受到全约束 ，加之混凝土还 有徐变变形 ，所 以温差在 2 5 c 【 = 一 3 0 c 【 = 情况下 ， 也 可能不产生裂缝。 由此可见 ， 降低混凝土的内外温 差和改善其约束条件，是防止大体积混凝土产生 裂缝 的重要措施 。 1 ． 3 外界气温变化的影响 大体积混凝 土结构在施工期间 ，外界气 温变 化对防止大体积混凝土开裂有很大影响 。混凝 土 内部温度由浇筑温度 、水泥水化热的绝热温升和 结构的散热温度等各种温度之和组成。浇筑温度 与外界气温有着直接关系， 外界气温越高， 混凝土 的浇筑温度也越高 ； 如果外界气温下降 ， 会增加混 凝土的温度梯度 ， 特别是气温骤然下降 ， 会大大增 加外层混凝土与内部混凝土的温差 ，因而会造成 过大 的温度应力 ， 易使大体积混凝 土出现裂缝。 大体积混凝土 由于厚度大 ， 不易散热 ， 其 内部 温度在有的工程中可高达 8 5℃， 而且持续时间较 长 。 温度应力是 由温差引起 的变形所造成 的， 温差 越大 ， 温度应力也越大 。因此 ， 采取合理 的温度控 制措施 ， 控制混凝土表面温度与外界气温的温差 ， 是防止混凝土产生裂缝的另一个重要措施。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 1 年4 月第 4 期 城 市道桥 与防洪 管理施工 1 4 1 1 ． 4 混凝土收缩变形的影响 混凝土收缩变形的影 响 ，主要包括 塑性 收缩 变形 和体积变形两个方 面。 1 ． 4 ． 1 混凝 土的塑性收缩变形 在混凝土硬化之前 ， 混凝土处于塑性状态 ， 如 果上部混凝土 的均匀沉降受到限制 ， 如遇 到钢筋 、 大的混凝土 骨料或者平 面面积较 大 的混凝 土 ， 其 水平方 向的减缩 比垂直方 向更 难时 ，就容易形成 一 些不规则的混凝 土塑性 收缩性裂 缝 。这种裂缝 通常是 互相平 行 的 ， 间距一 般为 0 ． 2 ～ 1 ． 0 m， 并 且 有一定的深度 ，它不仅可 以发生在 大体积的混凝 土 中， 而且可 以发生在平面尺寸较大 、 厚度较薄的 结 构 构 件 中 。 1 ． 4 ． 2 混凝 土的体积变形 混凝 土在水 泥水化过程 中要产生一定 的体积 变形 ， 但多数是收缩 变形 ， 少数为膨胀变形 。掺人 混凝土 中的水逐渐蒸发 ，随着混凝土 的不断干燥 而使 吸附水溢 出， 就会出现干缩变形 。 除上述干燥收缩外 ，混凝 土还会产生碳化收 缩变形 。即空气 中的二氧化碳 与混凝土 中的氢氧 化钙反应生成碳 酸钙和水 ，这些 结合水会 因蒸发 而使混凝土产生收缩变形 。 2 大体 积混 凝土 裂缝控 制 的技 术措 施 大体 积混凝 土的裂缝 ，绝大 多数是 由温度 的 原因产生 的 ， 因此 防止产 生温度裂 缝是 大体积 混 凝 土施工 的关键 。为了防止其 产生温度 裂缝 ， 除 在施工前需 要进行认 真的温度 计算外 ， 还 要做 到 在施工过程 中采取一 系列有效 的技术措 施 ， 如 控 制混凝 土温 升 、 延 缓 混凝 土降 温速 率 、 减少 混凝 土收缩 变形 、 提高 混凝 土极 限抗 拉应 力 值 、 改善 混凝 土约束条件 、 完善构 造设计 和加强施工 中的 温度监测等 。 2 ． 1 选用中、 低热水泥品种 强度等级 为 4 2 ． 5 MP a的矿渣 硅酸盐水 泥 ， 其 3 d的水化热 为 1 8 0 k J ／ k g ；强度等级 为 4 2 ． 5 MP a 的普通硅酸盐水泥 ， 其 3 d的水化热 为 2 5 0 k J ／ k g ； 强度等级为 4 2 ． 5 MP a的火 山灰质硅酸盐水 泥 ， 其 3 d的水 化热仅 为同强度 等级普通硅 酸盐水 泥 的 6 0％ 。 2 ． 2 掺加外加剂和外掺料 2 ． 2 ． 1掺力 口 夕 卜 力 口 剂 大体积混凝 土 中掺加的外加剂 主要是木 质素 磺 酸钙 ( 即木钙 ) 。在泵送混凝 土中掺入水 泥质量 的 0 ． 2 ％～ 0 3％， 它不仅 能使 混凝土 的和易性有 明 显 的 改善 ， 而且可 减少 1 0 ％左 右 的拌 和水 ， 混 凝 土 2 8 d的强度可提 高 1 0 ％～ 2 0 ％；若不减 少拌和 水 ， 坍 落度可提 高 1 0 c m左 右 ； 若保 持强度 不变 ， 可节省水泥 1 0 ％， 从 而降低水化热 。 2 ． 2 ． 2 掺加外掺料 在混凝 土 中掺 入一定 量 的粉煤灰 取代水 泥 ， 除了粉煤灰本身 的火 山灰活性作用 ，生成硅酸盐 凝胶 ，作 为胶凝材料 的一部分起提 高耐久性作用 外 ， 还可 以起到显著改善混凝土和易性 ， 满足混凝 土 的可泵送 ， 降低混凝土水化热的效能。 2 ． 3 优选骨料 大体积混凝 土中组成混凝土 的砂石料约 占混 凝土 总质量 的 8 5 ％， 所 以正确 选用砂石 料对保证 混凝土质量十分重要 。 2 ． 3 ． 1粗骨料的选择 宜优先选择 自然连续级 配的粗骨料 ，有其配 制的混凝 土 ， 具 有较好 的和易性 、 较少 的用 水量 、 节约水泥用量 、 较高 的抗压强度等优点 。 经验证明 采用 5 ～ 4 0 mm石子 比采用 5 ～ 2 0 m m石 子 ，每 m 混凝 土可减少 用水量 1 5 k g左 右 ，在相 同水灰 比 的情 况下 ， 水 泥用量 可节约 2 0 k g ， 混凝 土温升 可 降低 2 c 【 = 。但是 ， 骨料粒径增大后 ， 容易引起混凝 土 的离析 ， 影响混凝土 的质量 。 2 ． 3 ． 2 细 骨料 的选择 以采用 优 质 的 中粗 砂 为宜 ，细度 模 数 宜在 2 ． 6 ～ 2 ． 9范 围内 ， 这样可 以降低 混凝土的温升和减 少混凝土的收缩。 泵送混凝土 的输送 管道形式很多 ，如果混凝 土 中的砂浆 量不足 ， 很 容易发 生堵管现 象 ， 所 以 ， 可适 当提高砂率 ， 但若砂率过大 ， 又将对混凝土 的 强度产生不利影 响。 因此 ， 在满足 混凝土可泵性 的 前 提下 ， 尽可能选用较小 的砂率 。 2 ． 3 ． 3 骨料的质量要求 石子 的含 泥量不得大 于 1 ％， 砂 的含泥量 不得 大于 2 ％。 2 ． 4 控制混凝土 出机和浇筑温度 2 ． 4 ． 1控 制混凝 土的出机温度 降低混凝 土的 出机温度 ，其最有效 的办 法就 是 降低砂石 的温度 。降低砂石 温度 的方 法很 多 ， 如 在砂石堆料 场搭设 简易 的遮 阳装置 ， 砂 石温度 可 降低 3℃～ 5 c C；还有在 拌和前 用冷水 冲洗粗 骨料 ， 在储 料 仓 中通冷 风 预冷 ， 再加 上 冰屑拌 和 等方法 。 2 ． 4 ． 2 控制混凝土的浇筑温度 混凝土的浇筑温度越低， 对于降低混凝土内外温 差越有利 。 混凝土的浇筑温度不宜超过 2 5℃， 特殊情 况下， 混凝土最高浇筑温度控制在 3 5℃内为宜 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 1 4 2 管理施工 城 市道桥 与防洪 2 0 1 1 年 4 月第 4 期 2 ． 5 延缓混凝土降温速率 混凝土浇筑后 ，减少混凝土 的暴露面和暴露 时间 ， 以适 当的 材料加 以覆盖 ， 采 取保湿 和保 温 措施 ， 不仅 可 以减 少升 温 阶段 的 内外 温 差 ， 防止 产生 表面裂 缝 ， 而且可 以使水 泥顺 利水 化 ， 提 高 混凝土极 限拉 伸值 ， 防止产生过 大的温度应力 和 温度裂缝。 2 ． 6 提高混凝土极 限拉伸值 对 浇筑后未初凝 的混凝 土进行二次 振捣 ， 能 提高混凝土的抗裂性 。二次振 捣的恰 当时间是指 混凝土振捣后 尚能恢复到塑性状态 的时间。掌握 二次振捣恰当时间的方法是 ，将运转 的振捣棒 以 其 自身重力逐渐插入混凝 土中进行振捣 ，混凝土 在振捣棒慢慢拔 出时能 自行 闭合 ，不会在混凝土 中留下孔穴 ，则可 以认 为此时施加二次振捣是适 宜的。 在实际工程正式采用二次振捣前必须经过试验 确定 ， 避免由于失误而造成“ 冷接头” 等质量问题。 改善混凝土搅拌工艺 ，可采用二 次投料 的砂 浆裹石或净浆裹石 的搅拌新工艺 ，可以使混凝土 强度 提高 1 0 ％左 右 ， 相应地提高 了混凝 土抗拉强 度和极限抗拉值 。 当混凝土强度基本相同时 ， 可减 少 7 ％左右 的水泥用量 ， 从而也减少 了水化热。 2 ． 7 改善边界约束和构造设计 2 ． 7 ． 1合理分段浇筑 当大体积混凝土结构的尺寸过大时，可采用 合理分段浇筑 ，即增设 “ 后浇带”的方 法进行浇 筑 。 “ 后浇带 ” 的问距 ， 在正常情况下 为 2 0 ～ 3 0 m， 保 留时间一般不宜 小于 4 0 d，带宽 以 7 0 ～ 1 0 0 e m 为宜 ， 其混凝土强度等级 比原结构提高 5 1 0 MP a ， 保温养护不得少 于 1 5 d 。 2 ． 7 ． 2 合理配置钢筋 为了提 高混凝 土结构 的抗裂性能 ，采取增加 配置构造钢筋 的方法 ，可使构造筋起 到温度筋 的 作用 ， 这样能有效地提高混凝土的抗裂性能。 配置构造钢筋应尽 可能采用小直径 、 小间距 ， 全截面对称配筋布置 ，这样可以极大地提高抵抗 贯穿性开裂 的能力 ， 配筋率应控制在 0 ． 3 ％～ 0 ． 5 ％ 之 间。 2 ． 7 ． 3 设 置 滑 动 层 在遇到约束强 的岩石类地基 、较厚 的混凝土 垫层 时 ，可在接触 面上设置滑动层 。滑动层 的做 法 ：涂 刷两道 热沥青 加铺 一层 沥青洫 毡 ；铺设 1 0 ～ 2 0 m m厚 的沥青砂 ；铺设 5 0 m m厚 的砂或石 屑层等。 2 ． 7 ． 4 避免应力集 中 在结构 的孔洞周围 、 变断 面转角部位 、 转角处 会 因为应力集 中而导致混凝土裂缝 。为此 ， 可在 孔洞 四周增 配斜 向钢筋 、 钢筋 网片 ； 在 变断 面处 避免断面突变 ，可作局部处理使 断面逐渐 过渡 ， 同时增配一定量 的抗裂钢筋 ， 对 防止裂缝产 生有 很大作用 。 2 ． 7 ． 5 设置缓冲层 高 、 低底板交接处 、 底板地梁处等， 用 3 0 — 5 0 m m 厚 的聚苯乙烯泡沫塑料作垂直 隔离 ，以缓冲基 础 收缩时的侧 向压力 。 2 ． 8加强测温工作控 制内外温差 为 了测定不 同深度温 度升降 的变 化规律 ， 随 时监测混凝土 内部温度变化 ，有的放矢地采取相 应的技术措施确保工程质量。可在混凝土内部不 同部位埋置铜热传感器 ，用混凝 土温度测定记录 仪进行施工全过程 的跟踪监测。 为 防止混凝土 内部和表面温度 、表面温度和 外 界温度的温差均 大于 2 5 c C，必须加强测 温工 作 ， 采取措施 ， 防止混凝土裂缝 的出现 。 测温记 录要求 ： 第 1至第 5日， 每 2 h测温一次； 第 6至第 2 1日， 每 4 h测温一次 ； 第 2 2至第 3 0日， 每 8 h测温一次。 3 结语 相信随着国家建设的不断发展 ，大体积混凝 土在工程 中的应用也会越来越 广泛 。本文针对大 体积混凝土产生裂缝的主要原 因 ，提 出了相应的 裂缝控制措施 ，希望可以为13 后的工程提供有用 的参考 。 参 考文献 【 1 】 冯乃谦 ． 混凝 土结 构 的裂 缝与对 策[ M] ． 北 京 ： 机 械工业 出版社 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m