大體積混凝土結構裂縫控制研究
2008-11-04 00:00
| 摘要： 探討了大體積混凝土結構裂縫產生的原因及影響因素，概述了控制大體積混凝土裂縫的方法是提高混凝土的抗裂能力和控制溫度應力。 關鍵詞：大體積混凝土；裂縫控制；施工 引言 近年來，大體積混凝土在高層建筑的基礎中運用越來越多，由于基礎混凝土的澆筑要求連續(xù)進行，不留施工縫，因而如何有效地控制大體積混凝土基礎結構裂縫，對基礎施工質量至關重要。大體積混凝土裂縫問題是當前混凝土施工中的一個普遍問題，裂縫不僅會降低混凝土結構的強度，而且嚴重影響混凝土結構的耐久性。 混凝土產生裂縫的原因和混凝土原材料的選擇、配合比的設計、施工工藝、外部荷載作用等因素有關。大體積混凝土具有體積過大、溫度高的特點，產生裂縫的主要原因與普通混凝土不同，文中主要針對這一特點分析了裂縫產生的主要原因，提出了施工預防措施，進行合理的施工設計，防治混凝土有害裂縫的產生。 1. 大體積混凝土裂縫產生的原因 大體積混凝土施工期間產生的結構裂縫主要是水泥水化熱引起的溫度變化造成的。大體積混凝土產生溫度裂縫，是其內部矛盾發(fā)展的結果。矛盾的一方面是混凝土由于內外溫差而產生的應力和應變，另一方面是外部約束和混凝土各質點間的約束，要阻止這種應變。一旦溫度應力超過混凝土能承受的抗拉強度時，即會出現(xiàn)裂縫。這是導致混凝土產生裂縫的主要原因，現(xiàn)將產生裂縫的主要原因分述如下： （1） 水泥水化過程是大體積混凝土中的主要溫度因素 水泥水化過程中要放出一定的熱量。而大體積混凝土結構物一般斷面較厚，水泥放出的熱量聚集在結構物內部不易散發(fā)。通過實測，水泥水化熱引起的溫升，在水利工程中一般為15～25℃，而在建筑工程中一般為20～30℃，甚至更高。 由于混凝土的導熱性能差，澆筑初期混凝土的強度和彈性模量都很低，對水化熱引起的急劇溫升約束不大，相應的溫度應力也較小。隨著混凝土齡期的增長，彈性模量的增高，對混凝土內部降溫收縮的約束也就愈來愈大，以至產生很大的拉應力。當混凝土的抗拉強度不足以抵抗這種拉應力時，便開始出現(xiàn)溫度裂縫。 （2） 外界氣溫變化的影響 大體積混凝土在施工階段，外界氣溫愈高，混凝土的澆筑溫度也愈高；而外界溫度下降，又增加混凝土的降溫幅度，特別是氣溫驟降，會大大增加外層混凝土與內部混凝土的溫度梯度，這對大體積混凝土是極為不利?；炷羶炔康臏囟仁撬療岬慕^熱溫度，澆注溫度和結構物的散熱降溫等各種溫度疊加，而溫度應力則是由溫差引起的溫度變形造成的；溫差愈大，溫度應力也愈大。同時，在高溫條件下，大體積混凝土不易散熱，混凝土內部的最高溫度一般在60～65℃，并且有較大的連續(xù)時間(與結構尺寸和澆筑塊體厚度有關)。在這種情況下，研究合理的溫度控制措施，防止混凝土內外溫差引起的過大溫度應力，就顯得更為重要。 ?。?） 約束條件與溫度裂縫的關系 在完全約束下混凝土結構物的溫度變形是溫差與溫度線膨脹系數的乘積。即：ε=ΔT·α；當ε超過混凝土的極限拉伸值εp時，便出現(xiàn)裂縫。式中ε為混凝土收縮時的相對變形，ΔT為溫差，α為混凝土的溫度線膨脹系數。 混凝土的溫度線膨脹系數α一般為10×10-6/℃，極限拉伸值εp，一般在50～100×10-6之間，此時容許混凝土的內外溫差值應為5～10℃。而實踐證明，多數工程混凝土的溫差一般在20～25℃之間尚未開裂。這主要因為結構物不可能受到絕對約束，混凝土也不可能完全沒有徐變和塑性變形的緣故。如果結構因變形產生的最大應力小于材料的抗拉或抗壓強度時，結構的伸縮縫間距為無窮大，不設伸縮縫也不會裂；相反，當其最大應力超過材料的抗拉強度時，無論結構尺寸多短，混凝土也會產生裂縫。這不僅說明約束的重要性，也說明伸縮縫間距不是控制裂縫的唯一條件。 ?。?） 混凝土的收縮變形 新澆筑的混凝土中有80%的游離水分需要蒸發(fā)，多余水分的蒸發(fā)會引起混凝土體積的收縮(干縮)，這種收縮變形不受約束條件的影響。若有約束，即可引起混凝土的開裂，并隨齡期的增長而發(fā)展。混凝土的收縮機理比較復雜，其最大的原因，可能是內部孔隙水蒸發(fā)變化時引起的毛細管引力。收縮在很大程度上是有可逆現(xiàn)象的。如果混凝土收縮后，再處于水飽和狀態(tài)，還可以恢復膨脹并幾乎達到原有的體積。干濕交替將引起混凝土體積的交替變化，這對混凝土是很不利的。有關研究資料表明，混凝土的最終收縮(變形)值一般在2～6×10-4范圍內波動，有時高達10×10-4。在工程計算中，混凝土的極限收縮值一般取3.24×10-4。 在大體積混凝土溫度裂縫計算中，可將混凝土的收縮值，換算成相當于引起同樣溫度變形所需要的溫度值，即“收縮當量溫差”，以便按溫差計算混凝土的應力。實踐證明，由混凝土收縮變形引起的溫度應力是不可忽視的。此外，影響混凝土收縮的因素很多，主要是水泥品種和混合材、混凝土的配合成分、化學外加劑以及施工工藝（特別是養(yǎng)護條件）等。 2. 大體積混凝土裂縫控制措施 控制大體積混凝土開裂應從兩個方面入手。一方面，提高混凝土的抗拉強度，使其足夠大，大到各種因素引起的開裂應力小于它。另一方面，控制各種溫度應力和混凝土的干縮變形，使其盡可能小，使之小于混凝土的抗拉強度。 2.1 提高混凝土抗裂能力 （1） 摻膨脹劑 在混凝土中摻膨脹劑，混凝土在硬化過程中產生體積膨脹，這部分膨脹可以部分或全部補償硬化過程中冷縮和干縮。減少或避免混凝土的開裂?，F(xiàn)在商品膨脹劑有UEA膨脹劑，F(xiàn)H復合膨脹劑，F(xiàn)N-M明礬石膨脹劑；PG硫鋁酸鹽型膨脹劑等等。其中UEA膨脹劑應用較多，在混凝土中摻入10%～12%，其限制膨脹率為0.02%～0.04%，可在混凝土中建立0.2～0.7MPa預壓力，從而抵消混凝土在硬化過程中產生的全部或部分拉應力。 [Page] （2） 摻增強材料 在混凝土中摻入增強材料，可以提高混凝土的抗拉強度。如在混凝土中摻入有機纖維，無機纖維、金屬纖維，可明顯提高混凝土的抗拉強度。 ?。?） 配溫度筋 合理配筋可以提高混凝土的抗拉強度，而且當鋼筋的直徑較細，間距較密時，對提高混凝土的抗裂效果較好。如分布鋼筋(6～8)的間距在100mm以下時，混凝土的裂縫寬度可限制在0.05mm以下。對大體積的基礎工程，中間配筋少，增加一些溫度筋，可提高抗裂性。 ?。?） 提高混凝土的強度 混凝土的強度等級提高，其抗拉強度也相應提高，增強了抗裂度，可以通過優(yōu)選水泥及配合比，減少水灰比，采用合理的施工工藝，提高混凝土的強度。 2.2 控制溫度應力 ?。?） 降低混凝土的絕熱溫升 1) 減少水泥用量。水泥水化放熱是混凝土升溫的內熱源，降低水泥用量，就減少了水化熱。一般方法有：減少坍落度，摻大塊石、減少砂漿，使用減水劑，緩凝劑，摻混合材(如粉煤灰)，采用先進的攪拌工藝。 2) 使用低熱水泥。選用水化熱低的水泥，優(yōu)先選用大壩水泥、礦渣水泥、粉煤灰硅酸鹽水泥、火山灰水泥，減少水化熱引起的絕熱溫升。 3) 降低澆筑溫度。澆筑溫度低可以降低最高溫升。盡量避免炎熱的夏季施工，不宜中午澆筑，對原材料實行預冷卻等，盡可能降低澆筑溫度。 4) 降低當量溫度。當量溫度是由于干縮引起的，應減少干縮率。影響干縮率的主要因素有骨料、養(yǎng)護條件、水灰比、摻合料等。 5) 強制降溫。在混凝土內部預埋水管，通入冷卻水，降低混凝土內部的最高溫度。 ?。?） 減少約束 1) 減小外部約束。大體積混凝土一般是厚實體大的整澆結構物，地基對其約束十分明顯，這是引起約束收縮，產生裂縫的一個主要因素。減小地基約束的方法是設置滑動層，即在塊體與地基之間設置砂墊層或瀝青油氈層，允許塊體自由變形，避免開裂?；驕p小塊體與地基的粗糙程度，塊體的截面變化應平緩。合理分塊，減小約束范圍，減輕約束作用，使收縮自由。分塊的方法有設伸縮縫、施工縫、后澆帶。 2) 減小內部約束。內部約束主要是內外溫差過大造成的，解決的方法是加強保溫養(yǎng)護，控制內外溫差、降溫速率，保證濕度。保溫法有覆蓋法，暖棚法、蓄水法。覆蓋法就是在混凝土澆筑完畢，用保溫材料(如油布、鋸末、草袋、塑料布等)覆蓋在混凝土上面；暖棚法是在塊體上面搭設大棚，通過人工加熱使棚內空氣滿足溫控條件。蓄水法是在混凝土終凝后，在塊體表面蓄一定高度的水，利用水的導熱系數低，達到隔熱保溫效果。 3. 結束語 文章主要討論了大體積混凝土結構裂縫產生的原因及施工中控制裂縫的方法。造成大體積混凝土結構裂縫的原因是復雜的，綜合性的。通過對大體積混凝土結構裂縫的分析，找出導致裂縫的主要原因是由于水泥水化熱升高使混凝土溫度變化產生的溫度應力大于混凝土的抗拉強度而造成大體積混凝土產生裂縫。 控制大體積混凝土裂縫的方法是提高混凝土的抗裂能力和控制溫度應力。為提高混凝土的抗裂性可采取摻膨脹劑、摻增強材料、配溫度筋、提高混凝土強度等方法，以提高大體積混凝土本身的抗極限拉伸能力。從原材料選擇和施工工藝出發(fā)，減少水泥用量，采取使用低熱水泥、降低澆筑溫度、降低混凝土的干縮、強制降溫、減少外部約束和減少內部約束等措施可以達到控制溫度應力的目的。此外，在實際大體積混凝土施工過程中，只要認真研究，措施到位，一定可以將大體積混凝土結構的裂縫控制在規(guī)范允許的范圍內。 參考文獻： [1] 朱伯芳. 大體積混凝土溫度應力與溫度控制[M]. 北京:中國電力出版社, 1999. [2] 王鐵夢. 工程結構裂縫控制[M]. 北京:中國建筑工業(yè)出版社, 1997. [3] 劉京紅, 梁鉦, 劉曉華, 等. 大體積混凝土施工中的溫度監(jiān)測及裂縫控制[J]. 河北農業(yè)大學學報, 2008,31(2):106-109. [4] 趙育紅. 某工程大體積混凝土裂縫控制方法[J]. 四川建筑科學研究, 2007,33 (4):229-231. [5] 皮全杰, 胡紫日, 李杰, 等. 大體積混凝土裂縫控制技術在國家體育場的應用[J]. 混凝土,2007, (8):93-94. |
| 原作者： 郝玉龍 |
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