大體積混凝土早期溫度裂縫的控制

摘要：溫度應(yīng)力是目前混凝土早期開(kāi)裂的一個(gè)很重要的因素，水泥水化熱是混凝土早期溫度應(yīng)力的主要來(lái)源，施工過(guò)程中通過(guò)控制水泥水化熱，將大體積混凝土早期溫度開(kāi)裂的潛在危險(xiǎn)性降至最低。

關(guān)鍵詞：大體積混凝土早期溫度裂縫控制

0引言

近年來(lái)，隨著大體積混凝土在工程中的廣泛應(yīng)用，大體積混凝土早期開(kāi)裂也已經(jīng)成為困擾混凝土工程界的焦點(diǎn)問(wèn)題。導(dǎo)致大體積混凝土開(kāi)裂的原因有很多，比如，水泥水化熱引起的溫度應(yīng)力和溫度變形、內(nèi)外約束條件的影響、外界氣溫變化的影響、混凝土內(nèi)的收縮變形等。德國(guó)慕尼黑技術(shù)大學(xué)R.Springenschmid教授認(rèn)為，混凝土的2／3應(yīng)力來(lái)自于溫度變化，1／3來(lái)自干縮和濕脹。可見(jiàn)溫度應(yīng)力是目前大體積混凝土開(kāi)裂的一個(gè)很重要的因素。又因?yàn)樗嗨療崾腔炷猎缙跍囟葢?yīng)力的主要來(lái)源，為了保證大體積混凝土結(jié)構(gòu)具有可靠的強(qiáng)度和耐久性能，必須在施工過(guò)程中通過(guò)控制水泥水化熱，將大體積混凝土早期溫度開(kāi)裂的潛在危險(xiǎn)性降至最低。

1大體積混凝土早期產(chǎn)生溫度裂縫的原因

混凝土在凝結(jié)硬化過(guò)程中，水泥水化產(chǎn)生大量水化熱，這些熱量積聚而導(dǎo)致混凝土內(nèi)部溫升較快：混凝土結(jié)構(gòu)本身體積厚大，導(dǎo)熱系數(shù)低，熱量不易散發(fā)，從而造成與混凝土表面產(chǎn)生過(guò)大溫差，從而產(chǎn)生拉應(yīng)力。當(dāng)拉應(yīng)力超過(guò)此時(shí)混凝土的極限抗拉強(qiáng)度時(shí)，混凝土表面將開(kāi)裂，產(chǎn)生溫差裂縫。一般情況下，混凝土的內(nèi)外溫差不宜超過(guò)25％，否則混凝土將產(chǎn)生溫差裂縫。故《混凝土結(jié)構(gòu)工程驗(yàn)收規(guī)范》(GB50204-2001)規(guī)定：大體積混凝土的澆筑溫度不宜超過(guò)28℃。

2水泥水化的放熱過(guò)程

水泥的水化熱釋放主要集中在早期，美國(guó)學(xué)者梅泰(Mehta，P.K)認(rèn)為，水泥加水拌和后，立即出現(xiàn)放熱(稱為第一個(gè)放熱峰)，持續(xù)幾分鐘，這可能是鋁酸鹽和硫酸鹽的溶解熱。下～階段是形成鈣礬石所放出的熱量，對(duì)于大部分水泥，大約在4—8h后，會(huì)達(dá)到第二個(gè)放熱峰頂點(diǎn)，除鈣礬石形成熱外它也包括C，S的一些溶解熱和C-S-H的形成熱。水泥在開(kāi)始3d內(nèi)大致會(huì)放出50％的水化熱，混凝土ld和3d的絕熱溫升相應(yīng)為24.4℃和30.1℃。混凝土溫升的高峰一般出現(xiàn)在澆注后的3-4d，摻粉煤灰后可推遲至5-6d，因此，從減少混凝土早期溫度應(yīng)力出發(fā)，應(yīng)盡量減少水泥水化熱。

3控制大體積混凝土早期溫度裂縫措施

3.1降低早期水化放熱減少水泥水化熱可以通過(guò)以下幾項(xiàng)措施來(lái)達(dá)到目的。

3.1.1優(yōu)選原材料①水泥：由于溫差主要是由水化熱產(chǎn)生的，所以為了減小溫差就要盡量降低水化熱，為了降低水化熱，要盡量采取早期水化熱低的水泥，由于水泥的水化熱是礦物成分與細(xì)度的函數(shù)，要降低水泥的水化熱，主要是選擇適宜的礦物組成和調(diào)整水泥的細(xì)度模數(shù)，硅酸鹽水泥的礦物組成主要有：C3S、C2S、C3A和C4AF，試驗(yàn)表明：水泥中鋁酸三鈣(C3A)和硅酸三鈣(C3S)含量高的，水化熱較高，所以，為了減少水泥的水化熱，必須降低熟料中C3A和C3S的含量。在施工中一般采用中熱硅酸鹽水泥和低熱礦渣水泥。另外，在不影響水泥活性的情況下，要盡量使水泥的細(xì)度適當(dāng)減小，因?yàn)樗嗟募?xì)度會(huì)影響水化熱的放熱速率，試驗(yàn)表明比表面積每增加100cm／g，1d的水化熱增加17J／g一21J／g，7d和20d均增加4J／g～12J／g。②摻加粉煤灰：為了減少水泥用量，降低水化熱并提高和易性，我們可以把部分水泥用粉煤灰代替，在混凝土中摻入粉煤灰可以改善混凝土的和易性，降低氣溫，減少收縮，提高混凝土抗浸蝕性具有良好的效果。水泥水化作用是放熱反應(yīng)，1 kg水泥放出原熱量可高達(dá)500J，它能使混凝土中的溫度達(dá)到75℃以上。因其內(nèi)部產(chǎn)生的水化熱造成溫度急劇上升，與混凝土表面形成溫度梯度，故內(nèi)部產(chǎn)生拉應(yīng)力，它們都能使混凝土開(kāi)裂。如能采取技術(shù)措施將混凝土溫度的頂峰溫度加以限制，則能避免開(kāi)裂。采用冷卻措施降低溫度，這樣費(fèi)用增加較多，用粉煤灰代替部分水泥，對(duì)混凝土溫度起到緩解作用。③骨料：盡量擴(kuò)大粗骨料的粒徑，因?yàn)榇止橇狭皆酱螅?jí)配越好，孔隙率越小，總表面積越小，每立方米的用水泥砂漿量和水泥用量就越小，水化熱就隨之降低，對(duì)防止裂縫的產(chǎn)生有利。對(duì)于細(xì)骨料宣采用級(jí)配良好的中砂和中粗砂，最好用中粗砂，因?yàn)槠淇紫堵市。偙砻娣e小，這樣混凝土的用水量和水泥用量就可以減少，水化熱就低，裂縫就減少，另一方面，要控制砂子的含泥量，含混量越大，收縮變形就越大，裂縫就越嚴(yán)重，因此細(xì)骨料盡量用干凈的中粗沙。

3.1.2優(yōu)化混凝土的配合比在商品混凝土原材料一定的情況下，配合比對(duì)混凝土收縮裂縫產(chǎn)生有重要影響，主要是單位水泥用量，水灰比，砂率等。對(duì)配合比的控制主要有以下幾點(diǎn)：①商品混凝土應(yīng)對(duì)混凝土的配合比進(jìn)行優(yōu)化：②不同季節(jié)、不同的施工環(huán)境應(yīng)采用不同的配合比；③不同用途的混凝土應(yīng)采用不同的配合比：④原材料變化時(shí)應(yīng)重新確定配合比；⑤加強(qiáng)原材料的計(jì)量與控制，特別要加強(qiáng)雨季砂、石含水量的控制；⑥商品混凝土的水灰比宜為0 4～0.6，砂率宜為38％-45％，最小水泥用量宜為300kg／m3。因此，不良原配合比會(huì)產(chǎn)生混凝土收縮加大，引起開(kāi)裂。

3.2摻加外加劑摻加緩凝劑與減水劑，緩凝劑的作用一是延緩混凝土放熱峰值出現(xiàn)的時(shí)間，由于混凝土的強(qiáng)度會(huì)隨齡期的增長(zhǎng)而增大，所以等放熱峰值出現(xiàn)時(shí)，混凝土強(qiáng)度也增大了，從而減小裂縫出現(xiàn)的機(jī)率，二是改善和易性，減少運(yùn)輸過(guò)程中的塌落度損失。減水劑的主要作用改善混凝土的和易性，降低水灰比，提高混凝土強(qiáng)度或在保持混凝土一定強(qiáng)度時(shí)減少水泥用量，而水灰比的降低，水泥用量的減少對(duì)防止開(kāi)裂是十分有利的。加入外加劑后，可延長(zhǎng)混凝土的凝結(jié)時(shí)間，采取分層澆筑混凝土，利用澆筑面散熱，并大大減少施工中出現(xiàn)冷縫的可能性。

3.3優(yōu)化大體積混凝土澆筑施工工藝

3.3.1降低混凝土八模溫度澆筑大體積混凝土?xí)r應(yīng)選擇較適宜的氣溫，盡量避開(kāi)炎熱天氣澆筑。夏季可采用溫度較低的地下水?dāng)嚢杌炷粒蛟诨炷涟韬退屑尤氡鶋K，同時(shí)對(duì)骨料進(jìn)行遮陽(yáng)、灑水降溫，在運(yùn)輸及澆筑過(guò)程中也采用遮陽(yáng)保護(hù)、灑水降溫等措施，以降低混凝土拌和物的入模溫度；摻加相應(yīng)的緩凝型減水劑；在混凝土入模時(shí)，還可以采取強(qiáng)制通風(fēng)措施，加速模內(nèi)熱量的散發(fā)。

3.3.2加強(qiáng)施工中的溫度控制大體積混凝土應(yīng)分層澆注，每層澆注厚度不大于30～50cm。澆注過(guò)程中要進(jìn)行振搗方可密實(shí)，振搗時(shí)間應(yīng)均勻一致以表面泛漿為宜，間距要均勻，以振搗力波及范圍重疊二分之一為宜，振搗后1～2h混凝土可進(jìn)行二次振搗。澆注完畢后，表面要壓實(shí)、抹平，以防止表面裂縫。另外，澆注混凝土要求分層澆注，分層流水振搗，同時(shí)要保證上層混凝土在下層初凝前結(jié)合緊密。避免縱向施工縫、提高結(jié)構(gòu)整體性和抗剪性能。

3.4確保大體積混凝土早期有效養(yǎng)護(hù)在混凝土澆筑之后，做好混凝土的保溫保濕養(yǎng)護(hù)，以使混凝土緩緩降溫，充分發(fā)揮其徐變特性，減低溫度應(yīng)力。夏季應(yīng)堅(jiān)決避免曝曬，注意保濕；冬季應(yīng)采取措施保溫覆蓋，以免發(fā)生急劇的溫度梯度變化；采取長(zhǎng)時(shí)間的養(yǎng)護(hù)，確定合理的拆模時(shí)間，以延緩降溫速度，延長(zhǎng)降溫時(shí)間，充分發(fā)揮混凝土的“應(yīng)力松弛效應(yīng)”：加強(qiáng)測(cè)溫和溫度監(jiān)測(cè)。可采用熱敏溫度計(jì)監(jiān)測(cè)或?qū)Ｈ硕帱c(diǎn)監(jiān)測(cè)，以隨時(shí)掌握與控制混凝土內(nèi)的溫度變化。混凝土內(nèi)外溫差應(yīng)控制在25度以內(nèi)，基面溫差和基底面溫差均控制在20度以內(nèi)，并及時(shí)調(diào)整保溫及養(yǎng)護(hù)措施，使混凝土的溫度梯度和濕度不致過(guò)大，以有效控制有害裂縫的出現(xiàn)。

由于影響大體積混凝土早期開(kāi)裂的因素較多，溫度應(yīng)力產(chǎn)生的裂縫僅是一個(gè)方面，在施工中必須全面考慮加以綜合防治，才能保證大體積混凝土結(jié)構(gòu)的工程質(zhì)量。