大體積混凝土施工裂縫控制分析

宋文英 中國成達工程有限公司 成都 610041

大體積混凝土施工裂縫控制分析

宋文英＊中國成達工程有限公司 成都 610041

分析大體積混凝土裂縫產生的原因及控制裂縫產生的措施。

體積混凝土 水化熱 裂縫 原因分析 控制措施

大體積混凝土一般指厚度大于1m的建、構筑物,由于在施工中水化熱會導致內部溫升較高,收縮大,一旦養護不當極易引起裂縫。

這不僅對建、構筑物外觀產生較大影響,同時對使用功能和耐久性產生影響,嚴重時對建、構筑物的安全構成威脅,甚至于完全喪失使用功能,裂縫問題引起了人們的廣泛關注。根據國內外的調查資料,工程實踐中結構物的裂縫原因,屬于變形變化(溫度、濕度、地基變形)引起的占80%以上,屬于荷載引起的約占20%。

本文僅討論裂縫產生的原因及控制措施。

1 裂縫產生的原因

混凝土產生裂縫的原因是多方面的,例如外荷載的作用、濕度、溫度的變化、基礎不均勻沉降、混凝土的收縮徐變、構件的配筋不合理以及施工方法不當等都可能引起混凝土構件的開裂。其中,溫度和濕度變化是主要的原因。

(1)混凝土硬化期間水泥釋放出大量水化熱,內部溫度不斷上升,在表面引起拉應力。后期在降溫過程中,由于受到基礎或已澆注混凝土的約束,又會在混凝土內部出現拉應力。氣溫的降低也會在混凝土表面引起很大的拉應力。當這些拉應力超過混凝土的抗拉強度時,就會產生裂縫。

(2)許多混凝土的內部濕度變化很小或變化較慢,但表面濕度可能變化較大或發生劇烈變化。如養護不當、時干時濕,表面干縮形變受到內部混凝土的約束,也會導致裂縫的產生。

(3)混凝土是一種脆性材料,抗拉強度是抗壓強度的1/10左右,短期加荷時的極限拉伸變形為(0.6～1.0)×10-4;長期加荷時的極限拉伸變形為(1.2～2.0)×10-4。由于原材料不均勻,水灰比不穩定,及運輸和澆筑過程中的離析現象,即便是在同一塊混凝土中其抗拉強度也是不均勻的,存在著抗拉能力低,易于出現裂縫的薄弱部位。因此掌握溫度應力的變化規律對于進行合理的結構設計和施工極為重要。

2 溫度應力分析

2.1 溫度應力的形成過程

溫度應力的形成過程可分為三個階段:

(1)自澆筑混凝土開始至水泥放熱基本結束。這個階段有兩個特征:①水泥放出大量的水化熱;②混凝土彈性模量的急劇變化。由于彈性模量的變化,這一時期在混凝土內形成殘余應力。

(2)自水泥放熱作用基本結束時起至混凝土冷卻到穩定溫度時止,這階段溫度應力主要是由于混凝土的冷卻及外界氣溫變化所引起,這些應力與早期形成的殘余應力相疊加,但混凝土的彈性模量的變化不大。

(3)在混凝土完全冷卻后,溫度應力主要是外界氣溫變化所引起,這些應力與前兩種殘余應力相疊加。

2.2 溫度應力的形成原因

溫度應力形成的原因可分為兩類:

(1)自生應力:邊界上沒有任何約束或完全靜止的結構,如果內部溫度是非線性分布的,由于結構本身互相約束而出現的溫度應力。例如,橋梁墩身結構尺寸相對較大,混凝土冷卻時表面溫度低,內部溫度高,在表面出現拉應力。

(2)約束應力:結構的全部或部分邊界受到外界的約束,不能自由變形而引起的應力。如大塊式筏板基礎受到巖石地基的約束產生的應力。

這兩種溫度應力往往和混凝土的干縮所引起的應力共同作用。混凝土的徐變使溫度應力有相當大的松弛,計算溫度應力時,必須考慮徐變的影響。

3 控制裂縫的措施

控制混凝土裂縫貫穿于設計、選材及施工全過程,可采取許多適當的技術措施。

3.1 設計

(1)大體積混凝土底板應在滿足抗彎及抗沖切計算要求下,采用強度等級在C20～C35范圍內的混凝土,考慮到建設周期長的特點,可以利用混凝土60d或90d的后期強度,這樣既可減少混凝土中的水泥用量,又能降低混凝土澆筑塊體的溫度。

(2)大體積混凝土基礎除應滿足承載力和構造要求外,還應增配承受水泥水化熱引起的溫度應力及控制裂縫開展的鋼筋,以構造鋼筋來控制裂縫,配筋應盡可能采用小直徑、小間距。采用直徑8～14mm的鋼筋和100～150mm間距是比較合理的。

(3)當基礎設置于巖石地基上時,宜在混凝土墊層上設置滑動層。

(4)避免結構突變(或斷面突變)產生應力集中。轉角和孔洞處增設構造加強筋。

(5)大體積基礎采用“后澆帶”來控制施工期間的較大溫差及收縮應力,后澆帶宜控制在20～30m。

3.2 選材

(1)采用降低水泥用量的方法來降低混凝土的絕對溫升值,既便于控制混凝土澆筑后的內外溫差和降溫速度,又可降低保溫養護的費用,這是大體積混凝土配合比選擇的特殊性。

(2)選用水化熱低的水泥澆筑大體積混凝土。

(3)采用含泥量小于1.5%、5～40mm顆粒級配的石子。

(4)采用含泥量小于1.5%的中、粗砂。

3.3 施工

為了防止裂縫,減小溫度應力可以從控制溫度、改善約束條件和保溫保濕方面著手。

3.3.1 控制溫度

(1)采用改善骨料級配,摻混合料,加引氣劑或塑化劑等措施以減少混凝土中的水泥用量。

(2)拌合混凝土時加水或用水將碎石冷卻以降低混凝土的入模溫度。

(3)減小澆筑厚度,利用澆筑層面散熱。

(4)規定合理的拆模時間,氣溫驟降時進行保溫,以免混凝土表面發生急劇的溫度梯度。

(5)在寒冷季節對施工中長期暴露的混凝土澆筑塊或薄壁結構采取保溫措施。

(6)控制混凝土內外溫差不大于25℃。(7)控制降溫速度。

3.3.2 改善約束條件

(1)合理地分縫分塊。

(2)避免基礎過大起伏。

(3)合理安排施工工序,避免過大的高差和側面長期暴露。

3.3.3 保溫保濕

采用草袋和塑料薄膜進行保溫保濕養護。

4 結語

大體積混凝土應重視溫度應力的分析,設計措施應控制混凝土內外溫差及降溫速度,合理有效進行保溫保濕工作,以防止或控制裂縫的產生,確保工程質量。

1 GB 50010-2002,混凝土結構設計規范[S].

2 GB 50007-2002,建筑地基基礎設計規范[S].

3 王鐵夢.工程結構裂縫控制[M].北京:中國建筑工業出版社,1997.

4 朱柏芳.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.

＊宋文英:高級工程師。1998年畢業于四川大學建筑工程專業。現從事工程設計工作。聯系電話:(028)65531909。

2009-04-08)